固体地球物理学概论59页PPT

In three dimension orthogonal coordinate system, we can define stress p as (pxx pxy pxz pyx pyy pyz pzx pzy pzz).
固体地球物理学概论
第七章
弹性概念——应力 (续)
The stresses are symmetrical（对称的）, i.e. only six components of the stress tensor p are independent because
P = - (pxx+ pyy+ pzz)/3 This is a general definition of the “pressure”. In the special case of a liquid at rest, pxx= pyy= pzz = - P, this is the hydrostatic pressure. In geology, lithostatic pressure is often estimated by using
When the material in the mantle is heated, it expands and becomes lighter. In spite of its high viscosity（粘性）, it rises more or less vertically in some places, especially under the oceanic ridges. With its losing pressure and heat during traveling upward, the material is forced to travel horizontally. They drag the lithosphere motion.

组成晶态固体的粒子在空间周期性排列,具 有长程序,它的对称性是破缺的。
非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间的 分布是完全无序或仅仅具有短程序,具有高度 的对称性。
准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间 分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的 取向序。
固体物理的研究对象以晶体为主。
准晶
2 . 固体物理学的基本任务：是企图从微观上 去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。
到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结合 、晶体缺陷等学生材内容和学时分配 第一章 金属自由电子费米气体模型(10学时) 第二章 晶体的结构 (19学时) 第三章 能带论 (23学时) 第四章 晶格振动 (10学时) 第五章 输运现象 (5学时) 第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图(5学时)
曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图
Ultra-Thin Material
超导磁悬浮
Magnetic Domains by Magneto-optical Effect
包钴氧化铁 钡铁氧体
铁合金
CrO2
m
计算机的硬盘
计算机的硬盘
2007年诺贝尔 物理学奖---巨 磁电阻效应 （GMR)
4.基泰尔（C.Kittel 5th edition）著，杨顺华等 译，固体物理导论，科学出版社，1979
5.方可,胡述楠,张文彬 主编;固体物理学,重庆大 学出版社,1993
6.陈金福 主编 固体物理学—学习参考书 高等 教育出版社,1986 7.
8.阎守胜. 2000. 固体物理基础. 北京：北京大学 出版社
7.教学要求
1) 掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对 金属的电、热、光等物性进行分析； 2) 掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性 和分类、倒格子以及X射线衍射；

热激发传热率为 kc=K0 e-E/σT
K0: 常数，E：激发能量，σ：波尔兹曼（Boltzmann）常数，T：温度
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“波”的形式传播热量
激子的传热在地球的浅部是微不足道的，但在地表100 km以下深度 ，它的作用不可忽略，相应的热导率称为“激子热导率”。岩石温度越 高，其热传导能量就越大，在地幔中激子热导率比上述两种热导率更大 。
2T S k
If there is no source inside the media, the equation is
2T 0
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热对流传热
⑷对流传热 Heat convection (热对流) 当物质由高温移向低温区内，所携带的热能也随之发生迁移，这就
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岩石热导率
6.1.2 岩石热物理性质 ⑴（岩石）热导率（Thermal conductivity） k
q k T x
(W/m2)
k: W/(mºK). Or
q = -k▽T
Here q is the thermal flux, T is the temperature. Generally the thermal conductivity k decreases with the increment of the temperature.
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热流密度
⑶热流密度
热流密度被定义为在单位时间内流过单位面积的热量，它是一个矢量 ，以温度降低的方向为正。地球的大地热流密度是表征地球地温场的一个 重要物理量，一般用它表示地球内部热能向地球表面散失的状况。所以大 地热流密度系指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热流量。根据 稳定热传导原理，它等于岩石热导率与相应地温梯度的乘积。

