材料物理思考題

材料物理思考題1、表面張力的定義。答：表面張力也可以理解為系統增加單位面積時所需做的可逆功。2、簡述影響聚合物表面張力的因素，舉例說明減少聚合物表面張力的方法。答：（1）①溫度:Guggenheim自低分子出發(fā)，提出了可用于聚合物表面張力與溫度關系的公式：γ0—溫度為0K時的表面張力TC—臨界溫度②化學結構:表面張力大小主要取決于聚合物分子中的鏈節(jié)單元結構。通常，非極性聚合物較極性聚合物的表面張力值低。③分子量及其分布:聚合物分子量分布對其表面張力也有一定的影響。聚合物中分子量小的部分會使其表面張力減小，尤其是它們有濃集于聚合物表面的趨勢，從而引起表面張力γ值下降。④高分子物態(tài)轉變的影響:當聚合物從玻璃態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)時，其表面張力出現轉折的連續(xù)性變化，而結晶－熔融轉變過程中的表面張力變化具有非連續(xù)性。在兩力學狀態(tài)下的聚合物表面張力隨溫度變化之系數也有不同數值。⑤共混:共混物的表面張力大小往往受其體系的相容性影響。通常，共混物的表面張力隨其相容性的減小而增加。⑥添加劑:低表面能添加劑具有降低聚合物表面張力的作用。（2）解釋聚合物表面組成、形態(tài)與內部不同的原因。答：因為材料內部原子受到周圍原子的相互作用是相同的，而處在材料表面的原子所受到的力場卻是不平衡的因此材料的表面與其內部本體，無論在結構上還是化學組成上都有明顯的差別。5、什么是粉體活性。答：粉體的活性是指組成粉體顆粒的各種質點（分子、原子、離子）的活動性。即指質點脫離粉體顆粒中各種結合鍵的束縛，進入“自由”空間的能力。粉體的尺寸是怎樣劃分的，決定它大小的因素是什么？答：通常將顆粒尺寸為150~500μm的粉體稱為粗粉體；40~150μm的稱為中等粉體；10~40μm的稱細粉體；0.5~10μm的稱為極細粉體；0.5μm以下的則是超細粉體。7、粉體具有什么樣的聚集態(tài)特征。答：似固體，而又具有流動性；似液體，但又能夠堆積成堆；似氣體，幾種不同的粉體可以均勻地混合在一起，但無論怎樣混合都不能成為單一的相；粉體有巨大的比表面積和很高的活性。怎樣判斷固體材料的表面潤濕性。答：三種潤濕發(fā)生的條件可歸納如下：

（1）粘附潤濕：

（2）浸濕：

（3）鋪展?jié)櫇瘢毫晳T上規(guī)定θ=90°為潤濕與否的標準，即θ>90°為不潤濕，θ<90°為潤濕，θ越小潤濕越好。當平衡接觸角θ=0°或不存在時為鋪展。闡述納米材料的定義和存在狀態(tài)，說明產生納米材料獨特性的根源。答：納米微粒一般在1~100nm之間，其粒度介于原子簇和超細微粒之間，處于微觀粒子和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米顆粒是一種零維量子材料。即由少量分子或原子堆積而成的，在空間三維方向上的尺度均在納米量級。這種結構千差萬別，目前尚無法找出明確的規(guī)律，但這也正是納米固體的特殊之處，使其具有許多與晶態(tài)、非晶態(tài)、原子簇等不同的物理、化學性質。什么是顆粒表面雙電層結構。答:粉體表面的電性是由粉體表面的荷電離子，如H+、OH-等決定的。粉體物料在溶液中的電性還與溶液的pH值及離子類型有關。若顆粒表面帶有某一種電荷（如正電荷），其表面就會吸附相反符號的電荷（即負電荷），構成雙電層。什么是X電位和等電點。答：等電點：兩性離子所帶電荷因溶液的pH值不同而改變,當兩性離子正負電荷數值相等時,溶液的pH值即其等電點.X電位：12、說明增容的涵義以及增容的方法。答：增容作用有兩方面涵義：一是使聚合物之間易于相互分散以得到宏觀上均勻的共混產物；另一是改善聚合物之間相界面的性能，增加相間的粘合力，從而使共混物具有長期穩(wěn)定的優(yōu)良性能。加入增容劑法：混合過程中化學反應所引起的增容作用聚合物組分之間引入相互作用的基團共溶劑法和IPN法聚合物相容性是怎樣判斷的。答：最常用的判據是聚合物溶解度參數和Huggins-Flory相互作用參數。試述聚合物溶解參數的定義以及測定方法。答：（1）定義：內聚能密度的開平方。（2）測定方法：①對于低分子化合物，摩爾蒸發(fā)熱ΔH與內聚能ΔE之間的關系為：R—氣體常數；T—絕對溫度。聚合物不能蒸發(fā)，溶解度參數δ與摩爾吸引常數的關系為：d—密度；M—分子量；Gi—組成分子的化學基團摩爾吸引常數。