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《材料物理》 课程教学大纲

《材料物理》课程教学大纲一、课程名称(中英文)中文名称:材料物理英文名称:Physics of Materials二、课程代码及性质课程代码:0801142课程性质:专业基础课、专业必修课三、学时与学分总学时:40(理论学时:40学时;实践学时:0学时)学分:2.5四、先修课程大学物理、材料科学基础五、授课对象本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业学生开设。

六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用)本课程的教学目的:1、掌握材料物理(能带论、晶格振动、材料磁性)的基本理论,具备解决和分析问题的能力;2、掌握功能材料的物理(电学、热学、磁学、光学)现象与本质规律,培养学生开发新型功能材料的能力;3、了解功能材料的发展趋势和动态,培养学生学习新知识的能力。

七、教学重点与难点:教学重点:影响材料物理性质的基本理论。

晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、材料的磁性教学难点:能带论、材料的磁性、材料的介电性、超导电性八、教学方法与手段:教学方法:(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2)从材料的物理性质及物理现象为引导、探讨产生光、电、磁的材料物理本质,掌握重要的理论。

教学手段:(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;(2)强调研究思路的创新过程,注重理论与实践相结合。

每一个基本理论学习介绍后再增加介绍其带来新功能材料与器件的研究突破,引导学生的学习兴趣。

九、教学内容与学时安排(1)总体安排教学内容与学时的总体安排,如表2所示。

(2)具体内容各章节的具体内容如下:绪论(2h)第一章晶体结构(4h)1.1 晶格的周期性1.2晶格的对称性1.3 倒格子1.4 准晶第二章晶体结合 (4h)2.1晶体结合的普遍描述2.2 晶体结合的基本类型及特性2.3 晶体结合类型与原子的负电性第三章能带理论 (8h)3.1 经典电子论3.2 布洛赫定理3.3能带论3.4费米-狄拉克分布3.5应用举例第四章晶格振动与热学性质 (6h)4.1 一维晶格振动4.2 三维晶格振动4.3晶格振动的长波分析4.4 晶格热容4.5晶格的热膨胀4.6晶体的热传导第五章材料的导电性 (6h)5.1 金属材料的导电性5.2半导体材料的导电性5.3固体电解质材料的导电性5.4材料的超导电性第六固体的磁性 (6h)6.1材料的磁现象6.2材料磁性的物理本质6.3 抗磁性6.4顺磁性6.5金属材料的抗磁性与顺磁性6.6铁磁性6.7磁畴与技术磁化6.8反铁磁性和亚铁磁性6.9 磁性材料应用第七章材料的光学性能与介电性能 (4h) 7.1 活跃的材料材料的光学与介电性7.2 材料的极化7.3 材料的压电性7.4 介电常数与电容7.5 耗散与介电损耗 7.6 折射与反射 7.7吸收、透射与散射 7.7激光与激光材料7.8光的传输与光纤材料(3)各章节的课后思考题(作业)及讨论要求 思考题(课后作业):第1章思考题与作业题:1、对于六角密积结构,固体物理学原胞基矢为j i a a a 2321+=j i a a a 2322+-=k a c =31)原胞体积 2)试求倒格子基矢。

2、矢量a ,b ,c 构成简单正交系。

证明晶面族)(hkl 的面间距为222)()()(1cl b k a h d hkl ++=3、用钯靶αK X 射线投射到NaCl 晶体上,测得其一级反射的掠射角为5.9°,已知NaCl 晶胞中Na +与Cl -的距离为2.82×10-10m ,晶体密度为2.16g/cm 3。

求:(1) X 射线的波长; (2) 阿伏加德罗常数。

4.一个物体或体系的对称性高低如何判断?有何物理意义?一个正八面体(见图1.)有哪些对称操作?图1 正八面体5、证明倒格矢K h 与正格中晶面族(h 1h 2h 3)垂直.332211h b h b h b h K ++=第2章思考题(作业题):1、计算NaCl 晶胞从(1,1,1)扩至(2,2,2)的马德龙常数2、.有一晶体,在平衡时的体积为0V ,原子之间总的相互作用能为0U ,如果原子间相互作用能由下式给出:nmrrr u βα+-=)(,试证明弹性模量可由[])9/(00V mn U 给出。

提示:原子间总结合能为)//)(2/()(n m r r N r U βα+-=,体积3ANr V =。

3、.上题表示的相互作用能公式中,若2=m ,10=n ,且两原子构成稳定分子时间距为10103-⨯m ,离解能为4eV ,试计算α和β之值。

4、如果NaCl 结构中离子的电荷增加一倍,晶体的结合能及离子间的平衡距离将发生多大的变化?5、NaCl 晶体的体弹模量为2.4×1010Pa ,在2×109Pa 的气压作用下,晶体中两相邻离子间的距离将缩小百分之几?6、计算GaAs 和氧化铝\氮化铝中离子键的比例。

7、对线型离子晶体,在一条直线链上交替地载有电荷±q 的2N 个离子,最近邻之间的排斥势能为n rb 。

(1)试证在平衡间距下)11(42ln 2)(0020nr Nq r U --=πε(2)令晶体被压缩,使)1(00δ-→r r ,试证在晶体被压缩单位长度的过程中,(外力)所做功的主项为2)2/1(δC ,其中0242ln )1(r q n C πε-=8. 原子结合成晶体时,原子的价电子将重新分布,从而产生不同的结合力。

