§ 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 § 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s ，它 们是电子本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s ，2 1 s 外场方向投影： 2h m S s z ， 2 1 s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e 外场方向投影： 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本 方程出发，很自然地导出了电子自旋的 性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量： 2*2)1(h l h l l p l 12,1,0 n l 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s 21 s 总角动量： s l j p p p 2*2)1(h j h j j p j s l j ，1 s l ，……s l
当s l 时，共12 s 个值 当s l 时，共12 l 个值 由于 2 1 s 当0 l 时，2 1 s j ，一个值。 当 3,2,1 l 时，2 1 l j ，两个值。 例如：当1 l 时，23211 j 21211 j l p 和s p 不是平行或反平行，而是有一定的夹角 当s l j 时 0)1() 1(cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “平行” 当s l j 时 0)1()1(1 cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “反平行” 原子的角动量=电子轨道运动的角动量+电子自旋运动角动量+核角动量。 原子的磁矩=电子轨道运动的磁矩+电子自旋运动磁矩+核磁矩。 三、电子轨道运动的磁矩 电子轨道运动的闭合电流为：T e i “-”表示电流方向与电子运动方向相反 面积：dt r rd r dA 22 121 一个周期扫过的面积： 2)1(h l l p l 是量子化的 B l l l m he l l p m e )1(4)1(2 量子化的。 223102740.94m A m he B ? 玻尔磁子 2h m L l z 空间取向量子化 四、自旋—轨道相互作用能 电子由于自旋运动而具有自旋磁矩： 具有磁矩的物体在外磁场中具有磁能： 电子由于轨道运动而具有磁场： 考虑相对论效应后，再乘以因子2 1做修正 r 是一个变量，用平均值代替：
高考经典课时作业15-2 原子结构、氢原子光谱 （含标准答案及解析） 时间：45分钟 分值：100分 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A ．光电效应实验 B ．伦琴射线的发现 C ．α粒子散射实验 D ．氢原子光谱的发现 2．关于巴耳末公式1λ ＝R ????122－1n 2的理解，下列说法正确的是( ) A ．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B ．公式中n 可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C ．公式中n 只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D ．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级，该氢原子( ) A ．放出光子，能量增加 B ．放出光子，能量减少 C ．吸收光子，能量增加 D ．吸收光子，能量减少 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( ) 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子( )
固体能带理论概述 朱士猛学号220130901421 专业凝聚态物理 摘要 本文综述了固体能带理论中的布洛赫定理、一维周期场中电子运动的近自由电子近似等基本理论。还介绍了采用了近自由电子近似法来计算其能带结构。可以看出，外推势能分布近似成为有限深势阱时与用超越方程得到的结果相吻合。而采用近自由电子近似方法在外推势能分布为量子阱的势能分布时与直接采用近自由电子近似来处理小带阶的量子阱的结果一致。 关键词：能带理论布洛赫定理近自由电子近似 1 引言 能带理论[1]是研究固体中电子运动的一个主要理论基础。在二十世纪二十年代末和三十年代初期，在量子力学运动规律确定以后，它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中开展起来的。最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。例如，在这个理论基础上，说明了固体为什么会有导体、非导体的区别；晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距等。在这个时候半导体开始在技术上应用，能带理论正好提供了分析半导体理论问题的基础，有利地推动了半导体技术的发展。后来由于电子计算机的发展使能带论的研究从定性的普遍规律到对具体材料复杂能带的结构计算。到目前，计算材料能带结构的方法有:近自由电子近似法、包络函数法(平面波展开法)[2，9，10，13]、赝势法[3，6]、紧束缚近似——原子轨道线性组合法[4，5，7，8，11]、K.P方法[12]。人们用这些方法对量子阱[2，8，9，10]。量子线[11，12，13]、量子点结构[16，17]的材料进行了计算和分析，