②另外，也可用濃度測定法，即將聚合物溶于一種溶劑中，然后選擇一種與溶劑互溶的該聚合物的沉淀劑進行滴定，直到出現混濁。③采用溶脹法測定其溶解度參數δp。說明溶解度參數理論的使用范圍。答：溶解度參數理論僅僅考慮到分子之間的色散力，因而僅適用于非極性分子的情況，這時混合焓為正值或為零。IPN是怎樣分類的。答：IPN從形態(tài)學可分為相對地分為理想IPN（CIPN）、部分IPN（PIPN）和相分離IPN（PSIPN）三種；IPN按制備方法可分為分步IPN、同步IPN（SIN）、膠乳IPN（LIPN）等，這種分類是具有實用價值的。分步IPN中還包括泡沫IPN（FIPN），這是將含有微孔的交聯聚合物在單體或低聚體中溶脹再使單體或低聚體聚合而制得的IPN。什么是IPN的形態(tài)結構以及IPN的形態(tài)結構是從哪幾個方面表述的。答：互穿網絡聚合物的形態(tài)結構系指相分離程度，相的連續(xù)性程度及相互貫穿的程度，相疇（微區(qū)）的形狀、尺寸以及界面層的結構。說出二元聚合物體系相容的穩(wěn)定條件答：在恒定溫度T和壓力P下，多元體系熱力學平衡的條件是其混合自由焓ΔGm為極小值。21、說明部分相容聚合物體系所表現出的最高臨界溫度（UCST）和最低臨界溫度（LCST）答：最高臨界溫度（UCST）：超過此溫度，體系完全相容，低于此溫度，為部分相容。最低臨界溫度（LCST）：低于次溫度，體系完全相容，高于此溫度，為部分相容。22、說出決定IPN相疇尺寸的主要因素答：相疇尺寸與界面張力系數γ成正比，與網絡交聯密度v1成反比。簡述電子的波粒二象性、測不準原理、薛定諤方程、定態(tài)波函數。答：波粒二象性是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質。不確定性原理表明，粒子的位置與動量不可同時被確定。如果波函數可以表示為一個空間坐標的函數ψ(x,y,z)與一個時間函數的乘積，并且整個波函數隨時間的改變由因子e^(-t*E*i*2π/h)決定,這個波函數就稱為“定態(tài)波函數”。它可表示為ψ(x,y,z,t)=ψ(x,y,z)e^(-t*E*i*2π/h),其中，E為確定的能量。簡述薛定諤方程描述電子能量狀態(tài)的物理意義答：這是一個描述一個粒子在三維勢場中的定態(tài)薛定諤方程。所謂勢場，就是粒子在其中會有勢能的場，比如電場就是一個帶電粒子的勢場；所謂定態(tài)，就是假設波函數不隨時間變化。解釋定態(tài)波函數以及意義答：粒子在空間某處出現的幾率不隨時間而改變,這是定態(tài)的一個重要性質。決定電子能量狀態(tài)的量子數是怎樣得出的答：為了描述原子中電子的運動規(guī)律,薛定諤提出了一種波動方程,現在我們稱為薛定諤方程.這個偏微分方程的數學解很多,但從物理意義看,這些數學解不一定都是合理的.為了得到原子中電子運動狀態(tài)合理的解,必須引用只能取某些整數值的三個參數,稱它們?yōu)榱孔訑怠?8、說明核外電子運動或能量狀態(tài)與其四個量子數的對應關系答：主量子數n用來描述電子能態(tài)的能量En。角量子數l所表征是電子云的形狀。磁量子數m反映了軌道的空間取向，決定了外磁場作用下電子云在空間的伸展方向，是軌道量子數的空間投影。自旋量子數ms：原子中電子除了以極高速度在核外空間運動之外，也還有自旋運動。電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向的自旋。原子的殼層結構是根據什么規(guī)則確定的答：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特規(guī)則。30、解釋電子能級、激發(fā)與電離、特征輻射、原子光譜、分子光譜和X-射線光譜答：電子能級：電子的能量是由它的運動狀態(tài)所確定的，相應地，也就有一系列分離的能量狀態(tài)，稱為電子能級。激發(fā)與電離：在外來能量的作用下，原子中的電子一旦獲得足夠的能量就可以從較低的能級躍遷到較高的能級，結果使第能級上出現了電子空位，原子系統的能量也因此而升高，這個過程稱為電子的受激過程，原子受激后將處于激發(fā)態(tài)。如果原子獲得了較大的能量而進入了真空能級，這一過程實際上是電子脫離了束縛態(tài)，成為自由電子，我們將這個過程稱為電離。