材料物理性能課后習(xí)題答案-北航出版社-田蒔主編【范本模板】

材料理習(xí)集第一章體中電子能量結(jié)和狀態(tài)（量力學(xué)基礎(chǔ)）

一電子通過電差電,）計算它的德布羅意波長（2）計算它的波數(shù)）計算它對Ni晶（111）面（面間距d=204×10m）的布拉格衍射角）解（1）

mE)

=

6.6

5400

)

=1.672（2波數(shù)=11（32dsinsin

d

18

有兩種原子,態(tài)電子殼層是這樣填充的1、s22ps23p1、s22ps23p3d、4p4d;子數(shù)的可能組態(tài)書上內(nèi)容

，請分別寫出的有電子的四個量1

F0F33F0F33

如電子占據(jù)某一能級的幾率是1/4，另一能級被占據(jù)的率為3/4，別計算兩個能級的能量比費米能級高出多少kT?(P15解：由()

1Eexp[F]1kTln[f()將f()4入得Eln3F將f()3/代入得3F

已知Cu的度為3解23由(38m

，計算其E）F=

(6.63)8.56.02/

23=1.09eV

計算在自由電子的平均動能的爾質(zhì)量M=22.99

)（）2

0*0*解由

0F

2m

23=

(6.63)1.013

6

6.02/

23JeV

0由1.08F若自由電子矢量K足以為晶格周期性邊界條件

x)=L)

和定態(tài)薛定諤方程。試證明下式成立：iKL解：于滿薛定定態(tài)程x

iKx又滿足期性界條xL)

iK(x)

Ae

iKx

iKL

)Ae

iKx

e為dhkl）的平行晶面為*，一成射，hklK的軌跡滿足方程Kcosrhkl試用布拉格反射定律說明晶體電子能譜中禁帶產(chǎn)生的原因。（）試用晶體能帶理論說明元素的導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的導(dǎo)電性質(zhì)。答：（畫典型的能帶結(jié)構(gòu)圖，然后分別說)

/10.過族屬物理性質(zhì)的特殊性與電子能帶結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系）答：過渡族金屬的帶不滿且能級低而密，可容納較多的電子，奪取較高的s帶的電子,降低費米能級。補充習(xí)題

為什么鏡子顛倒了左右而沒有顛倒上?只考慮牛頓力學(xué),計算在不損害人體安全的情況加速到光速需要多少時間已知下列條件，試計算空間兩個電子的電斥力和萬有引力的比值3

rrrr萬有引力常數(shù)

G

N

kg

電子質(zhì)量

e電子電量

q1.60e

C介電常數(shù)

N

C

m解：F引qqF=k1斥2/F引斥2.41

Gmm1kq12

畫出原子間引力、斥力、能量隨原子間距變化的關(guān)系.面心立方晶體，晶格常數(shù)a=0.5nm求其原子體密度。解：由于每個面心立方晶胞含4個原子，所以原子體密度為：4原子cm

原子/

簡單立方的原子體密度是

假原是鋼球并與最近的相鄰原子相切。確定晶格常數(shù)和原子半徑。解：每個簡單立方晶胞含有一原子：1a

22-3a0.322r

12

a0.1614

2121第二章料的電性能

鉑線時阻率為1×10（）

7·假設(shè)鉑線成分為理想純。試求時的電阻.解：T01+1+5222.271+1+2.211

鎳鉻絲電阻率（為1×10

6加熱到4000K時阻率增加，假定在此溫度

區(qū)間內(nèi)馬西森定則成立。試計算由于晶格缺陷和雜質(zhì)引起的電阻.P38）為什么金屬的電阻溫度系數(shù)為正?（）答：當(dāng)電子波通過一個理想晶體點陣時(0K將受散射；只有在晶體點陣完整性遭到破壞的地方，電子波才受到散射（不相干散，這就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因，因此隨著溫度升高,阻增大，所以金屬的電阻溫度系數(shù)為正。試說明接觸電阻產(chǎn)生的原因和減小這個電阻的措（）接觸電阻產(chǎn)生的原因有兩個一因為接觸面不平真正接觸面比看到的要小電流通過小的截面必然產(chǎn)生電阻，稱為會聚電阻。二是無論金屬表面怎樣干凈,是有異物形成的膜，可能是周圍氣體、水分的吸附.此一般情況下，接觸金屬時首先接觸到的是異物薄膜，這種由于膜的存在而引起的電阻稱為過渡電阻。

