阎守胜答案

固体物理基础习题解答第一章金属自由电子气体模型思考题1.如何理解电子分布函数)(Ef的物理意义是:能量为E的一个量子态被电子所占据的平均几率?[解答]金属中的价电子遵从费密-狄拉克统计分布,温度为T时,分布在能级E上的电子数目1/)(TkEEBFegn,g为简并度,即能级E包含的量子态数目.显然,电子分布函数11)(/)(TkEEBFeEf是温度T时,能级E的一个量子态上平均分布的电子数.因为一个量子态最多由一个电子所占据,所以)(Ef的物理意义又可表述为:能量为E的一个量子态被电子所占据的平均几率.2.绝对零度时,价电子与晶格是否交换能量?[解答]晶格的振动形成格波，价电子与晶格交换能量，实际是价电子与格波交换能量.格波的能量子称为声子,价电子与格波交换能量可视为价电子与声子交换能量.频率为i的格波的声子数11/TkiBien.从上式可以看出,绝对零度时,任何频率的格波的声子全都消失.因此,绝对零度时,价电子与晶格不再交换能量.3.你是如何理解绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近这一点的?[解答]自由电子论只考虑电子的动能.在绝对零度时,金属中的自由(价)电子,分布在费密能级及其以下的能级上,即分布在一个费密球内.在常温下,费密球内部离费密面远的状态全被电子占据,这些电子从格波获取的能量不足以使其跃迁到费密面附近或以外的空状态上,能够发生能态跃迁的仅是费密面附近的少数电子,而绝大多数电子的能态不会改变.也就是说,常温下电子的平均动能与绝对零度时的平均动能一定十分相近.4.晶体膨胀时,费密能级如何变化?[解答]费密能级3/2220)3(2nmEF,其中n是单位体积内的价电子数目.晶体膨胀时,体积变大,电子数目不变,n变小,费密能级降低.5.为什么温度升高,费密能反而降低?[解答]当0T时,有一半量子态被电子所占据的能级即是费密能级.温度升高,费密面附近的电子从格波获取的能量就越大,跃迁到费密面以外的电子就越多,原来有一半量子态被电子所占据的能级上的电子就少于一半,有一半量子态被电子所占据的能级必定降低.也就是说,温度升高,费密能反而降低.6.为什么价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大?[解答]由于绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近，我们讨论绝对零度时电子的平均动能与电子浓度的关系.价电子的浓度越大价电子的平均动能就越大,这是金属中的价电子遵从费密-狄拉克统计分布的必然结果.在绝对零度时,电子不可能都处于最低能级上,而是在费密球中均匀分布.由(6.4)式3/120)3(nkF可知,价电子的浓度越大费密球的半径就越大,高能量的电子就越多,价电子的平均动能就越大.这一点从(6.5)和(6.3)式看得更清楚.电子的平均动能E正比与费密能0FE,而费密能又正比与电子浓度3/2n:3/222032nmEF,3/2220310353nmEEF.所以价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大.7.对比热和电导有贡献的仅是费密面附近的电子,二者有何本质上的联系?[解答]对比热有贡献的电子是其能态可以变化的电子.能态能够发生变化的电子仅是费密面附近的电子.因为,在常温下,费密球内部离费密面远的状态全被电子占据,这些电子从格波获取的能量不足以使其跃迁到费密面附近或以外的空状态上,能够发生能态跃迁的仅是费密面附近的电子,这些电子吸收声子后能跃迁到费密面附近或以外的空状态上.对电导有贡献的电子,即是对电流有贡献的电子,它们是能态能够发生变化的电子.由(6.79)式)(00veEfff可知,加电场后,电子分布发生了偏移.