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Goethe-Universit¨ at Frankfurt Fachbereich Physik

Institut f¨ur Theoretische Physik Dr. Harald O. Jeschke

Dr. Yuzhong Zhang Dr. Hunpyo Lee

Frankfurt, Oct. 28, 2009

Theoretikum zur Einf¨ uhrung in die Theoretische Festk¨ orperphysik WS 2009/10

Exercise Set 2

(Due date: Tuesday, November. 3, 2009)

Exercise 4 (Reciprocal lattice and Brillouin zone) (10 points)

The basis vectors of a primitive monoclinic unit cell are given in Cartesian coor- dinates as

a*1 =*ex*ey

a*2 =2*ex+*ey a*3 = 1

2

*ez

a) Determine the reciprocal lattice and explain its relation to Bragg reflections.

b) Draw the first Brillouin zone.

Exercise 5 (Bragg’s law) (5 points)

A beam of electrons with kinetic energy 1 keV is diffracted when passing through a metal. The metal has a cubic structure with lattice parameter a=1 ˚A. Please find the necessary constants in any quantum physics book.

a) Calculate the wavelength of the electrons.

b) Calculate the Bragg angle for the first order diffraction maximum.

Exercise 6 (Orthonormality on the reciprocal lattice) (15 points) Prove the two relations

a) Vpuc

(2π)3 Z

1st BZ

d3k ei

*k·(*R−*R0)

= δ*R

,

*

R0

b) Vpuc (2π)3

X

*R∈R

ei

*

*R

= X

G∈R*

δ *k−G*

where Vpuc is the volume of the primitive unit cell, and R and R are direct and reciprocal lattices, respectively.

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