固体物理 第一张章 绪论专业课教材

固体物理学周健2011.02.172011-2012学年第二学期周健主要研究方向：计算凝聚态物理研究兴趣：纳米材料的电子结构，光学性质；磁性和铁电材料的电子结构；高性能计算等联系方法：zhoujian.class@83596863一、绪论提纲课程目的和要求3课程内容和安排5课程目标2固体物理学简介64课程重点课程教材和参考书1课程教材胡安、章维益，《固体物理学》，高等教育出版社，2006年参考书CharlesKittel,Introductiontosolidstatephyscs(7thedition),NewYork:Wiley,1996.（中译本：《固体物理导论》）NeilW.AshcroftandN.DavidMermin,Solidstatephysics,FortWorth:Saunders课程目标固体物理学是物理系、材料系、强化部和理科基地学生的物理必修课。固体物理课程教学既要传授固体物理学知识，也要培育同学分析和解决问题的严谨科学方法及技巧，培养严谨求实的治学态度和刻苦钻研精神，使同学们在以后的实际应用中能够独立地分析解决问题，从而达到强化基础、提高研究能力、加强创新能力和综合素质的培养目标。本课程具体的定位与目标在于通过固体物理学课程的学习，使学生掌握从事凝聚态物理研究工作的物理基础，以及进一步学习《固体理论》和《凝聚态物理学》所需要的基本概念，为凝聚态物理学、材料科学以及相关学科培养优秀后备人才。

课程目的和要求通过本课程的学习，使学生掌握从事凝聚态物理研究工作的物理基础，以及进一步学习《固体理论》、《凝聚态物理导论》的基本概念和知识。课程将晶态物质作为主要研究对象，充分利用晶体的平移对称性，统一处理周期结构中波的传播问题。周期结构中波的传播问题包括晶格动力学导致的声波、电子德布罗意波导致的能带论，也包括自旋波和电磁波在周期结构中的传播。由于晶体对弱外场扰动的响应决定了体系的基态物理性能和元激发类型，在各相应的章节中应用了简单模型和处理方法论述系统的基态和低激发态属性，自然地引入了各类元激发，包括电子、空穴、声子、自旋波量子、极化激元和等离激元等，而不必将固体中元激发作专章处理。对于建立在周期性基础上的晶格动力学和固体能带论在特殊情况下遭到的破缺问题不做全面论述，但在适当的章节中穿插某些典型例子，如准周期系统和无序系统，偏离周期性系统（缺陷，表面，界面等）以及由无序导致的局域化问题，以说明简单模型的局域性和解决问题的思路。超出单粒子近似而计入例子间相互作用的多体效应问题，如金属磁性与超导电性及窄带体系中强电子关联所导致的金属绝缘体相变等，也作为典型例子穿插在相应章节中讨论。课程重点第一章：晶体的结构及其对称性。该章简要阐明晶体中原子周期排列和对称性的一些基本规律、基本概念和数学描述，及其结构的实验确定。第三章：晶格动力学和晶体的热学性质。该章主要阐述经典波（格波）在周期结构中的传播规律。第四章：能带论。该章主要阐述德布罗意波在周期结构中的传播规律。

课程主要内容：（参见教材目录）课程安排(2.13-6.17,二十周)

