固體物理第2章思考題

1、固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院1思考題思考題1 1 晶體的結(jié)合能晶體的結(jié)合能, , 晶體的內(nèi)能晶體的內(nèi)能, , 原子間的相互作用勢(shì)能有何原子間的相互作用勢(shì)能有何區(qū)別區(qū)別? ? 解答：自由粒子結(jié)合成晶體過(guò)程中釋放出的能量解答：自由粒子結(jié)合成晶體過(guò)程中釋放出的能量, , 或者把晶或者把晶體拆散成一個(gè)個(gè)自由粒子所需要的能量體拆散成一個(gè)個(gè)自由粒子所需要的能量, , 稱為晶體的結(jié)合稱為晶體的結(jié)合能。原子的動(dòng)能與原子間的相互作用勢(shì)能之和為晶體的內(nèi)能。原子的動(dòng)能與原子間的相互作用勢(shì)能之和為晶體的內(nèi)能。在能。在0K0K時(shí)時(shí), , 原子還存在零點(diǎn)振動(dòng)能原子還存在零點(diǎn)振動(dòng)能. .

2、但零點(diǎn)振動(dòng)能與原但零點(diǎn)振動(dòng)能與原子間的相互作用勢(shì)能的絕對(duì)值相比小得多子間的相互作用勢(shì)能的絕對(duì)值相比小得多. . 所以所以, , 在在0K0K時(shí)時(shí)原子間的相互作用勢(shì)能的絕對(duì)值近似等于晶體的結(jié)合能。原子間的相互作用勢(shì)能的絕對(duì)值近似等于晶體的結(jié)合能。固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院2思考題思考題2 2 你認(rèn)為固體的彈性強(qiáng)弱主要由排斥作用決定呢你認(rèn)為固體的彈性強(qiáng)弱主要由排斥作用決定呢, , 還是吸引還是吸引作用決定作用決定? ? 解答：如右圖所示，解答：如右圖所示，r r0 0附近的力曲附近的力曲線越陡線越陡, , 當(dāng)施加一定外力當(dāng)施加一定外力, , 固體的固體的形變就越

3、小。形變就越小。r0附近力曲線的斜率決附近力曲線的斜率決定了固體的彈性性質(zhì)。而定了固體的彈性性質(zhì)。而r0附近力曲附近力曲線的斜率主要取決于排斥力。線的斜率主要取決于排斥力。 因此因此, , 固體的彈性強(qiáng)弱主要由排斥作用決固體的彈性強(qiáng)弱主要由排斥作用決定定. . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院3思考題思考題3 3 固體呈現(xiàn)宏觀彈性的微觀本質(zhì)是什么固體呈現(xiàn)宏觀彈性的微觀本質(zhì)是什么? ? 解答：固體受到外力作用時(shí)發(fā)生形變解答：固體受到外力作用時(shí)發(fā)生形變, , 外力撤消后形變消失外力撤消后形變消失的性質(zhì)稱為固體的彈性的性質(zhì)稱為固體的彈性. . 設(shè)無(wú)外力時(shí)相鄰原子間的距離

4、為設(shè)無(wú)外力時(shí)相鄰原子間的距離為r0, , 當(dāng)相鄰原子間的距離當(dāng)相鄰原子間的距離rrr0時(shí)時(shí), , 吸引力起主導(dǎo)作用吸引力起主導(dǎo)作用; ; 當(dāng)當(dāng)相鄰原子間的距離相鄰原子間的距離rrrr0 0時(shí)時(shí), , 排斥力起主導(dǎo)作用。當(dāng)固體受排斥力起主導(dǎo)作用。當(dāng)固體受擠壓時(shí)擠壓時(shí),rr,r,rr0, , 原子間的吸引力抗擊著這一形變?cè)娱g的吸引力抗擊著這一形變. . 因此因此, , 固體呈現(xiàn)宏觀彈性的微觀本質(zhì)是原子間存在著相互作用力固體呈現(xiàn)宏觀彈性的微觀本質(zhì)是原子間存在著相互作用力, , 這種作用力既包含著吸引力這種作用力既包含著吸引力, , 又包含著排斥力又包含著排斥力. . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與

