目录ⅶ 五、 Ginzburg- Landau理论……… …334 §8.3超导弱连接和宏观量子效应 、 Josephson效应 337 二、超导量子干涉仪 342 §8.4超导电性的展望…………………………… 习题选编 344 主要参考书………………… 357 DO
第一章 晶体的结构及其对称性 凝聚态物质包括液体、国体以及介于其间的软物质(如液晶、凝胶等),它们是原子、离子 或分子的聚集体固体是凝聚态物质中的一种特殊聚集形态.在压强和温度一定,且无外力作 用时,它的形状和体积保持不变,液体则没有这种性质.根据组咸粒子在空间排列的有序度和 对称性,固体可以分为晶体、准晶体和非晶体三类 晶态固体的组成粒子在空间周期性排列,具有长程序,由于周期性的限制,它不能保持对 任意的平移和旋转不变,其对称性是破缺的, 与晶态国体相反,非晶态固体的组威粒子在空间的分布是完全无序或仅仅具有短程序 若不考虑可能存在的短程序,根据物性测量的判断,在统计意义上,可以认为无序围体中粒子 的分布与气体和液体相似,是均匀球对称的,因此具有高度的对称性,对任意的平移和旋转 不变 准晶体介于晶体和非晶体之间,虽然粒子的分布是究全有序的,但不具有周期性,仅仅具 有长程取向序.因此可以具有晶体所不允许的旋转对称性 国体物理把晶态物质作为主要讨论对象,基本的出发点在于强调周期性,考虑破缺的对 称性.偏离周期性的问题,仅仅作为国体物理学基本理论的向外延拓本章将简要她阐明晶体 中原子周期性排列及其对称性的一些基本规律、基本概念和教学描述.此外,也简要地叙述晶 体的X射线衍射学,为描述晶体结构提供实验基础 §1.1晶格及其平移对称性 、晶体结构及蒹元 1.晶体结构 晶体中原子的规则排列称为晶格.不同的晶体中原子的排列形式可能是不 相同的,我们把晶体中原子的具体排列形式称为晶体结构.下面介绍几种最常见
2第一章晶体的结构及其对称性 的晶体结构 (1)简单立方(sc)晶体结构 将同一种元素的原子置于立方体的顶角上,便得到简单立方晶体结构,如图 1.1.1所示.实际的晶格应是这一单元在三维空间无限重复排列.显然,这是一 种自然界非常罕见的结构,因为这种结构往往并不对应能量最低的基态,通常它 对于切变是不稳定的至今在自然界中,正常条件下,发现的唯一例子是钋(Po) 的a相晶体.从图1.1.1可以看到,在这种结构形成的晶格中,任一个原子的位 置都是完全等价的无论从哪一个原子去看,周围原子的分布和排列方位都是完 全相同的.将整个晶格作从一个原子到任何一个原子的平移,都能完全复原,通 常把每个原子周围的最近邻原子数称为配位数,简单立方结构原子的配位数 为6. (2)体心立方(bc)晶体结构 将一个相同的原子置于简单立方结构的立方体的中心,便得到体心立方晶 体结构,如图1.1.2所示,注意,在这种结构中,每个原子的位置也是完全等价 的,因为每个原子都处于8个同类原子构成的立方体的中心,其配位数为8.相 当多的金属,如碱金属L、Na、K、Rb、Cs和难熔金属W、Mo、Nb、Ta等,具有体心 立方晶体结构 图1.1.1se晶体结构 图L.L.2bce晶体结构 (3)密堆晶体结构 如果将晶体结构看成是原子球的规则堆积,显然体心立方结构的堆积密度 大于简单立方晶体结构,但是它们都不是最密的堆积方式图1.1.3表示原子球 在一个平面内的最紧密的排列方式,称为密排面.把密排面叠起来可以形成三维 结构.为了堆积最密,上一层的球心必须对准下一层的球隙如果把第一层原子 球心位置记为A,第二层原子可以放在第一层原子的球隙B处,也可以放在球隙 C处,但是为了保证第二层原子排列为密排面,选择了B位就不能占据C位.由 此可知,存在各种各样可能的周期性堆积的序列 如果按照… ABCABO…序列堆积,便构成面心立方(f)晶体结构图1.1.4 表示面心立方晶体结构原子处于立方体的顶角和每个面的中心为了弄清密排