特征輻射：原子或離子收到激發(fā)時，受激的原子或離子回到基態(tài)時，多出的能量就會以輻射的形式釋放出去。由于原子能級間的變化是不連續(xù)的，因此輻射產生的光譜是線狀光譜。又因為線狀光譜是與原子結構相對應的，可以反映該原子的結構特征，故線狀譜也稱原子的特征光譜，相應的輻射稱為特征輻射。原子光譜：是原子價電子能級發(fā)生變化而產生的，原子能級的本質是價電子能級。分子光譜：包括了電子能級躍遷、原子振動能級和分子轉動能級變化所產生的光譜。X-射線光譜：內層電子的激發(fā)能比較高，如果內層電子躍遷復位過程中以光子的形式釋放能量，則會產生具有特征能量的X射線。指出電子能級躍遷、原子振動能級和分子轉動能級與紫外、紅外和微波光譜的對應關系答:電子光譜對應的是紫外光和可見光區(qū)域；振動光譜對應的是近紅外和中紅外區(qū)域；轉動光譜則對應紅外區(qū)域以及微波區(qū)域。32、什么是俄歇電子或俄歇效應答：由一個電子充填內殼層的空位，在此過程中放出的能量再次使原子電離，從使另外一個電子脫離原子成為二次電子，這種二次電子就成為俄歇效應。解釋名詞：能帶、滿帶、空帶和禁帶能級答：當很多原子聚集成固體時，原子能級分裂成很多亞能級，并導致系統能量下降，由于這些亞能級彼此非常接近，故稱它們?yōu)槟軒АM帶：在能帶結構中，如果一個能帶中的各能級都被電子填滿，這樣的能帶被稱為滿帶?？諑В和鱾€原子的激發(fā)能級相對應的能帶，在未被激發(fā)的情況下沒有電子填入，這樣的能帶就稱為空帶。禁帶：有些固體在價帶與空帶之間存在著這一段能量間隔，在這個區(qū)域永遠不可能有電子，這個能量區(qū)域稱為禁帶或帶隙。畫出Na、Mg、Al金屬的電子能帶結構示意圖3s3p3s3s3p3s3p3s3p （a）Na（b）Mg（c）Al對比畫出絕緣體和半導體的電子能帶結構示意圖36、金屬電阻主要受什么因素影響，為什么它隨溫度升高而增大。答：（1）溫度的影響：溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大。這些因素都使電子運動的自由程減小，散射概率增加而導致電阻率增大。冷加工變形的影響雜質的影響38、什么是經典自由電子理論以及假設條件。答：假設：價電子可以在整個金屬中完全自由運動，并設想自由電子體系是一種電子間毫無相互作用的理想氣體，其行為符合經典的麥克斯韋-玻爾茲曼統計規(guī)律。經典自由電子理論：說出理論推導歐姆定律和焦耳一楞次定律的假設條件答：導出歐姆定律的假設：假設道題單位體積內自由電子數目為n，單位時間內通過與電場E垂直的單位面積的電量δ=neυ。導出焦耳一楞次定律的假設：設單位體積金屬導體中的自由電子數目為n，單位時間內電子與離子實碰撞1/τ次。說出自由電子量子理論及其假設條件，寫出費半—狄拉克分布函數金屬中價電子責成自由電子的氣體是理想氣體，電子之間無相互作用，各自獨立地在離子的平均勢場中運動。假設條件：電子彼此不能區(qū)分；一個能帶每一個能級只能被兩個自旋相反的電子占據。費半—狄拉克分布函數什么是費米能級和自由電子費米氣體。答：（1）費米能級：在0K時，電子所占據的最高能級稱為費米能級。（2）自由電子費米氣體：指電子公有化后無相互作用，自由電子中速度小的電子位于低能態(tài)，速度大的電子位于高能態(tài)，從低到高依次填充直至費米能級并且遵從泡利不相容原理的電子氣。42、說出點陣周期場中的能帶理論及其假設條件答：假設固體中的原子核固定不懂并設想每個電子是固定在原子核的勢場及其他電子的平均勢場中運動，這樣就把問題簡化成單電子問題，這種方法成為單電子近似。用這種方法近似處理晶體中電子能譜的理論稱為能帶理論。假設：把電子運動看作基本上獨立的，它們的運動遵守量子力學統計規(guī)律--費米-狄拉克統計規(guī)律；什么是K空間和布里淵區(qū)答：（1）微觀粒子具有波動性,其動量和坐標不能同時確定,則它的狀態(tài)就不能用動量和坐標來描述,而可采用波矢來表示.波矢的大小是波長的倒數,波矢有3個分量（kx,ky,kz）.對于晶體中的電子,其中只能存在一些、某一定波長的電子波,即只能有一定數量的波矢,即有一定數量的電子狀態(tài).由這些波矢的3個分量（kx,ky,kz）構成的空間就是k空間,其中的每一個點（即每一個k）就代表具有一種波長的電子狀態(tài),多少個k就代表多少個狀態(tài)。