并取得了较好计算结果。使得对这些结构的器件的设计有所依据。并对一些器件的特性进行了合理的解释。 固体能带论指出，由于周期排列的库仑势场的祸合，半导体中的价电子状态分为导带与价带，二者又以中间的禁带(带隙)分隔开。从半导体的能带理论出发引出了非常重要的空穴的概念，半导体中电子或光电子效应最直接地由导带底和价带顶的电子、空穴行为所决定，由此提出的P-N结及其理论己成为当今微电子发展的物理依据。半导体能带结构的具体形态与晶格结构的对称性和价键特性密切相关，不同的材料〔如Si,Ge与GaAs,InP)能带结构各异，除带隙宽度外、导带底价带顶在k空间的位置也不同，GaAs,InP等化合物材料的导带底价带顶同处于k 空间的中心位置，称为直接带隙材料，此结构电子-空穴的带间复合几率很大，并以辐射光子的形态释放能量，由此引导人们研制了高效率的发光二极管和半导体激光器，在光电子及光子集成技术的发展中，其重要性可与微电子技术中的 晶体管相比拟。 2 布洛赫定理[1] 能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子，在讨论共有化电子的运动状态时假定原子实处在其平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰，对于理想晶体，原子规则排列成晶体，晶格具有周期性，因而等效势场V (r)也应具有周期性。晶体中的电子就是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动，其波动方程为: （1）
2014届高考物理领航规范训练：15-2原子结构、氢原子光谱 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A．光电效应实验B．伦琴射线的发现 C．α粒子散射实验D．氢原子光谱的发现 解析：光电效应实验说明光的粒子性，伦琴射线的发现说明X射线是一种比光波波长更短的电磁波，氢原子光谱的发现促进了氢原子模型的提出．故C正确． 答案：C 2．关于巴耳末公式1 λ＝R? ? ?? ? 1 22 － 1 n2的理解，下列说法正确的是( ) A．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 解析：巴耳末公式是经验公式，只适用于氢原子光谱，公式中n只能取n≥3的整数，故C正确． 答案：C 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量减少 解析：根据玻尔原子理论知，氢原子从高能级n＝3向低能级n＝2跃迁时，将以光子形式放出能量，放出光子后原子能量减少，故B选项正确． 答案：B 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( )
解析：由h ν＝h c λ＝E 初－E 末可知该原子跃迁前后的能级差越大，对应光线的能量越大， 波长越短．由图知a 对应光子能量最大，波长最短，c 次之，而b 对应光子能量最小，波长最长，故C 正确． 答案：C 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 解析：氢原子的核外电子离原子核越远，氢原子的能量(包括动能和势能)越大．当氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，原子的能量减少，氢原子要放出一定频率的光子．显然，选项B 、D 正确． 答案：BD 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2 ，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 解析：依题意可知第一激发态能量为E 2＝E 1 22，要将其电离，需要的能量至少为ΔE ＝0 －E 2＝h ν，根据波长、频率与波速的关系c ＝νλ，联立解得最大波长λ＝－4hc E 1 ，C 正确． 答案：C 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢 原 子( ) A ．从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级比从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级辐射出电磁波的波长长 B ．从n ＝5能级跃迁到n ＝1能级比从n ＝5能级跃迁到n ＝4能级辐射出电磁波的速度大
