《固体物理2》课程教学大纲

《固体物理2》教学大纲一、课程基本信息课程名称固体物理SolidStatePhysics课程编码MAT310411040开课院部材料科学与工程学院课程团队固体物理教学团队学分4.0课内学时64讲授64实验0上机0实践0课外学时64适用专业材料物理授课语言中文先修课程大学物理（2-1）、大学物理（2-2）、量子力学、热力学与统计物理课程简介（必修）固体物理是材料物理专业的专业必修课程，主要讲授晶体系统中原子和电子的基本物理规律和特性。课程内容涵盖晶体原子结构、原子振动（声子）、电子能带论、电子基本输运特性等。通过本课程的学习，学生将理解实空间和波矢空间的联系以及波矢的量子化特性，初步掌握在有原子周期性排列体系中电子按照能量和动量的分布规律、电子和原子振动之间的相互作用以及电子对外场的响应等。通过系统的学习，培养学生从图像上理解凝聚态物理研究中如何通过合理的近似来解决复杂多原子和多电子系统的基本物理方法，及独立分析问题和解决问题的能力，为进一步深入学习其它凝聚态物理方面的课程打下基础。SolidStatePhysicsisaspecializedcompulsorycourseforstudentsinmajorofMaterialsPhysics,focusingonthefundamentalphysicalprinciplesandbasicpropertiesofatomsandelectronsincrystals,includingatomicstructure,phonon,electronicbandtheory,basicelectrictransportproperties.Fromthiscourse,studentswillknowthedistributionprincipleofelectronsunderperiodicpotential,interactionbetweenelectronsandphononsandtheelectrons’respondingtotheexternalfields.Aftersystematicalstudies,studentscanunderstandphenomenologicallythebasicapproximationmethodtodealwiththesystemswithmanyatomsandelectronsincondensedmatterphysics,andcultivatetheabilitytoanalyzeandsolveproblemsindependently.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1理解在周期性势场作用下描述多电子和多原子系统的物理方法是2.22.22M2初步掌握原子振动的声子描述以及声子的物理特性是2.22.23M3初步掌握能带理论并能够运用能带理论去理解实际材料中的物理问题是2.2,4.22.2,4.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章绪论本章重点难点：固体物理研究的对象及发展简史。////21.1绪论固体物理研究的对象、发展简史及其在材料科学中的地位，本课程的内容和要求。M11讲授1作业(课后习题)3第2章晶体的结构本章重点难点：晶体的周期性；群的对称操作；倒格子与布里渊区；布拉格方程。////42.1晶体的周期性晶体的共性；格点，晶格，基矢，格矢，原胞，晶胞，常见的布拉菲格子，简单格子和复式格子；晶向，晶面，密勒指数。M13讲授1作业(课后习题)52.2晶体的对称性晶系群的定义，点群符号，点群乘法表，旋转轴，对称面,滑移面，空间群的符号表示图表，典型晶体结构举例，线性变换与对称性，对称操作与宏观对称元素，旋转，对称中心，旋转反演轴，晶体对称性分类。M13讲授1作业(课后习题)62.3常见的晶体结构密堆积，配位数，典型化合物晶体的结构和配位数。M11讲授1作业(课后习题)72.4倒格子与布里渊区倒格子引入，正倒格子的关系，布里渊区，二维三维布里渊区。M13讲授1作业(课后习题)82.5晶体结构的实验确定X射线衍射，劳厄方程，布拉格方程，反射球，原子散射因子，几何结构因子。M14讲授1作业(课后习题)9第3章晶体的结合和弹性本章重点难点：晶体结合类型及形成的原因；分子力结合、共价结合和离子结合的特点////103.1原子的电负性电子分布，电离能，亲合能，电负性。M10.5讲授1作业(课后习题)113.2晶体结合的类型共价晶体、离子晶体、金属晶体、分子晶体、氢键晶体结合的特点；晶体结合类型及形成的原因。M10.5讲授1作业(课后习题)123.3结合力和结合能结合能和结合力的共性，晶体稳定条件，压缩系数和体弹性模量。M10.5讲授1作业(课后习题)133.4分子力结合分子力结合的特点，雷纳德―琼斯势。M10.5讲授1作业(课后习题)143.5共价结合共价结合的特点，轨道杂化M11讲授1作业(课后习题)153.6离子结合离子结合特点，马德隆常数M11讲授1作业(课后习题)163.7原子和离子半径原子半径和离子半径。M11讲授1作业(课后习题)173.8晶体的弹性各向异性的应力、应变和胡克定律，弹性动力学方程，弹性波。M11讲授1作业(课后习题)18第4章晶格振动与晶体热学性质本章重点难点：一维晶格的振动；简正振动；晶格振动热容理论。////194.1一维晶格的振动单原子链，双原子链，近似条件，运动方程，格波，边界条件，色散关系，声学支，光学支，振动模式。M22讲授1作业(课后习题)204.2三维晶格的振动三维晶格振动，晶格振动谱，典型晶体的格波谱。M21讲授1作业(课后习题)214.3简正振动、声子简正坐标，简正振动，格波能量量子化，声子。M21讲授1作业(课后习题)224.4晶格振动谱的实验测定方法光子散射，中子散射。