（2）固體的能帶理論中，各種電子態(tài)按照它們的波矢分類。在波矢空間中取某一倒易陣點為原點，作所有倒易點陣矢量的垂直平分面，這些面波矢空間劃分為一系列的區(qū)域：其中最靠近原點的一組面所圍的閉合區(qū)稱為第一布里淵區(qū)；在第一布里淵區(qū)之外，由于一組平面所包圍的波矢區(qū)叫第二布里淵區(qū)；依次類推可得第三、四、…等布里淵區(qū)。各布里淵區(qū)體積相等，都等于倒易點陣的元胞體積。周期結構中的一切波在布里淵區(qū)界面上產生布拉格反射,對于電子德布羅意波,這一反射可能使電子能量在布里淵區(qū)界面上（即倒易點陣矢量的中垂面）產生不連續(xù)變化。根據這一特點,1930年L.-N.布里淵首先提出用倒易點陣矢量的中垂面來劃分波矢空間的區(qū)域，從此被稱為布里淵區(qū)。44、說出X—射線的來源及其與原子序數之間的關系答：內層電子的激發(fā)能比較高，如果內層電子躍遷復位過程中以光子的形式釋放能量，則會產生具有特征能量的X射線。什么是韌致輻射、彈性散射、非彈性散射、電離損失、輻射損失答：韌致輻射：在電場中帶電粒子獲得的速度和加速度遠遠高于由熱運動產生的速度和加速度，由此引起的輻射。彈性散射：帶電離子與核或電子碰撞，若僅僅引起核或電子的反沖，則稱為彈性碰撞。但對入射離子而言，能量還是有所損失的，一般只有電子在散射過程中損失能量。非彈性散射：帶電離子與核或電子碰撞過程中，如果產生輻射，或者引起電子的能級躍遷，那么，就是非彈性的。非他你想那個散射往往伴有其他的物理現象（如熱、光、X射線、電子發(fā)射等）。電離損失：入射帶電粒子在散射過程中使原子（或分子）激發(fā)或者電離，從而導致入射離子的能量逐漸減少。輻射損失：帶電粒子因為輻射所導致的能量損失。什么是帶電粒子的射程及其與透射率之間的關系答：入射粒子在原來運動方向上所達到的最大距離稱為該粒子在散射體中的射程。由透射率曲線中部接近直線的部分外推至I/I0=0處，與此相應的散射體厚度Rp就定義為這束單能電子的射程。解釋電子與物體作用時散射體的物理效應答：以高真空環(huán)境中由keV量級的電子宏基固體靶為例介紹電子與物質的相互作用及由此產生的一些物理信號。背散射電子：入射電子進入靶面，把靶原子散射返回真空端的入射電子。吸收電子或透射電子二次電子和離子：散射體中在入射電子通過的路徑中，會留下一連串被激光的原子或離子，同時產生二次電子，條件是入射電子能量大雨靶原子的某個能級的激發(fā)能或電力能。韌致輻射和特征輻射俄歇電子聲子激發(fā)等離子激發(fā)感生電效應48、解釋離子與固體物質作用時的靶內、外效應靶內效應：（1）注入、反沖注入與表層結構成分晶格結構的擾動表面化學反應及表面熱效應伴有電子和光的發(fā)射靶外效應：（1）背散射濺射與剝離解釋光波的普遍行為答：（1）光子，或者稱為電磁波，在真空中總是直線傳播的。過經過電場和磁場不發(fā)生偏轉。光與原子核或電子相遇，帶電粒子在電磁場的作用下受迫振動，從而進入較高的能量狀態(tài)。受迫振動的帶電粒子同時向外輻射電磁波，稱為散射。受迫振動的電子如果進入較高的相對穩(wěn)定的能量狀態(tài)（電子定態(tài)），這個過程稱為吸收，即光子消失。通常情況下，光子主要與電子相互作用。簡述加工半導體器件的幾種工藝（重點為光刻工藝）答：（1）生產外延層：一般采用化學氣相沉積（CVD）的方法。氧化外延層表面光刻工藝：通常把微電子線路圖從光掩膜轉移到硅晶片表面成為集成電路的過程稱為光刻。首先把光敏聚合物材料--光刻膠涂在氧化層上，光刻膠的重要性質是它在一些添加劑中的溶解度受紫外光輻照的影響；然后用紫外光照射掩膜，并立即沖洗涂在氧化層上的光刻膠，凡是透紫外光的掩膜部分，其圖形的留在晶片上；其后將晶片泡在HF溶液中，HF只浸蝕晶片上暴露的SiO2，而不浸蝕光刻膠；最后利用化學試劑除去光刻膠。擴散與離子注入摻雜：在晶片需要的位置把氧化層打開，通過窗口把選擇摻雜原子摻雜到晶片表面。解釋熱電性、壓電性和鐵電性。答：熱電性：指電介質的極化強度隨溫度變化而改變，從而在其表面發(fā)生電荷的釋放和吸收的性質。壓電性：由力產生電的效應。鐵電性：在一些電介質晶體紅，晶胞的結構使正負電荷中心不重合出現電偶極矩，產生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化的性質。說出反射率與光波長相關的原因。