Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
konspekt_lektsy_po_FKhTT.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4.08 Mб
Скачать

Одноэлекторонное приближение

Многоэлектронная задача может быть сведена к одноэлектронной методом Хартри – Фока, где потенциальная энергия взаимодействия электронов

заменяется потенциальной энергией вида , представляющей собой энергию взаимодействия iго электрона с некоторым эффективным полем, в котором каждый электрон движется независимо. Это эффективное поле характеризует действие всех остальных электронов на iй электрон, т.к. он оказывает воздействие на движение всех остальных электронов.

Под знаком суммы стоит гамильтониан iго электрона

Уравнение Шредингера принимает вид

Т.к. гамильтониан не содержит энергии взаимодействия электронов и представляет собой сумму гамильтонианов отдельных электронов, решением уравнения является произведение одноэлектронных функций

Каждая функция удовлетворяет одноэлектронному уравнению Шредингера.

В котором взаимодействие iго электрона с остальными описывается потенциалом

Таким образом введение эффективного поля позволяет свести многоэлектронное уравнение к системе одноэлектронных. При этом энергия системы

Волновая функция

является решением уравнения Шредингера, но не удовлетворяет принципу Паули, по причине неудовлетворения функции

Антисимметричную функцию записывают в виде определителя Слэттера

Если обозначить потенциальную энергию через

уравнение Шредингера имеет вид

является периодической функцией и ее период совпадает с периодом кристаллической решетки.

Функции Блоха

Ф. Блохом доказано, что волновые функции являются решением уравнения Шредингера с периодическим потенциалом, имеющим период решетки, представляют собой плоские волны, модулированные некоторой функцией с периодичностью решетки.

- некоторая периодическая функция с периодом решетки, зависящая от длины волнового вектора k.

Условия периодичности потенциальной энергии электрона в кристалле

При смещении кристалла на вектор

, они совмещаются сами с собой. Из условия трансляционной симметрии следует, что волновая функция электрона отличается от волновой функции некоторым постоянным множителем

Из условия нормировки следует, что

Этому можно удовлетворить, если предположить, что

К - волновой вектор, характеризующий квантовое состояние электрона в кристале. Показатель степени экспоненты – безразмерная величина. Если - размерность длины, то к – размерность обратная длине, т.е. см-1. модуль вектора к является волновым числом. Физический смыслчисло длин волн, укладывающихся на отрезке 2.

Здесь через

обозначена функция

Являющаяся периодической с периодом решетки

Волновая функция электрона в кристалле представляет собой бегущую волну , модулированную периодической функцией , имеющей период решетки и зависящей от волнового вектора к.

Функция называется функцией Блоха.

Свойства волнового вектора электрона в кристалле. Зоны Бриллюэна.

Волновой вектор играет в задаче о движении электрона в периодическом поле кристалла такую же роль, какую играет волновой вектор в задаче о движении электрона. Состояние свободно движущегося электрона характеризуется энергией E и импульсом , при этом

Этому электрону соответствует волна де Бройля с длиной

 - скорость электрона, учитывая, что

волновой вектор пропорционален импульсу электрона. Энергия свободного электрона связана с соотношением

Если на электрон не действует никакая сила, то . Это означает, что не изменяется и остается постоянным импульс . По существу это закон сохранения энергии.

На электрон, движущийся в кристалле, действует периодическое поле кристаллической решетки. Энергия этого взаимодействия является периодической функцией координат. Следовательно, энергия и импульс электрона в кристалле изменяются со временем под действием этого поля, т.е. не сохраняются.

Пользуясь понятием волнового ветора , входящего в функцию Блоха, можно ввести характеристику, аналогичную импульсу, но сохраняющуюся во времени

Величина называется квазиимпульсом электрона

Если какая-либо величина сохраняется, то оператор этой величины коммутирует с оператором Гамильтона. Таким образом, квазиимпульсу должен соответствовать некоторый оператор , коммутирующий с гамильтонианом кристаллической решетки.

Следовательно, можно утверждать, что при движении электрона в периодическом поле решетки, собственные функции операторов должны быть одинаковы, а между значениями определенная функциональная связь.

Энергия электрона должна быть функцией квазиимпульса. Оператор не может иметь вид обычного оператора импульса , поскольку он не коммутирует с гамильтонианом решетки

С другой стороны, между гамильтонианом квазиимпульса и оператором импульса должна быть связь.

Если потенциальная энергия решетки постоянна т.е. , то в этом случае квазиимпульс переходит в импульс.

Оператор квазиимпульса

Для определения оператора

Тогда

Отсюда

Если

,

то в функции Блоха будет стремиться к некоторой константе. При этом и квазиимпульс превращается в импульс.

Волновой вектор электрона в кристалле, в отличие от волнового вектора свободного электрона неоднозначен. Рассмотри трансляционное уравнение, накладываемое на волновую функцию электрона, движущегося в периодическом поле решетки.

Условие не нарушается, если волновой вектор заменить на вектор

-вектор обратоной решетки.

Состояния характеризуемые векторами физически эквивалентны. Энергия электронов, находящихся в этих состояниях, одинакова.

Волновая функция и энергия электрона в кристалле являются периодическими функциями волнового вектора с периодом (или квазиимпульса ).

Если в -пространстве (или -пространстве) построить обратную решетку, растянутую в 2 раз, т.е. решетку с векторами , то все -пространство можно разделить на области, в которых имеются физически эквивалентные состояния. Эти области называются зонами Бриллюэна. Многогранник минимального объема, построенный вокруг начала координат в -пространстве, содержащий все возможные различные состояния, называется первой или основной зоной Бриллюэна. С помощью обратной решетки, любую точку -пространства можно обратить в первую зону Бриллюэна. Первая зона Бриллюэна представляет собой элементарную ячейку Вигнера – Зейтца для обратной решетки, растянутой в 2 раз. Вторая зона строится аналогичным образом. В обратной решетке, параметры которой растянуты в 2 раз, выбранный при построении первой зоны Бриллюэна за начало отсчета узел, соединяют прямыми линиями с ближайшими эквивалентными узлами, но уже лежащими на поверхности второй координационной сферы. Затем строят плоскости, перпендикулярные этим прямым и проходящим через их середину. В результате получают вторую зону Бриллюэна в виде замкнутого многогранника.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]