固体物理题库第一章晶体的结构

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1、1 第一章 晶体的结构一、填空体（每空1 分）1. 晶体具有的共同性质为长程有序、自限性、各向异性。2. 对于简立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为a ，次近邻原子间距为a2，原胞与晶胞的体积比1：1 ，配位数为6 。3. 对于体心立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为a2/3，次近邻原子间距为a ，原胞与晶胞的体积比1：2 ，配位数为8 。4. 对于面心立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为a2/2，次近邻原子间距为a ，原胞与晶胞的体积比1：4 ，配位数为12 。5. 面指数 (h1h2h3)所标志的晶面把原胞基矢a1,a2,a3分割 ,其中最靠近原点的平面

2、在a1,a2,a3上的截距分别为_1/h1_,_1/h2_,_1/h3_ 。6. 根据组成粒子在空间排列的有序度和对称性，固体可分为晶体、准晶体和非晶体。7. 根据晶体内晶粒排列的特点，晶体可分为单晶和多晶。8. 常见的晶体堆积结构有简立方（结构）、体心立方（结构） 、面心立方（结构）和六角密排（结构）等，例如金属钠（Na）是体心立方（结构） ，铜（ Cu）晶体属于面心立方结构，镁（ Mg）晶体属于六角密排结构。9. 对点阵而言，考虑其宏观对称性，他们可以分为7 个晶系，如果还考虑其平移对称性，则共有 14 种布喇菲格子。10.晶体结构的宏观对称只可能有下列10 种元素：1 ，2 ，3 ，4

3、， 6 ，i ， m ，3，4，6，其中3和6不是独立对称素，由这10 种对称素对应的对称操作只能组成32个点群。11. 晶体按照其基元中原子数的多少可分为复式晶格和简单晶格，其中简单晶格基元中有1 个原子。12. 晶体原胞中含有1 个格点。13. 魏格纳 -塞茨原胞中含有1 个格点。二、基本概念1. 原胞原胞：晶格最小的周期性单元。2. 晶胞结晶学中把晶格中能反映晶体对称特征的周期性单元成为晶胞。3. 散射因子原子内所有电子在某一方向上引起的散射波的振幅的几何和，与某一电子在该方向上引起的散射波的振幅之比。4. 几何结构因子原胞内所有原子在某一方向上引起的散射波的总振幅与某一电子在该方向上所

4、引起的散射2 波的振幅之比。5. 配位数晶体内最近邻原子数8. 简单晶格基元中只含一个原子的晶体9. 复式晶格基元中含两个或两个以上原子的晶体10.几何结构因子：原胞内所有原子在某一方向上引起的散射波的总振幅与某一电子在该方向上所引起的散射波的振幅之比。11. 几何结构因子原胞内所有原子在某一方向上引起的散射波的总振幅与某一电子在该方向上所引起的散射波的振幅之比。12. 结点：空间点阵中的点子代表着结构中相同的位置，称为结点。13. 晶格：通过点阵中的结点，可以做许多平行的直线族和平行的平面，这样点阵就成为一 些网格，称为晶格14. 维格纳 -赛兹原胞 (W-S 原胞 )：以某一阵点为原点，原

5、点与其它阵点连线的中垂面(或中垂线 ) 将空间划分成各个区域。围绕原点的最小闭合区域为维格纳-赛兹原胞。一个维格纳-赛兹原胞平均包含一个结点,其体积等于固体物理学原胞的体积。15. 点阵常数 (晶格常数 )：布喇菲原胞（晶胞）棱边的长度。16. 致密度：晶胞内原子所占的体积和晶胞体积之比。三、简答题1. 倒格矢与正格矢有什么关系。1）倒格矢与正格矢互为倒格矢2）倒格原胞与正格原胞的体积比等于（2 ）33）倒格矢332211bhbhbhKh与正格子晶面族（h1h2h3）正交。4）倒格矢hK的模与晶面族（h1h2h3）的面间距成反比。2.晶体的主要特征有哪些？答： 1）长程有序与周期性2）自限性3

6、）各向异性3. 晶体宏观对称性的基本对称操作有哪些？（5分）答：有 1、2、3、4 和 5 次旋转对称轴及4 次旋转反演轴4，中心反演操作i，镜面操作m。4. 解理面是面指数低的晶面还是指数高的晶面？为什么？ 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 5. 基矢为1=aai , 2=aa j , 3=2aaijk的晶体为何种结构 ?为什么 ? 答：有已知条件 , 可计算出晶体的原胞的体积31232aaaa. 由原胞的体积推断 , 晶体结构为体心立方 . 我们可以构造新的矢

7、量31=2auaaijk, 32=2avaaijk, 123=2awaaaijk. , ,u v w满足选作基矢的充分条件. 可见基矢为1=aai , 2=aa j , 3=2aaijk的晶体为体心立方结构。6. 在结晶学中 , 晶胞是按晶体的什么特性选取的? 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. 7. 六角密积属何种晶系? 一个晶胞包含几个原子? 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 .8. 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 ? 答：对于同级衍射 , 高

8、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 , 由布拉格反射公式可知 , 面间距大的晶面 , 对应一个小的光的掠射角. 面间距小的晶面 , 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. 9. 试述晶态、非晶态、准晶、多晶和单晶的特征性质。答：晶态固体材料中的原子有规律的周期性排列，称为长程有序； 非晶态固体材料中的原子不是长程有序地排列，但在几个原子的范围内保

