晶体结构思考题1以堆积模型计算由同种原子构成的同体积

第一章晶体结构思考题1.以堆积模型计算由同种原子构成的同体积的体心和面心立方晶体中的原子数之比.[解答]设原子的半径为R,体心立方晶胞的空间对角线为4R,晶胞的边长为3/4R,晶胞的体积为33/4R,一个晶胞包含两个原子,一个原子占的体积为2/3/43R,单位体积晶体中的原子数为33/4/2R;面心立方晶胞的边长为2/4R,晶胞的体积为32/4R,一个晶胞包含四个原子,一个原子占的体积为4/2/43R,单位体积晶体中的原子数为32/4/4R.因此,同体积的体心和面心立方晶体中的原子数之比为2/323=0.272.2.解理面是面指数低的晶面还是指数高的晶面？为什么？[解答]晶体容易沿解理面劈裂，说明平行于解理面的原子层之间的结合力弱，即平行解理面的原子层的间距大.因为面间距大的晶面族的指数低,所以解理面是面指数低的晶面.3.基矢为1aia,2aaj,3akji2a的晶体为何种结构?若3akj2a+i23a,又为何种结构?为什么?[解答]有已知条件,可计算出晶体的原胞的体积23321aaaa.由原胞的体积推断,晶体结构为体心立方.按照本章习题14,我们可以构造新的矢量13aau2akji,23aav2akji,321aaaw2akji.wvu,,对应体心立方结构.根据14题可以验证,wvu,,满足选作基矢的充分条件.可见基矢为1aia,2aaj,3akji2a的晶体为体心立方结构.若3akj2a+i23a,则晶体的原胞的体积23321aΩaaa,该晶体仍为体心立方结构.4.与晶列[l1l2l3]垂直的倒格面的面指数是什么?[解答]正格子与倒格子互为倒格子.正格子晶面(h1h2h3)与倒格式hKh11b+h22b+h33b垂直,则倒格晶面(l1l2l3)与正格矢lRl11a+l22a+l33a正交.即晶列[l1l2l3]与倒格面(l1l2l3)垂直.5.在结晶学中,晶胞是按晶体的什么特性选取的?[解答]在结晶学中,晶胞选取的原则是既要考虑晶体结构的周期性又要考虑晶体的宏观对称性.6.六角密积属何种晶系?一个晶胞包含几个原子?[解答]六角密积属六角晶系,一个晶胞(平行六面体)包含两个原子.7.面心立方元素晶体中最小的晶列周期为多大?该晶列在哪些晶面内?[解答]周期最小的晶列一定在原子面密度最大的晶面内.若以密堆积模型,则原子面密度最大的晶面就是密排面.由图1.9可知密勒指数(111)[可以证明原胞坐标系中的面指数也为(111)]是一个密排面晶面族,最小的晶列周期为2/2a.根据同族晶面族的性质,周期最小的晶列处于{111}面内.8.在晶体衍射中，为什么不能用可见光？[解答]晶体中原子间距的数量级为1010米，要使原子晶格成为光波的衍射光栅，光波的波长应小于1010米.但可见光的波长为7.64.0710米,是晶体中原子间距的1000倍.因此,在晶体衍射中，不能用可见光.9.高指数的晶面族与低指数的晶面族相比,对于同级衍射,哪一晶面族衍射光弱?为什么?[解答]对于同级衍射,高指数的晶面族衍射光弱,低指数的晶面族衍射光强.低指数的晶面族面间距大,晶面上的原子密度大,这样的晶面对射线的反射(衍射)作用强.相反,高指数的晶面族面间距小,晶面上的原子密度小,这样的晶面对射线的反射(衍射)作用弱.另外,由布拉格反射公式nsin2hkld可知,面间距hkld大的晶面,对应一个小的光的掠射角.面间距hkld小的晶面,对应一个大的光的掠射角.越大,光的透射能力就越强,反射能力就越弱.10.温度升高时,衍射角如何变化?X光波长变化时,衍射角如何变化?[解答]温度升高时,由于热膨胀,面间距hkld逐渐变大.由布拉格反射公式nsin2hkld可知,对应同一级衍射,当X光波长不变时,面间距hkld逐渐变大,衍射角逐渐变小.所以温度升高,衍射角变小.当温度不变,X光波长变大时,对于同一晶面族,衍射角随之变大.第2章晶体的结合思考题1.是否有与库仑力无关的晶体结合类型?[解答]共价结合中,电子虽然不能脱离电负性大的原子,但靠近的两个电负性大的原子可以各出一个电子,形成电子共享的形式,即这一对电子的主要活动范围处于两个原子之间,通过库仑力,把两个原子连接起来.