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デバイ温度が高い物質は、硬い。低い物質はやわらかい。
と、講義で教わりましたが、どう証明されるか知りたいです。よろしくお願いします。

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A 回答 (2件)

詳しいことはキッテルの「固体物理学入門」を読んでいただくとして以下要点だけ。


デバイの比熱理論は格子振動の振動数が全部同じ(Einstein Model)ではなく振動数に分布があるとして理論が作られています。そしてその振動数分布の中で特定振動数(デバイ振動数:νd)以下のものだけが比熱に寄与すると仮定しています。デバイ温度をθd[K]とすると
 θd=(h/k)νd・・・温度の次元・チェックしてください
ここでデバイ温度と物質の硬い・柔らかいを思いっきり直感的に解釈すると
硬い:なかなか格子振動が起こりにくい、つまりνdが大きい
柔らかい:その逆
ということで解釈できると思います。ちなみにダイヤモンドのθdは1860K、一方比較的低温で溶解する鉛のθdは96Kです(柔らかくなるというのは温度上昇とともに格子振動が励起されやすいということで、柔らかい物質は比較的低い温度で格子振動が励起されやすいということすね)。
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この回答へのお礼

硬い:なかなか格子振動が起こりにくい、つまりνdが大きい
柔らかい:その逆

わかりやすかったです。助かりました。ありがとうございます。

お礼日時:2004/09/10 20:58

考え方のみです。

(そもそもこの考え方があってるのか不明)
デバイ温度を決める式の中に、音速が入っています。
音速は物質の硬さに関係する(ヤング率とか)ので、

>デバイ温度が高い物質は、硬い。低い物質はやわらかい。

ということになるのではないでしょうか。
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この回答へのお礼

音速も入っていますね。今気づきました。音速と硬さが関係するとは、びっくりです!ありがとうございます。

お礼日時:2004/09/10 21:00

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Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

Qマティーセンの法則

マティーセンの法則で、抵抗率は、格子振動による抵抗率と、不純物や格子欠陥による抵抗率の和で書くことができ、前者の抵抗は温度依存性があり、後者の抵抗は温度依存性がないと書いてありました。しかし、格子欠陥の数は温度に依存すると習ったことがあるので、後者の抵抗も温度に依存するのではないでしょうか。
どなたか教えてください。

Aベストアンサー

 格子振動による抵抗も、不純物等の点欠陥による抵抗もどちらも
実際には、温度依存を持ちます。ただし、前者は温度が下がると抵抗率
も下がるのに対し、後者は温度が下がると逆に抵抗率が上昇します。

 前者の温度依存性は、温度があがると格子振動が激しくなることに
よります。一方後者の温度依存性は、電子の平均移動速度が関係して
います。温度が下がると平均移動速度も下がるので、電子はゆっくり
移動することになります。点欠陥の場合、すぐ近くを通っている場合に
しか影響を受けませんので、速く動いている電子は、点欠陥の近くを
速く通り過ぎてしまうので影響を受けにくく、遅く動いている電子は
影響を受けやすくなるのです。

 更に細かい話をすると、電気抵抗率は移動度とキャリア密度の
関数ですが、半導体では後者も低温では強い温度依存性を持ちます。
これは、ドーパントからキャリアが離れる為に必要な熱エネルギー
が得られなくなるためです。したがって、キャリア密度の変化からも
電気抵抗は大きく変化します。またこの温度域では、ドーパントが
帯電しているか、中性になっているかが強い温度依存性を持ちます。
不純物が帯電しているか、中性かで電子の散乱が大きく異なりますから、
この経路を通じても点欠陥由来の抵抗の温度依存性が生じます。

 なお、不純物散乱に温度依存性が無いという話は、かなり大雑把な
話と思えばいいと思います。
 
 なお、格子欠陥の数の温度依存性についてですが、熱平衡の議論
からすると、欠陥の数は温度に依存します。しかし、熱平衡論は
どれだけの時間が平衡に達するかまでは触れていません。他の方も
述べられていますが、融点より十分低い温度ですと、なかなか熱平衡
に達しません。(こういったことがあるから、「熱的死」になかなか
おちないわけですが)

