固体物理复习最终版

1、高等固体物理一、缺陷1、缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。2、理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。3、缺陷的分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等4、点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。晶体中的点缺陷包括：空位、间隙原子、异类原子点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。5、 线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。晶体

2、中的线缺陷包括刃位错、螺位错。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 6、 面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 7、 点缺陷对材料性能的影响原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。效果：1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。 2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站

3、。 3）形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。 4）改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、 8、线缺陷对材料性能的影响位错是晶体的线性缺陷位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。位错的基本类型：刃型位错、螺型位错。刃型位错：正应变，体积变，位错线与滑移方向垂直。螺型位错：切应变，体积不变，位错线与滑移方向平行。混合型位错：位错线与滑移方向既不平行，也不垂直，位错线可分解为刃型和螺型两个分量。刃型位错：晶体的滑移方向与

4、位错运动方向是一致的螺型位错：晶体滑移方向却与位错运动方向垂直位错能：位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，高出的能量称为位错的应变能 ，简称位错能。位错的能量是很高的，位错在晶体中十分活跃，在降低体系 自由能的驱动力作用下，将与其他位错、点缺陷等发生交互作用，从而对晶体性能产生重要影响。同时高的位错能量也决定了晶体中位错的分布形态及其他重要特征。主要就是造成晶格畸变，导致韧性下降，脆性上升，强度提高。首先，金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较小，则材料强度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互

5、反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化9、面缺陷对材料性能的影响2、 物理学中的原理或机理在实验中的应用表面吸附与晶界内吸附吸附是指外来原子或气体分子在界面上富集的现象 。作用：表面吸附可以在不同程度上抵消表面原子的不平衡力场，使作用力的分布趋于对称 ，降低 了表面能，使体系处于较低的能量状态 、更为稳定吸附是自发过程。降低的能量以热的形式释放 ，故吸附过程是放热反应，放出的热量称为吸附热 。放热反应，吸附进行的程度随温度升高而降低原因：当温度升高时，原子或分子的热运动加剧，因而可能脱离固体表面而回到气相去 ，这一过程称为解吸或脱附，是吸

6、附的逆过程。解吸随温度的升高而加快 ，解吸是吸热过程，解吸后表面能再度升高。分类 ：物理吸附和化学吸附物理吸附：物理吸附机理：物理吸附是由范德华耳斯力作用而相互吸引的特点：任何固体对任何气体或其他原子都有这类吸附作用，只是吸附的程度随气体或其他原子的性质不同而有所差异（1、吸附无选择性、多层吸附）； 2、物理吸附的吸附热较小。化学吸附：来源于剩余的不饱和键力，吸附时表面与被吸附分子间发生了电子交换，电子或多或少地被两者所共有，其实质上是形成 了化合物 ，即发生了强键结合。特点：吸附有选择性、单层吸附 ，必须两者间能形成强键 。化学吸附的吸附热与化学反应热接近，明显大于物理吸附热。对同一固体表面

7、常常既有物理吸附，又有化学吸附，例如金属粉末既可通过物理吸附的方式吸附水蒸气，又以化学吸附的方式结合氧原子 ，在不同条件下某种吸附可能起主导作用。应用 ：首先是净化和分离技术的重要机理之一 例如：废水处理、空气及饮用水的净化，溶剂回收、产品的提级与分离、制糖中的脱色等都可以依赖吸附进行处理 ，因此广泛用于三废治理 、轻工、食品及石油化工工业中。常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝等。此外，化学反应中常用金属粉末如镍粉作触媒剂，主要也是利用其良好的吸附性能，催化的本质是反应物分子被吸附后，使反应物发生分子变形，削弱了原有的化学键，于是处于活化状态，从而加速化学反应，所以吸附剂或触媒剂必须颗粒很

8、细，有很大的表面积，才能达到催化目的。在有些情况下，吸附是不利的，例如有些粉末在储存时要吸附水蒸气和其他气体，因此烧结前应对粉末进行除气处理，把粉末加热至 100300，使反应向着解吸的方向进行，增加了工艺程序。晶界内吸附：对金属材料的研究中发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附。机理：内吸附是异类原子与晶界交互作用的结果由于外来原子的尺寸不可能与基体原子完全一样，在晶粒内部分布总要产生晶格应变，晶界处原子排列相对无序，故不论是大原子或小原子都可在晶界找到比晶内更为合适的位置，使体系总的应变能下降。因此在合适的条件下（如一定的温度，足够的时