关于氢原子光谱的超精细结构的研究 摘要：本文通过介绍原子核的结构、原子核的自旋以及核磁矩，讨论了氢原子光谱的超精细结构的产生原因并介绍了相关公式推导。 关键词：光谱；氢原子；超精细结构 原子核的结构 1、原子核 自卢瑟福提出原子的核式模型以来，原子就被分为两部分来处理：一是处于原子中心的原子核，一是绕核运动的电子。除了原子核的质量和电荷外，原子核的其他性质对原子的影响是相当微小的，核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系。原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。 2、原子核的结构 发现中子之前，人们知道的“基本”粒子只有两种：电子和质子。物理学家开始时有把原子核当做质子和电子的组成体的想法，但一开始就遇到了不可克服的困难。因为假如原子核由质子和电子所组成，那么，我们将无法解释核的自旋，且推导出来的原子核内电子的能量与实验结果不符。在查德威克发现中子之后，海森堡很快就提出了原子核由质子和中子所组成的假说。海森堡把质子和中子统称为核子，并把中子和质子看做核子的两个不同状态。 原子核的自旋以及核磁矩 1、电子自旋 在乌仑贝克和古兹米特提出电子自旋之前，泡利为了解释原子光谱的超精细结构，就提出了原子核作为一个整体必须有自旋的假设。但是，只有在查德威克发现中子之后，人们才理解自旋的起源。实验发现，中子和质子都是费米子，具有的固有角动量（自旋）与电子一样。既然原子核式中子和质子所组成，它的自旋就应该是中子和质子的轨道角动量和自旋之和。我们研究的“原子核的自旋”，都是指原子核基态的自旋。 2、核磁矩 除了核子的自旋磁矩外，我们还要考虑轨道磁矩。下面给出自核自旋的核磁矩的表示式。类似于原子磁矩的表示式，核磁矩和核自旋角动量I成正比。 μI = g IμN I 在磁场中，核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量为 U = -μI ?B = -g IμN Bm I 因为m I有2I+1个值，所以有2I+1个不同的附加能量，于是就发生赛曼能级分裂，一条核能级在磁场中就分裂为2I+1条，相邻两条分裂能级间的能量差为 上述对核自旋磁矩与磁场的相互作用的讨论是下面研究氢原子光谱的超精细结构的基础。 氢原子的超精细结构光谱 最初讨论原子中的电子运动时，只考虑电子和原子核之间的库仑相互作用，后来随着实验水平的提高，人们发现了H的谱线并不是一条，由此引入电子自旋的概念，从而产生了了氢原子的精细结构。
3.光谱氢原子光谱 学习目标知识脉络 1.了解光谱、连续谱、线状谱等 概念．(重点) 2.知道光谱分析及应用．(重点) 3.知道氢原子光谱的规律．(重 点、难点) 光谱和光谱分析 [先填空] 1．光谱 复色光分解为一系列单色光，按波长长短的顺序排列成一条光带，称为光谱． 2．分类 (1)连续谱：由波长连续分布的彩色光带组成的光谱． (2)发射光谱：由发光物质直接产生的光谱． (3)吸收光谱：连续光谱中某些特定频率的光被物质吸收而形成的谱线． (4)线状谱：由分立的谱线组成的光谱． (5)原子光谱：对于同一种原子，线状谱的位置是相同的，这样的谱线称为原子光谱． 3．光谱分析 (1)定义：利用原子光谱的特征来鉴别物质和确定物质的组成部分． (2)优点：灵敏度、精确度高． [再判断] 1．各种原子的发射光谱都是连续谱．(×) 2．不同原子的发光频率是不一样的．(√) 3．线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．(×) [后思考] 为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？ 【提示】不同颜色的光在棱镜中的折射率不同，因此经过棱镜后的偏折程度也不同．
1．光谱的分类 2．光谱分析的应用 (1)应用光谱分析发现新元素； (2)鉴别物体的物质成分；研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素； (3)应用光谱分析鉴定食品优劣； (4)探索宇宙的起源等． 1．对原子光谱，下列说法正确的是( ) A．原子光谱是不连续的 B．原子光谱是连续的 C．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的 D．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同 E．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 【解析】原子光谱为线状谱，A正确，B错误；各种原子都有自己的特征谱线，故C 错误，D正确；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，E正确．故A、D、E. 【答案】ADE 2．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( ) A．太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱 B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱 C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，不能用连续谱
§4.3 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 §4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s μ ，它们是电子 本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+=，2 1=s