离子晶体中,正离子与负离子的吸引力就是库仑力.金属结合中,原子实依靠原子实与电子云间的库仑力紧紧地吸引着.分子结合中,是电偶极矩把原本分离的原子结合成了晶体.电偶极矩的作用力实际就是库仑力.氢键结合中,氢先与电负性大的原子形成共价结合后,氢核与负电中心不在重合,迫使它通过库仑力再与另一个电负性大的原子结合.可见,所有晶体结合类型都与库仑力有关.2.如何理解库仑力是原子结合的动力?[解答]晶体结合中,原子间的排斥力是短程力,在原子吸引靠近的过程中,把原本分离的原子拉近的动力只能是长程力,这个长程吸引力就是库仑力.所以,库仑力是原子结合的动力.3.晶体的结合能,晶体的内能,原子间的相互作用势能有何区别?[解答]自由粒子结合成晶体过程中释放出的能量,或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量,称为晶体的结合能.原子的动能与原子间的相互作用势能之和为晶体的内能.在0K时,原子还存在零点振动能.但零点振动能与原子间的相互作用势能的绝对值相比小得多.所以,在0K时原子间的相互作用势能的绝对值近似等于晶体的结合能.4.原子间的排斥作用取决于什么原因?[解答]相邻的原子靠得很近,以至于它们内层闭合壳层的电子云发生重叠时,相邻的原子间便产生巨大排斥力.也就是说,原子间的排斥作用来自相邻原子内层闭合壳层电子云的重叠.5.原子间的排斥作用和吸引作用有何关系?起主导的范围是什么?[解答]在原子由分散无规的中性原子结合成规则排列的晶体过程中,吸引力起到了主要作用.在吸引力的作用下,原子间的距离缩小到一定程度,原子间才出现排斥力.当排斥力与吸引力相等时,晶体达到稳定结合状态.可见,晶体要达到稳定结合状态,吸引力与排斥力缺一不可.设此时相邻原子间的距离为0r,当相邻原子间的距离r0r时,吸引力起主导作用;当相邻原子间的距离r0r时,排斥力起主导作用.6.共价结合为什么有“饱和性”和“方向性”?[解答]设N为一个原子的价电子数目,对于IVA、VA、VIA、VIIA族元素，价电子壳层一共有8个量子态,最多能接纳(8-N)个电子,形成(8-N)个共价键.这就是共价结合的“饱和性”.共价键的形成只在特定的方向上,这些方向是配对电子波函数的对称轴方向,在这个方向上交迭的电子云密度最大.这就是共价结合的“方向性”.7.共价结合,两原子电子云交迭产生吸引,而原子靠近时,电子云交迭会产生巨大的排斥力,如何解释?[解答]共价结合,形成共价键的配对电子,它们的自旋方向相反,这两个电子的电子云交迭使得体系的能量降低,结构稳定.但当原子靠得很近时,原子内部满壳层电子的电子云交迭,量子态相同的电子产生巨大的排斥力,使得系统的能量急剧增大.8.试解释一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量的现象.[解答]当一个中性原子吸收一个电子变成负离子,这个电子能稳定的进入原子的壳层中,这个电子与原子核的库仑吸引能的绝对值一定大于它与其它电子的排斥能.但这个电子与原子核的库仑吸引能是一负值.也就是说,当中性原子吸收一个电子变成负离子后,这个离子的能量要低于中性原子原子的能量.因此,一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量.9.如何理解电负性可用电离能加亲和能来表征?[解答]使原子失去一个电子所需要的能量称为原子的电离能,电离能的大小可用来度量原子对价电子的束缚强弱.一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放出来的能量称为电子亲和能.放出来的能量越多,这个负离子的能量越低,说明中性原子与这个电子的结合越稳定.也就是说,亲和能的大小也可用来度量原子对电子的束缚强弱.原子的电负性大小是原子吸引电子的能力大小的度量.用电离能加亲和能来表征原子的电负性是符合电负性的定义的.10.为什么许多金属为密积结构?[解答]金属结合中,受到最小能量原理的约束,要求原子实与共有电子电子云间的库仑能要尽可能的低(绝对值尽可能的大).