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固体物理答案-第二章要点
所以 式中的代定参量B可如下确定:因为平衡时, 故有 从而得到 (1) (2)如果晶体被压缩, ,则互作用能从 变为 由(1)、(2)两式求得势能的变化 (2) (3) 因为 ,因而 于是(3)式可化简为 能量的变化应等于外力所作的功。因为晶体一共由2N 个离子,由上式可知,外力对每个离子所作的功就是 2.11 金刚石是共价键晶体,试求其键间夹角的大小。 解:金刚石中每个碳原子与其最近邻的碳原子构成一个正四面 体,原子间靠共价键结合,四面体键之间的夹角等于立方体体 对角线间的夹角。 式中, 是直角坐标系 则矢量 中的方向单位矢量。 设立方体的边长为a,选取中心 原子为坐标原点, z y x o 所以 。 和 间的夹角,设为 ,有 键角就是矢量 第二章 晶体中原子的结合 2.1 由N个原子(离子)所组成的晶体的体积V可写为 。式中, v为每个原子(离子)平均所占据的体积;R为粒子间的最 短距离;是和结构有关的常数。试求下列各种结构的值: (1).简单立方点阵; (2).面心立方点阵; (3).体心立方点阵; (4).金刚石结构; (5).氯化钠型结构。 式中,V为晶体体积,N为晶体包含的原子数,v为每个原子平 均占据的体积。若以 表示晶体包含的晶胞数, 中每个晶胞的体积,n表示晶胞中所含的粒子数,则(1)式完全 等效于 解:题给 表示晶体 (1) 于是得 (2) R为离子间的最短距离。题给的各种晶格均为立方格子,如令 其晶格常数为a,则有 。可由式(2)直接求出各种格子的 值。所得结果列表如下: 1 8 氯化钠结构 1.54 8 金刚石结构 0.77 2 体心立方 0.71 4 面心立方 1 a 1 简单立方 结构常数( ) 离子间最短距离 晶胞中包含粒子数(n) 晶包体积( ) 晶格(a) 2.2证明有两种离子组成的、间距为 的一维晶格的马德隆常数 。 证明: 选取负离子O为参考离子,相邻两离子间的距离用R表示。 第j个离子与参考离子的距离可表示为 。 对于参考 离子O,它与其它离子的互作用势能为 马德隆常数 2.3 设两原子间的互作用能可由 表述。 式中第一项为吸引能,第二项为排斥能; 均为正的常数。证明,要使这两原子系统处于平衡状态,必须nm。 且 即当 时, 证明:相互作用着的两原子系统要处于稳定平衡状态,相应 于平衡距离 处的能量应为能量的极小值, 因为 解之有 (1) 因而 其次,对应于 处能量取极小值,应有 于是 把(1)式代入,即得 所以 这个结果表明,排斥力是短程力,与吸引力相比较,它随原子间的距离的变化更陡峭。 2.4 有一离子晶体,其总互作用势能表示为 试问当离子电荷加大1倍时,平衡离子间距、互作用势能和体积弹性模量将受何影响? 解: 按题给 由平衡条件 得到离子平衡间距作为离子带电状态的函数 从而晶体的内能也作为离子带电状态的函数 (1) (2) 由(1)、(2)两式可知,当离子带电量加倍时,则有 体积弹性模量可按下式求出 2.5 有一晶体在平衡时的体积为 ,原子间总的互作用能为 。若原子间互作用能由式 表述,试证明晶 体的体积弹性模量为 。 证明: 设晶体共含有N个原子,则总能量为 由于晶体表面层的原子的数目与晶体内原子数目相比少得多, 因此可忽略它们之间的差异, 于是上式简化为 设最近临原子间的距离为R,则有 再令 得到 平衡时 , 则由已知条件 , 得 由平衡条件 得 由(1)、(2)两式可解得 利用体积弹性模量公式 得 由于 , 因此 , 于是 2.6 已知有N个离子组成的NaCl晶体,其结合能为 今若排斥项 由 来代替,且当晶体处于平衡时,这两者对互作用势能的贡献相同,试求出n与 的关系。 已知 (1) 由 解:晶体平衡时,原子间最近邻距离一定为 ( 不因求解时排斥势选择不同而不同) 得 又 (2) 得 (3) 将(1)、(3)两式代入(2)式 可得 即 2.7 立方ZnS的晶格常数a=5.41A,试计算其结合能 。 解: 已知公式 和 , , , , 则 2.8 已知由N个惰性气体原子结合成的具有面心立方结构的晶体,其互作用能可表示为 式中R为最近
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