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固体物理学 主讲：陈莹 chen_ying@126.com 绪 论 固体物理学 Solid state physics 固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的粒子的运动形态及其相互关系的科学。 固体物理学的基本任务是从微观上解释固体材料的宏观物理性质。 主要理论基础是非相对论性的量子力学。 主要方法是应用薛定谔方程来描述固体物质的电子态。 固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。 简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？ 固体物理学 晶体的结构 在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体。早在18世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。 晶体的结构 布喇菲在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。 1912年，劳厄作了晶体对X射线的衍射实验，证实了晶体内部的周期性结构。 劳厄布拉格父子发展了 X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后发展了中子衍射法，70年代出现了高分辨电子显微镜，后来发展的扫描隧道显微镜和原子力显微镜 ， 使晶体结构的实验研究得到了进一步发展。 晶体的结合 晶体的许多宏观性质与组成晶体的粒子的结合方式有关，按结合力的性质可分为离子键、共价键、金属键、分子键和氢键等几种结合方式。 能带理论 在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。 电子不可能具有能带以外的能量值。能带理论由布洛赫和布里渊等人提出，这个理论不仅解释了金属导电性与绝缘体和半导体间存在差别的内在原因，而且在描述金属的导电和导热等输运过程方面均获得了成功。 能带理论 能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础。利用半导体的性质制造的各种电子学器件使电子学产生了革命性的变化，为电子电路的集成化和微型化创造了条件。 缺 陷 点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、磁学、发光学等)以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。 大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。 晶格动力学 固体比热容问题曾是另一研究热点。固体的比热与点阵振动密切相关，对点阵振动的研究导致了点阵动力学的诞生。固体的比热容在低温下不遵守杜隆-珀替定律，为此爱因斯坦和德拜分别于1907年和1912年提出了爱因斯坦模型和德拜模型，用量子统计方法计算了固体比热，固体比热在低温下的性质才得到解释。 黄昆(1919-2005)：1941年毕业于燕京大学，1944年毕业于西南联合大学的北京大学理科研究所，获硕士学位，1947年在英国布里斯托大学获得博士学位。1954年，黄昆与诺贝尔物理学奖获得者玻恩合著《晶格动力学》。1955年选聘为中国科学院院士。1980年当选为瑞典皇家科学院外籍院士。1985年当选为第三世界科学院院士。2001年获国家最高科学技术奖。 黄散射“——固体中的杂质缺陷会导致X光漫散射 黄方程 ——晶体中声子与电磁波的耦合振荡模式 “黄-佩卡尔理论”黄-里斯理论” ——多声子辐射和无辐射跃迁的量子理论 电子的运动 晶体中微观粒子的运动状态及其变化规律确定了晶体的宏观物性，因而研究晶体内部的微观运动就成为固体物理学的研究重点。针对金属的导热性和导电性问题，德鲁特和洛仑兹等人于20世纪初建立了经典的金属电子论，解释了关于金属导热性与导电性关系的维德曼-夫兰兹定律，后来 索末菲用量子统计理论代替洛仑兹所用的经典统计理论，解决了经典金属电子论无法解决的问题 。 特殊现象 非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。 超导电现象是某些固体在极低温度下表现出来的独特性质，首先由卡末林-昂内斯于1911年发现。对超导电性的理论、材料和应用方面的研究开辟了固体物理学的新领域 ——超导物理学。 本课程的主要内容 晶体的结构 晶体的结合 晶体振动与晶体热力学 晶体的缺陷 晶体中电子能带理论 自由电子论 电子的输运性质 参考资料 1 《固体物理学》 黄昆 韩汝琦 高等