答：當光線從真空或空氣中垂直入射到固體表面時，則因為真空（或空氣）的折射率為1，有，其中ns是固體材料的折射率。可知，固體材料的折射率越高，反射率也越高。同時，由于固體材料的折射率與入射光的波長有關，因此反射率也與波長有關。56、為什么金屬對可見光是不透明的？元素半導體硅和鍺對可見光是否透明？答：（1）因為在金屬的電離能帶結構中，費米能級以上存在許多空能級，因此當金屬收到光線照射時，比較容易吸收入射光線的光子能量，將價帶中的電子激發(fā)到費米能級以上的空能級中去。（2）60、金屬和透明材料的顏色取決于什么？答：金屬由反射光的波長決定。透明材料由混合波的顏色決定。為什么有些透明材料是帶色的，有些是無色的?答：有些透明材料之所以帶顏色，是因為它選擇性地吸收了特定波長范圍的光波。為什么聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等非晶態(tài)塑料是透明的，而像聚乙烯、聚四氟乙烯之類的結晶塑料往往是半透明的或不透明的？答：因為結晶高聚物是晶區(qū)和非晶區(qū)混合的兩相體系，晶區(qū)和非晶區(qū)折射率不同，而且晶粒取向無序，因此光線通過結晶高聚物時易發(fā)生散射。結晶高聚物的結晶度越高，散射越強。為什么常見的許多陶瓷材料是不透明?答：陶瓷材料如果是單晶體，一般是透明的。但大多數陶瓷材料不僅是多晶體，而且是多相體系，由晶相、玻璃相和氣相（氣孔）組成，因此往往是半透明或不透明的。試述熒光和磷光的區(qū)別。答：延遲時間小于10-8s者稱為熒光，延遲時間大于10-8s者稱為磷光。試述紅寶石激光器的工作原理。答：通常將紅寶石制成柱狀，兩端為高度拋光互相平行的平面，端面鍍銀。其中一個端面是部分鍍銀，能部分透光；另一端面充分鍍銀，使之對光波有完全反射的作用。在激光管內，用氬氣閃光燈輻照紅寶石。紅寶石在被照之前，所有的Cr3+都處于基態(tài)，即其中的電子都占據最低的能級。但在氬燈光（波長0.56μm）照射下，Cr3+離子中的電子受激轉變?yōu)楦吣軕B(tài)。受激高能態(tài)電子可通過如下兩個途徑返回基態(tài)：①直接從受激高能態(tài)返回基態(tài)，同時發(fā)出光子，由此產生的光不是激光。②受激高能電子首先衰變?yōu)榻榉€(wěn)定的中間狀態(tài)，停留3ms后再返回基態(tài)同時發(fā)出光子。在電子運動過程中，3ms是一段很長的時間，這意味著介穩(wěn)定狀態(tài)中可同時存在許多電子。當有幾個電子自發(fā)地從介穩(wěn)定狀態(tài)返回基態(tài)并發(fā)出光子時，在這幾個光子的刺激下，介穩(wěn)定態(tài)的其他電子以“雪崩”的形式發(fā)射出越來越多的同頻光子。那些基本平行于紅寶石柱軸向運動的光子，一部分穿過部分鍍銀的端面，一部分被鍍銀的端面反射回來。光波沿紅寶石軸來回傳播，強度越來越強。從部分鍍銀的端面法神出來的光束就是高度準直的高強度相干波--激光。67、寫出下列物理量的量綱：（１）磁感應強度；（２）磁化強度；（３）磁導率和相對磁導率；（４）磁化率；（５）矯頑力；（６）最大磁能積。答：（1）T或者Wb/m2（2）A/m（3）H/m（4）1（5）A/m（6）T·A/m敘述下列概念：（１）自旋磁矩和軌道磁矩；（２）抗磁性和順磁性；（３）鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性；（４）磁疇和磁疇壁；（５）剩磁與矯頑力；（６）居里溫度；（7）飽和磁化強度；（8）軟磁性和硬磁性。答：（1）軌道磁矩：電子圍繞原子核的軌道運動，產生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉軸方向的軌道磁矩。自旋磁矩：每個電子本身自旋運動，產生一個沿自旋軸的自旋磁矩。（2）抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發(fā)生變化，而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。凡有未成對電子的分子，在外加磁場中必須沿磁場方向排列，分子的這種性質叫順磁性。（3）鐵磁性，是指物質中相鄰原子或離子的磁矩由于它們的相互作用而在某些區(qū)域中大致按同一方向排列，當所施加的磁場強度增大時，這些區(qū)域的合磁矩定向排列程度會隨之增加到某一極限值的現象。