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為什麽布洛赫函數顯示晶體中的電子做公共運動?

布洛赫函數或布洛赫(波)函數是電子在周期勢場中運動的薛定諤方程的解。布洛赫函數是形式為ψ k (x) = uk(x) exp (ik x)的調幅平面波,其中uk(x)具有晶格的周期性。

指數部分反映晶體電子的化學運動,晶格周期函數部分反映晶體電子圍繞原子核的運動;它描述的電子是所謂的布洛赫電子(晶格周期勢場中的電子),是晶體中具有化學運動的電子,所以布洛赫電子的布洛赫態是壹種擴展態,對應的是能帶電子的態,即能帶中的許多準連續能級態。

只有晶體中* * *化學電子的波函數具有布洛赫函數的形式,相應電子的能量呈現為能帶,而不是能級。與布洛赫態不同的是所謂局限於原子附近的電子局域態,如電子在雜質或缺陷上的束縛態;這種局域能態表現為能級束縛能級。這些束縛態的能量與擴展態的能量無關,所以束縛態的能級可以在能帶的任何地方,也就是既可以在能帶也可以在禁帶。比如施主雜質能級、受主雜質能級、復合中心能級、陷阱中心能級、激子能級等等壹般都在禁帶中間。

在壹定的完整晶體結構中,布洛赫波矢是守恒量(基於倒易晶格矢),即電子波的群速度是守恒量。換句話說,在壹個完整的晶體中,電子的運動可以在沒有晶格散射的情況下傳播(所以這個模型也被稱為近自由電子近似),晶體導體的電阻只來自於破壞勢場周期性的晶體缺陷。

從薛定諤方程出發,可以證明哈密頓量和平移算符的相互作用序滿足交換定律,所以周期勢場中粒子的本征波函數總是可以寫成布洛赫函數的形式。更廣義地說,本征函數所滿足的算符作用的對稱關系是群論中表示論的特例。布洛赫波的概念是費利克斯·布洛赫在1928年研究結晶固體的電導率時首先提出的,但它的數學基礎曾由喬治·威廉·希爾(1877)、加斯頓·弗洛凱(1883)和亞歷山大提出。因此,相似性質的概念在各個領域有不同的叫法:在常微分方程理論中,稱為弗洛基理論(有人稱之為“李亞普諾夫-弗洛基定理”);壹維周期波動方程有時被稱為希爾方程。