9、持着有序性，或称为短程有序；准晶态是介于晶态和非晶态之间的固体材料，其特点是原子有序排列，但不具有平移周期性。晶体又分为单晶体和多晶体：整块晶体内原子排列的规律完全一致的晶体称为单晶体；而多晶体则是由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的。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? 答： 温度升高时 , 由于热膨胀 , 面间距逐渐变大 . 由布拉格反射公式4 可知 , 对应同一级衍射, 当 X 光波长不变时, 面间距逐渐变大 , 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 . 1

10、1. 晶格点阵与实际晶体有何区别和联系？答：晶体点阵是一种数学抽象，其中的格点代表基元中某个原子的位置或基元质心的位置，也可以是基元中任意一个等价的点。当晶格点阵中的格点被具体的基元代替后才形成实际的晶体结构。晶格点阵与实际晶体结构的关系可总结为：晶格点阵基元实际晶体结构。12. 六角密积结构是复式格子还是简单格子，平均每个原胞包含几个原子，属于哪种晶系? 答：六角密积结构是复式格子，平均每个原胞包含2 个原子，属于六角晶系。13. 晶体 Si、Cu、 CsCL、NaCL 和 ZnS 的结构分别属于那种点阵形式？答：Si：面心立方； Cu ：面心立方； CsCL ：体心立方； NaCL：面心立

11、方； ZnS：面心立方14. 金刚石晶体的基元含有几？其晶胞含有几个碳原子？原胞中有几个碳原子？是复式格子还是简单格子？答：金刚石晶体的基元含有2 个原子，晶胞含有8 碳原子，原胞中有2 原子 , 复式格子 . 15. 写出金属 Mg 和 GaAs 晶体的结构类型。答：六角密堆，金刚石。16. 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. 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3 3/4R, 一个晶胞包含两个原子, 一个原子占的体积为2/3/43 R,单位体积晶体中的原子数为3 3/4/2R; 面心立方晶胞的

12、边长为2/4R, 晶胞的体积为3 2/4R, 一个晶胞包含四个原子, 一个原子占的体积为4/2/43 R, 单位体积晶体中的原子数为3 2/4/4R. 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. 17.与晶列 l1l2l3 垂直的倒格面的面指数是什么? 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. 18. 分别指出简

13、单立方体心立方面心立方倒易点阵类型答：简单立方面心立方体心立方19. 在晶体衍射中，为什么不能用可见光？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7.64.0710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. 5 20. 写出晶体绕直角坐标X、Y 和 Z 轴转动 角的操作矩阵和中心反演的操作矩阵。答：晶体绕直角坐标X、Y 和 Z 轴转动 角的操作矩阵分别为：c o ssi n0s i nc o s0001xA，1000cossin0sincoszA，cos0sin010sin0co

14、syA中心反演的操作矩阵为100010001A。21.分别在体心立方和面心立方晶体的晶胞中画出其原胞，并给出他们晶胞基矢与原胞基矢的关系。答：体心立方和面心立方晶体的晶胞中的原胞：体心立方面心立方体心立方：)( 21kjiaa，)(22kjiaa，)(23kjiaa面心立方：)( 21kjaa，)(22kiaa，)(23jiaa22.在立方晶胞中，画出（ 100） 、 （111）和（ 210）晶面。解：23. 在立方晶胞中，画出（）和（）晶面。解：6 四、证明计算1. 劳厄方程与布拉格公式是一致的。证明：由坐标空间劳厄方程：2)(0kkRl与正倒格矢关系2hlkR比较可知：若0kkkh成立即入

15、射波矢0k，衍射波矢k之差为任意倒格矢hk，则k方向产生衍射光，0kkkh式称为倒空间劳厄方程又称衍射三角形。现由倒空间劳厄方程出发，推导Blagg 公式，弹性散射0kk由倒格子性质，倒格矢hk垂直于该晶面族。所以，hk的垂直平分面必与该晶面族平行。由图可得知：|hk=2kSin Sin4(A) ）又若 | hk|为该方向的最短倒格矢，由倒格矢性质有：|hK|d2若hk不是该方向最短倒格失，由倒格子周期性|hkn| hk|d2.n （B）- 比较（ A） 、 （B）二式可得2dSin n即为 Blagg 公式。2. 证明不存在5 度及 6 度以上的旋转对称轴。如下图所示，A , B 是同一晶列

16、上O 格点的两个最近邻格点如果绕通过O 点并垂直子纸面的转轴顺时针旋转 角，则A 格点转到A点若此时晶格自身重合A点处原来必定有一格点 如果再绕通过O 点的转轴逆时针旋转角，则晶格又恢复到未转动时的状态，O abcO abc7 但逆时针旋转角， B 格点转到B点处，说明B处原来必定有一格点可以把格点看成分布在一族相互平行的晶列由下图可知，BA晶列与AB 晶列平行平行的晶列具有相同的周期，若设该周期为a ，则有maaBA|cos|2其中 m 为整数，由余弦的取值范围可得12|cos|m于是可得23,2:0m35,34,32,3:1m2,:2m因为逆时针旋转3/2 ，4/3 ，5/3分别等于顺时针旋转/2 ，2/3 ，/3 ，所以晶格对称转动所允许的独立转角为3,2,32,2上面的转角可统一写成6, 4, 3,2, 1,2nn 称 n 为转轴的度数由此可知，晶格的周期性不允许有5 度及 6 度以上的旋转对称轴。3. 证明倒格子矢量1 1223 3Ghbh bh b垂直于密勒指数为123