亞鐵磁性是在無外加磁場的情況下，磁疇內由于相鄰原子間電子的交換作用或其他相互作用。使它們的磁矩在克服熱運動的影響后，處于部分抵消的有序排列狀態(tài)，以致還有一個合磁矩的現象。在原子自旋（磁矩）受交換作用而呈現有序排列的磁性材料中，如果相鄰原子自旋間是受負的交換作用，自旋為反平行排列，則磁矩雖處于有序狀態(tài)（稱為序磁性），但總的凈磁矩在不受外場作用時仍為零。這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性。（4）所謂磁疇，是指鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個區(qū)域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。（5）磁化過程中存在這不可逆過程，即從飽和磁化狀態(tài)a降低H時，M將不再沿基本磁化曲線變化而是降得極慢，這種現象稱為“磁滯”。H=0時的Mr稱為剩余磁化強度。欲將M減少到零，必須再加一反向磁場-HC，此HC值稱為磁矯頑力。（6）對鐵磁體和亞鐵磁體來說，隨著溫度升高，原子熱運動劇烈，使磁矩排列趨于混亂，從而導致鐵磁體和亞鐵磁體的飽和磁化強度減少。達到某一溫度時，飽和磁化強度減小到零。這一特征溫度稱為居里溫度TC。（7）飽和磁化強度指磁性材料在外加磁場中被磁化時所能夠達到的最大磁化強度叫做飽和磁化強度。（8）硬磁性材料（永磁體）指磁化后能長久保持磁性的材料，即在外磁場撤去以后，各磁疇的方向仍能很好地保持一致，物體具有很強的剩磁軟磁性材料指磁化后，不能保持原有的磁性，即外磁場撤去以后，磁疇的磁化方向又變得雜亂，物體沒有明顯的剩磁。鐵磁性材料和稀土磁性材料的磁性來源有何異同之點？答：（1）7個4f軌道、未成對電子可到7個，d族5個（2）4f電子受到5S25P6電子屏蔽，成鍵的元素之間的相互作用力小，距離較遠，主要是電子的間接交換作用，d族主要為直接交換作用某些稀土元素化合物的飽和磁化強度很高，及很好的磁各項異性有些稀土化合物有很高的磁光旋轉能力稀土元素的磁性居里溫度低d族元素的自旋軌道磁矩相互作用弱，軌道相互作用強，在外磁場的作用下，磁場主要作用于自旋矩，而軌道矩被“凍結”。稀土元素的自旋軌道相互作用較強，其有效磁矩不僅取決于自旋量子數S，還取決于軌道量子數。74、畫出軟磁材料和硬磁材料典型的B—H曲線，在圖上標出：（１）起始磁導率；（２）最大磁導率；（３）飽和磁導感應強度；（４）剩磁；（５）矯頑力。說明軟磁材料和硬磁材料在性能上的主要差別。硬磁性材料（永磁體）指磁化后能長久保持磁性的材料，即在外磁場撤去以后，各磁疇的方向仍能很好地保持一致，物體具有很強的剩磁軟磁性材料指磁化后，不能保持原有的磁性，即外磁場撤去以后，磁疇的磁化方向又變得雜亂，物體沒有明顯的剩磁。75、軟磁材料和硬磁材料在結構上的主要區(qū)別是什么？列舉幾種常見的軟磁材料和硬磁材料。答：常用的軟磁材料有象軟鐵、坡莫合金、鐵鋁合金、鐵鎳合金。硬磁（永磁）材料有碳鋼、鋁鎳鈷合金、鋁鋼。材料是否有鐵磁性取決于哪些因素。答：（1）原子是否具有未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩（2）原子在晶格中的排列方式說明磁滯回線及其所包圍面積的物理意義。答：磁滯回線：磁滯回線表示磁場強度周期性變化時，強磁性物質磁滯現象的閉合磁化曲線。所包圍面積表征了磁滯損耗。寫出下列物理量的量綱：（１）摩爾熱容；（２）比熱容；（３）線膨脹系數和體膨脹系數；（４）熱導率。答：（1）J/mol·K（2）J/（kg·K）（3）C-1（4）W/（m·K）81、為什么非晶態(tài)高聚物在玻璃化轉變后熱膨脹系數不同？答：在玻璃化轉變溫度以上的熱膨脹，除了原子間距增大之外，還有自由體積的膨脹。83、試從金屬、陶瓷和高聚物材料的結構差別解釋它們在熱容、熱膨脹系數和熱導率等性能方面的差別。84、說明經典熱容理論及其條件和不足。答：不足：在低溫下熱熔并不是恒定值，而是隨溫度的下降而減小。說出量子熱容理論及其條件。答：量子力學理論指出，由于原子之間的鍵和作用，相鄰原子的振動是彼此相關的，因而產生的振動波稱為晶格波。晶格波的能量是量子化。晶格振動的能量量子稱為聲子。物質吸收熱量引起原子振動能量的增加，本質上就是熱激發(fā)聲子。