当前课程知识点:量子力学(上) > 第三章 一维势场中的粒子 > *3.7 周期性势场中的能带结构 > *3.7.2克勒尼希-彭尼模型,能带的形成
下面
我们就通过一个
具体的模型
来解释能带结构
是如何生成的
这个模型叫做
克勒尼希-彭尼模型
它采用的周期性势场是
周期性的方势垒方势阱
也就是下面这样一种形态
比如说
我们把x等于零
到x等于a
叫做第一个周期
那么
在x从0到b的
这段区间里边
势能是零
而x从b到a的
这段区间里边
势能是U_0
以后为了方便起见
我们把这一段
叫做势阱
这一段叫做势垒
而能量E取在
0和U_0之间
我们在势阱和势垒
这两个区间中
分别定义两个常数
在势阱里定义k
它是由E和零所决定的
在势垒里定义α
它是由E和势能最高值
来决定的
那么
在阱里和在垒里的方程
就分别是这样的两个
常系数常微分方程
其中要注意
在这个方程里边
这项前面是正号
在这个方程里边
这项前面是负号
那么
这样的两种不同方程的解
大家是很熟悉的
那就是
在势阱里它是
虚指数函数的线性组合
而在势垒里
它是实指数函数的
线性组合
其中在势阱里边的
x前面的系数是k
而在势垒里边的
x前面的系数是α
至于说在其它的周期里的解
我们就可以借助于
弗洛盖定理得到
比如说
我们向前走一个周期
走到x大于a小于2a
那么根据弗洛盖定理
这个区间的波函数
就可以通过
第一个周期里的波函数
乘上这个位相因子得到
于是把它进行这样的改造
就得到了
第二个周期里边的波函数
那么根据我们对于
波函数所提出的要求
它应该是本身连续
一阶导数也连续
对于现在我们考虑的
这样的解
这样的连接点
应该考虑两个
一个是
x等于b的这一点
要把它两个连起来
一个是
x等于a的这一点
应该把这个和这个连起来
根据这样的衔接条件
我们就得到了
这个方程组
仔细观察一下
这个方程组里边包含有
四个未知系数就是
A B C D
而整个这个方程组
是关于这四个未知数的
线性的和齐次的方程组
意思就是说
除去包含这些未知数的
项之外
没有另外的常数项
而根据线性代数的一般理论
要这个方程组有非零解
这个方程系数行列式
必须是等于零的
也就是说
我们要有一个
这样的一个方程
这个方程
是一个四行四列的行列式
其中的各项
就是刚才那个方程的系数
这是一个比较复杂的计算
我们在这里
略去它的具体的计算过程
得到最后的结果
是这样的一个结果
这里边的K
就是布洛赫波数
c用来代表a减b
也就是说是势垒的宽度
大家知道
这个函数cos
它的绝对值
一定要小于或者等于1
所以说把这个条件
应用到这个关系上来
我们就发觉这个表达式
必须处于负1和正1之间
而这里的k和α
都是用能量E
来决定的一个表达式
当然ABC等等是已知参数
所以实际上
这是E所满足的一个不等式
这个不等式的解就给出了
E的允许的范围
为了看清
我们如何从
这样的一个不等式
得到一个能带
我们来考虑一个极限的情形
那就是让势垒趋近于δ函数
图象的说就是这样一种情形
你要把每一个这样的峰
想象成为无限的窄
而无限的高
那么解析的说
就是让刚才的那个
方的势垒势阱
走向这样的极限
b要趋近于a
也就是c趋近于0
而U0趋向于正无穷
C和U0和乘积
成为一个有限值
这个A是一个有限的常数
那么
我们就可以再就进一步的
解析的分析
为方便起见
我们引入
第一这是一个∧
是一个无量纲的参数
还有刚才的那个
δ势的强度
和其它的一些模型参数
来决定
这个ξ就是由E
和其它的模型参数
所决定的一个变量
那么这个方程就可以写成为
f(ξ)在负1到正1之间
而f(ξ)是一个由初等函数
所构成的一个
这样的函数
为了了解刚才那个
不等式的解
我们采用一个
比较直观的作图法
把参数Λ取作等于4
那么我们就可以画出
f(ξ)的曲线
在这个图上横轴这是ζ
纵轴就是f(ξ)
Λ取定为4
那么
结果的曲线
就是这条蓝线
根据我们的不等式
f(ξ)只有处在
正1和负1之间
才是物理上允许的情形
于是我们就通过η
等于正1和η等于负1
画出两条
和横轴平行的直线
这两条直线
就把这个蓝色的曲线
截成了许多段
只保留
在这两条平行线之间的部分
所对应的ξ
就是物理上
允许的能量值
比如说
这一段蓝色的曲线
被两条直线截出了这一段
把这两个端点
所对应的ξ的值找出来
就对应着ξ
轴上的一段红色的线段
它就对应着
物理上允许的能量值
继续的向前走
我们发觉
得到了一系列的
有限的段落