第一周（讲授4学时）绪言：固体物理的研究对象和内容、发展历史、研究方法和特点；第一章：晶体结构和X射线衍射中晶格及其周期性第二周（讲授4学时）第一章中正点阵，晶列、晶面及标志，倒点阵第三周（讲授4学时）第一章中晶体的宏观对称性及其限制第四周（讲授4学时）第一章中晶体的空间群及其分类第五周（讲授4学时）第一章中晶体X射线衍射，准晶体第六周（讲授4学时）第二章原子的负电性和晶体结合类型第七周（讲授4学时）第二章晶体的结合能第八周（讲授4学时）第三章本征模和格波，一维单双原子链，三维晶格振动第九周（讲授4学时）第三章离子晶体中黄昆方程，极化激元和局域模第十周（讲授4学时）第三章晶格比热，状态方程和热膨胀第十一周（讲授4学时）第四章一维三维近自由电子近似，布里渊区第十二周（讲授4学时）第四章布洛赫定理、电子能带、紧束缚方法和能态密度及其测量第十三周（讲授4学时）第四章准经典运动和晶体分类第十四周（讲授4学时）第四章平面波方法和其他能带计算方法第十五周（讲授4学时）第五章晶体的电子比热和电输运第十六周（讲授4学时）第五章晶格振动对电子的散射，第七章固体磁性分类，顺磁离子磁性，载流子磁性和铁磁性第十七、十八周（讲授8学时）第七章自旋波量子，巡游电子磁性和自旋相关散射第十九、二十周复习考试如何学好本课程上课认真听讲独立完成作业课后复习巩固公式需要自己推导，同时要特别注重对物理图像的理解成绩评定平时20%（作业和点名）期中考试20%期末考试60%考试闭卷或者取消平时成绩，按照期中和期末考试分别30%和70%算最后成绩？固体物理学简介固体物理研究对象固体：物质存在的一种状态，与液体和气体相比，固体有比较固定的体积和形状。固体由原子构成，在一立方厘米的固体中大约含有1023个原子。通常大部分固体中的原子按照严格的次序排列，原子之间有较强的相互作用。固体的宏观性质（力、热、电、磁、光等性质）都由微观的原子种类和排列决定。固体物理学是研究固体的性质、固体的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体物理学即研究固体宏观的物理性质，也研究其内部的微观结构和性质，更研究其两者之间是如何联系起来的。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。也是最实用、最重要的一门基础课程。固体物理发展历程如果要从人类使用固体来谈固体物理学的发展史，那么可以追溯到几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术，人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质，并用之于绘画、装饰等，但这只能说人们学会了使用固体。在这段漫长的历史时期中，固体并没有构成一门学问。两千多年前古希腊的原子论：德谟克利特探讨了物质结构的问题，提出了原子论的思想。他认为万物的本原是原子和虚空。原子是一种最后的不可分割的物质微粒，它的基本属性是"充实性"，每个原子都是毫无空隙的。虚空的性质是空旷，原子得以在其间活动，它给原子提供了运动的条件。原子的数目是无穷的，它们之间没有性质的区别，只有形状、体积和序列的不同。运动是原子固有的属性。18世纪，阿羽依（Hauy）认为：方解石是有一些坚实的相同的平行六面体的小基石有规律重复堆积而成。19世纪中，布拉维、（布拉格，Bravais）发展了空间点阵学说，概括了晶体周期性的特征。19世纪末，费多洛夫，熊夫利，巴罗等人独立发展了关于晶体微观几何结构的理论体系。1819年，晶体比热的杜隆-玻替定律（Dulong-Petitlaw）:Cv=3NkB1853年，金属热导和电导的关系,魏德曼-弗拉兹定律(Wiedemann-Franzlaw)

:κ/σ=LT。Drude和Lorentz建立的经典的金属自由电子理论。1912年，劳厄首先提出晶体可以作为x射线的衍射光栅，通过大量实验和数据分析，对晶体结构有了较深的了解，证实了空间群理论。量子力学使得人们能够深入和比较正确地描述晶体内部微观粒子的运动规律。比如爱因斯坦提出了量子化的固体比热，索末菲发展了固体量子论；费米发展了量子统计理论。二十世纪三十年代，人们进行了关于晶体中电子能量状态、运动规律以及晶体中原子的热运动和热缺陷的研究工作。人们对固体的认识开始由表及里，由宏观到微观、由定性到定量、由现象到本质。在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预测了半导体的存在。20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管--产生了半导体物理。1960年诞生的激光技术，第一台激光器是红宝石激光器，就是固体激光器。对晶体结构的检测和组装：X光，中子衍射技术，SEM，TEM，HRTEM，AFM等等各种材料的制备技术，如超硬材料，非线性光学晶体，各种薄膜沉积技术以及各种外延生长技术。新型固体元件：除了半导体，还有固体激光器，磁性、压电和超导元件各种微和纳米加工技术新的学科：磁学、电介质物理学、低温物理学、薄膜物理学，低维物理学以及计算凝聚态物理学。1947年，Bardeen

等人