材料物理性能(同名7746)

材料物理性能

第一章

考點1.

電子理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即古典電子理論、量子自由電子理論和能帶理論。

古典電子理論假設(shè)金屬中的價電子完全自由，并且服從經(jīng)典力學規(guī)律；

量子自由電子理論也認為金屬中的價電子是自由的，但認為它們服從量子力學規(guī)律；

能帶理論則考慮到點陣周期場的作用。

考點2.

費米電子

在T

=

0K時，大塊金屬中的自由電子從低能級排起，直到全部價電子均占據(jù)了相應(yīng)的能級為止。具有能量為EF(0)以下的所有能級都被占滿，而在EF(0)之上的能級都空著，EF(0)稱為費米能，是由費米提出的，相應(yīng)的能級稱為費米能級。

考點3.

四個量子數(shù)

1、主量子數(shù)n

2、角量子數(shù)l

3、磁量子數(shù)m

4、自旋量子數(shù)ms

考點4.

思考題

1、過渡族金屬物理性能的特殊性與電子能帶結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系？

過渡族金屬的

d

帶不滿，且能級低而密，可容納較多的電子，奪取較高的

s

帶中的

電子，降低費米能級。

第二章

考點5.

載流子

載流子可以是電子、空穴，也可以是離子、離子空位。材料所具有的載流子種類不同，其導電性能也有較大的差異，金屬與合金的載流子為電子，半導體的載流子為電子和空穴，離子類導電的載流子為離子、離子空位。而超導體的導電性能則來自于庫柏電子對的貢獻。

考點6.

雜質(zhì)可以分為兩類

一種是作為電子供體提供導帶電子的發(fā)射雜質(zhì)，稱為“施主”；另一種是作為電子受體提供價帶空穴的收集雜質(zhì)，稱為“受主”。

摻入施主雜質(zhì)后在熱激發(fā)下半導體中電子濃度增加(n>p)，電子為多數(shù)載流子，簡稱“多子”，空穴為少數(shù)載流子，簡稱“少子”。這時以電子導電為主，故稱為n型半導體。施主雜質(zhì)有時也就稱為n型雜質(zhì)。

在摻入受主的半導體中由于受主電離(p>n)，空穴為多子，電子為少子，因而以空穴導電為主，故稱為p型半導體。受主雜質(zhì)也稱為p型雜質(zhì)。

考點7.

我們把只有本征激發(fā)過程的半導體稱為本征半導體。

考點8.

在同一種半導體材料中往往同時存在兩種類型的雜質(zhì)，這時半導體的導電類型主要取決于摻雜濃度高的雜質(zhì)。

隨著溫度的升高本征載流子的濃度將迅速增加，而雜質(zhì)提供的載流子濃度卻不隨溫度而改變。因此，在高溫時即使是雜質(zhì)半導體也是本征激發(fā)占主導地位，呈現(xiàn)出本征半導體的特征(n≈p)。

一般半導體在常溫下靠本征激發(fā)提供的載流子甚少

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考點21.

磁彈性能

物體在磁化時要伸長（或收縮），如果受到限制，不能伸長（或收縮），則在物體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（或拉應(yīng)力）。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。因此，物體內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。

考點22.

技術(shù)磁化包含著兩種機制：壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化。

壁移磁化：在有效場作用下，自發(fā)磁化方向接近于H方向的磁疇長大，而與H方向偏離較大的近鄰磁疇相應(yīng)縮小，從而使疇壁發(fā)生位置變化

其實質(zhì)是：在H作用下，磁疇體積發(fā)生變化，相當于疇壁位置發(fā)生了位移。

磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程：在H

≠0時，鐵磁體磁疇內(nèi)所有磁矩一致向著H方向轉(zhuǎn)動的過程。

外磁場的作用是導致磁疇轉(zhuǎn)動的根本原因及動力（即H

≠0時，總自由能將發(fā)生變化，其最小值方向?qū)⒅匦路植迹女牭娜∠蛞矔稍瓉淼姆较颉騂方向轉(zhuǎn)動）

考點23.