这些段有一个共同的特点
那就是
它们的右端点
都恰好是π的整数倍
比如说
这是π这是2π
这是3π这是4π等等
经过这样的分析
我们就可以从ξ的允许值
得到E的允许值
因为
E等于hbar平方ξ平方
2ma平方
而ξ的允许值是分段的
于是E的允许值
也就是分段出现的
这就是所谓的能带结构
在这个图上我们就给出了
狄拉克梳子的具体的情形
纵轴就是能量
被斜线填充的区域
是允许的
而空白的区域
是禁止的
具体的标注上
纵轴的E
以h平方除以8ma平方
为单位
所以说
每一个允许带的上端
都是完全平方整数
在固体物理里
E的这些允许区间
通常称为允带
由于这些允许的能带
要被电子填充
所以
按照被电子填充的情况
又可以分为满带
那就是
电子完全把这个能带填满
和导带通常的意义是
部分的被填满
而不允许的能量范围
被称为禁带
也称为能隙
倒过来说
只要我们取一个
允许区间里的能量值
再通过这个方程
又可以反过来
把K求出来
所以说
又得到了一个这样的关系
就是把E用K来表达
这个关系在固体物理里
称之为色散关系
我们刚才说的
周期性势场的情况
假设为存在于整个实轴
事实上一个固体样品
它能包含的
周期势场的周期数目
是有限的
如果是整个实轴的情形
能带里的能量
是连续变化的
就象刚才我们画的那个图
如果它只延续N个周期
那么
在一个能带里边的能级
是准连续的
意思就是说
临近的能级之间
有非常小的间隔
一条能带里的能级总数是N
这是一个固体样品
更现实的一个物理情形
我们所讲的这个例子是一个
一维周期性势场的例子
实际的三维固体晶格
形成的是三维的周期性势场
这样的势场
具有更丰富的平移和旋转
对称性
这些对称性
所导致的物理结果
就是
固体物理和晶体学研究的
重要内容
能带这个特点
在解释固体的
电学 力学
光学等等性质方面
起了非常重要的作用
-引言
--引言
-1.1 普朗克的光量子假说
-1.2 玻尔的原子结构模型
-1.3 德布罗意的物质波假说
-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业
-2.1波函数
-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业
-2.2 薛定谔方程
-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业
-3.1一维运动问题的一般分析
-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业
-3.2 方势阱
-3.3 δ函数势阱
-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业
-3.4 线性谐振子
-3.5 一维散射问题
-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业
-*3.6 δ势的穿透
-*3.7 周期性势场中的能带结构
--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业
-4.1 算符及其运算
-第四章 力学量用算符表示--第8周作业
-4.2 厄密算符的主要性质
-第四章 力学量用算符表示--第9周作业
-4.3 动量本征函数的归一化
-4.4 角动量算符的本征值和本征态
-第四章 力学量用算符表示--第10周作业
-5.1 量子力学中的守恒量
-5.2 对称性与守恒量
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第11周作业
-5.3 全同粒子系统波函数的交换对称性
-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业
-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质
-*6.2 球无限深势阱
-第六章 中心力场--第13周作业
-6.3 三维各向同性谐振子
-6.4 氢原子和类氢离子
-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程
-*7.2 朗道能级
-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应