鎳鉻薄膜電阻沉積在玻璃基片上其形狀為矩形×，鎳鉻薄膜電阻率為×106·兩電極間的電阻為1K，算表面電阻和估計膜厚。表中些化合物具有混合導(dǎo)電方式？為什么？）CeO、O23說明一下溫度對過渡族金屬氧化物混合導(dǎo)電的影.表征超導(dǎo)體的三個主要指標(biāo)是什么？目前氧化物超導(dǎo)體的主要弱點是什么？（）界轉(zhuǎn)變溫度、臨界磁場強度、臨界電流密度。主要弱點是臨界電流密度低。

已知鎳合金中加入一定含量鉬可以使合金由統(tǒng)計均勻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆蚬倘荏wK狀態(tài)問，從合金相對電阻變化同形變量關(guān)系曲線見圖）中能否確定鎳鉬合金由均勻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镵狀的含量極,什么？5

10.試述列建議為銀具有良好的導(dǎo)電性能而且能夠在鋁中固溶一定的數(shù)量不用銀使其固溶強化，以供高壓輸電線使用？（a)這個意是否基本正確能提供另一種達到上述目的的方（闡述你所提供方案的優(yōu)越性。答：不對在鋁中固溶銀，會進一步提高材料的電阻率，降低導(dǎo)電性能。11.試明電阻法研究金屬的晶體缺冷加工或高溫淬火為什么電阻測量要在低溫下進行？答：根據(jù)馬西森定則，晶體缺陷所帶來的電阻和溫度升高帶來的電阻是相互獨立的低溫下測量電阻則溫度帶來的電阻變化很小所測量的阻能夠反映晶體缺陷的情況。12.實驗測出離子型電導(dǎo)體的電導(dǎo)率溫度的相關(guān)據(jù)，經(jīng)數(shù)學(xué)回歸分析得出關(guān)系為lg

1(1)試求在測量溫度范圍內(nèi)的電導(dǎo)激活能表達式；(2)若給出T=500K時，11

（T1000K時，m22計算電導(dǎo)激活能的值。（）解：（1）

(A/)ln

AB/T)ln10

(A/)ln10

ln10A

e

(ln10./T)

e

(/)Wk式中k=0.84

(/K)（2）

lg10/lg10W0.594eV13.6

-3-3F-3-3F本征半導(dǎo)體中，從價帶激發(fā)至導(dǎo)帶的電子和價帶產(chǎn)生的空穴共同電導(dǎo)，激發(fā)的電子數(shù)n可以近似表示為：Nexp(/kT式中：為狀態(tài)密度，為波爾曼常數(shù)，為熱力溫度K），試回答（1）設(shè)N=10

23cm

，k=8.6

-5

eV?

，Si（）,(EeV)在0℃所激發(fā)的電子數(shù)（cmg（2）半導(dǎo)體的電導(dǎo)率ne

）各是多少？式中：n為載流子濃度（cm

），e為載流子電荷（電子電荷6

-19

C）移率cm-1-1)，當(dāng)電子e)和空穴h)同時為載流子時，ee

eh

假設(shè)i的遷移率(-1s-1)，(-1-1s-1)，且不隨溫度變化。eh試求i在20℃和00℃時的電導(dǎo)率。解：20℃：

23

=10

23

21.83

3.3213

℃:23exp(773)=10

23

2.2519

:220℃：

23

=1.4℃:

