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例5:画出体心立方第一布里渊区。设体心立方晶格常量为a。 解:正格基矢: 倒格基矢: 体心立方倒格是边长为 4?/a的面心立方。 已知面心立方正格基矢: H P N 正方形 正格 简约布里渊区形状 面心立方 正方形 十四面体 (截角八面体) 体心立方 十二面体 简约布里渊区体积(面积) 布里渊区的形状由晶体结构的布拉维晶格决定; 布里渊区的体积(或面积)等于倒格原胞的体积(或面积)。 例题:晶体常数为a的一维晶体中,电子的波函数为 (1) (2) F是某一函数 求电子在以上状态中的波矢 解:据布洛赫定理,在周期性势场中运动的波函数具有以下特点: 在一维周期性势场中运动的电子波函数满足 (2) 第一节 布洛赫定理 5.1.1 布洛赫定理 5.1.3 布里渊区 5.1.2 波矢的取值和范围 本节主要内容: §5.1 布洛赫定理 5.1.1 布洛赫定理 1.晶格的周期性势场 (3)理想晶体中原子排列具有周期性,晶体内部的势场具有周期性; (1)在晶体中每点势能为各个原子实在该点所产生的势能之和; (2)每一点势能主要决定于与核较近的几个原子实(因为势能与距离成反比); (4)电子的影响:电子均匀分布于晶体中,其作用相当于在晶格势场中附加了一个均匀的势场,而不影响晶体势场的周期性。 在一个具有晶格周期性的势场中运动的电子的波函数的基本特点? 当势场具有晶格周期性时,波动方程的解具有如下性质: 周期场中运动的电子的能量E(K)和波函数必须满足定态的薛定谔方程 其中 为任意格点的位矢。 其中 为电子波矢, 是格矢。 2. 布洛赫定理的物理意义 一个具有晶格周期性的势场中运动的电子的波函数为: 一个自由电子的波函数 与一个具有晶体结构周期性函数 的乘积。 是按照晶格周期a调幅的行波; 在物理上反应了晶体中的电子既有共有化的倾向,又受到晶体 结构周期性排列的限制; 只有当 等于常数时,在周期场中运动的电子波函数才变 为自由电子的波函数; 布洛赫函数是比自由电子波函数更接近真实情况的波函数。 在晶格周期性势场中运动的电子的波函数是按晶格周期调幅的平面波。具有此形式的波函数称为布洛赫波函数。 3.证明布洛赫定理 (1)引入平移对称算符 (2)说明: (3) 根据布洛赫定理波函数写成如下形式: 由于晶格的周期性,晶体中的等效势场V(r)具有 晶格的周期性。 在直角坐标系中 则哈密顿函数也为晶格的周期性函数 为了根据哈密顿函数具有晶格的平移对称性研究波函 数的特点,引入平移对称操作算符 任意一个函数f(r)经过平移算符作用后变为 现将平移对称操作算符作用在薛定谔方程左边 由于对易的算符有共同的本征函数,所以如果波函数 是 的本征函数,那么 也一定是算符 的本征函数。 对应的本征值的特点是什么? 由 本征值λ(Rn)必须满足等式 根据平移特点 可以得到 即 设晶体在a1、 a2、a3三个方向各有个N1、N2、N3个 原胞,由周期性边界条件 得到 由上式可以得出 解为 令α=ka1,代入 l1为整数 取 满足上式,得到 同理可以得到 令 由 晶体中电子波函数满足的方程是 可以得到 具有波矢的意义 当波矢K增加个倒格矢 平面波 也满足晶体中电子的波函数所满足的方程。 所以,电子的波函数为平面波的线性叠加 结论:晶体中电子的波函数是按晶格周期调幅的平面波。 可以认为电子在整个晶体中自由运动。布洛赫函数的平面波因子描述晶体中电子的共有化运动,而周期函数的因子描述电子在原胞中运动,这取决于原胞中电子的势场。 由周期性边界条件 5.1.2 的取值和范围 (其中lj为任意整数), 只能取一些分立的值。 可以证明 是倒格矢。 态和 态是同一电子态,而同一电子态对应同一 故 。 个能量, 为使本征函数和本征值一一对应,即使电子的波矢与本征值 一一对应起来,必须把波矢 的值限制在一个倒格子原胞区间内,通常取: 在简约布里渊区内,电子的波矢数目等于晶体的原胞数目N=N1N2N3。在波矢空间内,由于N的数目很大,波矢点的分布是准连续的。一个波矢对应的体积为: 一个波矢代表点对应的体积为: 电子的波矢密度为: 下面我们证明 证明:根据布洛赫定理 例1:一维周期场中电子的波函数 应当满足布洛赫定理,若晶格常量为a,电子波函数为 , f
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