физика твердого тела (учебное пособие) в 2-х ч. ч. 1

Томский межвузовский центр дистанционного образования С.В. Смирнов ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Часть 1 Учебное пособие ТОМСК – 2002 Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра физической электроники (ФЭ) С.В. Смирнов ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Часть 1 Учебное пособие 2002 Рецензент: д.ф.-м. н., профессор Томского государственного университета Толбанов О.П. Корректор: Красовская Е.Н. Смирнов С.В. Физика твердого тела: Учебное пособие. В 2-х ч. −Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. − Ч.1. − 89 с.  Смирнов С.В., 2002  Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………. 5 1. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ ………………… 1.1. Модель атома Бора …………………………………………….. 1.2. Квантовомеханическое описание строения атома …………... 1.3. Химическая связь. Образование молекул ………………….… 1.4. Обобществление электронов ………………………………….. 1.5. Метод ЛКАО …………………………………………………… 1.6. Ионная связь ………………………………………………….... 1.7. Строение молекул ……………………………………………... 1.8. Связь в твердых телах ……………………………………….… 1.8.1. Ионная связь ……………………………………………... 1.8.2. Ковалентная связь ……………………………………….. 1.8.3. Силы Ван-дер-Ваальса …………………………………... 1.8.4. Водородная связь ………………………………………... 1.8.5. Металлическая связь …………………………………….. 6 6 7 11 11 13 15 18 21 21 22 23 24 25 2. СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ……………………………………….. 2.1. Простые и сложные кристаллические решетки ……………... 2.2. Решетка с базисом ……………………………………………... 2.3. Индексы Миллера ……………………………………………... 2.4. Обратная решетка ……………………………………………… 2.5. Определение кристаллических структур с помощью дифракции рентгеновских лучей …………………………….. 2.6. Стоячие волны …………………………………………………. 2.7. Зоны Бриллюэна ……………………………………………….. 27 28 31 32 33 3. ТВЕРДОЕ ТЕЛО КАК ГАЗ КВАЗИЧАСТИЦ ……………………. 3.1. Фононы …………………………………………………………. 3.2. Электроны проводимости ……………………………………... 3.3. Плазмоны ………………………………………………………. 3.4. Поляроны ………………………………………………………. 3.5. Экситоны ……………………………………………………….. 3.6. Магноны ………………………………………………………... 42 43 44 44 45 45 46 4. ФОНОННЫЙ СПЕКТР. (ТЕПЛОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КРИСТАЛЛЕ) …………………………………………………… 4.1. Тепловые колебания. Амплитуды ……………………………. 4.2. Нормальные колебания простой одномерной решетки ……... 4.3. Нормальные колебания одномерной решетки с базисом …… 48 48 49 51 33 37 39 4 4.4. Спектр нормальных колебаний решетки …………………….. 53 5. ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ………………………………. 54 5.1. Теория Эйнштейна …………………………………………….. 55 5.2. Теория Дебая …………………………………………………… 56 6. АНГАРМОНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ …………. 6.1. Тепловое расширение твердых тел …………………………… 6.2. Теплопроводность твердых тел ………………………………. 6.2.1. Теплопроводность диэлектриков ……………………….. 6.2.2. Теплопроводность металлов ……………………………. 59 59 61 61 63 7.ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ……………………………….. 7.1. Адиабатическое и одноэлектронное приближение …………. 7.2. Приближение свободных электронов ……………………… 7.3. Приближение сильносвязанных электронов ………………… 7.4. Приближение слабосвязанных электронов ………………….. 7.5. Энергетический спектр электронов в кристалле …………….. 7.6. Эффективная масса электронов ………………………………. 64 64 66 67 68 69 72 8. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК В МЕТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ …………………………………………. 8.1. Функция распределения электронов и дырок по состояниям. 8.2. Функция плот