《固体物理学》教学大纲

第页《固体物理学》教学大纲课程编号：10140108英文名称：SolidStatePhysics学分：3学时：总学时48学时，其中理论48学时先修课程：普通物理、热力学与统计物理、量子力学课程类别：专业必修课程授课对象：物理学专业学生教学单位：数理信息学院修读学期：第6学期课程描述和目标本课程是物理学专业一门重要的专业平台课程。只要研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律，阐明固体的性能和用途。通过整个教学过程，使学生理解晶体结构的基本描述，晶格声子及固体电子理论，掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的一些新进展。能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：培养学生运用辩证唯物主义和历史唯物主义的立场、观点和方法分析问题、解决问题的能力，培养爱国情怀及科学创新精神。课程目标2：使学生理解晶体结构的基本描述：原胞、晶胞、布拉伐格子、晶向、晶面指数系统、倒易点阵、布里渊区等。课程目标3：掌握晶体结合的基本类型：分子晶体、共价晶体、金属晶体、氢键晶体、离子晶体。课程目标4：掌握晶格振动理论：理解晶格振动的量子化，理解比较抽象的晶格振动的元激发“声子”的概念，掌握晶格热容量的量子理论，理解晶格振动对晶体热学性质的影响。课程目标5：掌握固体电子理论，掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的一些新进展。课程目标6：掌握物理学的科学思维与研究方法，具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。课程目标7：培养学生实事求是，进行观察、实验、探索、猜想等合情推理及科学发现的能力。课程目标8：培养学生自觉学习、自主创新的能力。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重指标点1-1.具有严谨治学、艰苦奋斗、求真务实的精神和热爱劳动、遵纪守法、自律谦让、团结合作的品质。指标点11-1.具备求实、求真的精神和创新意识。课程目标10.3课程目标70.3课程目标80.4指标点2-1.具有创新精神，了解创新是科技和社会经济发展的第一动力课程目标10.5课程目标80.5指标点3-1.有一定的文学修养；初步掌握唯物辩证法，能从哲学的角度看待世界、分析问题；有较系统的法律知识和初步的社会学知识；了解世界科技史。课程目标11指标点5-1.系统地掌握物理学的基本理论、基本知识、基本实验方法和技能，具有基础扎实、适应性强的特点和自学新知识、新技术的能力；掌握材料物理基本理论和应用基本理论和应用知识能力。课程目标20.25课程目标30.25课程目标40.25课程目标50.25指标点5-3.掌握材料物理基本理论和应用基本理论和应用知识能力。指标点11-2.掌握物理学的科学思维与研究方法；有较强的逻辑思维能力和辩证思维能力；能综合分析和解决实际的科学技术问题。课程目标20.2课程目标30.2课程目标40.2课程目标50.2课程目标60.2三、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1晶体结构教学内容：原子的周期性排列；晶向和晶面；晶格的基本类型。自主学习：几种简单晶体结构类型了解非晶态、准晶态，晶体结构测定，掌握晶体的构成要素、原胞的基本概念及其选取方法；理解晶格的对称性及布拉伐格子，掌握晶格的基本类型；掌握晶向、晶面指数系统。6集中授课、小组讨论课程目标1、2、6、7、82晶体衍射和倒易点阵教学内容：倒格子空间的引入；倒易点阵；布里渊区。自主学习：原子散射因子和几何结构因子理解倒格子空间；掌握布里渊区的定义及其选取方法；理解晶体衍射原理；理解原子散射因子和几何结构因子对衍射强度的影响规律。4集中授课、小组讨论课程目标1、2、6、7、83晶体结合教学内容：晶体结合的基本类型，结合力的一般性质，范德瓦尔斯结合，离子晶体的结合能。自主学习：共价结合；金属性结合；氢键结合。掌握范德瓦尔斯结合的本质，会推导伦纳德-琼斯势；掌握马德隆能，能计算一维单离子链的马德隆常数，会推导离子晶体的结合能；了解共价结合的相关特性；了解金属性结合的相关特性；了解氢键结合的相关特性。6集中授课、小组讨论课程目标1、3、6、7、84声子I教学内容：简谐近似；一维原子链的振动；声学波和光学波；晶格振动的量子化。自主学习：声子引起的非弹性散射理解简谐近似的合理性；掌握一维单原子链和一维双原子链的振动特性及色散关系；掌握声学波和光学波各自的物理特性；理解晶格振动的量子化，理解比较抽象的晶格振动的元激发“声子”的概念。7集中授课、小组讨论课程目标1、4、6、7、85声子II教学内容：比热的量子理论；晶格状态方程；晶格热传导；晶格热膨胀。自主学习：非理想晶格的情况了解比热的经典理论，掌握比热量子理论的爱因斯坦模型和德拜模型；掌握晶格状态方程；理解影响晶格热传导的各个因素，掌握声子碰撞的正则过程和倒逆过程；理解晶格热膨胀为非简谐效应导致的结果，能定性解释晶格热膨胀。7集中授课、小组讨论课程目标1、4、6、7、86自由电子费米气体教学内容：金属自由电子气模型；费米-狄拉克分布；费米能；电子比热；电导率和欧姆定律；金属的导热性；在磁场中的运动。自主学习：重费米子掌握一维情况下的能级和轨道密度；掌握费密能的概念；掌握电子比热的量子理论。通过本章的学习，使学生了解经典电子气理论；了解电子气的基态性质；理解电子气的费米能量和热容量的概念；了解在准经典近似下晶体中的电子在均匀外电场中的运动规律。6集中授课、小组讨论课程目标1、5、6、7、87能带理论教学内容：晶体的周期性等效势；布洛赫函数；能带和能隙；克勒尼希-彭尼模型；导体、半导体和绝缘体的能带论解释。自主学习：倒易空间的克勒尼希-彭尼模型；空格点近似。通过本章的教学，使学生能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解布洛赫定理及其推论的证明，掌握晶体能带的基本特征；掌握能态密度的计算方法；掌握能带理论的近自由电子近似方法及其结论，了解平面波方法；理解导体、半导体、绝缘体的能带论解释。12集中授课、小组讨论课程目标1、5、6、7、8合计48四、课程教学方法集中讲授、小组讨论。五、学业评价和课程考核考核依据建议分值考核/评价细则对应课程目标平时成绩40%出勤0%每旷课一次扣2分课程目标1、6、8作业10%共10分，根据作业完成情况酌情量分课程目标1、7、8过程性考核10%阶段性测验，根据测验情况酌情量分课程目标1、2、3、4、5、6、7、8期中考试20%卷面成绩课程目标1、2、3、4、5、6、7、8期末考试60%卷面成绩课程目标1、2、3、4、5、6、7、8六、教材与参考书（一）推荐教材1．《固体物理学导论》，[美]基泰尔主编，北京