固体物理学SolidStatePhysics

《固体物理》课程教学大纲一、《材料制备技术》课程说明（一）课程代码：08131007（二）课程英文名称：Solid State Physics（三）开课对象：物理系本科专业（四）课程性质：本课程是材料物理专业和应用物理专业的一门专业必修课。

（五）教学目的这是继大学物理以后基础且关键的一门课程。

通过本课程的学习，使学生了解晶体结构的基本描述、固体材料的宏观和微观特性，以及自由电子模型和能带理论等，掌握周期性结构固体材料的常规性质和处理方法，为以后专业课程的学习提供基础的知识。

（六）教学内容：基本内容有两大部分：一是晶格理论，二是固体电子理论。

晶格理论包括：晶体的基本结构及确定晶格结构的X光衍射方法；晶体中原子间的结合力和晶体的结合类型；晶格的热振动及热容理论；晶格的缺陷及其运动规律。

固体电子论包括：固体中电子的能带理论；金属中自由电子理论和电子的输运性质。

（七）学时数、学分数及学时数具体分配学时数：72学分数：4（八）教学方式：课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明：考核方式为考试。

严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占20％，平时成绩占20％，期末成绩占60％。

二、讲授大纲与各章的基本要求第一章晶体的几何教学要点：通过本章的教学使学生初步了解晶体几何学的基本知识，掌握晶格、晶面、晶向等基本概念，对点群和对称性有一定的了解。

教学时数：12教学内容：第一节：晶格及其周期性第二节：晶向、晶面和它们的标志第三节：晶体的宏观对称和点群第四节：晶格的对称性考核要求：1.理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别（领会）2.掌握原胞、基矢的概念，清楚晶面和晶向的表示，了解对称性和点阵的基本类型（识记）3.了解简单的晶体结构（识记）4.掌握倒易点阵和布里渊区的概念，能够熟练地求出倒格子矢量和布里渊区（应用）第二章晶体的结合教学要点：了解晶体的基本结合形式，掌握原子的负电性的基本原理，能熟练计算离子晶体的结合能。

固体物理英文
固体物理学（solid state physics）是研究固体的物理性质、微观结构、固体中各种粒子运动形态和规律及它们相互关系的学科，是物理学的重要分支，涉及力学、热学、声学、电学、磁学和光学等各方面的内容。

固体物理的研究对象包括晶体、非晶体、液体和金属等，其研究方法包括X射线衍射、中子衍射等。

本学科是材料和器件物理的重要理论基础，是物理专业学生一门重要的较为综合的课程，对于学生获取有关学科的基础知识、培养科学思维、训练解决具体问题的能力等方面都非常有益。

课程编号：011908 总学分：3学分固体物理（Solid-State Physics）课程性质：学科大类基础课适用专业：应用物理学专业学时分配：课程总学时：48学时。

其中：理论课学时：46学时（含演示学时）；实验学时：0学时；上机学时：0学时；习题课学时：2学时。

先行、后续课程情况：先行课：高等数学、热力学与统计物理,；后续课：量子力学,原子物理。

教材：《固体物理学》，黄昆，韩汝琦，高等教育出版社参考书目：《固体物理学》，陆栋，上海科学技术出版社《固体物理基础》，阎守胜，北京大学出版社《固体物理简明教程》，蒋平，徐至中，复旦大学出版社一、课程的目的与任务固体物理学是应用物理和物理类各专业的一门必修基础课程，是继四大力学之后的一门基础且关键的课程，它的主要内容是研究固体的结构及组成粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与运动规律，阐明固体的性能和用途，尤其以固态电子论和固体的能带理论为主要内容。

通过固体物理学的整个教学过程，使学生理解晶体结构的基本描述，固体电子论和能带理论，以及实际晶体中的缺陷、杂质、表面和界面对材料性质的影响等，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，为以后的专业课学习打好基础。

