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1、第一章 电子、空穴和能带概念第一章电子、空穴和能带概念11.1 量子力学基本概念2一、经典物理的缺陷以及量子力学的引入31.黑体辐射问题32.光电效应53.普朗克假设、爱因斯坦的波粒二象性54.德布罗衣假说11二、薛定颚方程13三、波函数的统计解释201.2 利用薛定颚方程求解氢原子211.3 能带模型24一、晶格24二、能代理论251单电子近似252布劳赫定律（Bloch）263共有化运动和准自由电子264. 布里渊区与能带285、导体、半导体、绝缘体的能带301.4半导体中电子的运动 有效重量32一、半导体中E(k)与k的关系32二、晶体中电子的平均速度加速度341晶体中电子运动的平均速度
2、342半导体中电子运动的加速度343有效质量的物理意义364. 空穴的有效质量36习题401.1 量子力学基本概念经典物理的两个独立理论体系：波动学说、粒子学说。当时绝大多数的现象可以用经典理论物理学解释：l 应用Newton方程成功讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体的运动，将这个理论用到分子运动上，在气体分子运动论上也获得有益的结果。l 1897年J.J.汤姆森发现了电子，这个发现表明电子的行为类似于一个Newton粒子。l 光的波动本性已在1803年由杨的衍射试验证实l Maxwell在1864年所发现的光和电磁现象之间的联系将光的波动性置于更加坚实的基础之上。一、经典物理的缺陷以及量子
3、力学的引入到上世纪初，在解释某些试验结果上还遗留一些困难：l 主要是关于发展一个合适的原子模型以及稍后发现的X射线和放射性等。l 也有一些困难属于那些应该得到解释而实际上未能解释的现象：诸如黑体辐射的谱分布，固体的低温比热等。l 虽然光的波动性有大量的实验事实和光的电磁理论支持，但上世纪初发现的黑体辐射、光电效应等现象却揭示把光仅看作波的局限性。1. 黑体辐射问题我们知道，所有物体都发射出热辐射，这种辐射是一定波长范围内的电磁波。对于外来的辐射，物体有反射或吸收的作用。如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。黑体辐射问题研究的是辐射与周围物体处于平衡
4、状态时能量按波长/频率的分布。一个空腔就可以看成黑体，当空腔与内部的辐射处于平衡时，腔壁单位面积所发射的能量和它所吸收的辐射能量相等。实验得出的平衡时辐射能量密度按波长分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度有关，而与空腔的形状及组成的物质无关。许多人用经典物理理论来说明这种能量分布都未获得成功：(1) 维恩（Wien）：由经典热力学理论出发进行讨论，并加上一些特殊假设得出的分布公式维恩公式。这个公式在短波部分与实验结果还符合，在长波部分显著不同；(2) 瑞利金斯曲线，根据经典电动力学和统计物理学得出的黑体辐射能量公式分布。他们的结果在长波部分与实验结果较吻合，而在短波部分完全不同。2. 光电
5、效应当光照射到金属表面时，有电子从金属中逸出，这种电子称为光电子。实验证明，只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；如果光的频率低于这个值，则不论光的强度多大，照射时间多长，都没有光电子产生，光电子能量只与光的频率有关。光电效应以及黑体辐射实验的这些规律、现象是经典物理理论无法解释的。因为按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度，而与光的频率无关。3. 普朗克假设、爱因斯坦的波粒二象性黑体辐射问题是Planck普朗克在1900年引进量子概念后才得到解决。普朗克依据如下假设解释黑体辐射谱的：黑体以hg 为单位不连续地发射和吸收频率为g 的电磁辐射，而不是象经典理论所要求的那样可以连续地
6、吸收和发射辐射能量。能量单位hg 称为能量子h(普朗克常数)。h6.625591034焦耳.秒。基于这个假定，普朗克得到与实验结果符合很好的黑体辐射公式：普朗克的理论开始突破经典物理学在微观领域内的束缚，打开了认识光的微粒性的途径。按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度，而与光的频率无关。但是，光电试验证明：l 只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；l 如果光的频率低于这个值，则不论光的强度多大，照射时间多长，都没有光电子产生；l 光电子能量只与光的频率有关，而与光的强度无关，光的频率越高，光电子的能量就越大。l 光的强度只影响光电子数目，按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强
7、度，而与光的频率无关。爱因斯坦认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量hg 的微粒形式出现，而且以这种形式以光速在空间运动，也就是说光照射到金属表面时，能量为hg 的光子被电子吸收。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚力，另一部分就是电子离开金属表面后的动能。如果电子所吸收的光子能量小于金属的逸出功，则电子不能脱出金属表面，因而没有光电子产生。光的频率决定光子的能量，光的强度只决定光子的数目，光子多，产生的光电子就多。这样，经典理论不能解释的光电效应就得到了解释。(1) 康普顿效应(Compton effect)1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发