原子实越紧凑,原子实与共有电子电子云靠得就越紧密,库仑能就越低.所以,许多金属的结构为密积结构.11.你认为固体的弹性强弱主要由排斥作用决定呢,还是吸引作用决定?[解答]如上图所示,0r附近的力曲线越陡,当施加一定外力,固体的形变就越小.0r附近力曲线的斜率决定了固体的弹性性质.而0r附近力曲线的斜率主要取决于排斥力.因此,固体的弹性强弱主要由排斥作用决定.12.固体呈现宏观弹性的微观本质是什么?[解答]固体受到外力作用时发生形变,外力撤消后形变消失的性质称为固体的弹性.设无外力时相邻原子间的距离为0r,当相邻原子间的距离r0r时,吸引力起主导作用;当相邻原子间的距离r0r时,排斥力起主导作用.当固体受挤压时,r0r,原子间的排斥力抗击着这一形变.当固体受拉伸时,r0r,原子间的吸引力抗击着这一形变.因此,固体呈现宏观弹性的微观本质是原子间存在着相互作用力,这种作用力既包含着吸引力,又包含着排斥力.13.固体中的弹性波与理想流体中的传播的波有何差异?为什么?[解答]理想流体中只能传播纵波.固体中不仅能传播纵波,还能传播切变波.这是因为理想流体分子间距离大,分子间不存在切向作用力,只存在纵向作用力;而固体原子间距离小,原子间不仅存在纵向作用力,还存在切向作用力.第三章晶格振动与晶体的热学性质思考题1.引入玻恩卡门条件的理由是什么?[解答](1)(1)方便于求解原子运动方程.由本教科书的(3.4)式可知,除了原子链两端的两个原子外,其它任一个原子的运动都与相邻的两个原子的运动相关.即除了原子链两端的两个原子外,其它原子的运动方程构成了个联立方程组.但原子链两端的两个原子只有一个相邻原子,其运动方程仅与一个相邻原子的运动相关,运动方程与其它原子的运动方程迥然不同.与其它原子的运动方程不同的这两个方程,给整个联立方程组的求解带来了很大的困难.(2)(2)与实验结果吻合得较好.对于原子的自由运动,边界上的原子与其它原子一样,无时无刻不在运动.对于有N个原子构成的的原子链,硬性假定0,01Nuu的边界条件是不符合事实的.其实不论什么边界条件都与事实不符.但为了求解近似解,必须选取一个边界条件.晶格振动谱的实验测定是对晶格振动理论的最有力验证(参见本教科书§3.2与§3.4).玻恩卡门条件是晶格振动理论的前提条件.实验测得的振动谱与理论相符的事实说明,玻恩卡门周期性边界条件是目前较好的一个边界条件.2.什么叫简正振动模式？简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是否是一回事？[解答]为了使问题既简化又能抓住主要矛盾，在分析讨论晶格振动时，将原子间互作用力的泰勒级数中的非线形项忽略掉的近似称为简谐近似.在简谐近似下,由N个原子构成的晶体的晶格振动,可等效成3N个独立的谐振子的振动.每个谐振子的振动模式称为简正振动模式,它对应着所有的原子都以该模式的频率做振动,它是晶格振动模式中最简单最基本的振动方式.原子的振动,或者说格波振动通常是这3N个简正振动模式的线形迭加.简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是一回事,这个数目等于晶体中所有原子的自由度数之和,即等于3N.3.长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?[解答]长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动,振动频率较高,它包含了晶格振动频率最高的振动模式.长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移,原胞做整体运动,振动频率较低,它包含了晶格振动频率最低的振动模式,波速是一常数.任何晶体都存在声学支格波,但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.4.温度一定，一个光学波的声子数目多呢,还是声学波的声子数目多?[解答]频率为的格波的(平均)声子数为11)(/TkBen.因为光学波的频率O比声学波的频率A