T W W0
这里T称为重力干扰位。由布容斯公式可计算出大地水准面的高度N，即
N T / g0
其中g0为参考椭球面上的（正常）重力值。
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第三章
地球形状参数
固体地球物理学概论
第三章
垂线偏差与高程异常
3.3.5 垂线偏差与高程异常
大地水准面与参考椭球面的差 异，反映在法线方向上的差异称为 垂线偏差，反映在垂向距离的差异 称为高程异常。
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第三章
布格重力异常
⑵布格重力异常
如果在自由空间校正的基础上，把地形引起的引力效应也去掉，得 到单纯反映地下物质密度分布的重力异常，这个异常叫布格重力异常。
为得到布格异常，必须再进行消除地形影响的两项校正。
①布格校正： gB = -2Gh = -0.0419h mGal (h为海拔高程，单位m, 为地表物质平均密度，单位 g/cm3) ②地形校正（TC）：计算出测点周围地形相对平板层的起伏物 质所引起的引力效应. 布格重力异常： gB = g测 – g0 + gh + gB + gTC
大地水准面是指与“平均”海平面重合的水准面或重力等位面，其延 伸到陆地之下所形成的一个封闭曲面。 确定大地水准面的形状可分两步进行：第一步是确定地球的基本形状 ，第二步是确定大地水准面与基本形状或参考椭球面的偏差，即大地水准 面的高度N——高程异常。斯托克斯首先证明了N可以由重力的分布计算出 来。其基本思想如下： 假设实测重力位与参考面上重力位之差为
tc布格重力异常布格重力异常固体地球物理学概论固体地球物理学概论第三章343布格重力异常与地球内部构造布格重力异常在地质构造上的反映布格重力异常与地球内部构造布格重力异常与地球内部构造固体地球物理学概论固体地球物理学概论第三章布格重力异常与地形的关系布格重力异常与地形的关系布格重力异常与地形的关系固体地球物理学概论固体地球物理学概论第三章中国布格重力异常概略图中国布格重力异常概略图固体地球物理学概论固体地球物理学概论第三章中国中国mohomoho面深度图面深度图固体地球物理学概论固体地球物理学概论第三章3535地壳均衡与重力均衡异常地壳均衡与重力均衡异常351地壳均衡概念的由来1854年英国人普拉特j

44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
固体地球物理学概论
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔

• 其中G为万有引力常数，根据实验，其数 值近似为6.67×10－11 m3 /(kg·s 2 ）。
• ω为地球的自转角速度； • r为A点到地球自转轴的垂直距离。
• 为了简单化，常把单位质量所受到的重 力——重力场表示为重力，其中
F
G
M ρ2
Cω2r
固体地球物理学概论第四章
•2
• 当物体仅受到重力作用时，就会自由下 落，下落的加速度就称为重力加速度g ， 即
• 第五，太阳与月球的引力
固体地球物理学概论第四章
• 从时间上来说，由于太阳、月亮与地球 之间的相对位置存在一定周期的变化， 造成海洋潮汐及固体地球的弹性形变等 一系列地球物理现象。
• 这种由于太 阳、月亮对地球引力的变化 使固体地球形变而造成地表同一点出现 重力随时间的微小变化， 就称为重力固 体潮，其变化幅度约2－3g.u.，因而在 高精度重力测量中必须考虑这一因素的
• 经度线：过地轴的的平面与参考椭球面 之交线。
• 纬度线：垂直地轴的平面与参考椭球面 之交线。
• 纬度的不同定义：
• 地理纬度： 地面任意一点上参考椭球面 法线与赤道面之夹角。
• 地心纬度： 地面任意一点与地心连线与 赤道面之夹角。
固体地球物理学概论第四章
• 天文纬度： 地面任意一点上铅垂线（大 地水准面法线）与赤道面之夹角。
• 通常所说的重力，实际上是指单位质量所受 的力，在数值上等于重力加速度。
• 3、重力单位
• 衡量重力大小的单位有两个系统，一个是高 斯制（CGSM)，另一个是国际制（SI）。
• 历史上使用的是C.G.S.制，它是为了纪念第 一个测定重力加速度值的意大利著名物理学 家伽利略(G.Galieo)，取1cm/s２作为重力 的一个单位，称固作体地“球物理伽学概论”第四(章Gal)，