因此從理論上計算固體物質的熱容，最關鍵的是計算晶格波的能量。在各種理論中，與實驗結果符合較好的德拜理論是在下列假設基礎上進行計算的。條件：①認為晶體是連續(xù)介質；②原子熱振動能量是一系列頻率不同的彈性晶格波的能量之疊加；③聲子數按頻率的分布函數為。式子，υ表示頻率。υ0表示與晶格波的縱波與橫波速度有關的常數。寫出下列物理量的量綱：（１）電阻率；（２）電導率；（３）遷移率；（４）禁帶寬度；（5）極化率；（6）相對介電常數；（7）介質損耗；（8）介電強度。答：（1）Ω·m（2）S/m（3）cm2/(V·s)(4)eV(5)m2/V（6）1（7）W（8）V/m敘述下列概念：（１）本征半導體和非本征半導體；（２）施主雜質和受主雜質；（３）飽和區(qū)和耗盡區(qū)；（４）體積電阻率和表面電阻率；（5）介電常數、介電損耗和介電強度；（6）超導性；（7）居里溫度答：（1）本征半導體就是指純凈的無結構缺陷的半導體單晶。非本征半導體是在本征半導體材料中摻雜其他組分形成的固溶體，雜質濃度一般為（100~1000）×10-6。在本征半導體中摻入五價元素（P、As、Sb）稱為施主雜質。在本征半導體中摻入三價的雜質元素（B、Al、Ga）稱為受主雜質。（3）當溫度高到一定的程度，熱量已足以激活所有的雜質原子使之離子化，但還不足以在本征基材中激發(fā)出大量的電子空穴對時，非本征半導體的電導率就基本上與溫度無關。這個溫度范圍，對n型半導體來說叫耗盡區(qū)，因為所有的施主雜質原子都因失去電子而離子化了；對p型半導體來說，叫做飽和區(qū)，因為所有的受主雜質原子都因得到電子而離子化了。（4）體積電阻率，是材料每單位體積對電流的阻抗，用來表征材料的電性質。表面電阻率：平行于通過\t"/v326401.htm?ch=ch.bk.inner%3Cd%3Elink%3C/_blank"材料表面上\t"/v326401.htm?ch=ch.bk.inner%3Cd%3Elink%3C/_blank"電流方向的\t"/v326401.htm?ch=ch.bk.inner%3Cd%3Elink%3C/_blank"電位梯度與表面單位寬度上的電流之比。（5）介電常數,用于衡量絕緣體儲存電能的性能.它是兩塊金屬板之間以絕緣材料為介質時的電容量與同樣的兩塊板之間以空氣為介質或真空時的電容量之比。介電損耗是指電介質在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質本身發(fā)熱的現象。介電強度是指單位厚度的絕緣材料在擊穿之前能夠承受的最高電壓，即電場強度最大值。（6）超導是指導電材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近于0的性質。（7）物質由正常導電態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)的溫度為臨界轉變溫度。寫出Matthiessen定律得的表達式。舉例說明溫度、雜質和形變量對金屬導體電阻率的影響。答：當溫度降到0K時，未經冷加工的純金屬電阻率將趨向于零，而冷加工的金屬在任何溫度下都保留高于退火態(tài)金屬的電阻率，即在0K時冷加工金屬仍保留殘余電阻率。在純銅中加入鋅，則所得黃銅的電阻率隨鋅含量的增加而大幅提高。為什么金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加，半導體和絕緣體材料的電阻率卻隨溫度的升高而下降？為什么非本征半導體的電阻率對溫度的依賴性比本征半導體的電阻率對溫度的依賴性??？當溫度足夠高時，為什么非本征半導體的電阻率與本征基材的電阻率趨于一致？答：（1）對于金屬材料，溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大。這些因素都使電子運動的自由程減小，散射概率增加而導致電阻率增大。在0K，本征半導體的價帶是全部充滿的導帶是完全空的。在0K以上，價帶中有一些電子被熱激發(fā)到導帶中去，從而產生導電的電子與空穴對。非本征半導體的電導率取決于單位體積內被激活（離子化）的雜質原子數。溫度越高，被激活的雜質原子數越多，從而參與導電的電子或空穴對就越多，因而其電導率隨溫度的上升而增加。絕緣材料隨著溫度的升高，熱激發(fā)的能量增加，越過禁帶的電子數目增加，參與導電的電子和空穴對數目增加多，因而絕緣體的電導率隨溫度的上升而提高。