23

773)=1.613

（2）：eeee3.3213

-19

500）1.03

：ee

ee

h2.55500）（14.根費—狄拉克分布函半導(dǎo)體中電子占據(jù)某一能級的允許狀態(tài)幾率為f）為f（）［1+exp（E-E）T]7

8

gdgd補充習(xí)題：

為什么鍺半導(dǎo)體材料最先得到應(yīng)用，而現(xiàn)在的半導(dǎo)體材料卻大都采用硅半導(dǎo)體？答：鍺比較容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺制成的但是，鍺的禁帶寬度（0。67ev）大約是硅的禁帶寬度1的一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在較寬的能帶中能夠更加有效的設(shè)置雜質(zhì)能級，所以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個原因是硅的表面能夠形成一層極薄的二氧化硅絕緣膜能夠制備三管。因此，現(xiàn)在的半導(dǎo)體材料大都采用硅半導(dǎo)經(jīng)典自由電子論自電子論和能帶理論分析材料導(dǎo)電性理論的主要特征是什么？答：經(jīng)典自由電子論：連續(xù)能量分布的價電子在均勻勢場中的運量子自由電子論不連續(xù)能量分布的價電子在均勻勢場中的運動帶理論連續(xù)能量分布的價電子在周期性勢場中的運動.根據(jù)經(jīng)典自由電子論金屬是由子點陣組成的電子是完全自由的可以在整個金屬中自有運動好像氣體分子能夠在一個容器內(nèi)自由運動一樣可把價電子看出“電子氣"。自由電子的運動遵從典力學(xué)的運動規(guī)律，遵守氣體分子運動論。在電場的作用下，自由電子將沿電場的反方向運動，從而在金屬中形成電流。量子自由電子論認(rèn)為，金屬離子形成的勢場各處都是均勻的,價子是共有化的，它們可以不屬于某個原子可以在整金屬內(nèi)自有運動子之間沒有相互作用電子運動遵從量子力學(xué)原理電子能量是不連續(xù)的有出于高能級的電子才能夠躍遷到低能級，在外電場的作用下，電子通過躍遷實現(xiàn)導(dǎo).能帶理論認(rèn)為原在聚集時能變成了能帶在某些價帶內(nèi)部，只存在著部分被電子占據(jù)的能級，而在價帶中能量較高的處于上方的能級很少有電子占,外場作用下,電子就能夠發(fā)生躍遷,從而實現(xiàn)導(dǎo)電。簡述施主半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)答:主的富余價電子的雜質(zhì)原子的電子能級低于半體的導(dǎo)帶。這個富余價電子并沒有被施主束縛的很緊，只要有一個很小的能量，可以使這個電子進入導(dǎo)帶。此時影響電導(dǎo)率的禁帶不是而是主這個價子進入導(dǎo)帶,會在價帶中產(chǎn)生空穴。隨著溫度的升高越來越多的施主電子越過帶Ed，入導(dǎo)帶，最后所有的施主電子都進入導(dǎo)帶，此時稱為施主耗盡。如果溫度繼續(xù)升高，電導(dǎo)率將維持一個常量因為再沒有更多的施主電子可用,而對于產(chǎn)生本征半體的導(dǎo)電電子和空穴來說，此時的溫度又太低，不足以使電子躍遷較大的帶隙在高的溫度下才會出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)9

iDiD生的導(dǎo)電性。

一塊n性材料，摻有施主度

15/cm3D

，在室溫(T=300K）時本證載流子濃度解：

n1.312/3i

，求此時該半導(dǎo)體的多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子濃度。5.