改善鐵磁材料磁導率的方法有：

①

消除鐵中的雜質(zhì)；

②

把晶粒培育到很大的尺寸；

b、鐵磁性材料具有一個磁性轉(zhuǎn)變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，超過居里溫度Tc后全部消失，此時材料表現(xiàn)出順磁性，材料內(nèi)部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當T＜Tc時，組成鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。

材料內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。

c、材料的磁性來源于電子的軌道運動和電子的自旋運動。所有的材料處于磁場中時，外磁場都會對電子軌道運動回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強度和磁場方向相反。

抗磁性是電子軌道運動感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是因為原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。原子系統(tǒng)具有總磁矩時，只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。

3、什么叫磁彈性能？他受哪些因素影響？

物體在磁化時伸長或收縮受到限制，則在物體內(nèi)部形成應(yīng)力，從而內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。

物體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增加其磁彈性能。

對于多晶體而言，若磁彈性能是由于應(yīng)力的存在而引起的，那么磁化方向和應(yīng)力方向的夾角、材料所受的應(yīng)力、飽和磁致伸縮系數(shù)和單位體積中的磁彈性能都會影響該磁彈性能。

4、技術(shù)磁化過程可分為那幾個階段，各個技術(shù)磁化階段的特點是什么？什么叫單疇體？單晶體一定是單疇體嗎？

OAM

ABMM與H曲線不再是線性。此階段中M多M

BC當磁化到SMs。

第四部分自CM-HM-HCMs還

（注：書上為三個過程，但相對而言，我認為這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去第四部分）

說法一、具有強磁化強度的顆粒(如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇(single

domain,

SD)。

說法二、多疇的大塊材料在很強的外磁場的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，整塊材料內(nèi)的自發(fā)磁化強度基本上取在一個磁化方向上，形成一個單疇。

單晶體不一定是單疇體

假如單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,則不是單疇結(jié)構(gòu)；如果R<r，則肯定是單疇結(jié)構(gòu)。也就是說，單疇體有一個臨界尺寸，但臨界尺寸r不一定是單晶尺寸。當R<r，則肯定是單疇結(jié)構(gòu)。

5、什么叫矯頑力？提高材料的矯頑力的途徑有哪些？

使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B（磁感應(yīng)強度）降低至零所需要的反向磁場強度稱為磁感矯頑力。

提高材料的矯頑力的途徑：1)、使合金從有序結(jié)構(gòu)向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2)、范性形變使晶體中產(chǎn)生大量的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，矯頑力隨形變量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒細化

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6、自發(fā)磁化的物理本質(zhì)是什么？材料具有鐵磁性的充要條件是什么？

鐵磁體自發(fā)磁化的本質(zhì)是電子間的靜電交換相互作用

材料具有鐵磁性的充要條件為:

1）必要條件:材料原子中具有未充滿的電子殼層,即原子磁矩

2）充分條件:交換積分A

>

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第四章

考點26.

金屬的摩爾定容熱容由點陣振動和自由電子兩部分的貢獻組成

考點27.

常溫時與點陣振動對摩爾定容熱容的貢獻相比，電子的貢獻微不足道，但在極高溫和極低溫條件下則不可忽略。

這是因為在高溫下，電子像金屬晶體的離子那樣顯著地參加到熱運動中，以

∝T

作出貢獻。因此，在III溫區(qū)CV,m不以3R為漸近線，而繼續(xù)有所上升。在極低溫度下電子摩爾定容熱容不像離子熱容那樣急劇減小，因而在極低溫下起著主導作用。

隨T的降低CV,m趨近于零，當T增高到德拜溫度θD以上時，CV,m接近于3R。如果把CV,m看做T/θD的函數(shù)，則對所有金屬都得到同樣的關(guān)系。

過渡族金屬摩爾定容熱容中電子部分的貢獻表現(xiàn)得較顯著，它包括s態(tài)電子的摩爾定容熱容，也包括d或f態(tài)電子的摩爾定容熱容。

考點28.

相變

相變分為一級相變和高級(二級、三級……)相變。

1、當系統(tǒng)由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時，化學勢μ1=μ2,而化學勢的一級偏微商不相等，稱為一級相變。

在一級相變時發(fā)生體積突變(ΔV≠0)的同時還發(fā)生熵(及熱焓)的突變(△S≠0)

屬于一級相變的有：物態(tài)變化、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶、共析轉(zhuǎn)變等。

2、當系統(tǒng)相變時μ1=μ2，且化學勢的一級偏微商也相等，而化學勢的二級偏微商不相等。

則稱為二級相變。

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二級相變時△Cp,m≠0，Δx≠0，△β≠0，即體積和熱焓均無明顯變化，而Cp,m有突變

屬于二級相變的有：鐵磁-順磁以及部分鐵電-順電和有序-無序轉(zhuǎn)變等。

考點29.