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简立方（Simple Cubic，简称 SC ）
三个基矢等长并且互相垂直。
a3 a
a2
原胞与晶胞相同。 a1
a1 ai a 2 aj a3 ak
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体心立方(Body
问题一
Centered
Cub8ic以1, 体B1心C原C2子个)为原顶子
点，分8别向三个顶角
体心立方晶胞中含有几个原子？ 原子引基矢。
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固体物理学原胞（原胞）特点：
只反映晶格周期性特征 体积最小的周期性重复单元 结点必为顶点，边长等于该方向周期的平行六
面体 六面体内部和面上皆不含其他的结点
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结晶学原胞（晶胞）的特点：
除反映晶体周期性特征外，还反映其特有 的对称性；
不一定是最小的重复单元； 结点不仅在顶角上，还可在体心或面心； 原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴
任何基元中相应原子周围的情况相同，但每个基 元中各原子周围情况不同。
c 基元
b a
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3、晶格、原胞
晶格：通过点阵中 的结点，做许多平 行的直线族和平行 的晶面族，点阵就 成为一些网格，即 晶格。
原胞：用来反映晶 体周期性（及对称 性）特征的六面体 单元，有：
固体物理学原胞 结晶学原胞
问题二
体心立方原胞如何选取？
问题三
原胞的基a1矢 a形2 式 a？3
1 2
a3
问题原四胞体a1积 a？2 (i
j
k)
a2
a 2
(i
j
k)
a3
a 2
(i
j
k)
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பைடு நூலகம்
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下 可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小， 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之， 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部，原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们 不是晶体品种的特征因素。
例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体 或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所 示。
有些晶体的解理性不明显，例如，金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义， 例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生，以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性，布拉菲在1848年提 出空间点阵学说，从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说，晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统，这些点子的总体称为点阵。

2. 金属的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用单电 子近似的方法建立能带理论
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，阐 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应：三维→二维→一维→零维（量子点） 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序：等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相（低温下流动无阻力） 8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）
23. 生物物理（蛋白质、DNA等） 24. 软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等） 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 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
程序）（急冷方式获得）
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性） 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制） 20. 超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、

固体地球物理学概论
第二章
自转及密度特征
⑶太阳系天体的自转
行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244天， 火星只需1.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到1天。
太阳自转有“赤道加速”现象，即赤道处自转约25.4天，两极附近约 35天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。
Obliquity Density
(AU)
(Earth＇s) (Earth＇s) (Earth＇s)
Inclination Eccentricity
(g/cm3)
Sun
0
109
332,800 25.36*
9
---
---
---
1.410
Mercury 0.39
0.38
0.05
58.8
0
7
0.2056
0.1°
固体地球物理学概论
第一章
地球物理学的研究方法
最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以地 球物理学研究是建立在对地球充分观测的基础上进行的。
地球物理学的研究方法可分为以下几个方面：
• 观测 • 数据分析与处理 • 模拟真实对象的理论模型计算与实验 • 推测真实对象反演计算
固体地球物理学概论
固体地球物理学概论
第一章
第一章 序言
什么是地球物理?
地球物理学研究哪些内容?
地球物理与其他学科的关系
地球物理的发展
地球物理对社会发展的贡献
固体地球物理学概论
第一章
地球物理学的定义
地球物理学是以地球为研究对象,研究地球的各种物理现象， 以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造、地球物质的 分布及迁移的关系的学科。(Geophysics)

基本概念（震源、震中、震源深度、震中距、震级，烈度） 地震分类与分布、发震的机制（弹性回跳原理）
地球结构
地球外貌及形状、地球内部结构
固体地球物理学概论 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多
复习
2. 地球的形状与重力
重力场
重力及其分布（重力的组成、变化特征) 引起重力变化的原因
大地水准面与地球形状
重力等位面与水准面 大地水准面
古地磁学及应用
磁极漂移与倒转 古地磁的应用
固体地球物理学概论 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多
复习
4. 地球的电磁感应与地电结构
地电性参数 大地电磁场的成因 影响大地电场与电磁场分布的因素
固体地球物理学概论 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多
复习
5. 地球的内部热流与地热
岩石热学性质与大地热流
岩石热学性质（热导率、比热、热扩散率） 大地热流值与地温梯度 地表大地热流分布特征 太阳热辐射对地温场的影响
地球内部热传递
热传递形式（热传导、热辐射、热激发、热对流） 壳幔热结构
地球内部温度分布 地球的热历史
固体地球物理学概论 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多
固体地球物理学概论 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多
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