固體物理中擴(kuò)散方程兩種邊界條件的求解

固體物理中一維擴(kuò)散方程的泛定方程為
第一類邊界條件為在單位面積上有個粒子欲向晶體內(nèi)部單方向擴(kuò)散,即
而且時間足夠長時,晶體內(nèi)部的擴(kuò)散粒子總數(shù)為 ,滿足這些條件的擴(kuò)散方程的解為

第二類邊界條件為擴(kuò)散粒子在晶體表面維持一個不變濃度 ,即
在此條件下擴(kuò)散方程的解為

在許多固體物理教材中都給出了以上結(jié)果,但它們都沒有給出具體的證明過程,本文給出在這兩個條件下對擴(kuò)散方程的求解過程.

第一類邊界條件的求解
由泛定方程和邊界條件可得到定解問題:
?
這是半無界問題,最方便的方法是傅里葉積分變換法.
將泛定方程左右兩邊同乘并對
積分
?
其中
?
粒子擴(kuò)散不到無窮遠(yuǎn)處,即
且
即泛定方程在傅里葉變換下變?yōu)榱顺N⒎址匠?/p>
由邊界條件,不妨對邊界條件作偶延拓,邊界條件可表示為(貢獻(xiàn)一個
,
貢獻(xiàn)一個
,一共為
?
對上式作傅里葉變換
其中為
的傅里葉變換,則
的微分方程與上式組成的定解問題的通解為
再進(jìn)行傅里葉逆變換
?
交換積分次序
為了求出上述積分,我們先考察如下形式的積分
為了求解上述積分,令,有
其中
運(yùn)用上述公式,我們就能得到前面積分的結(jié)果,令
積分中的
積分化為?
這就是擴(kuò)散方程在第一輪邊界條件下的求解.

第二類邊界條件的求解
對于第二類邊界條件的求解,在梁昆淼教授所著《數(shù)學(xué)物理方法 》 §13.1 的例5進(jìn)行了詳細(xì)的求解,原文如下