5、固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院4思考題思考題4 4 你是如何理解彈性的你是如何理解彈性的, , 當(dāng)施加一定力當(dāng)施加一定力, , 形變大的彈性形變大的彈性強(qiáng)呢強(qiáng)呢, , 還是形變小的強(qiáng)還是形變小的強(qiáng)? ? 解答：對(duì)于彈性形變解答：對(duì)于彈性形變, , 相鄰原子間的距離在相鄰原子間的距離在r r0 0附近變化附近變化. . 令令r=rr=r0 0+ +r r, , 則有則有因?yàn)橐驗(yàn)閞/rr/r0 0是相對(duì)形變是相對(duì)形變, , 彈性力學(xué)稱為應(yīng)變彈性力學(xué)稱為應(yīng)變, , 并計(jì)作并計(jì)作S, S, 所以原子間的作用力所以原子間的作用力)1 ()1 ()(00000rrmrrrrrrrmmmmm)1 (00r

6、rnrrnnSrBnrAmrBnSrAmSrBrArBrAfnmnmnmnm)(000000固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院5思考題思考題4 4 再令：再令： 可見(jiàn)可見(jiàn), , 當(dāng)施加一定力當(dāng)施加一定力, , 形變形變S S大的固體大的固體c c小小, , 形變形變S S小的固體小的固體c c大大. . 固體的彈性是固體的屬性固體的彈性是固體的屬性, , 它與外力和形變無(wú)關(guān)它與外力和形變無(wú)關(guān). . 彈彈性常數(shù)性常數(shù)c c是固體的屬性是固體的屬性, , 它的大小可作為固體彈性強(qiáng)弱的度它的大小可作為固體彈性強(qiáng)弱的度量量. . 因此因此, , 當(dāng)施加一定力當(dāng)施加一定力,

7、, 形變大的彈性弱形變大的彈性弱, , 形變小的強(qiáng)形變小的強(qiáng). . 從這種意義上說(shuō)從這種意義上說(shuō), , 金剛石的彈性最強(qiáng)金剛石的彈性最強(qiáng). .)(00nmrBnrAmccSf 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院6思考題思考題5 5 共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合, , 兩原子電子云交迭產(chǎn)生吸引兩原子電子云交迭產(chǎn)生吸引, , 而原子靠近時(shí)而原子靠近時(shí), , 電子云交迭會(huì)產(chǎn)生巨大的排斥力電子云交迭會(huì)產(chǎn)生巨大的排斥力, , 如何解釋如何解釋? ? 解答解答 共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合, , 形成共價(jià)鍵的配對(duì)電子形成共價(jià)鍵的配對(duì)電子, , 它們的自旋方向它們的自旋方向相反相反, , 這兩個(gè)電子的電

8、子云交迭使得體系的能量降低這兩個(gè)電子的電子云交迭使得體系的能量降低, , 結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)穩(wěn)定. . 但當(dāng)原子靠得很近時(shí)但當(dāng)原子靠得很近時(shí), , 原子內(nèi)部滿殼層電子的電原子內(nèi)部滿殼層電子的電子云交迭子云交迭, , 量子態(tài)相同的電子產(chǎn)生巨大的排斥力量子態(tài)相同的電子產(chǎn)生巨大的排斥力, , 使得系使得系統(tǒng)的能量急劇增大統(tǒng)的能量急劇增大. . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院7思考題思考題6 6 共價(jià)結(jié)合為什么有共價(jià)結(jié)合為什么有 “ “飽和性飽和性”和和 “ “方向性方向性”? ? 解答解答 設(shè)設(shè)N N為一個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)目為一個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)目, , 對(duì)于對(duì)于IVIVA A

9、、V VA A、VIVIA A、VIIVIIA A族元素，價(jià)電子殼層一共有族元素，價(jià)電子殼層一共有8 8個(gè)量子態(tài)個(gè)量子態(tài), , 最多能接納最多能接納(8-(8-N N) )個(gè)電子個(gè)電子, , 形成形成(8-(8-N N) )個(gè)共價(jià)鍵個(gè)共價(jià)鍵. . 這就是共價(jià)結(jié)合的這就是共價(jià)結(jié)合的 “飽和性飽和性”. . 共價(jià)鍵的形成只在特定的方向上共價(jià)鍵的形成只在特定的方向上, , 這些方向是配對(duì)電子波這些方向是配對(duì)電子波函數(shù)的對(duì)稱軸方向函數(shù)的對(duì)稱軸方向, , 在這個(gè)方向上交迭的電子云密度最大在這個(gè)方向上交迭的電子云密度最大. . 這就是共價(jià)結(jié)合的這就是共價(jià)結(jié)合的 “ “方向性方向性”. .固體物理學(xué)固體物理