（2）但是由于雜質原子離子化所需要的能量遠比本征半導體的禁帶寬帶小，因此，盡管在相同的溫度下非本征半導體的電導率大于本征半導體，但前者的電導率對溫度的依賴性卻比后者要小得多。（3）當溫度超過了非本征半導體的耗盡區(qū)（或飽和區(qū)）的上限溫度時，由于熱能已足以激發(fā)本征基材價帶中的電子越過禁帶進入導帶，而由摻雜物決定的非本征電導率又基于維持恒定值，所以，本征基材的電導率與溫度的關系占統治地位。92、試述半導體摻雜工藝的兩種基本方法。答：（1）熱擴散離子注入技術96、什么是熒光激發(fā)光譜和發(fā)散光普。答：熒光激發(fā)光譜：反映不同波長激發(fā)引起熒光的相對效率熒光發(fā)射光譜：熒光強度對發(fā)射波長的關系曲線產生熒光的條件、量子產率和Stokes位移。答：產生熒光的條件：熒光量子產率：YF=發(fā)射的光子數/吸收的光子數Stokes位移：在溶液的熒光光譜中，所觀察到的熒光的波長總是大雨激發(fā)光的波長，這種移動的波長即為Stokes位移。100、什么是分子電子學，為什么要發(fā)展分子電子學？答：分子電子學研究的是分子水平上的電子學，其目標是用單個分子、超分子或分子簇代替硅基半導體晶體管等固體電子學元件組裝邏輯電路，乃至組裝完整的分子計算機，它的研究內容包括各種分子電子器件的合成、性能測試以及如何將它們組裝在一起實現一定的邏輯功能。102、什么是分子器件及其發(fā)展趨勢。答：分子器件：構建在單個分子或有限個分子上的具有特定功能的器件。發(fā)展趨勢：分子器件的發(fā)展有兩種趨勢：一是將無機材料合成為有機材料，增強分子的柔軟性;二是注重單分子的功能，力爭實現超高性能器件。電子學的發(fā)展到目前是經歷了哪幾個階段。答：從真空電子學到固體電子學再到微電子學。104、分子電子學的最終目標是什么？答：分子電子學最終目標：設計出具有極高速度的數據處理和計算能力的超級分子計算機，從而可以執(zhí)行更復雜的出程序，推動人工智能的發(fā)展。什么是分子導線、分子開關、分子整流器、分子場效應晶體管。答：分子導線是分子器件之間或分子器件與宏觀世界連接的橋梁，是實現分子電路的關鍵單元，分子導線通常是具有一定長度的共軛分子，在這種分子中，高度離域的軌道提供了電子傳輸的路徑。分子開關泛指結構上組織化了的具有“開/關”功能的化學體系。分子整流器：分子場效應晶體管：107、什么是超分子化學或超分子結構；什么是自組裝現象及其基本原理。答：超分子化學是化學與生物學、物理學、材料科學、信息科學和環(huán)境科學等多門學科交叉構成的邊緣科學，超分子是指由兩種或兩種以上分子依靠分子間相互作用結合在一起，組成復雜的、有組織的聚集體，保持一定的完整性，使它具有明確的微觀結構和宏觀特性。自組裝為系統之構成元素，在不受人類外力之介入下，自行聚集、組織成規(guī)則結構的現象。108、說出化學熒光傳感器的結構組成及其工作原理。答：（1）結構：①外來物種的識別部分；②傳感器在接受外來物種后將信息傳輸外出的報告器部分；③中繼體部分。工作原理：化學熒光傳感的應用。答：生物活性物質檢測和細胞成像；近紅外熒光以及時間分辨檢測；熒光傳感器與磁共振成像以及納米材料的結合；110、說出光纖的工作原理。答：利用的是玻璃纖維的全反射原理。由于包層的折射率比芯線折射率小，這樣進入芯線的光線在芯線與包層的界面上作多次全反射而曲折前進，不會透過界面，仿佛光線被包層緊緊地封閉在芯線內，使光線只能沿著芯線傳送。111、說出產生激光的原理（如中間狀態(tài)）答：在組成物質的原子匯總，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子收到某種光子的激發(fā)，會從高能級躍遷到第能級上，這時將會輻射出與激發(fā)光相同性質的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現一個弱光激發(fā)出一個強光的現象，這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。114、什么是光伏效應。答：光伏效應也是一種內光電效應，半導體p-n結在光的作用下，在兩端產生電壓或在外電路中產生光電流，這個效應就光伏效應。117、說出光伏電池基本原理。答：基于光生伏特效應，光與半導