N15/(多子；Dnpi/cm3少子)。ND非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)的原子數(shù)量一定范圍內(nèi)與溫度的關(guān)系不大10

333333第三章料的介電性能1cmcm2.4

tan0.02，11kHz下介質(zhì)的電導(dǎo)率。解：Cr0

/

r

C2.40

3.39

tan

'0.02

3

6.43

給出典型的鐵電體的電滯回線，說明其主要參數(shù)的物理意義和造成—E非性關(guān)系的原因。試說明壓電體、熱釋電體、鐵電體各自在晶體結(jié)構(gòu)上的特點。（BaTiO陶瓷和聚碳酸酯都可用于制作電容試從電容率、介電損耗、介電強度，以及溫度穩(wěn)定性、成本等方面比較它們各自的優(yōu)缺點。使用極化的壓電陶瓷片可制得便攜式高壓電源。壓電電壓常量g可義為開路電場對所加應(yīng)力的比，現(xiàn)已選用成分為的PLZT陶制該高壓電源。若已知該材料g33

/,試算5000磅英寸

應(yīng)力加到英厚的這種陶瓷片上可產(chǎn)生的電壓。11

補充習(xí)題

什么是電介質(zhì)？答：在電場的作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物質(zhì)稱為電介簡述電介質(zhì)與金屬的區(qū)別.答：金屬的特點是電子的共有化,內(nèi)有自由電子，具有良好的導(dǎo)電性，以傳導(dǎo)的方式傳遞電的作用；而電介質(zhì)只有被束縛的電以感應(yīng)的方式傳遞電的作用。電介質(zhì)的四大基本常數(shù)是什么？各自代表什么物理意答電介質(zhì)的四大基本常數(shù)是：電極化（介電常數(shù)、介電損耗和擊.介電常數(shù)是指以電極化的方式傳遞、存貯或記錄電的作用；電導(dǎo)是指電介質(zhì)在電場作用下存在泄露電流；擊穿是在強電場作用下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。電介質(zhì)的極化包括哪幾種？各種極化是如何產(chǎn)生的？答：電介質(zhì)的極化包括電子位移極化、離子位移極化和固有電距的轉(zhuǎn)向極化。在電場的作用下，構(gòu)成電介質(zhì)的原子、離子中的電子云發(fā)生畸變使電子云與原子核發(fā)生相對位移在電場和恢復(fù)力的作用下，原子具有一定的偶極,這種極化為電子的位移極化在離子晶體和玻璃等無機電介質(zhì)中，正負(fù)離子處于平衡狀態(tài)，其偶極矩的矢量和為零.在電場作用下正離子沿電場方向移動，負(fù)離子沿反電場方向移,正負(fù)離子發(fā)生相對位移，形成偶極矩，這種極化就是離子位移極化。分子具有固有電矩，而在外電場作用,電矩的轉(zhuǎn)向所產(chǎn)生的電極化稱為轉(zhuǎn)向極。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)有哪幾種類說其對電導(dǎo)的影響及與溫度的關(guān)答固體電介質(zhì)的電導(dǎo)主要包括離子電導(dǎo)、電子電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。當(dāng)離子晶體中存在熱缺陷時，脫離格點的離子將參與電導(dǎo)。對于未摻雜的電介質(zhì)材料，離子電導(dǎo)對電介質(zhì)電導(dǎo)的影響主要與熱缺陷的數(shù)目有關(guān),熱缺陷的數(shù)目隨著溫度的升高而增加；而對于摻雜的電介質(zhì)而言，溫度較低時晶體中雜質(zhì)缺陷流子的數(shù)量主要取決于材料的化學(xué)純度及摻雜量.此，在低溫區(qū)域，離子電導(dǎo)隨溫度變化緩慢，主要取決于雜質(zhì),在高溫區(qū)域，隨溫度變化顯離子電導(dǎo)取決于本征熱缺陷。在電介質(zhì)材料中于帶寬度大證載流子參與的電子電導(dǎo)對材料的電導(dǎo)影響很小參雜質(zhì)后由于在導(dǎo)帶底成施主能級或在價帶頂形成受主能級以子電導(dǎo)12

