物理代写|固体物理代写Solid-state physics代考|PHYS7120

Doug I. Jones

Doug I. Jones

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固态物理学是通过量子力学、晶体学、电磁学和冶金学等方法研究刚性物质或固体。它是凝聚态物理学的最大分支。

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物理代写|固体物理代写Solid-state physics代考|Debye Model of Specific Heat

Debye assumed that a crystalline solid can be represented by an isotropic elastic continuum. Atoms in a solid do not vibrate with the same frequency but have the same dispersion. Because there is finite number of atoms, however, not all values of the frequency are allowed. There is a maximum allowed frequency that any atom can have. Thus, it is possible to propagate wave through solids covering a wavelength region extending from low frequencies (sound waves) up to short waves (infrared absorption). The essential difference between the Debye model and the Einstein model is that Debye considers the vibrational modes of a crystal as a whole, whereas Einstein’s starting point was to consider the vibration of a single atom, assuming the atomic vibrations to be independent of each other.

The solids are by no means continuous but are built up of atoms, that is, discrete mass points. However, the Debye continuum is justified on the following basis. Consider an elastic wave propagated in a crystal of volume $V$. As long as the wavelength of the wave is large compared with interatomic distances, the crystal looks like a continuum from the point of view of the wave. The essential assumption of Debye is now that this continuum model may be employed for all possible vibrational modes of the crystal. Further, the fact that the crystal actually consists of atoms is taken into account by limiting the total number of vibrational modes to $3 N, N$ being the total number of atoms. In other words, the frequency spectrum corresponding to a perfect continuum is cut off so as to comply with a total of $3 \mathrm{~N}$ modes.

In the Debye model, the velocity of sound is taken as constant as it would be for a classical elastic continuum. The dispersion relation is then
$$
\omega=v k
$$
$v=$ constant velocity of sound.
The average energy of the oscillator of frequency $\omega$ is
$$
\bar{E}=\frac{1}{2} \hbar \omega+\frac{\hbar \omega}{\exp \left[\frac{\hbar \omega}{k_B T}\right]-1}
$$

物理代写|固体物理代写Solid-state physics代考|Thermal Expansion

Classical physics regarded a solid crystal as an assembly of atoms held together in a periodic array by certain attractive forces. The atoms were assumed to be free to vibrate about their equilibrium positions under the constraints of the resulting forces and to a first approximation, forces and atomic displacements would be related by Hook’s law. The effect of thermal energy than would be to set these atoms into vibration as harmonic oscillators about their equilibrium positions. Since the oscillators are purely harmonic, therefore the potential is a parabolic function of position. The minimum of the potential energy curve is the classical equilibrium position of the atom, if it is at rest. If the interatomic forces were such that the atom if set in motion thermally would vibrate about its equilibrium position as an ideal classical harmonic oscillator. The atom would execute vibrations about the equilibrium position, the maximum displacement from the equilibrium position in either direction being equal, and the average distance $\langle x\rangle$ would be equal to value of lattice constant $a$ at zero temperature. There would thus be no thermal expansion.

Let the potential well in which the atoms vibrate have approximately the appearance as shown in Fig. 7.5.

In this case, although nearly parabolic about the minimum point $A$, the actual will deviate from the parabolic form more and more as the distance from the minimum point increases. If the atom has energy $U_0$, it should according to the classical picture vibrate between the extreme amplitude limits $B$ and $C$, the vibrations are somewhat anharmonic in character. But the distance $D C$ between the equilibrium positions is now greater than the distance $B D$ between the equilibrium position and the maximum compression position. The average interatomic distance $\langle x\rangle$ is thus greater than the zero temperature lattice constant, and thermal expansion is observed. Therefore, in order to account for the thermal expansion, it is necessary to consider anharmonic terms in the potential. We approximate the true potential more accurately by adding high-order (anharmonic) terms as follows
$$
U(x)=c x^2-g x^3-f x^4
$$

