材料物理复习题.docx
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材料物理复习题
此为复习题,只能作为参考,如需高分,同志仍需努力
一.概念题:
1晶体的结合力类型
离子键、共价键、金属键、极化键
2表面结构中的奇异面和临位面
奇异面:
晶面法线方向和极图的奇异取向吻合,相当于表面能系数最低的面,通常是密排的低指数面。
在低温下这类固汽表面再原子尺度上是光滑的。
邻位面:
取向上和奇异面只有小角度的偏离。
从能量考虑,这一类的面将为平台-台阶式的表面,平台的取向和奇异面的一致。
在低温下这类固汽表面在原子尺度上是准光滑的。
3金属的内耗
通过周期应力、应变(振动),甚至在与外界完全隔离的条件下,它的机械能也会转变为热能,能耗在材料内部,使振动衰减和停止,这种能量损耗和振动衰减现象称为内耗。
4极化机制
分子的极化机制有三种:
电子云位移极化:
由于电场的作用,构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变,使电子云与原子核发生相对位移,在电场和恢复力的作用下,原子具有了一定的电偶极矩,这种电极化常被称为电子的位移极化Pe。
离子位移极化:
在离子晶体和玻璃等无机电解质中,正、负离子处于平衡状态,其偶极矩的矢量和为零。
但这些离子,在电场作用下,除了离子内部产生电子位移计划外,离子本身将发生可逆的弹性位移。
正离子沿电场方向移动,负离子沿反电场方向移动,正、负离子发生相对位移,形成感应偶极矩,这就是离子位移极化。
固有偶极子取向极化:
分子具有固有电矩,而在外电场作用下,电矩的转向所发生的电极化称为转向极化Pd。
空间电荷(其它极化机构)
5压电性,热释电性,铁电性
压电效应:
对于不存在对称中心的异极晶体,加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,同时,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力的作用而使介质发生极化的现象称为正压电效应。
反之,如果把外电场加在这种晶体上,改变其极化状态,晶体的形状也将发生变化,这就是逆压电效应。
二者统称为压电效应。
热释电性:
当晶体的温度T均匀变化时,晶体的自发极化强度矢量Pi也随之发生变化。
晶体的热释电效应可用以下关系给出:
dPi=pidT。
其中pi称为热释电常数,其单位为C/cm2*K,p把自发极化强度矢量P与标量T联系起来。
铁电性:
铁电体是指这样一些晶体,它们在某些温度范围具有自发极化,而且极化强度可以随外电场反向而方向。
铁电性是在热释电性的基础上可重新定向的性质。
6材料磁性分类
根据磁化率的大小,分为:
抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性、亚铁磁性。
7波尔磁子
μ=eh/2m=9.273*10-24A*m2,称玻尔磁子,是理论上最小的磁矩,经常作为磁矩的单位使用。
8固体的能带模型
能带的能量是量子化的,越迁能级,从基态到激发态,电子具有的能量间断,从一个到另外一个能级。
不全列。
。
半开放
能带理论是单电子近似理论,即个电子的运动基本上可以看成是相互独立的,每个电子是在具有晶格周期性的势场中运动,这个周期性势场包括原子实以及其它电子的平均势场。
能带理论是在量子自由电子理论的基础上,考虑了离子所造成的周期性势场的存在,从而导致电子在金属中的分布特点,并建立了禁带的概念。
能带中电子排布服从原则:
一、泡利不相容原则;二、能量最小原理。
基本的能级结构包含:
满带、价带、空带、禁带。
能带结构有金属的、半导体的、绝缘体的。
9晶粒,界面,表面
晶粒:
结晶物质在生长过程中,由于受到外界空间的限制,未能发育成具有规则形态的晶体,而只是结晶成颗粒状,称晶粒。
界面:
相界面,不同点阵形成的分界区域
表面:
固体、气体、液体与环境接触的面
10滞弹性,范性
滞弹性:
可逆的但与加载时间有关的固体力学性质,称为滞弹性。
范型:
不可逆的变化,称为范型形变。
11铁电体的有序无序相变
在有些铁电体中,某种原子或原子团有两个或几个平衡位置。
在顺电相,原子或原子团在这些位置的分布式无序的。
在铁电相,它们的分布有序化,即择优的占据其中某个平衡位置,从而产生自发极化。
由于相变是原子或原子团分布有序化的结果,所以称有序无序相变。
许多水溶液的铁电体都发生有序无序相变。
以磷酸二氢钾为例,它自发极化的铁电性是由于质子的有序化造成的。
12激子,极化子
在离子晶体中,可以同时出现电子和空穴。