顯著增大。電子電導(dǎo)與環(huán)境溫度和氧分壓有很大關(guān)系，在室溫和低溫下,子電導(dǎo)常常起著主要作用。表面電導(dǎo)不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)且在很大程度上取決于材料表面的濕潤化和玷污狀態(tài)，溫度對表面電導(dǎo)有很大影,潮濕環(huán)境中，表面電導(dǎo)什么是固體電介質(zhì)的擊穿？分為哪幾類？請分別解釋。答：固電介質(zhì)的擊穿就是在場的作用下伴隨著熱、化學(xué)、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現(xiàn)象。固體電介質(zhì)擊穿主要包括電擊穿、熱擊穿、局部放電擊穿和樹枝化擊電擊穿是當(dāng)固體電介質(zhì)承受的電壓超過一定的數(shù)值,使相當(dāng)大的電流通過其中,使電介質(zhì)喪失絕緣性。當(dāng)固體電介質(zhì)在電場作用下電導(dǎo)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過試樣通過傳導(dǎo)流和輻射所能散發(fā)的熱量時試中熱平衡就被破壞最終造成介質(zhì)永久性的熱破壞這就是熱擊穿。局部放電就是在電場作用下電介質(zhì)局部區(qū)域中所發(fā)生的放電現(xiàn)象種電現(xiàn)象沒有電極之間形成貫穿的通道，整個試樣并沒有被擊穿。樹枝化擊穿是指在電場作用下在固體電介質(zhì)中成的一種樹枝狀氣化痕跡，樹枝是介質(zhì)中直徑以數(shù)微米的充滿氣體的微細(xì)管子組成的通道。固體電介質(zhì)的擊穿受什么因素制約？答體介質(zhì)的擊穿電場強度要取決于材料的均勻性部分材料在交變電場下的擊穿強度低于直流下的擊穿電場強,高頻下由于局部放電的加,得擊穿電場強度下降的更厲害，并且材料的介電常數(shù)越大，擊穿電場強度下降的越多無機電介質(zhì)在高頻下的擊穿往往具有熱的特征生純粹電擊穿的情況并不多見在室溫附近高子電介質(zhì)的擊穿電場強度往往比陶瓷等無機材料要大軟化溫度附近塑高聚物的擊穿電場強度急劇下降。對于介質(zhì)損耗較高的固體介質(zhì)材料，在高頻下的主要擊穿形式是熱擊穿。鐵電體:在溫度范圍具有自發(fā)極化，而且極化強度可以隨外電場反向而反向的一類晶體。10.描電回線最重要的參數(shù)是自發(fā)極化強度和矯頑電場強11.鐵體以分為有序無序型鐵電體和位移型鐵電體。12.鐵體熱釋電體的一亞.13

13.由機作用而使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。14.鐵體的電疇結(jié)構(gòu)受什么因素制約？答：實晶體中的疇結(jié)構(gòu)取決一系列復(fù)雜的因素，例如晶體的對稱性、晶體中的雜質(zhì)和缺陷晶體的電導(dǎo)率晶的彈性和自發(fā)極化的數(shù)值等外疇結(jié)構(gòu)還要受到晶體制備過程中的熱處理、機械加工以及樣品的幾何形狀等因素的影響。15.如晶本身的正負(fù)電荷中心不相重合，即晶胞具有極性么由晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性胞的固有電距便會沿著同一方向排列整齊晶處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化是外場為零時自發(fā)地建立起因此稱為自發(fā)極化。16.描電回線最重要的參數(shù)是自發(fā)極化強度和矯頑電場強度14

gg第四章料的光學(xué)性能1.

發(fā)光輻射的波長由材料的雜質(zhì)決定就是決定于材料的能帶結(jié)構(gòu)試確定ZnS中使電子激發(fā)的光子波長（E=3.6eV））中雜質(zhì)形成的陷阱能級為導(dǎo)帶下的，試計算發(fā)光波長及發(fā)光類型。2.

假設(shè)X射線源用鋁材屏蔽，果要使95％的X射線能量不能穿透它，試決定鋁材的最小厚度設(shè)線性吸收系數(shù)為。解：由II/I)ln(0.05)cm

。3.