§1.1晶格及其平移对称性3 图1.1.3密排面 面与堆积方向,图中用阴影表示密排面,它是立方体的空间对角面,堆积方向沿 空间对角线方向在这种结构里,每个原子的周围环境,就形式和取向都是相同 的,每个原子周围有12个最近邻的相同原子,配位数为12.有很多金属,例如 Cu、Ag、Au、Al、Ni等晶体具有面心立方晶体结构 图1.1.4fe晶体结构,阴影表示密排面 图1.1.5hp晶体结构 如果按照… ABABAB…序列堆积,便构成六角密堆(hcp)晶体结构.图 1.1.5给出六角密堆结构示意图显然,在这种结构中,每个原子周围也有12个 相同原子最近邻,配位数为12.但A位和B位原子周围原子的排布和取向是不 相同的,尽管它们都是同一种原子,因为从一个A位原子来看,上、下两层B位 原子构成的三角形与从一个B位原子来看,上、下两层A原子构成的三角形取 向取差180°因此在这种结构中A、B两类原子是不等价的.许多元素的原子,例 如Be、Mg、Zn、Cd、T等,构成的晶体具有六角密堆晶体结构 (4)金刚石结构 金刚石晶体由碳原子组成其原子的排列方式称金刚石结构.如图1.1.6所 示,碳原子除了占据立方体的顶角和面心位置外,在四条空间对角线上还有4个 碳原子,其中两个处于两条空间对角线的1/4处,另两个处于剩下的两条空间对 角线的3/4处,显然,处于立方体顶角及面心位置的原子与体内的原子是两类位 置不等价的原子因为,它们虽然都是碳原子,而且每类原子都处于另一类原子 构成的正四面体的中心,配位数为4,但两类四面体的取向相差90°除了金刚石
4第一章品体的结构及其对称性 外,重要的元素半导体晶体如硅和锗,也具有这种晶体结构 以上介绍的都是由同一种原子构成的元素晶体.下面介绍几种常见的化合 物晶体 e Cl 图1.1.6金刚石结构 图1.1.7iaCl结构 (5)NaCl结构 将Na离子和Cl离子交替排放在一个简单立方晶格上,构成NaCl结构, 如图1.1.7所示,在这个立方体内有四个净NaCl单元,其离子位置为 Cl:000 22,2 0-,0 Na:222,00,02200 每个离子有6个异类离子作为最近邻,配位数为6.显然两类离子是不等价 的除了NaC外,所有碱金属卤化物晶体,如LF、KCl、Li等都具有NaCl晶体结 (6)氯化铯(CsCl)晶体结构 CsCl结构与体心立方结构相仿,只是体心位置为 种离子,顶角为另一种离子,如图1.1.8所示,每个 立方体内只有一个净CsCl单元,每一个离子位于异类 离子构成的立方体中心,配位数为8.具有CsCl结构的 其他代表性晶体有TiBr、T、NHCl等 (7)立方硫化锌(ZnS)结构 在金刚石结构中,如果面心立方位置放一种离子 而空间对角线位置放另一种离子,如图1.1.9所示,就图1.1.8CsCl结构 得到硫化锌结构.每种离子位于异类离子构成的正四面体中心,配位数为4.其 他具有立方硫化锌结构的晶体例子有CuF、CuCl、Agl、ZnSe等. (8)钙钛矿(ABO3)结构 理想的ABO3结构如图L.1.10所示.如A原子位于立方体的顶角,B原子 位于体心位置,则氧原子位于面心位置.可以看到B原子位于氧原子形成的八 PDG