 格子振動による抵抗も、不純物等の点欠陥による抵抗もどちらも
実際には、温度依存を持ちます。ただし、前者は温度が下がると抵抗率
も下がるのに対し、後者は温度が下がると逆に抵抗率が上昇します。

 前者の温度依存性は、温度があがると格子振動が激しくなることに
よります。一方後者の温度依存性は、電子の平均移動速度が関係して
います。温度が下がると平均移動速度も下がるので、電子はゆっくり
移動することになります。点欠陥の場合、すぐ近くを通っている場合に
しか影響を受けませんので...続きを読む

Q音響モード・光学モード

フォノンの光学モード、音響モードの図の見方がわかりません。わかりやすく説明できる方がいらっしゃったらお願いします。

ここ↓
http://cl.rikkyo.ne.jp/cl/2004/internet/kouki/rigaku/hirayama/041222/12_22.html
のページの下から1/4あたりにある図みたいなのです。

Aベストアンサー

わかりやすい説明かどうかわかりませんが、
おっしゃているのは、フォノンの振動数(またはエネルギー)を縦軸、波数を横軸にとった図のことでしょうか?
こういう図を(フォノンの)分散関係と呼びます。

たぶん高校で波(音波)において、
(波の振動数ν)=(波の速度c)/(波長λ)という関係(以下、式1と呼ぶ)を習ったと思いますが、それを拡張したものです。これを波数kを使って書くと
ω=2πν=ckです。これは分散関係の図で直線で与えられますが、フォノンの分散関係は直線にはなっていません。なぜでしょうか。
 固体の振動を例にとると、式1はλを小さくしていくと問題が発生します。つまり式1がどんなに小さな波長にでも成立するとすると問題が発生します。波長が0.01nmになったらどうなります。原子の間隔は0.1nmのオーダーなので、それよりも狭い領域に波の振動が含まれるとはどういうことでしょう。そういう波はありえないというか意味がないのです。
つまり式1は波長が極端に短いところでは変更を受けるわけです。

音響モードと光学モードとは、分散関係でkを小さくしていった場合、振動数がゼロになるのが音響モードで、有限の値をとるのが光学モードです。

結晶の単位胞に原子が1個しかない結晶では、音響モードしかありません。光学モードが現れるためには、単位胞に2個以上の原子が含まれる必要があります。

それではなぜ「音響」モードと呼ぶのでしょう。
音響モードは実は充分kが小さい領域ではω=ckという線形な関係に漸近します。つまり式1です。式1が表すのは音波だったため、「音響」モードと呼ばれます。

それではなぜ「光学」モードと呼ぶのでしょう。単位胞に原子が2つ含まれる場合はイオン結晶でよく起こり、片方が+、もう片方が-に帯電しています。
それが質問者の示したwebの図にもあるように互い違いに振動するモードが光学モードにあたり、+と-の電荷が互い違いに振動すると電気分極が振動し、光(格子振動の場合は赤外光)と相互作用します。

光学モードをもつ結晶に赤外光を当てると、光学モードの振動数に相当する赤外光が吸収されます。「光」で観測できるから「光学」モードです。

フォノンの光学モードと音響モードの話は、どんな固体物理の教科書にも載っていると思いますので、以上の説明の手がかりに一度じっくり読んでみられたらいかがでしょうか?

わかりやすい説明かどうかわかりませんが、
おっしゃているのは、フォノンの振動数(またはエネルギー)を縦軸、波数を横軸にとった図のことでしょうか?
こういう図を(フォノンの)分散関係と呼びます。

たぶん高校で波(音波)において、
(波の振動数ν)=(波の速度c)/(波長λ)という関係(以下、式1と呼ぶ)を習ったと思いますが、それを拡張したものです。これを波数kを使って書くと
ω=2πν=ckです。これは分散関係の図で直線で与えられますが、フォノンの分散関係は直線にはなっていませ...続きを読む

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Qミラー指数:面間隔bを求める公式について

隣接する2つの原子面の面間隔dは、ミラー指数hklと格子定数の関数である。立方晶の対称性をもつ結晶では

d=a/√(h^2 + k^2 + l^2) ・・・(1)

