《固体物理学》习题解答黄昆原著韩汝琦改编第一章晶体结构1.1、解：实验表明，很多元素的原子或离子都具有或接近于球形对称结构。因此，可以把这些原子或离子构成的晶体看作是很多刚性球紧密堆积而成。这样，一个单原子的晶体原胞就可以看作是相同的小球按点阵排列堆积起来的。它的空间利用率就是这个晶体原胞所包含的点的数目n和小球体积V所得到的小球总nV体积nV与晶体原胞体积Vc之比，即：晶体原胞的空间利用率，x=Vc（1）对于简立方结构：（见教材P2图1-1）4a=2r，V=πr3，Vc=a3，n=1344πr3πr3π∴x=3=3==0.52a38r3643（2）对于体心立方：晶胞的体对角线BG=3a=4r⇒a=x3n=2,Vc=a3442×πr32×πr33∴x=3=3=π≈0.68a3438(r)33（3）对于面心立方：晶胞面对角线BC=2a=4r,⇒a=22rn=4，Vc=a3444×πr34×πr32x=3=3=π≈0.74a3(22r)36a×asin6033（4）对于六角密排：a=2r晶胞面积：S=6×S=6×=a2∆ABO22338晶胞的体积：V=S×C=a2×a=32a3=242r32311n=1212×+2×+3=6个6246×πr32x=3=π≈0.74242r368r（5）对于金刚石结构，晶胞的体对角线BG=3a=4×2r⇒a=n=8,Vc=a331448×πr38×πr33πx=3=3=≈0.34a3836r333c81.2、试证：六方密排堆积结构中=()1/2≈1.633a3证明：在六角密堆积结构中，第一层硬球A、B、O的中心联线形成一个边长a=2r的正三角形，第二层硬球N位于球ABO所围间隙的正上方并与这三个球相切，于是：NA=NB=NO=a=2R.即图中NABO构成一个正四面体。…1.3、证明：面心立方的倒格子是体心立方；体心立方的倒格子是面心立方。⎧aa=+()jk⎪12⎪⎪a证明：（1）面心立方的正格子基矢（固体物理学原胞基矢）：⎨a2=+()ik⎪2⎪a⎪a3=+()ij⎩22π由倒格子基矢的定义：b=()aa×1Ω23aa0,,22ijk,,aaa3aaa2∵Ω=⋅×=aaa(),0,=，aa×=,0,=−++(ijk)12322423224aaaa,,0,,022224a22π∴=××b2π(−++=ijk)(−++ijk)1a34a2πb2=()ijk−+同理可得：a即面心立方的倒格子基矢与体心立方的正格基矢相同。2πb=()ijk+−3a所以，面心立方的倒格子是体心立方。⎧aa=−++()ijk⎪12⎪⎪a（2）体心立方的正格子基矢（固体物理学原胞基矢）：⎨a2=()ijk−+⎪2⎪a⎪a3=()ijk+−⎩222π由倒格子基矢的定义：b=()aa×1Ω23aaa−,,222ijk,,aaaa3aaaa2∵Ω=⋅×=aaa(),,−=，aa×=−,,()=+jk1232222232222aaaaaa,,−,,−2222222a22π∴=××b2π()()jk+=jk+1a32a2πb2=()ik+同理可得：a即体心立方的倒格子基矢与面心立方的正格基矢相同。2πb=()ij+3a所以，体心立方的倒格子是面心立方。1.5、证明倒格子矢量G=++hb11hb22hb33垂直于密勒指数为()hhh123的晶面系。证明：a1a3a2a3因为CA=−,CB=−，G=++hb11hb22hb33hh13hh23G⋅=CA0hhh123利用abij⋅=2πδij，容易证明G⋅=CB0hhh123所以，倒格子矢量G=++hb11hb22hb33垂直于密勒指数为()hhh123的晶面系。1.6、对于简单立方晶格，证明密勒指数为(,,)hkl的晶面系，面间距d满足：dahkl2=2222()++，其中a为立方边长；并说明面指数简单的晶面，其面密度较大，容易解理。解：简单立方晶格：aaa123⊥⊥，a1=ai,,a2==aja3akaa2×3aa31×aa12×由倒格子基矢的定义：b1=2π，b2=2π，b3=2πaaa12⋅×3aaa12⋅×3aaa12⋅×332π2π2π倒格子基矢：b=ib,,=jb=k1a2a3a2π22ππ倒格子矢量：G=++hbkblb，Ghik=+jlk+123aaa2π1晶面族()hkl的面间距：d==G