固体物理总复习
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固体物理总复习 什么是固体物理学? 简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用． 通常固体可分为：晶体、准晶体和非晶体． 晶体：晶态的结构特点是组成粒子在空间的排列具有周期性，表现为既有是长程取向有序又有平移对称性，这是一种高度长程有序的结构； 准晶体：组成粒子的排列也呈有序结构，只是不具有周期性或平移对称性，而是同时具有长程准周期平移序与晶体学不允许的长程取向序； 非晶体：非晶体中组成粒子的排列没有一定的规则，原则上属于无序结构． 第一章 晶体结构 §1.1晶体结构的基本概念 1 晶体结构的基本概念 （1）晶体和基元 晶体：晶体是由完全相同的原子、分子或原子团在空间有规则地周期性排列构成的固体材料． 基元：基元是构成晶体的完全相同的原子、分子或原子团。这里“完全相同”有两方面的含义：一是原子的化学性质完全相同，二是原子的几何环境完全相同． （2）晶格 晶格：晶体中的原子是规则排列的．用几组平行直线连接晶体中原子形成的网格，称为晶格． （3）原胞和原胞基矢 原胞：构成晶体的最小周期性结构单元称为原胞； 原胞基矢：原胞的边矢量a称为原胞基矢，通常用a1、a2、a3表示． 通常，原胞作为最小（体积最小）的周期性结构单元的判据是一个原胞只包含一个基元；该判据只是原胞的一个必要判据，如果一个单元含有两个或两个以上的基元，该单元就肯定不是原胞。原胞有时称为初基原胞，相应地原胞基矢称为初基基矢。 简立方： a1ai，a2aj，a3ak 体心;立方： aa1(ijk) 2aa2(ijk) 2aa3(ijk) 2面心立方： aa1(jk) 2 1 aa2(ki) 2aa3(ij) 2原胞基矢可以计算原胞体积Ω (a1a2)a3 （4）布拉伐（Bravais）格子和晶体周期性的描述 所有的阵点可以用位置矢量 Rnn1a1n2a2n3a3 表示的空间点阵称为布拉伐点阵，其中n1、n2、n3取所有整数． 在布拉伐点阵（格子）概念的基础上，晶体结构可以形象地表示为 晶体结构 = 布拉伐点阵 + 基元 晶体周期性可以用布拉伐点阵表征，也可以等价地用原胞描述． （5）单胞和单胞基矢 单胞：在能够保持晶格对称性的前提下，构成晶体的最小的周期性结构单元称为晶体的单胞； ab单胞基矢：单胞的边矢量称为单胞基矢，通常用 、 、c表示． 原胞是晶体最小的周期性结构单元，利用原胞基矢可以很方便地写出各个格点的位矢；而单胞直观地反映了晶体的对称性．晶体的原胞和单胞，在晶体结构分析和性质研究中，各有所长． （6）维格纳-赛茨原胞 还有另一种外形比较复杂但能反映晶格对称性的原胞，称为维格纳-赛茨原胞(简称WS原胞)．它是一个阵点与最近邻阵点(有时也包括次近邻)的连线中垂面所围成的多面体,其中只包含一个阵点；对于晶体，一个原胞只包含一个基元． （7）配位数和致密度 配位数：晶体中一个原子的最近邻原子数目称为配位数．配位数的大小描述晶体中粒子排列的紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大． 致密度：假设晶体由完全相同的一种粒子组成，而把粒子看作硬球，硬球之间彼此紧挨相切，下面计算反映粒子排列紧密程度的致密度，即单胞内粒子硬球所占的体积与单胞体积之比． 2典型的晶格结构 （1）简单立方：又称简立方，自然界中简单立方晶体比较少见．VI A族元素晶体钋Po在室温时是简单立方结构．简立方的配位数为6． （2）体心立方：碱金属Li、Na、K等是体心立方结构。体心立方的配位数是8． （3）面心立方：Cu、Ag、Au等金属晶体的结构是面心立方。面心立方的配位数为12，这是简单晶体可能具有的最高配位数，面心立方是自然界最密集的堆积方式之一，称为面心立方密堆积，简称立方密堆积或立方密积． （4）六角密积：Be、Mg、Zn等金属晶体的结构是六角密堆积结构，简称六角密积．六角密积结构的配位数也是12，与面心立方的致密度相同． （5）NaCl结构：该结构的基元是NaCl分子，由一个正离子和一个负离子组成；NaCl结构的布拉伐格子是面心立方．用子晶格套构的方法来分析，NaCl晶体结构可以看作是Na 2 的面心立方子晶格和Cl的面心立方子晶格套构而成，套构的方式是沿立方体的棱平移1/2棱长． （6）CsCl结构：该结构的基元是CsCl分子，由一个正离子和一个负离子组成，如图1.12所示；CsCl结构的布拉伐格子是简立方．CsCl晶体结构可以看作是Cs的简立方子晶格和Cl的简立方子晶格沿立方体的体对角线平移1/2体对角线长度套构而成． （7）金刚石结构：金刚石是碳的同素异构体，其矿物多为正八面体结晶，纯净的金刚石无色透明、有光泽、有极强的折光力，是已知最硬的物质；用做高级切削和研磨材料；经过琢磨的金刚石又称钻石． 金刚石结构是复式晶格结构，基元中有两个碳原子，布拉伐格子是面心立方。用子晶格套构的方法来分析，金刚石晶格结构是两个面心立方子晶格，沿一个面心立方的体对角线平移1/4体对角线长度套构而成，金刚石、元素半导体Si、Ge等，具有金刚石结构；金刚石晶体的配位数是4． （8）闪锌矿结构：与金刚石结构很相像，金刚石结构的基元是化学性质相同的两个原子，而闪锌矿结构的基元是两个不相同的原子．闪锌矿结构是两个不同原子的面心立方子晶格，沿一个面心立方的体对角线平移1/4体对角线长度套构而成．化合物半导体GaAs、GaP、ZnS等晶体具有闪锌矿结构． §1.2 晶列和晶面及其标志