外场方向投影：π2h m S s z =， 21±=s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e -=μ B s s h s s m e p m e μπ μ32)1(-=+-=- = 外场方向投影： B z z S m e μμ±=-= 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本方程出发，很自然地导出了电子自旋的性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量：π π2*2)1(h l h l l p l =+= 12,1,0-=n l 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+= 2 1=s 总角动量： s l j p p p += π π2*2)1(h j h j j p j =+= s l j +=，1-+s l ，……s l - 当s l >时，共12+s 个值 当s l <时，共12+l 个值 由于 2 1=s 当0=l 时，2 1==s j ，一个值。 当 3,2,1=l 时，2 1±=l j ，两个值。 例如：当1=l 时，23211=+=j 2 1211=-=j π π222)1(h h l l p l =+= ππ2232)1(h h s s p s =+=
专题练习(四十一)原子结构氢原子光谱 1．(2011·上海高考)卢瑟福利用α粒子轰击金箔嘚实验研究原子结构，正确反映实验结果嘚示意图是( ) 3．(20 12·北京高考)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 解析：氢原子由高能级跃迁到低能级要放出光子，能量减少；由低能级跃迁到高能级要吸收光子，能量增加，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，即从高能级向低能级跃迁，则要放出光子，能量减少，故A、C、D错误，B正确． 答案：B
4．(2011·四川高考)氢原子从能级m 跃迁到能级n 时辐射红光嘚频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k 时吸收紫光嘚频率为ν2，已知普朗克常量为h ，若氢原子从能级k 跃迁到能级m ，则( ) A ．吸收光子嘚能量为hν1＋hν2 B ．辐射光子嘚能量为hν1＋hν2 C ．吸收光子嘚能量为hν2－hν1 D ．辐射光子嘚能量为hν2－hν1 解析：由题意可知：E m －E n ＝hν1，E k －E n ＝hν2.因为紫光嘚频率大于红光嘚频率，所以ν2>ν1，即k 能级嘚能量大于m 能级嘚能量，氢原子从能级k 跃迁到能级m 时向外辐射能量，其值为E k －E m ＝hν2－hν1，故只有D 项正确． 答案：D 5．(2011·大纲全国高考)已知氢原子嘚基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中嘚光速．能使氢原子从第一激发态电离嘚光子嘚最大波长为 ( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 . 解析：处于第一激发态时n ＝2，故其能量E 2＝E 14，电离时释放嘚能量ΔE＝0－E 2＝－E 1 4，而 光子能量ΔE＝hc λ，则解得λ＝－4hc E 1 ，故C 正确，A 、B 、D 均错． 答案：C 6．(2012·江苏高考)如图所示是某原子嘚能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出嘚三种波长嘚光．在下列该原子光谱嘚各选项中，谱线从左向右嘚波长依次增大，则正确嘚是( )
第五章固体的能带理论 1.布洛赫电子论作了哪些基本近似？它与金属自由电子论相比有哪些改进？ 解：布洛赫电子论作了3条基本假设，即①绝热近似，认为离子实固定在其瞬时位置上，可把电子的运动与离子实的运动分开来处理；②单电子近似，认为一个电子在离子实和其它电子所形成的势场中运动；③周期场近似，假设所有电子及离子实产生的场都具有晶格周期性。布洛赫电子论相比于金属自由电子论，考虑了电子和离子实之间的相互作用，也考虑了电子与电子的相互作用。 2.周期场对能带形成是必要条件吗？ 解：周期场对能带的形成是必要条件，这是由于在周期场中运动的电子的波函数是一个周期性调幅的平面波，即是一个布洛赫波。由此使能量本征值也称为波矢的周期函数，从而形成了一系列的能带。 3.一个能带有N个准连续能级的物理原因是什么？ 解：这是由于晶体中含有的总原胞数N通常都是很大的，所以k的取值是十分密集的，相应的能级也同样十分密集，因而便形成了准连续的能级。 4.禁带形成的原因如何？您能否用一物理图像来描述？ 解：对于在倒格矢 K中垂面及其附近的波矢k，即布里渊区界面附近的波矢k， h 由于采用简并微扰计算，致使能级间产生排斥作用，从而使) E函数在布里渊区界 (k 面处“断开”，即发生突变，从而产生了禁带。
可以用下面的图5.1来描述禁带形成的原因： 5.近自由电子模型与紧束缚模型各有何特点？它们有相同之处？ 解：所谓近自由电子模型就是认为电子接近于自由电子状态的情况，而紧束缚模型则认为电子在一个原子附近时，将主要受到该原子场的作用，把其它原子场的作用看成微扰作用。这两种模型的相同之处是：选取一个适当的具有正交性和完备性的布洛赫波形式的函数集，然后将电子的波函数在所选取的函数集中展开，其展开式中有一组特定的展开系数，将展开后的电子的波函数代入薛定谔方程，利用函数集中各基函数间的正交性，可以得到一组各展开系数满足的久期方程。这个久期方程组是一组齐次方程组，由齐次方程组有解条件可求出电子能量的本征值，由此便揭示出了系统中电子的能带结构。 6.布洛赫电子的费米面与哪些因素有关？确定费米面有何重要性？ 解：布洛赫电子的费米面与晶体的种类及其电子数目有关。由于晶体的很多物理过程主要是由费米面附近的电子行为决定的，如导电、导热等，所以确定费米面对研究晶体的物理性质及预测晶体的物理行为都有很重要的作用。 7.试述晶体中的电子作准经典运动的条件和准经典运动的基本公式。 解：在实际问题中，只有当波包的尺寸远大于原胞的尺寸，才能把晶体中的电子看做准经典粒子。 准经典运动的基本公式有：
