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固体物理学发展简史
固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结
构、构成物质的各种粒子的运动形态,及其相互关系的科学。
它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
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?它们是怎样罗列和结合
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?探索
设计和制备新的固体,研究其特性,开辟其应用。
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。后来,布喇格在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年劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象,
证实了晶体内部原子周期性罗列的结构。加之后来布喇格父
子1913年的工作,建立了晶体结构分析的基础。对于磁有
序结构的晶体,增加了自旋磁矩有序罗列的对称性,直到20
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世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。
第二次世界大战后发展的中子衍射技术,是磁性晶
体结构分析的重要手段。70年代浮现了高分辨电子显微镜点
阵成像技术,在于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起,
人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结
构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善,
成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微
镜,可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。
晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的
基本形式有密切关系。通常晶体结合的基本形式可分成:高
子键合、金属键合、共价键合、份子键合和氢键合。根据X
射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质,或者依据晶体
价电子的局域密度分布的自洽理论计算,人们可以准确地判
定该晶体具有何种键合形式。
固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学
性质的基础。维德曼和夫兰兹于1853年由实验确定了金属
导热性和导电性之间关系的经验定律;洛伦兹在1905年建
立了自由电子的经典统计理论,能够解释上述经验定律,但
无法说明常温下金属电子气对照热容贡献甚小的原因;泡利
在1927年首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁
性,索末菲在1928年用量子统计求得电子气的比热容和输
运现象,解决了经典理论的艰难。
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布洛赫和布里渊分别从不同角度研究了周期场中
电子运动的基本特点,为固体电子的能带理论奠定了基础。
电子的本征能量,是在一定能量范围内准连续的能级组成的
能带。相邻两个能带之间的能量范围是完整晶体中电子不许
可具有的能量,称为禁带。利用能带的特征以及泡利不相容
原理,威耳逊在1931年提出金属和绝缘体相区别的能带模
型,并预言介于两者之间存在半导体,为尔后的半导体的发
展提供理论基础。
贝尔实验室的科学家对晶体
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