10、學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院8思考題思考題7 7 為什么許多金屬為密積結(jié)構(gòu)為什么許多金屬為密積結(jié)構(gòu)? ? 解答解答 金屬結(jié)合中金屬結(jié)合中, , 受到最小能量原理的約束受到最小能量原理的約束, , 要求原子實(shí)要求原子實(shí)與共有電子電子云間的庫(kù)侖能要盡可能的低與共有電子電子云間的庫(kù)侖能要盡可能的低( (絕對(duì)值盡可能絕對(duì)值盡可能的大的大). ). 原子實(shí)越緊湊原子實(shí)越緊湊, , 原子實(shí)與共有電子電子云靠得就越原子實(shí)與共有電子電子云靠得就越緊密緊密, , 庫(kù)侖能就越低庫(kù)侖能就越低. . 所以所以, , 許多金屬的結(jié)構(gòu)為密積結(jié)構(gòu)許多金屬的結(jié)構(gòu)為密積結(jié)構(gòu). . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與

11、固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院9思考題思考題8 8 是否有與庫(kù)侖力無(wú)關(guān)的晶體結(jié)合類型是否有與庫(kù)侖力無(wú)關(guān)的晶體結(jié)合類型? ? 解答：共價(jià)結(jié)合中解答：共價(jià)結(jié)合中, , 電子雖然不能脫離電負(fù)性大的原子電子雖然不能脫離電負(fù)性大的原子, , 但但靠近的兩個(gè)電負(fù)性大的原子可以各出一個(gè)電子靠近的兩個(gè)電負(fù)性大的原子可以各出一個(gè)電子, , 形成電子形成電子共享的形式共享的形式, , 即這一對(duì)電子的主要活動(dòng)范圍處于兩個(gè)原子即這一對(duì)電子的主要活動(dòng)范圍處于兩個(gè)原子之間之間, , 通過(guò)庫(kù)侖力通過(guò)庫(kù)侖力, , 把兩個(gè)原子連接起來(lái)把兩個(gè)原子連接起來(lái). . 離子晶體中離子晶體中, , 正離子與負(fù)離子的吸引力就是庫(kù)侖力正離子

12、與負(fù)離子的吸引力就是庫(kù)侖力. . 金屬結(jié)合中金屬結(jié)合中, , 原子實(shí)依靠原子實(shí)與電子云間的庫(kù)侖力緊緊原子實(shí)依靠原子實(shí)與電子云間的庫(kù)侖力緊緊地吸引著地吸引著. . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院10思考題思考題8 8 分子結(jié)合中分子結(jié)合中, , 是電偶極矩把原本分離的原子結(jié)合成了晶體是電偶極矩把原本分離的原子結(jié)合成了晶體. . 電偶極矩的作用力實(shí)際就是庫(kù)侖力電偶極矩的作用力實(shí)際就是庫(kù)侖力. . 氫鍵結(jié)合中氫鍵結(jié)合中, , 氫先與電負(fù)性大的原子形成共價(jià)結(jié)合后氫先與電負(fù)性大的原子形成共價(jià)結(jié)合后, , 氫氫核與負(fù)電中心不在重合核與負(fù)電中心不在重合, , 迫使它通過(guò)庫(kù)侖力再與另一個(gè)電迫使它通過(guò)庫(kù)侖力再與另一個(gè)電負(fù)性大的原子結(jié)合負(fù)性大的原子結(jié)合. . 可見(jiàn)可見(jiàn), , 所有晶體結(jié)合類型都與庫(kù)侖力有關(guān)所有晶體結(jié)合類型都與庫(kù)侖力有關(guān). . 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院11思考題思考題9 9 如何理解庫(kù)侖力是原子結(jié)合