固體物理復習資料

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固體物理固體固體是物質存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體有比較固定的體積和形狀、質地比較堅硬。固體是由數量級為10*23的粒子所結合成的宏觀體系，是一個復雜的多體系統(tǒng)。固體的基態(tài)(即T=0K時的狀態(tài))不僅是能量最低的狀態(tài)，而且還是某種有序狀態(tài)。從微觀角度分析，實驗上所測得的宏觀屬性是固體在外擾動作用下從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時所產生的響應。晶體的分類廠按晶胞分：立方六方四方三方正交單斜三斜晶系按對稱性分：立方體六方體］按功能分：導體半導體絕緣體磁介質電介質超導體按結合方式分：共價離子金屬X射線波長介于紫外線和Y射線間的電磁輻射。X射線是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為(20~0.06)X10—8厘米之間。X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發(fā)出來的。X射線衍射X—raydiffraction揭示了晶體內部結構

定義:X射線受到原子核外電子的散射而發(fā)生的衍射現象。由于晶體中規(guī)則的原子排列就會產生規(guī)則的衍射圖像，可據此計算分子中各種原子間的距離和空間排列。是分析大分子空間結構有用的方法。原理1912年勞埃等人根據理論預見，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射現象，證明了X射線具有電磁波的性質,成為X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有X射線衍射分析相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。晶體衍射基礎的著名公式——布拉格方程:2dsin0=n入式中入為X射線的波長，n為任何正整數。倒格子與正格子之間的關系（注意:加粗的字母是矢量）正格原胞體積與倒格原胞體積之積等于2n的3次方正格子與倒格子互為對方的倒格子倒格矢Kh=h1b1+h2b2+h3b3與正格子晶面族（h』2h3）正交

倒格矢K人的模與晶面族（h]h2h3）的面間距成反比晶格動力學（第三章第一節(jié)）聲子概念聲子就是“晶格振動的簡正模能量量子?！庇⑽氖莗honon。為什么要引入？引入聲子的概念便于處理固體中相互作用問題，把聲子當作有能量和動量的玻色粒子來處理，十分方便。在固體物理學的概念中,結晶態(tài)固體中的原子或分子是按一定的規(guī)律排列在晶格上的。在晶體中，聲子間有相互作用，原子并非是靜止的，它們總是圍繞著其平衡位置在作不斷的振動。另一方面,這些原子又通過其間的相互作用力而連系在一起，即它們各自的振動不是彼此獨立的。原子之間的相互作用力一般可以很好地近似為彈性力。形象地講，若把原子比作小球的話，整個晶體猶如由許多規(guī)則排列的小球構成，而小球之間又彼此由彈簧連接起來一般，從而每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播。這種振動在理論上可以認為是一系列基本的振動（即簡正振動）的疊加。當原子振動的振幅與原子間距的比值很小時（這在一般情況下總是固體中在定量上高度正確的原子運動圖象），如果我們在原子振動的勢能展開式中只取到平方項的話（這即所謂的簡諧近似），那么，這些組成晶體中

彈性波的各個基本的簡正振動就是彼此獨立的。換句話說，每一種簡正振動模式實際上就是一種具有特定的頻率V、波長入和一定傳播方向的彈性波，整個系統(tǒng)也就相當于由一系列相互獨立的諧振子構成。在經典理論中，這些諧振子的能量將是連續(xù)的，但按照量子力學，它們的能量則必須是量子化的，只能取hs的整數倍，即En=（n+l/2）hv（其中1/2hv為零點能）。這樣,相應的能態(tài)En就可以認為是由n個能量為hv的“激發(fā)量子”相加而成。而這種量子化了的彈性波的最小單位就叫聲子。聲子是一種元激發(fā)聲子并不是一個真正的粒子，聲子可以產生和消滅，有相互作用的聲子數不守恒，聲子動量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。聲子只是格波激發(fā)的量子，在多體理論中稱為集體振蕩的元激發(fā)或準粒子。聲子的化學勢為零，屬于玻色子,服從玻色一愛因斯坦統(tǒng)計。聲子本身并不具有物理動量，但是攜帶有準動量，并具有能量。光子與聲子是既有區(qū)別，又有共性：其共性之一是：它們都具有波的周期性、衍射、干擾等特性。其共性之二是：它們能量最小單元都為hv。其共性之三是：它們都可用測定波源與觀測點間的距離l及二點間傳輸的時間t，求出（平均）波速

其共性之四是:它們都可用測定波的頻率V與波長入，求出波速U二V入。其共性之五是：它們都有具有波源的運動不會改變（某坐標系中的）波速的特性光子和聲子的產生機制根據光電效應和康普頓效應。光和物質相互作用時表現出粒子性，即光子。聲子不能脫離固體存在，聲子只是格波激發(fā)的量子，在多體理論中稱為集體震蕩的元激發(fā)或準粒子。光子和聲子的聯系光波與離子晶體的長光學橫波可以發(fā)生強烈的耦合,形成聲光子。在非離子晶體中，光子也能與晶格振動發(fā)生相互作用，因為晶格振動使晶體內的電子分布發(fā)生變化，從而使晶體的光學常數發(fā)生變化，如折射率，這就會使在晶體中傳播的光波頻率和波矢都發(fā)生相應變化。另一方面，光波在晶體中傳播時，光電場會使晶體的力學性質發(fā)生變化，如彈性系數，從而使晶體的晶格振動也發(fā)生相應的變化,光子也能和晶格振動發(fā)生相互作用，這種相互作用可以理解為光子收到聲子的非彈性散射，同時滿足動量守恒和能量守恒定律。光子與長聲學波聲子的相互作用一般稱為光子的布里淵散射。光子和光學波聲子的相互作用稱為光子的拉漫散射。兩種散射都不會有倒逆散射。

黃昆先生(1919——2005)黃昆固體物理、半導體物理學家1985年當選為第三世界科學院院士。中國科學院半導體研究所研究員、名譽所長。是國際著名的中國物理學家、教育家、中國固體物理學先驅、中國半導體技術奠基人。獲2001年度國家最高科學技術獎對固體物理的貢獻四十年代，提出固體中雜質缺陷導致X光漫散射的理論，六十年代證實并得到應用，被稱為“黃曼散射”1950年同其夫人艾夫合作，首次提出多聲子無輻射躍遷理論“黃里斯理論”1951年，首次提出描述晶體中光學位移，宏觀電場與電極化三者關系的“黃方程”，1963年，拉曼散射實驗證實。黃昆著作《晶格動力學理論》玻恩,黃昆著葛惟錕，賈惟義譯北京大學出版社1989ISBN7-301-00836-8《半導體物理進展與教學》黃昆著《半導體物理學》黃昆，謝希德著科學出版社1958

《固體物理學》黃昆著，韓汝琦改編高等教育出版社1988ISBN7—04-001025-9《半導體和它的應用》黃昆著北京科學普及出版社