8、现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外，还产生了波长l l0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应遇到了困难。康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。光子在介质中和物质微粒相互作用时，可能使得光向任何方向传播，这种现象叫光的散射。他认为：l 康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒。光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移
9、给了电子。l 按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。这种现象叫康普顿效应。康普顿效应的发现，进一步证实光具有粒子性。实验证明，高频X射线被电子散射后，波长随散射角增加而增大。而按照经典电动力学，电磁波被散射后波长不应改变。(2) 旧量子论所谓的旧量子论发端于普朗克关于黑体辐射的工作，以后由爱因斯坦和德拜加以发展。然而，只有到1911年，卢瑟福发现原子是由小的、重的、带正电的核以及围绕着它的一些电子构成之后，这个理论才能定量描述原子。旧量子论（波尔索末非量子化定则的两个假设）：l 一个原子体系能够存在于一些特定的稳定的或量子化的状态，每一个状
10、态同体系的一个确定能量相对应；l 从一个定态向另一个定态的跃迁，伴随着能量的获得或损失，其值等于两个态之间的能量差；l 辐射量子的频率等于它的能量除于普朗克常数。旧量子论使得人们获得了对氢原子结构的解释，但在若干不同的方面，它遇到了困难：它不适用于非周期系统；对谱线强度只能给出定性的不完整的处理；对光的色散也不能给出满意的说明等等。衍射试验可以说明旧量子论的困难：光源S照明一个光阑A，A上割有两个狭缝，衍射花样出现在光敏屏B上，在衍射峰处光子的数目最多。这样，当辐射从光源经狭缝到屏的过程中行为象波。而当它从B碰出电子时，行为象粒子。用物质代替辐射也可以作出类似试验。电子被晶体散射所形成的衍射花
11、样，可以从威尔逊云室中电子径中看出。所以，物质的波动性和粒子性可以出现在同一试验中。l 起初我们或许可以假定衍射花样是通过两条狭缝的不同光子之间的干涉引起的，若这样就完全可以用粒子图像解释观测结果。然而，可以证明这并不是一个满意的解释。当我们减弱光强直到每次只有一个光子在光源和光屏之间通过，仍然可以得到相同的衍射图案。因此，我们只能得到这样的结论，衍射是单个光子的统计结果，并不涉及到光子之间的相互作用。l 由粒子图像观点来看，我们就可以问：一束由独立的光子构成的流束（可以假定其中每个光子只能通过一条狭缝）怎么会产生仅当两条狭缝都开着时才会出现的衍射花样？或者这样问：若当一条狭缝关闭时，光子会到
12、达屏上某一位置，然而当这条狭缝敞开时，它怎么会阻止不通过这条狭缝的光子到达屏上的上述位置？l 在这个问题上隐含这样一条假定：光子的确是穿过这两条狭缝中的特定一条，从经典理论或旧量子论的观点来看，这个假定是自然的：因为这些理论认为，光子或其它粒子在每一瞬时都具有确定的可测定的位置。然而，量子力学却放弃这个假定，它主张只有当实验中包含位置测量时，光子的位置才有意义。此外，实验的这一部分将会影响其余部分，不能把它们分开考虑。因此，从新量子观来看，上一段所提出的问题本身就没有意义，因为它假定光子通过两条狭缝中特定的一条（从而使得另一条狭缝关闭），而在试验中并没有用来确定光子实际上是穿过哪一条狭缝的设备
13、。4. 德布罗衣假说在光有波粒二象性的启示下，德布罗衣1924年提出了微观粒子也具有波粒二象性的假说。他把粒子和波通过粒子的能量E、动量P与波的频率f、波长之间的关系联系起来：上式称为德布罗衣公式，或德布罗衣关系。自由粒子的能量和动量都是常量，所以，由德布罗衣关系可知，与自由粒子联系的波，它的频率、传输方向都不变，因而其为平面波。德布罗衣假设在1927年为戴维森盖么的电子衍射实验所证实。测不准原理：为了用更专门的物理语言来阐明测不准原理，玻尔在1928年引进并协原理。这个原理说，对原子现象的描述不可能象经典力学所要求得那种完全性；在构成一个完全经典描述中相互并协的各个量，实际上却是相互排斥的，
14、而为了描述现象的各个方面，这些互相并协的量又都是必不可少的。不应当把这一点看成是因为实验技术或精度的欠缺。更恰当地说，这是一条自然规律：每当企图精确的测量一对正则变量中的一个，另一个就会发生变化，这个变化值在不干扰到原来目的的情况下是不能被严格地计算出来。旧量子论与量子论的区别：l 旧量子论：认为微观粒子有着固定的轨道，可以用确定的运动学参数进行描述（在这一点上，实际上把微观粒子看作为经典力学中的质点，然后，利用经典力学分析微观粒子），粒子在不同能级间跃迁通过吸收或释放电磁辐射量子实现；l 量子论：微观粒子具有波粒二象性，微观粒子服从测不准原理。二、薛定颚方程1. 薛定颚方程的导出由德布罗衣关
15、系及测不准原理应当可以预料到，代表着位置完全不能确定、已知精确动量P和能量E、沿着正X方向行进的粒子的波函数 y(x, t)，将有下列形式之一：这也是从戴维森及盖哥实验推知的。由前已知与确定能量、动量粒子相对应的波具有平面波特性，因而可以写成：写成复指数形式，进一步利用德布罗衣关系可得：进一步推导利用自由粒子能量和动量关系式：，可得：此即自由粒子的薛定颚方程。同时，由上面推导过程可推出：这两个算苻依次分别称为能量算苻、动量算苻。现在利用这两个算苻来建立在外场中粒子波函数所满足的微分方程。设粒子在外场的势能U(r)，这样，粒子的能量就可以利用汉弥顿算苻表示为：上式两边同乘以波函数后代入能量、动量算苻后，上式变为：这个方程称为薛定颚波动方程，它描写势场U(r)中粒子波函数随时间的变化。2. 多粒子系统的薛定颚方程对于n个粒子所组成的多粒子体系。以r1，r2，rn表示这个n粒子的坐标，那么描写体系状态的波函数y是r1，r2，rn的函数，整个多粒子体系的能量由哈密顿算苻可得式中mi为第i个粒子的质量，Pi为第i个粒子的动量，而U(r1，r2，rn) 则是整个系统的势能，它包括体系在外场
