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2025年大学《应用物理学》专业题库——应用物理学在材料研究中的应用

考试时间:______分钟总分:______分姓名:______

一、选择题(每小题2分,共20分。请将正确选项的字母填在括号内)

1.根据能带理论,绝缘体和半导体的主要区别在于()。

A.导带电子数不同

B.禁带宽度不同

C.晶格结构不同

D.材料成分不同

2.在X射线衍射实验中,对于给定晶面族(hkl),当入射X射线波长减小时,其衍射角()。

A.增大

B.减小

C.不变

D.可能增大也可能减小

3.紫外-可见吸收光谱主要反映了材料中电子跃迁的情况,以下哪种跃迁通常对应较宽的吸收带?()

A.s电子跃迁到s电子

B.p电子跃迁到p电子

C.n电子跃迁到π*antibonding轨道

D.σ电子跃迁到σ*antibonding轨道

4.扫描隧道显微镜(STM)能够获得原子级分辨率的主要原因是()。

A.利用可见光照射表面

B.利用电子束与表面相互作用

C.依赖于表面原子间的范德华力或量子隧穿效应

D.利用X射线与表面原子发生散射

5.材料的霍尔系数为负值,表明该材料主要是()。

A.金属

B.P型半导体

C.N型半导体

D.顺磁性材料

6.拉曼光谱与红外光谱相比,其主要优势在于()。

A.能提供更多关于化学键的振动信息

B.对水吸收不敏感

C.只能检测吸收峰

D.只能检测发射峰

7.对于铁电材料,其最重要的物理特性是()。

A.具有较高的电阻率

B.在外加电场下能产生较大的形变

C.具有铁磁性

D.透光率极高

8.当金属细丝受到拉伸时,其电阻通常会()。

A.增大

B.减小

C.不变

D.可能增大也可能减小,取决于金属种类

9.根据德鲁德模型,金属电导率随温度降低而升高,主要原因是()。

A.电子数增加

B.晶格振动加剧

C.电子-声子散射几率减小

D.金属离子势增加

10.纳米材料的“小尺寸效应”会导致其物理性质发生显著变化,例如()。

A.熔点显著降低

B.表面能占总能量比例增大

C.德拜温度升高

D.电阻率突然变为零

二、简答题(每小题5分,共25分)

1.简述能带形成的基本过程。

2.解释什么是点缺陷,并说明一种点缺陷(如空位)对金属材料导电性能的影响。

3.简要说明X射线光电子能谱(XPS)的基本原理及其能够提供哪些信息。

4.为什么拉曼光谱和红外光谱对于研究同一材料时,其吸收/散射峰的位置和强度会有所不同?

5.简述霍尔效应的原理,并说明如何通过测量霍尔电压来确定载流子类型(N型或P型)。

三、计算题(每小题10分,共20分)

1.某半导体材料的禁带宽度为Eg=1.1eV。计算该材料能够吸收的光子的最大波长是多少?(普朗克常数h=6.626×10?3?J·s,光速c=3.0×10?m/s)

2.一根长为10cm的金属丝,其霍尔系数Rh=-7.5×10??m3/C。当电流I=2A通过该金属丝时,测得横向霍尔电压Vh=4×10??V。求该金属丝中载流子的浓度(单位:m?3)。(基本电荷e=1.6×10?1?C)

四、论述题(15分)

结合能带理论和固体物理知识,论述晶体结构中的点缺陷(以间隙原子为例)是如何影响材料的电学和力学性能的。请说明其作用机制。

试卷答案

一、选择题

1.B

2.B

3.C

4.C

5.C

6.B

7.B

8.A

9.C

10.B

二、简答题

1.解析思路:能带形成是原子外层电子在晶体周期性势场作用下发生相互作用和叠加的结果。单个原子有分立的能级,但在晶体中,大量原子靠近,电子波函数发生重叠。对于同一对原子轨道,不同原子轨道的波函数在空间不同位置有相反符号,导致某些能量区域电子态密度为零,形成禁带;而在其他能量区域,波函数叠加增强,形成能带。能带宽度与原子间距和原子间相互作用力有关,原子间作用越强,能带越宽。

2.解析思路:点缺陷是指原子在晶格中发生位置偏离的缺陷,如空位、填隙原子、置换原子等。以空位为例,它在晶体中引入了局域的晶格畸变和势场。电子在通过空位附近时,会受到额外的散射,增加了电子运动的阻碍。根据电导率公式σ=nqv?/eτ,其中τ是平均自由时间,空位

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