膨脹合金的工業(yè)應(yīng)用

鐵磁合金的熱膨脹反常在工業(yè)上有重要的應(yīng)用。這里大體可分為兩大類：低膨脹合金和定膨脹合金。

考點30.

熱傳導的物理機制

熱傳導的過程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過程。

在固體中能量的載體可以有自由電子、聲子（點陣波）和光子（電磁輻射）。因此，固體的導熱包括：電子導熱、聲子導熱和光子導熱。

考點31.

思考題

1、何謂德拜溫度？有什么物理意義？對它有哪些測試方法？

德拜溫度:固體比熱理論中按照德拜假設(shè)分析時產(chǎn)生的一個參量。(為了準確計算固體比熱容而引入的一個物理量。)不同固體的德拜溫度不同。

物理意義:德拜溫度θD是反映晶體點陣內(nèi)原子間結(jié)合力的又一重要物理量,是反映固體的許多特性的重要標志。

測試方法：X射線衍射強度

2、根據(jù)維德曼-弗蘭茲定律計算鎂在400的熱導率κ。已知鎂在0

的電阻率ρ=4.4×10-6Ω×cm，電阻溫度系數(shù)α=0.005-1。

注意：1、計算時要注意開氏溫度與攝氏溫度的換算；

2、計算時要注意厘米與米的換算

3、計算時為了求ρo，因此公式○3要運用兩次。

解：由公式

κ/(σTT)=2.54×10-8

W·Ω·k-2

···○1

ρT=

···○2

ρT=ρo(1+αT)

···○3

得：κ=

-

=210.5

W·m-1·k-1

第五章

考點32.

可見光波的波長為390~770nm。

考點33.

偏振性是橫波的特有性質(zhì)。

考點34.

幾條有關(guān)光傳播特性的基本規(guī)律

1、光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；

2、光通過兩種介質(zhì)的分界面時的反射定律和折射定律；

3、光的獨立傳播定律和光路可逆性原理。

考點35.

棱鏡、透鏡和反射鏡

1、利用材料的折射性質(zhì)可以制成有用的光學元件，應(yīng)用最為廣泛的是棱鏡和透鏡，棱鏡是由幾個平面包圍而成的透明光學材料。棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光束的方向。透鏡通常是由兩個球面或曲面包圍而成的透明光學材料，主要用于聚光和成像。

2、根據(jù)光的反射定律制作的原件是反射鏡。反射鏡的表面可以磨成光滑的平面或球面（或其他曲面）。平面反射鏡通常用于改變光的傳播方向，球面和其他曲面反射鏡除了可以改變光束的方向之外，還會對光波有匯聚或發(fā)散作用。

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考點36.

本證吸收區(qū)

晶體中點陣周期勢場的作用導致了能帶的形成。

電子從價帶躍遷到導帶的過程所跨越的禁帶寬度Eg，對應(yīng)于一個強吸收區(qū)，稱為基本吸收區(qū)，也稱本證吸收區(qū)。

考點37.

雙折射

當光束通過各向異性介質(zhì)表面時，折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束的現(xiàn)象稱為雙折射。雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律，所以稱為尋常光。另一束的折射方向不符合折射定律，被稱為非常光（或e光）。

一般而言，非常光的折射線不在入射面內(nèi)，并且折射角以及入射面與折射面之間的夾角不但和原來光束的入射角有關(guān)，還和晶體的方向有關(guān)。

考點38.

光的吸收和散射

1、從微觀上分析，光子與固體材料相互作用，實際上是光子與固體材料中的原子、離子、電子之間的相互作用，引起了電子極化。電磁輻射的電場分量，在可見光頻率范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中的每個原子都發(fā)生作用，引起電子極化，即造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對位移。其結(jié)果是，當光線通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光波速度被減小。

2、光在通過氣體、液體、固體等介質(zhì)時，遇到煙塵、微粒、懸浮液滴或者結(jié)構(gòu)成分不均勻的微小區(qū)域，都會有一小部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光的散射導致原來傳播方向上光強的減弱。