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第五章 固体电子论
凝聚态物理的支柱:固体能带理论
它是认识固体物质的电导性、热导
性、磁性、介电性和光学性的基础。由
于宏观固体内的原子核和电子数多达1023
数量级,而且它们之间还存在着相互作
用或耦合,要想得到它们的准确运动规
律是不可能的,必须用一些近似和简化。
通过绝热近似将原子核的运动和电子的运动分
开;
Hartree-Fock建立了将多电子问题简化为单电
子问题的自洽场方程。每个电子是在固定的离
子势场以及其它电子的平均场中运动;
认为所有离子势场和其它电子的平均场是周期
性势场 周期场中单电子运动问题。
通过将固体抽象为具有平移不变性 (周期性的)
的理想晶体,将能带问题归结为单电子在周期
性势场中的运动。
§5.1 布洛赫(Bloch)定理
该定理使得能带和电子态的求解变得
更加简单实用.
§5.1.1 绝热近似
固体电子能级的计算要从组成固体的多粒
子系统的薛定谔方程出发,
(1)
H(r , R) E(r , R)
r
其中 表示所有电子坐标的集合, 表示所
R
有原子核坐标的集合。
无外场下的系统哈密顿量H可写为,
H H e H N H eN (2)
其中电子部分哈密顿量为电子动能、电子- 电子
He 和电子-原子核相互作用H eN 之和,
2 2 1 e 2 Ze 2
H H H
0 e eN i
i 2m 2 i j r r i ,n r R
i j i n
(3)
H
N 为原子核部分,
2
P 1
H V (R R )
N 2M 2 N m n (4)
n n mn
H H
式(3)中的前两项即 中只出现电子坐标,
e N
中只出现原子核坐标。但式(3)中的最后一项既包
含电子坐标又包含原子核坐标,因此无法将电子
与原子核分别求解。
可以将电子与原子核运动分别研究:
(1)核的质量远大于电子质量,因此速度比电
子小得多;
(2 )电子处于高速运动中
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