2022-2023学年高二物理 结合能 竞赛课件(共12张PPT)

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2022-2023学年高二物理 结合能 竞赛课件(共12张PPT)

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结合能
(2)相互作用能
  两原子间的相互作用能
结合能
(1)定义:若EN表示晶体在绝对零度时的总能量,E0表示组成晶体的N个自由原子的能量总和,则结合能Eb定义为
  可以将分散的原子的总能量作为能量的零点。则系统的内能(系统的总 能量)数值上与结合能相等。晶体的内能可以写为吸引势能与排斥势能之和。
  原子的动能与原子间的相互作用势能之和为晶体的内能。
  在0K时,原子还存在零点振动能,但零点振动能与原子间的相互作用势能的绝对值相比小得多,所以,在0K时原子间的相互作用势能的绝对值近似等于晶体的结合能。
(4)离子晶体的结合能
(3)结合能的计算
  结合能可认为是平衡时N个原子对相互作用能之和
晶体结构所决定的系数。b,n为待定参数。
(5)分子晶体的结合能
参数σ:具有长度的量纲,反映了排斥力的作用范围;
参数ε:是两原子处于平衡时的结合能,则反映了吸引作用的强弱。通常惰性气体晶体ε=0.01eV,所以惰性气体晶体只有很弱的结合。
4、 体积弹性模量K
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晶格振动
格波:晶体中原子集体振动形式。其特点是每个原子都有相同的振动频率、振幅,但不同原子间的振动位相有一个与距离有关的差值,即振动以波的形式在晶体中传播。
简谐格波,振动模式:在简谐近似和最近邻近似下,一维单原子中第n个格点的运动方程是:
称为简谐格波,它是晶体中最基本、最简单的集体振动形式。每一组由
     确定的简谐格波称为一种振动模式。
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格波频率与波矢之间所满足的关系
称为色散关系。
声学波、光学波:描述原子质心运动的格波称为声学波;描述原胞中各原子相对运动的格波称为光学波。
格波模式数:在周期性边界条件下,引入布里渊区概念,这样若晶体由N个原胞组成,每个原胞有n个原子,则晶体共有3nN个振动模式,这3nN个振动模式,又可分成3n支,每一支有N个不同的振动模式,其    满足同一色散关系。这3n支中有3支是声学波,(3n-3)支是光学波。
模式密度:单位频率间隔中的格波振动模式数目为:
色散关系:
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第j支格波的频谱、等频面。
个原子和第
个原子的运动情况一样,其中
=1,2,3…。
引入这个条件后,导致描写晶格振动状态的波矢
只能取一些分立的不同值。如果晶体是无限大,波矢
的取值将趋于连续。
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波恩和卡门周期性边界条件
  由于实际晶体的大小总是有限的,总存在边界,而显然边界上原子所处的环境与体内原子的不同,从而造成边界处原子的振动状态应该和内部原子有所差别。
  考虑到边界对内部原子振动状态的影响,波恩和卡门引入了周期性边界条件。其具体含义是设想在一长为L的有限晶体边界之外,仍然有无穷多个相同的晶体,并且各块晶体内相对应的原子的运动情况一样,即第j和第 tN + j个原子的运动情况一样。
  引入这个条件后,导致描写晶格振动状态的波矢只能取一些分立的不同值。如果晶体是无限大,波矢的取值将趋于连续。
个原子和第
个原子的运动情况一样,其中
=1,2,3…。
引入这个条件后,导致描写晶格振动状态的波矢
只能取一些分立的不同值。如果晶体是无限大,波矢
的取值将趋于连续。
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称最小能量单位   为声子。每一种振动模式与一种声子相对应。晶体中共有3nN种声子。
声子,声子与粒子的碰撞
声子:格波能量是量子化的,频率为  的格波其能量只能为
声子:用独立简谐振子的振动来表述格波的独立模式, 这就是声子,晶体所有原子参与的集体运动; 声子服从玻色分布;
  引入简正坐标以后:
  晶格振动的总能量可以表示为N个独立简谐振子的能量之和。
  这里所引入的线性变换可与量子力学中的表象变换类比考虑:
实际坐标空间的N个相互作用的原子体系的微振动和
简正坐标所构成的态空间中N个独立谐振子
N个原子的振动可等价于N谐振子的振动,谐振子的振动频率就是晶格的振动频率。
等效
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对晶体振动描述的两种方法:
确定晶体中各个原子的空间坐标随时间的变化关系。这种情况显然是非常麻烦的,因为晶体中各个原子运动都是相互关联的,因而我们需要解决的是一个相互间存在有相互作用的多体问题。
第二种方法则是从格波(集体振荡)的角度出发,去讨论晶格振动中各个不同波矢、不同模式格波的振幅有多大。如果不同波矢、不同模式的格波的振幅确定了,那么晶体中的各个原子的振动情况也就确定了。

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