第一章晶体的结构-倒格子空间.ppt

第一章晶体的结构 空间点阵学说、倒格子空间、X射线衍射 要求 要求同学建立起三维空间粒子各种排列的图像, 及倒格子空间的建立. 掌握周期性和对称性的概念。能应用这些基本概念认识X射线衍射的内容。 序—固体物理的历史 本世界30年代以前，在下列四个方面为固体物理的学科的形成作了准备： 一、晶体结构的认识开始于对晶体形态学的研究。从1669年Steno发现晶面角守恒定律开始，以后经1784年Hauy提出有理指数定律和晶胞学说、1884年Bravais的空间点阵学说直到1889——1891年Federov和Schoenflies的空间群理论建立大约经历了二百多年，是人们关于晶体对称性认识渐臻完善的漫长历史。1912年Laue等人发现晶体X射线衍射现象，从实验上更直接地确定了晶体的微观周期结构。 二、固体比热理论。Einstein（1907年）首先提出独立振子的量子理论；继而Debye（1912年）对连续介质中的弹性波进行了量子化处理；Born和von Karman（1912年）进一步较全面地处理了周期结构中的弹性波问题，建立了晶格动力学的理论框架。 三、金属导电的自由电子理论。1897年Thomson的电子的发现对块体物质结构的认识是一重大冲击。三年以后，借鉴19世纪取得辉煌成就的气体分子运动论，Drude（1900年）建立了金属电导和热传导的经典自由电子理论。到了20世纪20年代中期，Pauli和Sommerfeld基于Fermi统计的自由电子理论在解释有关金属的一系列物理性质上取得很大的成功。 四、铁磁性研究。19世纪末，Curie测定了铁磁——顺磁转变的临界温度；20世纪初Weiss提出了铁磁性相变的分子场理论；1928年Heisenberg建立了基于局域电子自旋相互作用的铁磁性量子理论。 现代基础 1928年Bethe提出电子衍射的动力学理论，处理了de Broglie波在周期结构中对传播问题；Bloch在“论晶格中电子的量子力学”博士学位论文中提出解释金属导电的能带理论。而后Wilson把半导体物理建立在能带结构基础之上，等等。1940年Seitz的《固体现代理论》专著标志固体物理学科的框架和规模业已初具。 固体物理研究的对象 固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。 固体可分为：晶体、准晶体、多晶体、非晶体。 固体物理主要研究晶体及晶体中原子和电子的运动规律及其性质。 教材：方俊鑫 陆栋 固体物理学 参考书 黄 昆 韩汝琦 固体物理学 高等教育出版社，1988 北京 C. Kittle, Introduction to Solid state Physics, 7th edition, 1996, John Willey Sons 1.1晶体的特征 一个理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构成的。最简单的晶体，如铜、铁、铝和碱金属，它们的结构单元都是一种原子。有的结构单元包含多种原子和分子，如无机物晶体可以多达100个，而蛋白质晶体更是高达10000个。 不同原子构成的晶体，其性质有很大的区别。如Al是良好的导电体，而Al2O3是优良的绝缘体。 同种原子构成的晶体，如果结构不同，其性质也会相差很远。（如金刚石与石墨） 但是，晶体有着其共同的特征，我们可以归纳为如下几点： 1.1.1长程有序 现在人们已经可以用X射线衍射的方法对构成金属的小晶粒进行研究，结果表明，在这些尺寸为微米数量级的小晶粒内部，原子的排列是有序的。（在古人的眼里这只是想象） 在晶体内部呈现的这种原子的有序排列，称为长程有序。它是晶体材料具有的共同的特征。 1.1.2解理性 发育良好的晶体，外形上最显著的特征是晶面有规则的排列。一个理想的完整的晶体，相应的晶面具有相同的面积。 晶体外形上的这种规则性是晶体内部分子（原子）之间的有序排列的反映。 晶体具有沿着某些确定方位的晶面劈裂的性质，这种性质称为晶体的解理性，相应的晶面称为解理面。 显露在晶体外面的往往是一些解理面。 1.1.3晶面角守恒 见下图： （理想石英晶体） 一种人造石英晶体： 补充概念：自限性 晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性，称之为晶体的自限性。 这一特性是晶体内部原子的规则排列在晶体宏观形态上的反映。 由于生长条件不同，同一晶体的外形会有差异。尽管同一晶体其外形可能不同，但相应的两晶面之间的夹角总是不变的，这一规律称之为晶面夹角守恒规律。 石英晶体的mm夹角为6000`，mR两面的夹角为38013`，mr两面的夹角为38013`。 1.1.4各向异性 晶体的物理性质在不同方向上存在着差异，这种现象称为晶体的各相异性。（晶体的解理性也是各向异性的表现，是晶体区别于非晶体的重要特征） 晶体的晶面往往排列成带状，晶面