となる。

質問:「(1)式を証明せよ」と言われたのですが、どうすれば言いかわかりません。やり方を教えてもらえませんか_| ̄|○

Aベストアンサー

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベクトルと全く同じになります。すなわち立方晶の(111)面の法線ベクトルは(1,1,1)ですし、(100)面の法線ベクトルは(1,0,0)です。法線ベクトルなら「ミラー指数」よりずっと親しみがあり解けそうな気分になると思います。

さて(hkl)面に相当する平面の方程式を一つ考えてみましょう。一番簡単なものとして
hx + ky + lz=0  (1)
があります。(0,0,0)を通る平面で法線ベクトルは(h,k,l)です。
これに平行な、隣の平面の式はどうでしょうか。
hx + ky + lz = a  (2a)
hx + ky + lz = -a  (2b)
のいずれかです。これがすぐ隣の平面である理由(そのまた間に他の平面が存在しない理由)は脚注*2に補足しておきました。
点と直線の距離の公式を使えば、題意の面間隔dは原点(0,0,0)と平面(2a)の間隔としてすぐに
d=a/√(h^2+k^2+l^2)  (3)
と求められます。

点と直線の距離の公式を使わなくとも、次のようにすれば求められます。
原点Oから法線ベクトル(h,k,l)の方向に進み、平面(2a)とぶつかった点をA(p,q,r)とします。
OAは法線ベクトルに平行ですから、新たなパラメータtを用いて
p=ht, q=kt, r=lt  (4)
の関係があります。
Aは平面(2a)上の点でもありますから、(4)を(2a)に代入すると
t(h^2+k^2+l^2)=a
t=a/(h^2+k^2+l^2)  (5)
を得ます。
ここにOAの長さは√(p^2+q^2+r^2)=|t|√(h^2+k^2+l^2)なので、これを(5)に代入して
|a|/√(h^2+k^2+l^2)  (6)
を得ます。OAの長さは面間隔dにほかならないので、(3)式が得られたことになります。

bokoboko777さん、これでいかがでしょうか。

*1 (h, k, l)の組が共通因数を持つ場合には、共通因数で割り互いに素になるようにします。例えば(111)面とは言いますが(222)面なる表現は使いません。
*2 左辺はhx+ky+lzでよいとして、なぜ右辺がaまたは-aと決まるのか(0.37aや5aにならないのは何故か)は以下のように説明されます。
平面をhx+ky+lz = C (Cはある定数)と置きます。この平面は少なくとも一つの格子点を通過する必要があります。その点を(x0,y0,z0)とします。
h,k,lはミラー指数の定義から整数です。またx0,y0,z0はいずれもaの整数倍である必要があります(∵格子点だから)。すると右辺のCも少なくともaの整数倍でなければなりません。
次に右辺の最小値ですが、最小の正整数は1ですから平面hx + ky + lz = aが格子点を通るかどうかを調べ、これが通るなら隣の平面はhx + ky + lz = aであると言えます。このことは次の命題と等価です。
<命題>p,qが互いに素な整数である場合、pm+qn=1を満たす整数の組(m,n)が少なくとも一つ存在する
<証明>p,qは正かつp>qと仮定して一般性を失わない。
p, 2p, 3p,...,(q-1)pをqで順に割った際の余りを考えてみる。
pをqで割った際の余りをr[1](整数)とする。同様に2pで割った際の余りをr[2]・・・とする。
これらの余りの集合{r[n]}(1≦n≦(q-1))からは、どの二つを選んで差をとってもそれはqの倍数とは成り得ない(もし倍数となるのならpとqが互いに素である条件に反する)。よって{r[n]}の要素はすべて異なる数である。ところで{r[n]}は互いに異なる(q-1)個の要素から成りかつ要素は(q-1)以下の正整数という条件があるので、その中に必ず1が含まれる。よって命題は成り立つ。

これから隣の平面はhx + ky + lz = aであると証明できます。ただここまで詳しく説明する必要はないでしょう。証明抜きで単に「隣の平面はhx + ky + lz = aである」と書くだけでよいと思います。

参考ページ:
ミラー指数を図なしで説明してしまいましたが、図が必要でしたら例えば
http://133.1.207.21/education/materdesign/
をどうぞ。「講義資料」から「テキスト 第3章」をダウンロードして読んでみてください。(pdfファイルです)

参考URL:http://133.1.207.21/education/materdesign/

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベ...続きを読む

Qグリューナイゼン定数って何?!