第五章 固体的能带理论 1.布洛赫电子论作了哪些基本近似？它与金属自由电子论相比有哪些改进？ 解：布洛赫电子论作了3条基本假设，即①绝热近似，认为离子实固定在其瞬时位置上，可把电子的运动与离子实的运动分开来处理；②单电子近似，认为一个电子在离子实和其它电子所形成的势场中运动；③周期场近似，假设所有电子及离子实产生的场都具有晶格周期性。布洛赫电子论相比于金属自由电子论，考虑了电子和离子实之间的相互作用，也考虑了电子与电子的相互作用。 2.周期场对能带形成是必要条件吗？ 解：周期场对能带的形成是必要条件，这是由于在周期场中运动的电子的波函数是一个周期性调幅的平面波，即是一个布洛赫波。由此使能量本征值也称为波矢的周期函数，从而形成了一系列的能带。 3.一个能带有N 个准连续能级的物理原因是什么？ 解：这是由于晶体中含有的总原胞数N 通常都是很大的，所以k 的取值是十分密集的，相应的能级也同样十分密集，因而便形成了准连续的能级。 4.禁带形成的原因如何？您能否用一物理图像来描述？ 解：对于在倒格矢h K 中垂面及其附近的波矢k ，即布里渊区界面附近的波矢k ，由于采用简并微扰计算，致使能级间产生排斥作用，从而使)(k E 函数在布里渊区界面处“断开”，即发生突变，从而产生了禁带。
5.近自由电子模型与紧束缚模型各有何特点？它们有相同之处？ 解：所谓近自由电子模型就是认为电子接近于自由电子状态的情况，而紧束缚模型则认为电子在一个原子附近时，将主要受到该原子场的作用，把其它原子场的作用看成微扰作用。这两种模型的相同之处是：选取一个适当的具有正交性和完备性的布洛赫波形式的函数集，然后将电子的波函数在所选取的函数集中展开，其展开式中有一组特定的展开系数，将展开后的电子的波函数代入薛定谔方程，利用函数集中各基函数间的正交性，可以得到一组各展开系数满足的久期方程。这个久期方程组是一组齐次方程组，由齐次方程组有解条件可求出电子能量的本征值，由此便揭示出了系统中电子的能带结构。 6.布洛赫电子的费米面与哪些因素有关？确定费米面有何重要性？ 解：布洛赫电子的费米面与晶体的种类及其电子数目有关。由于晶体的很多物理过程主要是由费米面附近的电子行为决定的，如导电、导热等，所以确定费米面对研究晶体的物理性质及预测晶体的物理行为都有很重要的作用。 7.试述晶体中的电子作准经典运动的条件和准经典运动的基本公式。 解：在实际问题中，只有当波包的尺寸远大于原胞的尺寸，才能把晶体中的电子看做准经典粒子。 准经典运动的基本公式有： 晶体电子的准动量为 k p =； 晶体电子的速度为 )(1 k v k E ?= ； 晶体电子受到的外力为 dt d k F = 晶体电子的倒有效质量张量为 β ααβk k E m ???=) (1122*k ； 在外加电磁场作用下，晶体电子的状态变化满足： )(B v Εk ?+-= e dt d )(*B v Εv ?+-=m e dt d 8.试述有效质量、空穴的意义。引入它们有何用处？ 解：有效质量实际上是包含了晶体周期势场作用的电子质量，它的引入使得晶体中电子准经典运动的加速度与外力直接联系起来了，就像经典力学中牛顿第二定律一样，这样便于我们处理外力作用下晶体电子的动力学问题。 当满带顶附近有空状态k 时，整个能带中的电流，以及电流在外电磁场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷q 和具有正质量*m 、速度v(k)的粒子的情况一样，这样一个假想的粒子称为空穴。空穴的引入使得满带顶附近缺少一些电子的问题和导带底有少数电子的问题十分相似，给我们研究半导体和某些金属的导电性能带来了很大的方便。 9.试述导体、半导体和绝缘体能带结构的基本特征。 解：在导体中，除去完全充满的一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，后者可以起导电作用，称为导带。 在半导体中，由于存在一定的杂质，或由于热激发使导带中存有少数电子，或满带中缺了少数电子，从而导致一定的导电性。
半导体物理学 ——固体能带理论综述 班级：材料物理081401 姓名：薛健 学号：200814020122
固体能带理论综述 摘要:本文综述了固体能带理论中的布洛赫定理、一维周期场中电子运动的近自由电子近似、包络函数模型(平面波展开方法)等基本理论。还介绍了采用了包络函数法和近自由电子近似法来计算其能带结构。可以看出，采用包络函数方法外推势能分布为体材料的势能分布时得到能带结构与利用准自由电子近似的方法得到的结果一致；另外，外推势能分布近似成为有限深势阱时与用超越方程得到的结果相吻合。而采用近自由电子近似方法在外推势能分布为量子阱的势能分布时与直接采用近自由电子近似来处理小带阶的量子阱的结果一致。 关键词：能带理论,包络函数,近自由电子近似 一、引言 能带理论[1]是研究固体中电子运动的一个主要理论基础。在二十世纪二十年代末和三十年代初期，在量子力学运动规律确定以后，它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中开展起来的。