二、课程的基本要求教学内容的基本要求分三级：掌握、理解、了解。

掌握：属于较高要求。

对于要求掌握的内容（包括定理、定律、原理等的内容、物理意义及适用条件）都应比较透彻明了，并能熟练地用以分析和计算有关问题，对于能由基本定律导出的定理要求会推导。

理解：属于一般要求。

对于要求理解的内容（包括定理、定律、原理等的内容、物理意义及适用条件）都应明了，并能用以分析和计算有关问题。

对于能由基本定律导出的定理不要求会推导。

了解：属于较低要求。

对于要求了解的内容，应该知道所涉及问题的现象和有关实验，并能对它们进行定性解释，还应知道与问题直接有关的物理量和公式等的物理意义。

三、课程教学内容绪论：了解固体的分类和固体物理学的研究内容；了解固体物理学的发展历史；了解固体物理学的研究方法。

Solid-State Physics1.1 Classification of Solids by Binding ForcesBinding force 结合力crystalline a. 结晶的equilibrium n. 平衡equilibrium position 平衡位置chemical bonding 化学键molecule n. 分子perturbation n. 微扰perturbation theory 微扰理论quantum mechanical 量子力学的quantum mechanics 量子力学van der Waals forces 范德瓦尔斯力short range 短程short-range force 短程力repulsive force 斥力transitory dipole 瞬时偶极子harmonic oscillator 谐振子、简谐振子、正弦波发生器electrically neutral 电中性的electrical neutrality 电中性kinetic energy 动能interatomic potential 原子间势interatomic spacing 原子间距the permittivity of free space 真空介电常数zero-point energy 零点能ground state 基态ground state energy 基态能量attractive force 引力Lennard-Jones potential 雷纳德－琼斯势Coulomb attraction 库仑引力Coulomb repulsion 库仑斥力potential energy 势能prime 上撇号，符号(′)Madelung constant 马德隆常数cohesive energy 结合能reversible process 可逆过程entropy 熵internal energy 内能isothermal compressibility 等温压缩率metallic bond 金属键Pauli exclusion principle 泡利不相容原理covalent bond 共价键cleavage plane 解理面valence crystal 共价键晶体molecular crystal 分子晶体ionic crystal 离子晶体metallic crystal 金属晶体hydrogen-bonded crystal 氢键晶体proton 质子1.2 Group Theory and Crystallography crystallography 结晶学。

《固体物理学》教学大纲
一、课程基本信息
二、课程教学目标
通过本课程的学习，使学生将能够了解固体物理学发展的基本情况，以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用，了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况，掌握固体物理学的基本概念和基本规律，掌握晶体宏观物理性质及其组成粒子之间相互作用与运动规律，并能解释晶体基本物理性质的微观机理，培养应用固体物理学理论分析和处理问题的能力。

三、理论教学内容与要求
四、考核方式
采用期末考试、平时考核的考核方式。

总成绩为100分，其中期末考试成绩占总成绩的70％，平时成绩(考核包括作业、出勤、课堂讨论等)占总成绩30％。

《固体物理学》教学大纲课程代码：NANA3012课程名称：固体物理学英文名称：Solid State Physics课程性质：专业核心课学分/学时：4/72考核方式：闭卷考试开课学期：5适用专业：纳米器件技术先修课程：量子力学，大学物理后续课程：光电器件技术开课单位：纳米学院选用教材：《固体物理学》；作者：黄昆原著；韩汝琦改编；出版社：高等教育出版社一、课程目标通过本课程的理论教学和实验训练，使学生具备下列能力：1.掌握固体物理学中的基本概念，能够在科学论文阅读和科学实验中辨识出其应用的固体物理学基本概念。

（支撑毕业要求指标点1-1）2.能根据固体物理学中的基本概念和定理，对固体中常见的物理现象进行分析和定量化求解。

（支撑毕业要求指标点1-2）3. 能根据固体物理学中的基本概念和定理，对固体状态的纳米材料的关键物理性能指标进行评价，进而对纳米科技领域的复杂物理问题进行预测与模拟。

（支撑毕业要求指标点2-1）二、教学内容主要包含四部分：固体的晶体结构及晶体结合；固体的晶格振动；固体的电子结构。

1. 固体的晶体结构的主要内容包括：布拉伐格子，晶体系统分类，晶面及晶向，倒格矢，布里渊区，X光衍射，晶体的结合类型，不同类型的晶体结合中的力及势能特征等。

要求学生：（1）能理解并熟练掌握晶体结构及晶体结合的基本概念；（2）掌握晶面及晶向的相关计算，掌握晶体结合能的相关定理及公式的应用及计算；（3）掌握X光衍射的实验原理，会解释纳米结构的X光衍射图谱。

2. 固体的晶格振动的主要内容包括：一维单原子链的简谐振动，一维双原子链的简谐振动，声子，声子振动的色散关系，声学声子与光学声子，表面声子激元等要求学生：（1）能理解并熟练掌握晶格振动的基本概念，特别是声子；（2）掌握一维单原子链及一维双原子链简谐振动的色散关系的推导；（3）掌握表面声子激元的实验原理，会解释纳米结构的表面声子激元光谱。

3. 固体的电子结构的主要内容包括：布洛赫定理，费米能级，费米面，能带及能带结构，自由电子模型，表面等离激元等要求学生：（1）能理解并熟练掌握固体电子结构的基本概念，特别是费米能级和能带结构；（2）掌握布洛赫定理的推导，费米能级的相关计算；（3）掌握表面等离激元的实验原理，会解释纳米结构的表面等离激元光谱。