単刀直入に質問します。
断熱体積弾性率・KS = KT( 1 + Tαγ )(KS,KTのS,Tは添え字です)と表されますが、γ(グリューナイゼン定数)とは一体何なのでしょうか?
どなたかご教授お願いします!!

Aベストアンサー

固体物理学的に(微視的に)言うと、フォノンの振動数ωの体積依存性は体積変化率Δと対応する振動数の変化δωで表すと
ω=-δω/(γΔ)
で表され、このγをグリューナイゼン定数と呼びます。

これを理解するにはまず固体物理学(フォノン)を勉強して下さい。

Q誘電率の周波数依存性

物質の誘電率がある特定周波数と共振して急激に増加する
という現象はありますか?
また、それに関する情報を教えていただけたら幸いです!

Aベストアンサー

あります。

http://hr-inoue.net/zscience/topics/dielectric1/dielectric1.html

Qアインシュタインモデルについて

フォノン比熱の話でよくアインシュタインモデルによるグラフとデバイモデルによるグラフが比較されるのですが、デバイとアインシュタインとの結果の違いは何が起因したからでしょうか。単純に測定精度がデバイの方が良かっただけですか?特にデバイモデルに対して、アインシュタインモデルが低温領域では誤差が大きい理由を教えて下さい。いくつか参考書を見たのですがアインシュタインモデルの説明はあまりないので宜しくお願いします。

また金属の場合、格子振動は熱によって激しさを増すので電気抵抗も増えますが、フォノン比熱Cと電気抵抗Rとで成り立つ関係はありますか?比熱Cと抵抗Rとの間に成り立つ関係式や定理等があればお願いします。

Aベストアンサー

http://www.f-denshi.com/000okite/100tokei/einstain.html
http://www.f-denshi.com/000okite/100tokei/debye.html

アインシュタインモデルは一体近似です。
1つの原子が周囲の原子の作る場の中で振動しています。
各原子が独立に運動するという近似ですから高温ではデュロン・プティの法則に一致します。
デバイのモデルは多体近似になっています。
鎖のようにつながった状態での振動を考えています。
波長に最大値と最少値が存在します。
原子間隔よりも短い波長の振動は意味を持ちません。鎖の長さの2倍というのが波長の最大値です。
原子1つの狭い空間の中に閉じ込められた振動(アインシュタイン)に比べて長い鎖の中で起こる振動(デバイ)のほうが低い振動数のウェイトが高くなっています。

低温になると低い振動数の振動がどれだけ存在しうるかが重要になってきます。

格子比熱と電気抵抗の関係はグルュナイゼンの関係式というのがあるそうです。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k4housoku/dennjiki/r6quantum.htm

検索するといろいろ出てきます。
固体物理の教科書(キッテル、その他)でも出てくるのではないでしょうか。

※格子振動由来の比熱は素直に「格子比熱」と呼ぶほうがいいと思います。
フォノンというのは格子振動によって生じる波動を量子化して粒子的に見た時の名前です。ご質問の内容から見て、格子振動を「フォノン」と見直して考えるような段階にはまだ至っていないと思います。言葉だけで先端的な内容をつまみ食いするのはよくありません。
「格子比熱」で検索すればたくさん出てきます。こういう質問を出さなくてもわかるはずのものです。

「フォノン」という粒子を考える立場で言えばフォノンとエレクトロンという粒子と粒子の衝突、散乱で電気抵抗を考えるということになります。

http://www.f-denshi.com/000okite/100tokei/einstain.html
http://www.f-denshi.com/000okite/100tokei/debye.html

アインシュタインモデルは一体近似です。
1つの原子が周囲の原子の作る場の中で振動しています。
各原子が独立に運動するという近似ですから高温ではデュロン・プティの法則に一致します。
デバイのモデルは多体近似になっています。
鎖のようにつながった状態での振動を考えています。
波長に最大値と最少値が存在します。
原子間隔よりも短い波長の振動は意味を持ちません。鎖の長さの2倍と...続きを読む

Q格子定数の求め方教えてください!!