最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。例如，在这个理论基础上，说明了固体为什么会有导体、非导体的区别；晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距等。在这个时候半导体开始在技术上应用，能带理论正好提供了分析半导体理论问题的基础，有利地推动了半导体技术的发展。后来由于电子计算机的发展使能带论的研究从定性的普遍规律到对具体材料复杂能带的结构计算。到目前，计算材料能带结构的方法有:近自由电子近似法、包络函数法(平面波展开法)[2，9，10，13]、赝势法[3，6]、紧束缚近似——原子轨道线性组合法[4，5， 7， 8， 11]、 K.P方法[12]。人们用这些方法对量子阱[2， 8， 9，10]。量子线[11，12，13]、量子点结构[16， 17]的材料进行了计算和分析，并取得了较好计算结果。使得对这些结构的器件的设计有所依据。并对一些器件的特性进行了合理的解释。 固体能带论指出，由于周期排列的库仑势场的祸合，半导体中的价电子状态分为导带与价带，二者又以中间的禁带(带隙)分隔开。从半导体的能带理论出发引出了非常重要的空穴的概念，半导体中电子或光电子效应最直接地由导带底和价带顶的电子、空穴行为所决定，由此提出的P-N结及其理论己成为当今微电子发展的物理依据。半导体能带结构的具体形态与晶格结构的对称性和价键特性密切相关，不同的材料〔如Si,Ge与GaAs,InP)能带结构各异，除带隙宽度外、导带底价带顶在k空间的位置也不同，GaAs,InP等化合物材料的导带底价带顶同处于k 空间的中心位置，称为直接带隙材料，此结构电子-空穴的带间复合几率很大，并以辐射光子的形态释放能量，由此引导人们研制了高效率的发光二极管和半导体激光器，在光电子及光子集成技术的发展中，其重要性可与微电子技术中的 晶体管相比拟。 二、布洛赫定理[1] 能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子，在讨论共有化电子的运动状态时假定原子实处在其平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰，对于理想晶体，原子规则排列成晶体，晶格具有周期性，因而等效势场V (r)也应具有周期性。晶体中的电子就是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动，其波动方程为: （1）
第四章原子的精细结构：电子的自旋 玻尔理论考虑了原子主要的相互作用即核与电子的静电作用，较为有效地解释了氢光谱。不过人们随后发现光谱线还有精细结构，这说明还需考虑其它相互作用即考虑引起能量变化的原因。本章在量子力学基础上讨论原子的精细结构。 本章先介绍原子中电子轨道运动引起的磁矩，然后介绍原子与外磁场的相互作用，以及原子内部的磁场引起的相互作用。说明空间量子化的存在，且说明仅靠电子的轨道运动不能解释精细结构，还须引入电子自旋的假设，由电子自旋引起的磁相互作用才是产生精细结构的主要因素。 §4-1原子中电子轨道运动的磁矩 1.经典表示式 在经典电磁学中载流线圈的磁矩为。(若不取国 际单位制，则（为电流所围的面积，是垂直于该积的单位矢量。这里假定电子轨道为圆形，可证明，对于任意形状的闭合轨道，其结果不变。） 电子绕核的运动必定有一个磁矩，设电子旋转频率为，则原子中电子绕核旋转的磁矩为： 定义旋磁比：，则电子绕核运动的磁矩为 上式是原子中电子绕核运动的磁矩与电子轨道角动量之间的关系式。磁矩与轨道角动 量反向，这是因为磁矩的方向是根据电流方向的右手定则定义的，而电子运动方向与电流反向之故。 从电磁学知道，磁矩在均匀外磁场中不受力，但受到一个力矩作用，力矩为 力矩的存在将引起角动量的变化，即
由以上关系可得，可改写为 拉莫尔进动的角速度公式：，表明：在均匀外磁场中高速旋转的磁矩不向靠拢，而是以一定的绕作进动。的方向与一致。进动角频率（or拉莫尔频率）为： 2.量子化条件 此前的两个量子数中，主量子数n决定体系的能量，角动量量子数决定轨道形状。 轨道平面方向的确定：当有一个磁场存在时，磁场的方向即为参考方向，轨道平面的方向也才有意义。 轨道角动量垂直于轨道平面，它相对于磁场方向(定义为z的角度决定了轨道平面的方向，如右图示。 此前得到角动量量子化条件为： 鉴于量子力学的本质，将此条件作一原则性改动，取由量子力学计算所得的结果 ， 由此引入第三个量子化条件： 显然，对于一固定的，有(个m值。 3.角动量取向量子化
1.Write the relation formula about micro-particle duality A: contact micro-particle duality formula is:h h λ== P mu λ-Wavelength，P-Momentum，h-Planck’s constant，m-Quality，u-Velocity 2.讨论波函数的意义与其电子云的关系。 答：波函数是为了定量地描述电子的状态和出现在某处的几率而引入的一个复函数，既有实数部分又有虚数部分，且各部分都可根据欧拉公式写成正余弦函数形式，但这两部分合起来就不再是简单正余弦了，它本身并无实际意义，但它平方后得到的新函数可表示粒子在空间各点出现的概率密度（但其图相并不表示粒子轨道）。 电子云是电子在核外空间出现的几率密度分布的形象化描述，几率密度分布也就是波函数和其共轭的乘积，乘积是一个实数，也就是波函数和其共轭模相乘，所以说是模的平方。 