电子的电量荷为-e,空穴的电量为+e。
因此,一个传导电子和一个传导空穴就有可能相互束缚,形成一个类氢原子。
这样的一对粒子的相互束缚态,被称为激子。
当传导电子在晶体中运动时,将带着这种晶格畸变一起运动;后者成为一个晶格畸变极化波。
一个传导电子以及和它相互束缚的晶格畸变极化波的整体,被称为极化子。
13固体能带
与8题一样;
根据布洛赫定理得到波函数相应的能量值组成一些连续的能带,将一维情况讨论的布洛赫定理推广到三维,即可得到晶体的能带。
波矢量k的连续变化给出了连续的能谱,就是能带。
14金属的结构特点
半开放
金属是又金属键结合而成的,而金属键的特征在于没有明显的方向性和饱和性,所以金属没有单独存在的原子,通常以元素符号代表金属单质的化学式。
因此在第一级近似下,可将金属的原子看为相互吸引的钢球。
相互作用能最低的条件,使这些球体倾向于密集的排列,形成所谓的密集结构,具有较高的配位数和大的密度。
金属晶体是金属离子沉浸在运动的“电子海”中,使得金属具有良好的导电与传热性。
自由电子能吸收可见光,并将能量向四周散射,使得金属不透明,具有金属光泽。
由于自由电子的流动性,当金属受到外力时,金属原子之间容易相对滑动,表现出良好的延性和展性。
15极化的微观机制
与第四题一样
分子的极化机制有三种:
电子云位移极化:
由于电场的作用,构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变,使电子云与原子核发生相对位移,在电场和恢复力的作用下,原子具有了一定的电偶极矩,这种电极化常被称为电子的位移极化Pe。
离子位移极化:
固有偶极子取向极化:
分子具有固有电矩,而在外电场作用下,电矩的转向所发生的电极化称为转向极化Pd。
空间电荷(其它极化机构)
16金属范性及成因
范型:
不可逆的变化,称为范型形变。
与弹性形变是相对的。
成因:
晶体学面上沿晶体学方向的滑移发生造成的。
17铁族离子的轨边淬灭
铁族粒子的轨道角动量淬灭!
与郎德因子的原始公式比,过度金属离子和铁族离子的表达式中轨道角动量L=0,此时总动量J和自旋量子数S相等,郎德因子等于2。
总之,将过渡金属离子和铁族离子的永久磁矩μm和永久磁矩p的表达式比,轨道角动量L消失了,这种现象称为过渡金属离子和铁族离子的轨道角动量的淬灭。
二、论述题
1、描述金属的内耗过程,讨论内耗实验物理意义(内耗峰,弛豫时间,频率及温度关系和结构因素)。
讨论内耗实验物理意义?
开放,重点讨论实验物理意义!
~:
冯端:
《金属物理学》
通过周期应力、应变(振动),甚至在与外界完全隔离的条件下,它的机械能也会转变为热能,能耗在材料内部,使振动衰减和停止,这种能量损耗和振动衰减现象称为内耗。
内耗峰:
内耗能量的极值
弛豫时间:
滞弹性应变e=e'+e''(1-et/t),使第二项为e''的(1-1/e)倍所对应的时间t=t称为该体系弛豫时间。
欠缺,再找找
2、正常电介质击穿场强EB随b(厚度)增大而减小,试分析之。
正常电解质结构是不均匀的。
材料结构的不均匀性使介质击穿的许多规律不完全适用。
薄试样的EB比厚试样的要大得多,这是由于薄试样比较均匀,疵点少的缘故。
随着试样d增到,疵点(气孔)增多,比较薄样大。
这些气孔在电场作用下,将发生强烈有利,且气孔直径愈大,游离电压愈低。
由于强烈游离,产生大量热,使气孔局部区域过热,材料中产生相当高内应力。
当热应力强过一定限度时,材料丧失机械强度发生破坏,以致失去抗电能力,造成击穿。
因此正常电介质击穿场强EB随b(厚度)增大而减小。
3、Fe3+,3d5,V3+3d2,电子组态,求基态及有效玻尔磁子数,试根据相关数据说明轨道角动量淬灭。
Fe3+,3d5,
S=5*1/2=2.5,
L=0,轨道角动量淬灭
J=|L-S|=2.5,
基态为:
6S5/2
左上边位2S+1,由下表为J
L:
0123456……
对应符号:
SPDFGHI……
g=1+(J(J+1)-L(L+1)+S(S+1))/(2J(J+1))=2
玻尔磁子数为:
g乘以根号下(J(J+1))=5.92
实测值为5.9,与淬灭理论值一样
V3+3d2
S=2*1/2=1,
L=1+2=3,
J=|L-S|=2,
基态为:
3F2
g=1+(J(J+1)-L(L+1)+S(S+1))/(2J(J+1))=
玻尔磁子数为:
g乘以根号下(J(J+1))=1.63
与实测值2.8相差较远,由淬灭理论得:
P=g乘以根号下(S(S+1))=2.83
由以上数据得知
Fe3+,3d5为单态,L=0,轨道角动量淬灭;
V3+,3d2为简并态L!