こんにちは。
僕は、結晶学を勉強している大学生です。
現在、斜方晶構造の格子定数を算出しようと勉強しているのですが格子定数a, b, cを求める式を作ることができません。ご存知の方教えて教えて下さい。
斜方晶の関係式は以下のようになります。
1/d^2 = h^2/a^2 + k^2/b^2 + l^2/c^2
d, h, k, lの値は既知でa=,b=,c=の式を教えていただきたいです。
また、格子定数を簡単に求められるソフトなどをお知りであれば教えて下さい。
どうかよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

> 格子定数a, b, cを求める式を作ることができません。

これは初等数学の教えるとおり,線形独立な(=異なる面方位の)3つ以上の関係がない限り,どうやっても求まりません。線形独立な式が3つあるなら,三元一次連立方程式を解けばよいだけです。

> 斜方晶の関係式は以下のようになります。

斜方晶だけでなく,正方晶でも立方晶でも成り立ちます。

> 格子定数を簡単に求められるソフト

XRD などのブラッグの回折パターンから格子定数を精密に求めるには,通常,リートベルト解析という計算を行います。RIETAN というソフトが有名です。ただ,大雑把で良くて,点群が分かっていて面指数まで分かっているなら,電卓で十分計算できると思います。

Qブリュアンゾーンの物理的な意味

 ブリュアンゾーンは、逆格子空間のウィグナーサイツセルとして定義されますが、物理的にはどんな意味があるのでしょうか。いまいち具体的なイメージがわきません。キッテルを使って勉強しているのですが、回りくどくてよくわかりません。
 さらに、フォノンの波数ベクトルが-π<Ka<-πに限定されると、なぜそこがブリュアンゾーンに対応しているのでしょうか。
 数式はキッテルに載っているので、できるだけ物理的な意味やイメージをお教えいただければと思います。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

○ブリユアンゾーンがなぜ波数なのか?

#1で述べた通り、そもそも逆格子空間とは、波数空間なのです。ですから、その一部であるブリユアンゾーンも当然波数ですよね。

○なぜウィグナーサイツセルがブリルアンゾーンになるのか?

例えば、いきなり三次元で考えると難しいので、二次元(x-y平面)の正方格子で考えます。基本格子ベクトルa1,a2から実際に基本逆格子ベクトルb1,b2を計算してみてください。y軸方向のベクトルと、x軸方向のベクトルになったと思います。
基本逆格子ベクトルb1とb2を線形結合をとることにより、一般の逆格子ベクトルGが得られますが、ゼロベクトルを別とすれば、逆格子ベクトルGの中で大きさが最も小さいのは、b1,b2含めて全部で4つですよね。この4つのベクトルを原点から書いてみて下さい。
で、結論から言いますと、これらのベクトルの垂直二等分線で囲まれた領域(四角形)がブリユアンゾーンとなるわけですが、それは何故かを考えます。
いま、
(1)このような四角形を逆格子ベクトルだけ移動させて張り合わせていくと、全平面を埋め尽くすことができますよね。また、
(2)四角形の内側の点から逆格子ベクトルだけ離れた点はすべて四角形の外側にあることになります。(つまり、ブロッホ波の波数kの周期的な任意性による重複がこの四角形の中にないってこと。)
ブロッホ波の波数kの任意性の周期は基本逆格子ベクトルですから・・・・もうこの四角形の内部の点だけを考慮すればいいことになりますよね!だから、こうやって定義された四角形はブリユアンゾーンとなるわけです。

この考え方が他の構造にも適用できます。

○ブリユアンゾーンがなぜ波数なのか?

#1で述べた通り、そもそも逆格子空間とは、波数空間なのです。ですから、その一部であるブリユアンゾーンも当然波数ですよね。

○なぜウィグナーサイツセルがブリルアンゾーンになるのか?

例えば、いきなり三次元で考えると難しいので、二次元(x-y平面)の正方格子で考えます。基本格子ベクトルa1,a2から実際に基本逆格子ベクトルb1,b2を計算してみてください。y軸方向のベクトルと、x軸方向のベクトルになったと思います。
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