黄昆固体物理习题解答.doc

——答案在王矜奉《固体物理概念题和****题指导》p10第17题
设晶体中每个振子的零点振动能为,使用德拜模型求晶体的零点振动能。
证明:根据量子力学零点能是谐振子所固有的,与温度无关,故T=0K时振动能就是各振动模零点能之和。
和代入积分有
,由于
一股晶体德拜温度为~,可见零点振动能是相当大的,其量值可与温升数百度所需热能相比拟.
,根据状态简并微扰结果,求出与及相应的波函数及?,,并比较两个电子云分布说明能隙的来源(假设=)。
<解>令,,简并微扰波函数为

取
带入上式,其中
V(x)<0,,从上式得到B= -A,于是
=
取,
=
由教材可知,及均为驻波. 在驻波状态下,,电子波的波长,恰好满足布拉格发射条件,这时电子波发生全反射,并与反射波形成驻波由于两驻波的电子分布不同,所以对应不同代入能量。
,马德隆常数的计算
<解> 设想一个由正负两种离子相间排列的无限长的离子键,取任一负离子作参考离子(这样马德隆常数中的正负号可以这样取,即遇正离子取正号,遇负离子取负号),用r表示相邻离子间的距离,于是有

前边的因子2是因为存在着两个相等距离的离子,一个在参考离子左面,一个在其右面,故对一边求和后要乘2,马德隆常数为
当X=1时,有
, 电子在周期场中的势能.

0 ,
其中d=4b,,求其平均值及此晶体的第一个和第二个禁带度.
<解>(I)题设势能曲线如下图所示.
(2)势能的平均值:由图可见,是个以为周期的周期函数,所以
题设,故积分上限应为,但由于在区间内,,,于是
。
(3),势能在[-2b,2b]区间是个偶函数,可以展开成傅立叶级数
利用积分公式得
第二个禁带宽度代入上式
再次利用积分公式有
,考虑一双原子链的晶格振动,链上最近邻原子间力常数交替为c和10 ,。
<解> a/2 C 10c


,

将代入上式有

是U,v的线性齐次方程组,存在非零解的条件为
=0,解出
当K=0时, 当K=时

(例如)晶体
, Ne的结合能,用林纳德—琼斯(Lennard—Jones)结构中的结合能之比值.
<解>

,从气体的测量得到Lennard—结构的的结合能[以KJ/mol单位),,试与计算值比较.
<解> 以为基团,结构的晶体,如略去动能,分子间按Lennard—Jones势相互作用,则晶体的总相互作用能为:
因此,,,量子修正是很重要的,我们计算中没有考虑零点能的量子修正,这正是造成理论和实验值之间巨大差别的原因.
,证明一个自由简单晶格在第一布里渊区顶角上的一个自由电子动能比该区一边中点大2倍.(b)对于一个简单立力晶格在第一布里渊区顶角上的一个自由电子动能比该区面心上大多少?(c)(b)的结果对于二价金属的电导率可能会产生什么影响7
<解>(a)二维简单正方晶格的晶格常数为a,倒格子晶格基矢
第一布里渊区如图所示

0




所以
b)简单立方晶格的晶格常数为a,倒格子基矢为
第一布里渊区如图7—2所示.
所以
(c)如果二价金属具有简单立方品格结构,布里渊区如图7—,自由电子的能量为,(b)可知,内切于4点的内切球的体积,于是在K空间中,内切球内能容纳的电子数为其中
二价金属每个原子可以提供2个自由电子,,,则余下的电子只能填满第一区内余下的所有状态(包括B点).这样,(b)可知,B点的能员比A点高很多,从能量上看,,对于二价金属,布里渊区边界上的能隙很小,对于三维晶体,可出现一区、,处于第一区角顶附近的高能态的电子可以“流向”第二区中的能量较低的状态,并形成横跨一、,一区中有空态存在,而二区中有电子存在,,多数的二价金届具有六角密堆和面心立方结构,能带出现重达,所以