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。

固体物理学研究和发展简单地说，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？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。

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。

20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了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，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。

晶体内部的微观运动：经典的金属电子论，维德曼-夫兰兹定律量子统计理论在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带：能带理论固体比热容问题：点阵动力学相变：相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。

缺陷：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。

非晶态固体超导电现象：超导物理学。

本课程的内容结构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 《固体物理基础》阎守胜北京大学出版社20002 《固体物理学》黄昆韩汝琦高等教育出版社19883 《固体物理学》陈长乐西北工业大学出版社19984 《固体物理基础》王淑华济南大学出版社19985《Introduction to Solid Physics》C.H. Kittel 6th Ed 1986第一章晶体的结构1-1 晶体的共性一固体的分类晶体: 长程有序单晶体多晶体非晶体: 不具有长程序的特点,短程有序。

量子力学：量子力学(uantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。

原子物理学:子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。

它主要研究：原子的电子结构；原子光谱；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。

运用原子物理学的发展对激光技术的产生和发展，作出过很大的贡献。

激光出现以后，用激光技术来研究原了物理学问题，实验精度有了很大提高，因此又发现了很多新现象和新问题。

射频和微波波谱学新实验方法的建立，也成为研究原子光谱线的精细结构的有力工具，推动了对原子能级精细结构的研究。

因此，在20世纪50年代末以后，原子物理学的研究又重新被重视起来，成为很活跃的领域。

原子量(atomic weight)原子量有两种：原子原子量和元素原子量。

原子原子量是原子以碳单位为质量单位(见“原子质量单位”)量度的原子质量，是一种相对质量。

如12C原子的原子量为12.000000，13C原子的原子量为13.008665。

而通常所说的化学元素的原子量是指该元素在自然界存在的同位素混合物的平均原子量，跟混合物中各成分的占有率直接有关。

元素原子量的计算公式为：元素原子量，其中mi，λi分别为第i种同位素的原子量和它在混合物中的占有率，r为同位素的种数。

如自然界的碳，是三种同位素12C、13C、14C的混合物，分别占98.892%，1.108%，12×10-10%，因此，碳元素的原子量是12×98.892%+13×1.108%=12.011，而不是整数12，这就是元素周期表中列出的碳原子量。

若某元素没有天然同位素，则该元素原子量就是该原子的原子质量(以碳单位为质量单位)。

ashcroft 的 _solid state physics_功函数在固体物理学中，功函数（Work function）是一个重要的概念，它描述了电子从材料表面逸出所需的最小能量。

这个概念是由英国物理学家Ashcroft在固体物理学领域做出了重要贡献。

本文将探讨Ashcroft对固体物理学中的功函数的研究及其重要性。

一、Ashcroft与固体物理学N. W. Ashcroft是一位杰出的物理学家，他在固体物理学领域做出了卓越的贡献。

他的研究领域主要集中在固体电子结构、材料科学和纳米技术等。

在他的努力下，固体物理学领域取得了许多突破性的成果，为材料科学和工业应用提供了理论基础。

二、功函数的定义及意义功函数是指材料表面逸出电子所需的最小能量。

在电子从材料表面逸出时，需要克服库仑势垒，这个势垒的高度就是功函数。

功函数的大小与材料本身的电子结构和表面状态有关，是材料性质的一个重要参数。

功函数在电化学、表面科学和材料科学等领域有着广泛的应用。

三、Ashcroft对功函数的研究Ashcroft对固体物理学中的功函数进行了深入的研究。

他通过理论分析和实验研究，提出了多种影响功函数的主要因素，如原子间距、电子云分布、表面粗糙度等。

他还研究了不同材料之间的功函数差异，为材料选择和表面处理提供了理论依据。

此外，Ashcroft还提出了利用功函数进行材料分类的方法。

他将材料分为两类：吸电子材料和放电子材料。

吸电子材料的表面容易吸附电子，而放电子材料的表面容易逸出电子。

这种分类方法有助于我们更好地理解材料的电学、化学和光学性质。

四、Ashcroft功函数的实际应用Ashcroft功函数的应用十分广泛，在电化学、能源、环境科学和纳米技术等领域都有着重要的应用价值。

例如，在电池和燃料电池中，功函数是决定电池性能的重要参数。

通过了解材料的功函数，可以优化电极设计，提高电池的能量密度和稳定性。

此外，在环境科学中，了解材料的功函数有助于我们选择合适的表面处理剂，提高污染物的去除效率。