=0,轨道角动量部分淬灭。
4、洛仑兹有效场,并讨论洛仑兹灾难。
有那么点开放啊
洛伦兹有效场:
对于最简单情形,不考虑粒子的电矩之间相互作用,则促使粒子极化的电场就是宏观的外加电场。
这样,介质的静电极化强度P就是电子云位移极化、离子位移极化、固有偶极子取向极化三部分极化强度之和。
在外场E的作用下,在球以外的介质作为连续介质处理,其在球心上产生的电场记为E1。
球内的介质在球心上产生的电场记为E2,则有效场为:
E=E+E1+E2。
洛伦兹灾难:
当加压到一定程度后,即使外电场E=0,P也不为0,即不带电体开始带电。
以水为例:
当水分子具有电矩,其极化率a主要来源于偶极子取向极化的贡献,a=ad=P02/3kT,代入E1=4πP/3得:
当温度下降至TC=NP02/9ke时,P=NaE/(1-Na/3e0)中的分母为0。
此时即使外电场E=0,水也会由于温度下降而出现极化,及P!
=0。
以水的N=3.3*1022cm-3,P0=1.87则Tc约等于1200K,即水在未冷却至室温就出现了自发极化,显然这样并不符合实际,因此洛伦兹有效场存在局限性。
5、顺磁性半经典理论,推导居里外斯定理。
并根据居里外斯的内场假设,用图解法讨论铁磁性。
1.半经典理论:
a.量子理论
J从-J到J,所uJ的取向飞任意而是2J+1个方向量子化的。
式中MJ取-J到J之间的整数半整数
b.波尔兹曼统计,在T时顺磁离子的沿磁场方向平均磁矩。
离子处于在磁量子数为MJ的能级的几率正比于exp(MJ
)
2.居里外斯定理:
因T>Tc,
<<1,H
则磁化强度
以
代入,经整数得
,c为居里常数,Tp为顺磁居里温度。
由
即得到居里外斯定理表达式:
。
3.
内场假设:
铁磁物质内包含很多小区域,即使没有外磁场,这些区域内也存在自发磁化强度,每个小区域一个磁畴,不同磁畴有不同的磁畴方向,整个铁磁体的磁化强度是各个磁畴磁化强度的矢量和,无外场是B=0。
磁畴内部的磁化强度,源自内部本征磁矩的平行排列,即磁畴内存在内场。
按半经典理论,其自发磁化强度Ms=NguBJBJ(y);y=guJλMs/kT
T=Tc时,对应Ms=0,y=0;
T T>Tc时,Ms在线性方程和BJ(y)函数去交汇点,无Ms即顺磁性。 6、极化弛豫的物理意义,讨论双位阱越障运动极化弛豫过程的实验物理意义。 1. A.物理现象: 微观粒子相互作用交换能量,热环境中的能量分布规律表征 B.过程完成: 微观粒子相互作用交换能量,从一个稳定的能量分布到另一个稳定的能量分布 C.决定因素: 内部结构微观粒子间相互作用性 D.作用: 1.结构内的相互作用信息,2.电偶极矩作用形态对性能作用 E.相应响应状态: 1.共振,吸收,散射——光谱,波普;2.弛豫响应: 相互作用特别强
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