固体物理代写

物理代写|固体物理代写Solid-state physics代考|Debye Model of Specific Heat

德拜假设结晶固体可以用各向同性弹性连续体表示。固 体中的原子不以相同的频率振动,但具有相同的色散。 但是,由于原子数量有限,因此并非所有频率值都是允 许的。任何原子都可以有一个最大允许频率。因此,可 以通过覆盖从低频 (声波) 到短波 (红外吸收) 的波长 区域的固体传播波。德拜模型与爱因斯坦模型的本质区 别在于,德拜将晶体的振动模式作为一个整体来考虑, 而爱因斯坦的出发点是考虑单个原子的振动,假设原子 振动相互独立。
固体绝不是连续的,而是由原子构成的,即离散的质 点。然而,德拜连续体在以下基础上是合理的。考虑在 体积为 $\$ \mathrm{~V} \$$ 的晶体中传播的弹性波。只要波的波长大于 原子间距离,从波的角度来看,晶体就像一个连续体。 德拜的基本假设现在是这种连续介质模型可以用于晶体 的所有可能振动模式。此外,通过将振动模式的总数限 制为 $\$ 3 \mathrm{~N}$ ,考虑了晶体实际上由原子组成的事实, $N \$$ 是原子总数。换句话说,对应于完美连续体的频谱被截 断,以符合总共 $\$ 3$ \mathrm{ N $\$$ 模式。
在 Debye 模型中,声速被视为与经典弹性连续体一样恒 定。那么色散关系就是 $\$ \$$
lomega $=\mathrm{vk}$
$\$ \$$
$\$ \mathrm{v}=\$$ 恒定声速。
频率为 $\$$ lomega $\$$ 的振荡器的平均能量为

物理代写|固体物理代写Solid-state physics代考|Thermal Expansion

经典物理学将固体晶体视为原子的集合体,这些原子通 过某些吸引力以周期性悱列的方式聚集在一起。假设原 子在合力的约束下围绕它们的平衡位置自由振动,并且 对于一阶近似,力和原子位移将与胡克定律相关。热能 的作用是使文些原子在其平衡位置附近作为谐振子振 动。由于振荡器是纯谐波的,因此势能是位置的抛物线 函数。如果原子处于静止状态,则势能曲线的最小值是 原子的经典平衡位置。如果原子间作用力使得原子在热 运动时会围绕其平衡位置振动,就像理想的经典谐振子 一样。原子将围绕平衡位置进行振动,从平衡位置向任 一方向的最大位移相等,平均距离 \$Vlangle x|rangle\$ 将等于零温度下的晶格常数 $\$$ \$ 的值。因此不会有热膨 胀。\角 $\backslash \backslash$ 角 $\langle x\rangle$ 将等于晶格常数的值 $a$ 在零温度下。因此 不会有热膨胀。
设原子振动的势阨近似如图 7.5 所示。
在这种情况下,虽然关于最小点几乎呈抛物线 $A$ ,实际 会随着离最小点距离的增加而越来越偏离抛物线形式。 如果原子有能量 $U_0$ ,它应该根据经典图片在极端振㽬限 制之间振动 $B$ 和 $C$ ,振动在性质上有些不和谐。但是距 离 $D C$ 平衡位置之间现在大于距离 $B D$ 在平衡位置和最 大压缩位置之间。平均原子间距离 $\langle x\rangle$ 因此大于零温度晶 格常数,并且观察到热膨胀。因此,为了考虑热膨胀, 有必要考虑电势中的非谐项。我们通过添加高阶(非调 和)项来更准确地估计真实潜力,如下所示
$$
U(x)=c x^2-g x^3-f x^4
$$