正是这偏移)(0veEf部分才对电流和电导有贡献.这偏移部分是能态发生变化的电子产生的.而能态能够发生变化的电子仅是费密面附近的电子,这些电子能从外场中获取能量,跃迁到费密面附近或以外的空状态上.而费密球内部离费密面远的状态全被电子占拒,这些电子从外场中获取的能量不足以使其跃迁到费密面附近或以外的空状态上.对电流和电导有贡献的电子仅是费密面附近电子的结论从(6.83)式xkSxxESvejFd4222和立方结构金属的电导率ESvekSxFd4222看得更清楚.以上两式的积分仅限于费密面,说明对电导有贡献的只能是费密面附近的电子.总之,仅仅是费密面附近的电子对比热和电导有贡献,二者本质上的联系是:对比热和电导有贡献的电子是其能态能够发生变化的电子,只有费密面附近的电子才能从外界获取能量发生能态跃迁.8.在常温下,两金属接触后,从一种金属跑到另一种金属的电子,其能量一定要达到或超过费密能与脱出功之和吗?[解答]电子的能量如果达到或超过费密能与脱出功之和,该电子将成为脱离金属的热发射电子.在常温下,两金属接触后,从一种金属跑到另一种金属的电子,其能量通常远低于费密能与脱出功之和.假设接触前金属1和2的价电子的费密能分别为1FE和2FE,且1FE2FE,接触平衡后电势分别为1V和2V.则两金属接触后,金属1中能量高于11eVEF的电子将跑到金属2中.由于1V大于0,所以在常温下,两金属接触后,从金属1跑到金属2的电子,其能量只小于等于金属1的费密能.9.两块同种金属,温度不同,接触后,温度未达到相等前,是否存在电势差?为什么?[解答]两块同种金属,温度分别为1T和2T,且1T2T.在这种情况下,温度为1T的金属高于0FE的电子数目,多于温度为2T的金属高于0FE的电子数目.两块金属接触后,系统的能量要取最小值,温度为1T的金属高于0FE的部分电子将流向温度为2T的金属.温度未达到相等前,这种流动一直持续.期间,温度为1T的金属失去电子,带正电;温度为2T的金属得到电子,带负电,二者出现电势差.10.如果不存在碰撞机制,在外电场下,金属中电子的分布函数如何变化?[解答]如果不存在碰撞机制,当有外电场后,电子波矢的时间变化率etddk.上式说明,不论电子的波矢取何值,所有价电子在波矢空间的漂移速度都相同.如果没有外电场时,电子的分布是一个费密球,当有外电场后,费密球将沿与电场相反的方向匀速刚性漂移,电子分布函数永远达不到一个稳定分布.11.为什么价电子的浓度越高,电导率越高?[解答]电导是金属通流能力的量度.通流能力取决于单位时间内通过截面积的电子数(参见思考题18).但并不是所有价电子对导电都有贡献,对导电有贡献的是费密面附近的电子.费密球越大,对导电有贡献的电子数目就越多.费密球的大小取决于费密半径3/12)3(nkF.可见电子浓度n越高,费密球越大,对导电有贡献的电子数目就越多,该金属的电导率就越高.12.电子散射几率与声子浓度有何关系?电子的平均散射角与声子的平均动量有何关系?[解答]设波矢为k的电子在单位时间内与声子的碰撞几率为),',(kk,则),',(kk即为电子在单位时间内与声子的碰撞次数.如果把电子和声子分别看成单原子气体,按照经典统计理论,单位时间内一个电子与声子的碰撞次数正比与声子的浓度.若只考虑正常散射过程,电子的平均散射角与声子的平均波矢q的关系为由于Fkkk',所以FFkqkq222sin.在常温下,由于qk,上式可化成FFkqkq.由上式可见,在常温下,电子的平均散射角与声子的平均动量q成正比.13.低温下,固体比热与3T成正比,电阻率与5T成正比,2T之差是何原因?[解答]按照德拜模型,由(3.133)式可知,在甚低温下,固体的比热34)(512DBVTNkC.而声子的浓度mBmBTkpTkceveDVn0/2320/1d231d)(1,作变量变换TkxB,得到甚低温下333232TvAknpB,其中021dxexxA.