3.定性讨论四个量子数的意义。 答：主量子数n主要表示电子距离原子核“平均距离”的远近，是决定能量的主要参数。当n=1，2，3，4，5，6，7 电子层符号分别为K，L，M，N，O，P，Q。当主量子数增大，电子出现离核的平均距离也相应增大，电子的能量增加。 轨道角量子数l确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。电子绕核运动，不仅具有一定的能量，而且也有一定的角动量M，它的大小同原子轨道的形状有密切关系，决定了轨道角动量的大小。对于给定的n值，量子力学证明l 只能取小于n的正整数：l=0，1，2，3…(n-1)。 轨道磁量子数m决定了轨道角动量在外磁场方向的投影值，即原子轨道在空间的取向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子轨道。这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小的能量差别的现象得出的结果。磁量子数可以取值：m=0,+/-1,+/-2……+/-l。 自旋磁量子数m s决定了自旋角动量在外磁场方向的投影值，正负号表示投影方向与磁场方向相同或相反。
第1讲原子结构氢原子光谱 板块一主干梳理·夯实基础 【知识点1】氢原子光谱Ⅰ 1．原子的核式结构 (1)电子的发现：英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子. (2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来. (3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转. 2．光谱 (1)光谱 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱. (2)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱.有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱. (3)氢原子光谱的实验规律 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1 λ＝R? ? ? ? 1 22－ 1 n2，(n＝3,4,5，…)，R 是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，n为量子数. 【知识点2】氢原子的能级结构、能级公式Ⅰ 1．玻尔理论 (1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量. (2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m－E n.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) (3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的. 2．基态和激发态 原子能量最低的状态叫基态，其他能量较高的状态叫激发态. 3．氢原子的能级图
学案正标题 一、考纲要求 1.知道两种原子结构模型，会用玻尔理论解释氢原子光谱. 2.掌握氢原子的能级公式并能结合能级图求解原子的跃迁问题. 二、知识梳理 1.原子的核式结构 (1)1909～1911年，英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型． (2)α粒子散射实验 ①实验装置：如下图所示； ②实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回． (3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转． 2.氢原子光谱 氢原子光谱线是最早被发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：＝R n＝3，4，5，… 3.玻尔的原子模型 (1)玻尔理论 ①轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道是不连续的； ②定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态．因而具有不同的能量，即原子的能量是不连续的．这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，处于基态的原子是稳定的，不向外辐射能量； ③跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，光子的能量等于这两个状态的能量差，即hν＝E m－E n． (2)几个概念 ①能级：在玻尔理论中，原子各个状态的能量值； ②基态：原子能量最低的状态； ③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他能量较高的状态； ④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数． (3)氢原子的能级和轨道半径