M21讲授1作业(课后习题)234.5长波近似长声学波，长光学波，黄昆方程，LST关系，铁电软模，光学性质，极化声子。M22讲授1作业(课后习题)244.6晶格振动热容理论一般理论，爱因斯坦模型，德拜模型，态密度。M22讲授1作业(课后习题)254.7晶格振动的非简谐效应非简谐效应，热传导，热膨胀。M22讲授1作业(课后习题)264.8晶体的热力学函数晶体的热力学函数M21讲授1作业(课后习题)27第5章晶体的缺陷本章重点难点：晶体缺陷的类型；位错缺陷的滑移，攀移；点缺陷的产生、复合。////285.1晶体缺陷的基本类型点缺陷，线缺陷，面缺陷。M11讲授1作业(课后习题)295.2位错缺陷的性质位错缺陷的滑移，攀移，对晶体生长的影响。M11讲授1作业(课后习题)305.3热缺陷的统计理论点缺陷的产生、复合，点缺陷的数目。M12讲授1作业(课后习题)315.4缺陷的扩散扩散方程，扩散机制。M11讲授1作业(课后习题)325.5离子晶体的热缺陷在外场中的迁移离子晶体的点缺陷与离子性电导。M11讲授1作业(课后习题)33第6章晶体中电子的能带理论本章重点难点：简约布里渊区；平面波方法；紧束缚方法；正交化平面波、赝势；能态密度。////346.1布洛赫波函数布洛赫定理，周期边界条件，简约布里渊区。M31讲授1作业(课后习题)356.2一维晶格中的近自由电子模型，微扰计算。M31讲授1作业(课后习题)366.3一维晶格中电子的布拉格反射能带，能隙，禁带。M31讲授1作业(课后习题)376.4平面波方法三维周期场中电子运动的近自由电子近似。M32讲授1作业(课后习题)386.5紧束缚方法模型，微扰计算，原子能级与能带的对应关系，瓦尼尔函数。M32讲授1作业(课后习题)396.6正交化平面波、赝势正交化平面波模型，赝势。M32讲授1作业(课后习题)406.7电子的平均速度、平均加速度和有效质量电子速度，加速度，有效质量。M31讲授1作业(课后习题)416.8等能面、能态密度能态密度函数，二维、三维费米面，费米面的构造。M32讲授1作业(课后习题)426.9磁场作用下的电子能态磁场作用下的电子能态的变化，迪.哈斯－范.阿耳芬效应。M31讲授1作业(课后习题)436.10导体、半导体和绝缘体运动规律，满带，不满能带，导体、半导体和绝缘体的能带解释，近满带与空穴。M31讲授1作业(课后习题)44第7章金属自由电子论和电子的输运性质本章重点难点：费米分布函数；电子散射的微观理论；电子和声子的相互作用；纯金属电阻率的统计模型。////457.1自由电子气的费米能和热容量费米分布函数，费米能级确定，电子热容量。M31讲授1作业(课后习题)467.2接触电势差、热电子发射接触电势差，热电子发射，功函数，理查逊－杜师曼关系。M32讲授1作业(课后习题)477.3玻耳兹曼方程电子散射的微观理论。M31讲授1作业(课后习题)487.4弛豫时间的统计理论弛豫时间M31讲授1作业(课后习题)497.5电子和声子的相互作用电子和声子的相互作用M31讲授1作业(课后习题)507.6金属的电导率直流电导率，电子与声子相互作用，电阻率，电阻率随温度的变化，剩余电阻，近藤效应，半导体电阻率。M32讲授1作业(课后习题)517.7纯金属电阻率的统计模型纯金属电阻率的统计模型M31讲授1作业(课后习题)527.8弱磁场下玻耳兹曼方程的解弱磁场下玻耳兹曼方程的解M31讲授1作业(课后习题)537.9金属的热导率金属的热导率M31讲授1作业(课后习题)四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每周布置2-3道题目，平均每次课1道题以上。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.帮助学生复习固体物理基础知识。20%2课堂表现随机检查学生上课精神状态、回答问题情况10%3期中考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.考核学生对固体物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有填空、简答、证明、分析和计算题。30%4期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.考核学生对固体物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有填空、简答、证明、分析和计算题。40%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业20%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。C-作业抄袭，未能按时完成，解题思路混乱。2M2平时作业30%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。C-作业抄袭，未能按时完成，解题思路混乱。3M3平时作业30%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。C-作业抄袭，未能按时完成，解题思路混乱。4M1课堂表现30%A-精神状态饱满，回答问题准确，全勤。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。5M2课堂表现30%A-精神状态饱满，回答问题准确，全勤。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。6M3课堂表现40%A-精神状态饱满，回答问题准确，全勤。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。7M1期中