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金融工程代写

金融工程是使用数学技术来解决金融问题。金融工程使用计算机科学、统计学、经济学和应用数学领域的工具和知识来解决当前的金融问题,以及设计新的和创新的金融产品。

非参数统计代写

非参数统计指的是一种统计方法,其中不假设数据来自于由少数参数决定的规定模型;这种模型的例子包括正态分布模型和线性回归模型。

广义线性模型代考

广义线性模型(GLM)归属统计学领域,是一种应用灵活的线性回归模型。该模型允许因变量的偏差分布有除了正态分布之外的其它分布。

术语 广义线性模型(GLM)通常是指给定连续和/或分类预测因素的连续响应变量的常规线性回归模型。它包括多元线性回归,以及方差分析和方差分析(仅含固定效应)。

有限元方法代写

有限元方法(FEM)是一种流行的方法,用于数值解决工程和数学建模中出现的微分方程。典型的问题领域包括结构分析、传热、流体流动、质量运输和电磁势等传统领域。

有限元是一种通用的数值方法,用于解决两个或三个空间变量的偏微分方程(即一些边界值问题)。为了解决一个问题,有限元将一个大系统细分为更小、更简单的部分,称为有限元。这是通过在空间维度上的特定空间离散化来实现的,它是通过构建对象的网格来实现的:用于求解的数值域,它有有限数量的点。边界值问题的有限元方法表述最终导致一个代数方程组。该方法在域上对未知函数进行逼近。[1] 然后将模拟这些有限元的简单方程组合成一个更大的方程系统,以模拟整个问题。然后,有限元通过变化微积分使相关的误差函数最小化来逼近一个解决方案。

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随机分析代写


随机微积分是数学的一个分支,对随机过程进行操作。它允许为随机过程的积分定义一个关于随机过程的一致的积分理论。这个领域是由日本数学家伊藤清在第二次世界大战期间创建并开始的。

时间序列分析代写

随机过程,是依赖于参数的一组随机变量的全体,参数通常是时间。 随机变量是随机现象的数量表现,其时间序列是一组按照时间发生先后顺序进行排列的数据点序列。通常一组时间序列的时间间隔为一恒定值(如1秒,5分钟,12小时,7天,1年),因此时间序列可以作为离散时间数据进行分析处理。研究时间序列数据的意义在于现实中,往往需要研究某个事物其随时间发展变化的规律。这就需要通过研究该事物过去发展的历史记录,以得到其自身发展的规律。

回归分析代写

多元回归分析渐进(Multiple Regression Analysis Asymptotics)属于计量经济学领域,主要是一种数学上的统计分析方法,可以分析复杂情况下各影响因素的数学关系,在自然科学、社会和经济学等多个领域内应用广泛。

MATLAB代写

MATLAB 是一种用于技术计算的高性能语言。它将计算、可视化和编程集成在一个易于使用的环境中,其中问题和解决方案以熟悉的数学符号表示。典型用途包括:数学和计算算法开发建模、仿真和原型制作数据分析、探索和可视化科学和工程图形应用程序开发,包括图形用户界面构建MATLAB 是一个交互式系统,其基本数据元素是一个不需要维度的数组。这使您可以解决许多技术计算问题,尤其是那些具有矩阵和向量公式的问题,而只需用 C 或 Fortran 等标量非交互式语言编写程序所需的时间的一小部分。MATLAB 名称代表矩阵实验室。MATLAB 最初的编写目的是提供对由 LINPACK 和 EISPACK 项目开发的矩阵软件的轻松访问,这两个项目共同代表了矩阵计算软件的最新技术。MATLAB 经过多年的发展,得到了许多用户的投入。在大学环境中,它是数学、工程和科学入门和高级课程的标准教学工具。在工业领域,MATLAB 是高效研究、开发和分析的首选工具。MATLAB 具有一系列称为工具箱的特定于应用程序的解决方案。对于大多数 MATLAB 用户来说非常重要,工具箱允许您学习应用专业技术。工具箱是 MATLAB 函数(M 文件)的综合集合,可扩展 MATLAB 环境以解决特定类别的问题。可用工具箱的领域包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波、仿真等。

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