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材料科学
题目

5、MgO 晶体的肖特基缺陷生成能为 84kJ/mol,计算该晶体在 1000K 和 1500K 的缺陷浓度。

5、MgO 晶体的肖特基缺陷生成能为 84kJ/mol,计算该晶体在 1000K 和 1500K 的缺陷浓度。

题目解答

答案

解:n/N=exp(-E/2RT),R=8.314,T=1000k:n/N=6.4×10-3;T=1500k:n/N=3.5×10-2

解析

考查要点:本题主要考查肖特基缺陷浓度的计算,涉及热力学基本公式和指数函数的应用。

解题核心思路:
肖特基缺陷的浓度公式为 $n/N = \exp(-E/(2RT))$,其中 $E$ 是缺陷生成能,$R$ 是气体常数,$T$ 是温度。
关键点在于正确代入单位统一后的参数,计算指数部分的值,最终得到缺陷浓度。

破题关键:

  1. 单位转换:将生成能 $E$ 从 kJ/mol 转换为 J/mol。
  2. 公式代入:注意分母为 $2RT$,而非 $RT$,因肖特基缺陷涉及两个离子空位的形成。

步骤1:单位转换

生成能 $E = 84 \, \text{kJ/mol} = 84000 \, \text{J/mol}$。

步骤2:代入公式

缺陷浓度公式为:
$\frac{n}{N} = \exp\left(-\frac{E}{2RT}\right)$
其中 $R = 8.314 \, \text{J/(mol·K)}$。

步骤3:计算不同温度下的浓度

当 $T = 1000 \, \text{K}$ 时:

分母 $2RT = 2 \times 8.314 \times 1000 = 16628$,
指数部分 $\frac{E}{2RT} = \frac{84000}{16628} \approx 5.05$,
缺陷浓度 $\frac{n}{N} = \exp(-5.05) \approx 6.4 \times 10^{-3}$。

当 $T = 1500 \, \text{K}$ 时:

分母 $2RT = 2 \times 8.314 \times 1500 = 24942$,
指数部分 $\frac{E}{2RT} = \frac{84000}{24942} \approx 3.367$,
缺陷浓度 $\frac{n}{N} = \exp(-3.367) \approx 3.5 \times 10^{-2}$。

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