第十章固体结构 [教学要求] 1．熟悉晶体的类型、特征核组成晶体的微粒间的作用力。 2．了解金属晶体的三种密堆积结构及其特征。理解金属键的形成核特征。 3．熟悉三种典型离子晶体的结构特征。理解晶格能的概念和离子电荷、半径对晶格能的影响；熟悉晶格能对离子化合物熔点、硬度的影响；了解晶格能的热化学计算方法。 4．了解离子半径及其变化规律、离子极化及其对键型、晶格类型、溶解度、熔点、颜色的影响。 5．熟悉键的极性和分子的极性；了解分子的偶极矩和变形性及其变化规律，了解分子间力的产生及其对某些物性的影响。 [教学重点] 1．晶胞 2．各种类型晶体的结构特征,特别是离子晶体。 3．离子极化 [教学难点] 晶胞的概念, 离子极化 [教学时数]8学时 [教学内容] §10.1 晶体结构和类型 10.1.1 晶体结构的特征与晶格理论 1. 晶体结构的特征 晶体是由原子、离子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体。特征： (1) 晶体具有规则的几何构形，这是晶体最明显的特征，同一种晶体由于生 成条件的不同，外形上可能差别，但晶体的晶面角却不会变. (2) 晶体表现各向异性，例如热、光、电、硬度等常因晶体取向不同而异。
(3) 晶体都有固定的熔点，玻璃在加热时却是先软化，后粘度逐渐小，最后 变成液体. 2. 晶格理论的基本概念 晶格(点阵)是晶体的数学抽象。 晶胞是晶体的最小重复单元，通过晶胞在空间平移并无限地堆砌而成晶体，它有二个要素： 一是晶胞的大小、型式。晶胞的大小、型式由a、b、c三个晶轴及它们间的夹角α.β.γ所确定。 另一是晶胞的内容。由组成晶胞的原子或分子及它们在晶胞中的位置所决定晶胞的内容包括粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。 按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。
第三节 氢原子光谱 学 习 目 标 ※ 了解光谱的定义与分类 知 识 导 图 知识点1 光谱 1．定义 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按__波长__展开，获得__光的波长__(频率)和强度分布的记录，即光谱。 2．分类 (1)线状谱：由__一条条的亮线__组成的光谱。 (2)连续谱：由__连在一起__的光带组成的光谱。 3．特征谱线 各种原子的发射光谱都是__线状谱__，且不同原子的亮线位置__不同__，故这些亮线称为原子的__特征__谱线。 4．光谱光析 由于每种原子都有自己的__特征谱线__，可以利用它来鉴别__物质__和确定物质的__组成成分__，这种方法称为光谱分析，它的优点是__灵敏度__高，样本中一种元素的含量达到__10－10g__时就可以被检测到。 知识点2 氢原子光谱的实验规律 1．光的产生 许多情况下光是由原子内部__电子__的运动产生的，因此光谱研究是探索__原子结构__的一条重要途径。 2．巴耳末公式 1λ ＝__R ????122－1n 2__(n ＝3,4,5…) 3．巴耳末公式的意义 以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的__分立__特征。 知识点3 经典理论的困难 1．核式结构模型的成就 正确地指出了__原子核__的存在，很好的解释了__α粒子散射实验__。 2．经典理论的困难
经典物理学既无法解释原子的__稳定性__又无法解释原子光谱的__分立特征__。 预习反馈 『判一判』 (1)各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应。(×) (2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。(√) (3)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。(√) (4)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素。(√) (5)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象。(×) 『选一选』 (多选)关于巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5…)的理解，正确的是( AC ) A ．此公式只适用于氢原子发光 B ．公式中的n 可以是任意数，故氢原子发光的波长是任意的 C ．公式中的n 是大于等于3的正整数，所以氢原子光谱不是连续的 D ．该公式包含了氢原子的所有光谱线 解析：巴耳末公式是分析氢原子的谱线得到的一个公式，它只反映氢原子谱线的一个线系，故A 正确，D 错误；公式中的n 只能取不小于3的正整数，B 错误，C 正确。 『想一想』 能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分？ 答案：不能。月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。 探究一 光谱和光谱分析 S 思考讨论i kao tao lun 1 早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱，如图所示。研究光谱有哪方面的意义？ 提示：光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。 G 归纳总结ui na zong jie 1．光谱的分类