2009复习题(2).pdf

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1、 一.概念题 材料：由一定配比的若干相互作用的元素组成的具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的系统。应力及应变：材料单位面积上所受的附加内力为应力；材料受力时内部各质点之间的相对移动为应变。轨道磁矩：电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，为轨道磁矩。磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质内部形成磁场很强，磁矩方向相同的小区域。均匀吸收：材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。粒子数反转：高能级的粒子数 N2多于低能级的粒子数 N1，称为粒子数反转 剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等、方向相反的两个剪切应力时发生的形

2、变。超导体：在一定温度下具有零电阻超导现象的材料。自旋磁矩：每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩。铁氧体：含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性 瑞利散射：线度小于光的波长的微粒对入射光的散射 晶界：同相晶粒之间的界面 二.简述题（共 40 分）1、简述 Maxwell 模型和 Voigt 模型，并画出示意图（10 分）答：理想弹簧：代表理想弹性体，其力学性质服 Hook 定律 理想粘壶：代表理想粘性体，服从牛顿粘性定律 Maxwell 模型：由一个理想弹簧和理想粘壶串联成 Voigt 模型：由一个理想弹簧和理想粘壶并联成 2、晶体能带理论的基本要点是什么？导体及半导体的

3、能带有何区别？分别论述导体及半导体的导电机制，并画出示意图（15 分）要点：电子的运动看做基本上是独立的，它们的运动遵守量子力学统计规律；考虑了晶体原子的周期势场对电子运动的影响；导体及半导体的能带区别：(a)电子占据状态不同：半导体的导带为空带，而导体的导带为半满带；(b)禁带宽度不同：导体的 Eg 比半导体的 Eg 宽 c)导电机制不同：半导体的 Eg 较小，约 1eV，在温度、光照等外加条件下，满带中的部分电子受热运动的影响，越过禁带，激发到空带中去，在价带和导带中分别出现数量相同的空穴和自由电子，并共同参与导电；导体的导带为半满态，导电机制来自半满态中的自由电子，即在外加电场作用下，低

4、能级的电子吸收能量，跃迁到高能级，形成电流。导体及半导体的导电机制示意图 Voigt 模型 Maxwell 模型 a 导体导电状态 b 半导体激发状态 c 半导体导电状态 3、材料具有铁磁性取决于哪两个因素？软磁材料、硬磁材料和矩磁材料有何区别？画出铁磁材料的磁化曲线并说明磁化曲线与磁畴的关系（15 分）材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式 软磁材料、硬磁材料和矩磁材料的区别 软磁材料具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度，较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁

5、滞损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化；硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。具有较大的矫顽力，磁滞回线较粗，剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。矩磁材料：磁滞回线呈矩形，又称，剩磁接近于磁饱合磁感应强度具有高磁导率、高电阻率；磁化曲线：电场强度 Ec Ev Eg Ec Ev Eg Ec Ev Eg 5、氧化物高温超导有哪些结构特征从晶格上如何划分，各自有何特征（15分）答：结构特征 a.它们具有层状的畸变钙铁矿结构；b.氧的非化学计量对样品的缺陷形式和物理性质有重要影响；c.都存在二维 Cuo 面，这被认为是超导电性存在的关键；d.这种 Cu

6、-O 面被一种电荷源层所隔离，通过化学掺杂，该隔离层能控制超导面的荷电量；e、在费米能级 EF 处的电子能带是 Cu3d 和 O2p 态共同作用的结果；f、在揍杂过程中原来所处的反铁磁绝缘态失去它的本征磁矩变成金属态，继而出现超导电性 高温超导体可以从晶格上划分为载流子层(或电子通道层)和电荷库层(提供和调节超导传输面上载流子)，而最基本的超导结构就是 Cu-O 片 a、导电层是指分别由 Cu06 八面体、CuO5 四方锥和 Cu-O4 平面四边形构成的铜氧层，这种结构组元是高温氧化物超导体所共有的 也是对超导电性至关重要的结构特征，它决定了氮化物超导体在结构上和物理物性上的二维持点。载流子库

7、层：其他层状结构组元构成，它的作用是调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制 6.材料的功能转化种类，效应？答：材料的功能转化有力-热-电功能转化、电-光和光-弹功能转化；力-热-光功能转化：电场应力（压电性），温度应力（热弹性），温度电场（热电性）；有四种耦合效应：热弹效应、温度变化引起应变的热膨胀、应力引起熵（热）的压热效应、应变引起熵（热）的形变热、温度变化而形状不变时的热压力。电光效应：由于电场强度不同而引起材料折射率变化的现象称为电光效应。光弹效应：由应力引起折射率的变化称为光弹效应。压电效应：当在晶体的某些方向上加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称

8、为压电效应。逆压电效应：正、负电荷重心的位移将导致晶体形变，这种现象称为逆压电效应。热释电效应：有些晶体可以因为温度变化而引起晶体有表面电荷，这一现象称为热释电效应。光电效应：材料在受到光照后，往往会引起某些电性质的变化，这一现象称为光电效应。热点效应：在用不同导体构成的闭合回路中，若使其结合部出现温度差，则在闭合回路中将会有热电流流过，或产生热电势，此现象称为热点效应，有泽贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应三种。电光效应：材料的光电特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应，其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效应分为泡克耳斯效应和克尔效应。磁光效应：置于磁场中的物体，受磁场影响后其光