本征硅在室溫下可作為紅外光導(dǎo)探測器材料，試確定探測器的最大波長。4.

光信號在芯部折射率為1。的光線中傳播其絕對延時是多少5.6.7.

0.85波長在光纖中/?nm和光源的延/一階躍光線芯部折射率為1。，包覆層的折射率為。40，試求光從空氣中進入芯部形成波導(dǎo)的入射角。試說明本章中出現(xiàn)光源的種類。8.

試說明n=

r

的物理意義.15

9.

為什么目前光通訊中選擇其信號光源的波長多為。？10.試舉例說明非線性光學(xué)材料變頻的應(yīng)用。11.半導(dǎo)體激光器及其發(fā)展中的量子阱激光器的特點是什么？12.熱釋電紅外探測器較之光子型探測器有什么異同？13.t

在00Hz條件下

r

=250起20%

14.有人預(yù)言飛機的機載設(shè)備將要光子化，請根據(jù)你的資料調(diào)查，報告一下目前的進展情況。15.舉例說明電光效應(yīng)的應(yīng)用。16.試總結(jié)提高無機材料透明性的措施。16

nWnW212補充習(xí)題:1.為什么光致發(fā)光現(xiàn)象不會在金屬中產(chǎn)生?原因：因為在金屬價帶沒有充滿電,低能級的電子只會激發(fā)到同一價帶的高能級.在同一價帶內(nèi)，電子從高能級躍遷回低能級，所釋放的能量太產(chǎn)生的光子的波長太長,遠遠超過可見光范圍。2.名詞解釋：熒光材料

余輝現(xiàn)象在某些陶瓷和半導(dǎo)體中價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小,所以被激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價帶時釋放的光子波長剛好在可見光波段樣的材料成為熒光材料。如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級，從價帶被激發(fā)的電子進入導(dǎo)帶,會掉入這些陷阱能級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激發(fā)電子必須先脫離陷阱能級進入導(dǎo)帶后才能躍遷回價帶，所以他們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時間才能發(fā)光，出現(xiàn)所謂的余輝效應(yīng)。3.一入射光以較小的入射角i和折射角r通過一透明玻璃板，若玻璃對光的衰減可以忽略不計，試證明透過后的光強為（—）m為反射系數(shù)）解：n21

sinisinrW'''

2mnW"W其折射光又從玻璃與空氣的一面射入空氣則

W"'"'1W"4.波長。0708nm的射線，其光子能量為多少解：

c

J5.一光纖的芯子折射率=162包層折射n。52，試計算光發(fā)生全反17

n1.6201234n1.6201234射的臨界

。解

2sin

1.2186.數(shù)0.32cm

光強、20%及0%I解：IeI0II00.10.2xcm,5.03cm,x2.17cm0.32x0.697cm7.試解釋為什么碳化硅的介電系數(shù)與其折射率的平方相同，對KBr，會滿足平方關(guān)系嗎？為什么？所有的物質(zhì)在足夠高的頻率下，折射率等于1，試解釋之.8.LiF和PbS之間的折射率及色散有什么不同?說明理由。9.攝影者知道用橙黃濾色鏡拍攝天空時，可增加藍天和白云的對比，若相機鏡頭和膠卷底片的靈敏度將光譜范圍限制在之間將太陽光譜在此范圍內(nèi)視為常數(shù)當(dāng)色鏡波長在以后的光全部吸收時，天空的散射廣播被它去掉百分之幾呢？

33

14.3%10.余輝效應(yīng)是入射光引起的半導(dǎo)體發(fā)光效應(yīng)，而發(fā)光二極管是電場引起的半18

導(dǎo)體發(fā)光效應(yīng)。19

第五章料的熱性能1.德拜熱容理論取得了什么成功？2.何謂德拜溫度？有什么物理意義？對它有哪些測試方法？3.何謂差熱分析？畫出共析鋼熱分析曲線并分析亞共析鋼差熱分