9、间），异类原子会逐渐扩散至晶界，与基体原子的尺寸差距越大的原子，与晶界的交互作用则越强。实验发现：有些杂质原子的总含量并不高，但是在晶界层的含量却异常的高，这一偏聚状态对晶体的某些性能产生重要影响。例如钢中加入微量的硼 （wB0.003%),这些硼原子主要分布于晶界 ，使晶界能明显下降，这抑制或减缓了第二相从晶界的形核和生长，从而改善了钢的淬火能力。又如某些条件下，少量杂质元素 P, Sb, Sn会引起钢的脆性沿晶断裂，原因就是这是杂质元素在晶界富集，降低了晶界强度所致 。数字全息技术的原理机理：光的衍射：光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射

10、 惠更斯菲涅尔原理惠更斯提出，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。惠更斯菲涅尔原理能定性地描述衍射现象中光的传播问题。 菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点P的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加，称为惠更斯菲涅尔原理。数字全息技术及其应用数字全息是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来， 随着计算机特别是

11、高分辨率CCD的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维图像识别、医学诊断等许多领域。 将数学技术与传统的光学全息技术相结合，以 CCD 器件为全息图记录介质，主要进行数字全息理论、方法、技术以及数字全息在粒子场中的应用等研究。分别以小波变换方法、菲涅耳变换方法、卷积方法和傅立叶变换方法研究同轴和离轴数字全息系统 3D 物场的再现算法和理论，以数字聚焦和层析技术获得 3D 物场的再现像；创新性地提出“彩色数字全息术”和“体数字全息模型”概念，进行理论和实验研究；首次对数字全息系统的特性进行分析，全面分析了影响数字全息

12、图及其再现像的因素。3、 相变 相图 铁碳相图相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。相图：也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。相律：表征平衡体系中自由度、相数、组分数以及影响平衡状态的外界因素数目之间的关系。组元：组成合金的每种元素（包括金属、非金属）称为组元。组分：组分，意思是组成部分。确定平衡系统中的所有各项的组成所需要的最少数目的独立物种称为组分铁碳相图是研

13、究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。组元：纯铁、Fe3C基本相：除高温存在液相L，和化合相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：高温铁素体、铁素体、奥氏体。1、 水平线HJB：包晶反应线，在结晶过程中发生包晶反应2、 水平线ECF：共晶反应线，在结晶过程中发生共晶反应3、 水平线PSK：共析反应线，在结晶过程中发生共析反应铁碳相图的应用：1、在钢铁材料选用方面的应用。相图所表明的规律，为钢铁材料的选用提供了根据2、在铸造工艺方面的应用，根据相图可以去顶合金的浇注温度3、在热锻、热轧工艺方面的应用，根据相图，可以选的

14、单相奥氏体区内进行4、 复合材料1、 复合材料的概念用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。2、 复合材料的特点(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。(3)复合材料具有可设计性。比重小，实现显著减重耐高温，比强度高，比模量大耐磨损， 抗烧蚀使用寿命长3、复合材料的分类树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、炭

15、基复合材料4、 复合材料的应用航天方面：导弹发动机喷管、导弹头锥、航天飞机隔热瓦等等都用到复合材料民用方面：体育休闲用品、太阳能及半导体行业、交通行业（汽车、轨道车辆刹车材料和受流材料等）、医学领域（人体骨骼、心脏瓣膜等）5、先进复合材料的发展趋势设计、功能和制备一体化低成本化（缩短制备周期、采用高性能低成本关键原材料） 关键使用性能进一步提高性能及微观结构表征规范建立再生修复技术5、 热力学原理热力学（thermodynamics）是自然科学的一个分支，主要研究热量和功之间的转化关系。热力学是研究物质的平衡状态以及与准平衡态，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的物理、

16、化学过程的学科。热力学适用于许多科学领域和工程领域，如发动机，相变，化学反应，甚至黑洞等等。热力学，全称热动力学，是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科；它着重研究物质的平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。热力学三定律是热力学的基本理论。1、第零定律1）两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态，此两个系统也必互相处于

17、热平衡。2）热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。2、第一定律1）能量可以以功W或热量Q的形式传入或传出系统。2）热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。热学的宏观理论，是从能量转化的

18、观点研究物质的热性质，阐明能量从一种形式转换为另一种形式时应遵循的宏观规律。热力学是根据实验结果综合整理而成的系统理论，它不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，也不涉及特殊物质的具体性质，是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。3）热力学第一定律就是能量守恒定律，是后者在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。描述系统热运动能量的状态函数是内能。通过作功、传热，系统与外界交换能量，内能改变。3、第二定律1）第二定律认为，所有的自然过程都增加熵。熵是宇宙无序状态的一种度量。第二定律的结果是：热从热地方流到较冷的地方。那样的话，集中在一个热物体上的热向四周扩散并变得不够有序，因此增加了熵。热不会自然的从冷地方流向热地方。2）熵还在化学反应中起作用。