分析各类晶体中决定结合类型的主要结合力。

第3章思考题:1.布洛赫电子论作了哪些基本近似?它与金属自由电子论相比有哪些改进? 2、能带论的出发点是什么?为什么固体可分为导体、半导体和绝缘体?3、.一维周期场中电子的波函数)(x k ψ应当满足布洛赫定理。

若晶格常数为a ,电子的波函数为(1)x a x k πψsin)(=;(2)x ai x k πψ3cos )(=;4、.证明正方格子第一布里渊区的角隅处的一个自由电子的动能,比该区侧面中点处的电子动能大1倍。

对三维简单立方晶格,其相应的倍数是多少?5、.一矩形晶格,原胞边长m a 10102-⨯=,m b 10104-⨯=。

(1)画出倒格子图;(2)画出第一布里渊区和第二布里渊区; 6..已知一维晶体的电子能带可写成:)2cos 81cos 87()(22ka ka mak E +-= 。

式中a 是晶格常数。

试求(1)能带的宽度;(2)电子在波矢k 的状态时的速度; (3)能带底部和顶部电子的有效质量。

第4章 思考题(作业题)1.晶格振动对晶体起哪些影响作用?2.采用周期性边界条件的根据是什么?它揭示了振动状态的哪些特点?3. 分析简正坐标和简正振动在讨论晶格振动问题中所起的作用。

4. 声子是否为真实粒子?在热平衡条件下的晶体中说声子从一处跑到另一处有无意义?声子可以有多少种?为什么说声子是玻色子?5 分析德拜温度的物理意义;分析低温下晶格定容比热容C V ∝ T 3定律的物理模型。

6. 简单说明严格谐振动晶格不会热膨胀的原因。

7 设一维双原子链最近邻原了间的力常数交错地分别为β和10β,两种原子质量相等并且最近邻间距为a /2。

试求在q = 0和q = π/a 处的ω(a ),并大致画出色散关系曲线。

本题可模拟双原子晶体(如H 2晶体等)。

8. 对于NaCl 晶体,已知其恢复力常数β=1.5×104dyn/cm 。

试求NaCl 晶体中格波光学支的最高频率和最低频率以及声学支的最高频率。

已知Na 和Cl 的原子量分别为23和35.5,每摩尔的原子数为6.024×1023。

9 对NaCl 晶体,测知其密度ρ=2.18g/cm 3,正负离子的平衡距离α=2.81×10-10m,格波光学支的最高频率为3.6×1013(rad/s),试以一维双原子晶链模型计算:(1)NaCl 的恢复力常数β;(2)长声学波的波速;(3)NaCl 的弹性模量。

已知Na 和Cl 的原子量分别为23和35.5,每摩尔的原子数为6.024×1023,且由弹性波理论得到波速υ=(弹性模量/介质密度)1/2=[E/ρ]1/2.10 已知NaCl 晶体平均每对离子的相互作用能为n r r q T U //)(2βα+-=其中马德隆常数75.1=α,9=n ,平衡离子间距m 1082.2100-⨯=r 。

(1)试求离子在平衡位置附近的振动频率。

(2)计算与该频率相当的电磁波的滤长,并与NaCl 红外吸收频率的测量值61μm 进行比较。

第5章 思考题(作业题):1.试分析金属、半导体和绝缘体的导电机理 2.金属的导热性和导电性有什么联系?3.根据Wiedmann-Frans 定律计算Mg 在400℃的导热系数K ,已知Mg 在0℃的电阻率cm ⋅Ω⨯=-6104.4ρ,电阻温度系数/0051.0=α℃。

4.一块n 型硅半导体,其施主浓度315/10cm N D =,本征费米能级i E 在禁带正中,费米能级F E 在i E 之上eV 29.0处,设施主电离能eV E D 05.0=∆,试计算在K T 300=时,施主能级上的电子浓度。

5.一块n 型硅材料,掺有施主浓度315/105.1cm N D ⨯=,在室温(K T 300=)时本征载流子浓度312/103.1cm n i ⨯=,求此时该块半导体材料的多数载流子浓度和少数载流子浓度。

6.一硅半导体含有施主杂质浓度315/109cm N D ⨯=,和受主杂质浓度316/101.1cm N A ⨯=,求在K T 300=时(310/103.1cm n i ⨯=)的电子和空穴浓度以及费米能级位置。

7.设锗中施主的电离能01.0=∆D E eV ,在室温下导带底有效状态密度319/1004.1cm N c ⨯=,若以施主杂质电离90%作为强电离的标准,试计算在室温(K T 300=)时保持杂质饱和电离的施主杂质浓度范围。

8.设硅中施主杂质电离能eV E D 04.0=∆,施主杂质浓度316/10cm N D =,以施主杂质电离90%作为达到强电离的最低标准,试计算保持饱和杂质电离的温度范围。

9.实验得到一离子型电导材料的电导率与温度具有如下关系:TB A g 11+=σ (1)试求在测量温度范围内的电导活化能的表达式;(2)若已知K T 5001=时,191)(10--⋅Ω=cm σ;K T 10002=时,162)(10--⋅Ω=cm σ试计算出导活化能的数值。

第6章 思考题(作业题):1.垂直板面方向磁化的大薄片磁性材料,去掉磁化场后的磁极化强度是20/1m Wb M J ==μ,试计算板中心的退磁场大小。

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