可见在甚低温下,固体的比热与声子的浓度成正比.按照§6.7纯金属电阻率的统计模型可知,纯金属的电阻率与声子的浓度和声子平均动量的平方成正比.可见,固体比热与3T成正比,电阻率与5T成正比,2T之差是出自声子平均动量的平方上.这一点可由(6.90)式得到证明.由(6.90)可得声子平均动量的平方286220/240/3321d1d)(TvvBkevevqspBTksTkpDBDB,其中02031d1dxxexxexxB。14.霍耳电场与洛伦兹力有何关系?[解答]霍耳电场是导电电子在洛伦兹力作用下产生的.设金属的长度方向为x轴,电场沿x方向,磁场B沿z轴方向,金属的宽度方向为y轴方向.在此情况下,运动的电子将受到洛伦兹力)(BvFe的作用.该作用力指向负y方向,使电子在运动过程中向负y方向偏转,致使负y侧面的电子浓度增大,正y侧面的电子浓度减小.其结果,如下图所示,使得导体的宽度方向产生了一个附加电场y,即霍耳电场.15.如何通过实验来测定载流子是电子还是空穴?[解答]由(6.109)可以看出,电子导电材料的霍耳系数是一负值.通过实验测定出材料的霍耳系数,若霍耳系数是负值,则可断定载流子是电子,若霍耳系数是正值,则可断定载流子是空穴.16.磁场与电场,哪一种场对电子分布函数的影响大?为什么?[解答]磁场与电场相比较,电场对电子分布函数的影响大.因为磁场对电子的作用是洛伦兹力,洛伦兹力只改变电子运动方向,并不对电子做功.也就是说,当只有磁场情况下,非磁性金属中价电子的分布函数不会改变.但在磁场与电场同时存在的情况下,由于产生了附加霍耳电场,磁场对非磁性金属电子的分布函数的影响就显现出来.但与电场相比,磁场对电子分布函数的影响要弱得多.17.为什么在开路状态下,传导电子能传输热流?[解答]在开路状态下,温差引起的传导电流为0,说明单位时间内由温度高的区域穿过金属横截面流向温度低的区域的电子数,等于由温度低的区域穿过该横截面流向温度高的区域的电子数.但由温度高的区域穿过金属横截面流向温度低的区域的电子携带的热能,高于由温度低的区域穿过该横截面流向温度高的区域的电子所携带的热能.也就是说,尽管在开路状态下,温差引起的传导电流为0,但仍有热能由温度高的区域传输到温度低的区域.18.电导大的金属热导系数也大,其本质联系是什么?[解答]以立方晶系金属为例，电导与电流的关系是xxj.可见,电场强度x一定,电导大,电流密度xj就大.电导成为金属通流能力的量度.热导系数与热能流密度的关系是xTkqxdd.可见,温度梯度一定,热导系数k大,热能流密度xq就大.热导系数k成为金属传输热能流能力的量度.通流能力取决于单位时间内通过截面积的电子数.而传输热能流能力取决于单位时间内通过截面积的电子数目.也就是说，二者传输能量的机制是相同的.因此,电导大的金属热导系数也大.另外,由(6.126)可知,金属的热导系数*2222*2233mneeTkmTnkkFBFB.对于立方晶系金属来说*2mneF.可见立方晶系金属的热导率与电导率成正比,自然电导大的金属热导系数也大.1.1对于体积V内N个电子的自由电子气体，证明（1）电子气体的压强)/()3/2(0Vp，其中0为电子气体的基态能量。（2）体积弹性模量)/(VpVK为V9/100。证明：（1）电子气体的基态能量（即绝对零度时的内能）FFFFFNnVgVdmVdgVFF53235252212202133200（1）而mkFF222（2）VNkF233（3）综合（1）、（2）、（3）可得322203253VNmN（4）所以压强为)/()3/2(00VVpN（5）（2）对于自由电子气体mkVF1015220（6）而费米波矢kF与体积V的关系为NkVF333482（7）所以35222)3(10132VNmp（8）代入模量