9、学特性发生变化的现象称为磁光效应，有磁光法拉第效应和磁光克尔效应等。声光效应：声波作用于某些物质而使其光学特性发生改变的现象称为声光效应。7声波满足哪三个物理定律各有何意义 答：三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热热缩定律，由此可以分别推导出介质运动方程（p-V）关系、连续性方程（V-关系）和物态方程（p-关系），并由此推导出声波方程p、V 和等对空间、时间坐标的微分方程。8海水中声波传播损失的主要来源？答：海水中声吸收由三种效应引起：一种是切变黏滞性效应，另一种是体积黏滞性效应，以及在 100KHz 以下，海水中硫化镁（MgSO4）分子的离子弛豫引起的吸收。3.一块 n 型硅半

10、导体，施主浓度 ND=1015/cm3，本征费米能级在禁带正中，费米能级 EF在 Ei之上处，设施主电离能ED=，计算 T=300K 时，施主能级上的电子浓度。（11 分）4.垂直于板面方向磁化的大薄片磁性材料，去掉磁化场后的磁极化强度是 J=0M=1Wb/m2,计算板中心的退磁场大小。（10 分）解：垂直于板面方向磁化,则为垂直于磁场方向 J=0M=1Wb/m2 退磁场 Hd=-NM 大薄片材料,退磁因子 Na=Nb=0,Nc=1/()/()/()/()/()/333111111116.738 106.693 100.00670.67%6.693 10FFFFFE kTE EkTE EkTE

11、 EkTE EkTE EkTBoltzmanfA eefeeee解：根据分布有同时费米狄拉克统计分布函数为因而相对误差为1519()/231131.12,()1.120.290.050.22210()110.22 1.6 1011exp()221.38 103004.06 10/DFgDcDDFciDFiDFDDDDEEkTSiEeVEEEEEEEEEEEEeVNnNf Eecm解：查 的 所以 Hd=-M=-0J=mHmWb/104/172=105A/m 5.光通过一块厚度为 1mm 的透明 Al2O3 板后强度降低了 15%，计算其吸收和散射系数的总和。（9 分）解:11.0)()(0)(

12、0625.185.0ln1085.0cmseeIIeIIsxsxs 6.分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出 t=0,t=和 t=时的纵坐标表达式（9 分）。解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)()1()(100/0eEEeeEttt；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0(0)e(t)-t/e则有：其应力松弛曲线方程为0123450.00.20.40.60.81.0(t)/(0)t/应力松 弛曲 线0123450.00.20.40.60.81.0(t)/()t/应变蠕

13、变曲 线 以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。7.NaCl和KCl具有相同的晶体结构，在低温下的Debye温度D分别为310K与 230K，KCl 在 5K 时的定容摩尔热容为10-2J/（）,计算 NaCl 在 5K 和 KCl在 2K 时的定容摩尔热容（9 分）。43323113322113012()5223.8 102.43 10523053.8 101.55 10310hVDhVhVTTCNkKClCKJ molKNaClCKJ molK解：根据德拜

14、模型的热容量理论，当温度很低（）时有对于有，（）对于有，（）8分别计算掺有下列杂质的硅，在室温时的载流子浓度和电阻率（12 分）：（1）31015硼原子/CM3（2）1016硼原子/CM3+11016磷原子/CM3（2）1016磷原子/CM3+11016硼原子/CM3+11017砷原子/CM3 15321111519116161631161911617(1),3 10/480()(3 101.6 10480)4.34(2)1.3 101.0 100.3 10/()(0.3 101.6 10480)4.34(3)1.3 101 101iAApADnnpNcmcmVspqcmpNNcmpqcmn

15、又查得16163211116191.0 1010.3 10/1350()(10.3 101.6 101350)0.045ncmcmVspqcm又 9.试证明拉莫进动频率 WL=002Hmee（9 分）证明:由于逆磁体中自旋磁矩相互抵消,只须考虑在磁场H中电子轨道运动的变化,按照动量矩定理,电子轨道动量l的变化等于作用在磁矩l的力矩,即:dtdl=l 00BHl,式中B0=0H为磁场在真空中的磁感应强度.而 l=-lme2 上式改写成:lBmedtdl02,又因为LVdtdl线 所以,在磁场B0电子的轨道角动量l和轨道磁矩均绕磁场旋转,这种旋转运动称为拉莫运动,拉莫运动的频率为00022HmemeBWl 10.有一材料的吸收系数为 0.32cm-1，透射光强分别为入射光强的 10%，20%，50%和 80%，材料的厚度各为多少（9 分）解：cmXcmXcmXcmXIIxxIIeeIIxx697.032.08.0ln17.232.05.0ln,03.532.02.0ln,2.732.01.0lnln4321000