固体物理基础(8学时)

《固体物理》课程教学大纲课程名称：固体物理课程类别：专业必修课适用专业：物理学考核方式：考试总学时、学分：56 学时 3.5 学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标固体物理学是应用物理和物理类专业的一门基础课程，是继四大力学之后的一门基础且关键的课程。

主要内容是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、用途以及其与微观图像的联系，以晶格振动、固态电子论和固体的能带理论为主要内容。

课程教学目标为：课程教学目标1：通过固体物理学的整个教学过程，使学生理解晶体微观结构和宏观性质的联系。

课程教学目标2：熟悉固体无论晶格结构，基本键和作用，晶格振动的物理图像，固体电子论和能带理论等基本概念和物理图像。

课程教学目标3：了解固体物理领域的一些新进展，为以后的专业课和研究生阶段学习打好基础。

课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。

二、课程教学要求本课程教学的基本结构要求：本课程以晶体结构、晶体结合、晶格振动、能带理论、金属和半导体电子理论、外场中晶体电子的运动规律为基本结构，内容有晶格周期性、晶格的对称性、晶体四种结合方式、简谐振动、声子、晶格振动的热容理论、晶格振动模式密度、布洛赫定理、弱周期场近似、紧束缚近似、能态密度、准经典运动、回旋共振、德哈斯-范阿尔芬效应、电子热容等。

执行本大纲应注意的问题：1.注意本课程与量子力学和热统的紧密联系，尤其是注意量子力学课程进度；2．注意讲清本课程中的基本概念和基本理论，在保持课程的科学性及系统性的基础上，应突出重点、难点，并努力反映本学科的新成就，新动向；3．因学时有限，而内容较多，因此有一部分内容要求学生自学。

学生自学部位不占总学时，但仍然是大纲要求掌握内容。

学生自学部分，采用由教师提示，学生课后自学并提出问题，老师课后解答的方式；4．注重学生思考问题，培养学生思维和研究精神。

《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。

（一）晶体结构（ 14 学时）(1) 了解晶体的基本特征；(2) 理解空间点阵和布拉菲格子的概念；(3) 了解几种常见的晶体结构；(4) 理解密堆积和配位数的概念；(5) 掌握确定晶向指数和米勒指数的方法；(6) 理解倒格子的概念，掌握晶面间距的计算方法；(7) 了解晶体的对称性的类型；(8) 了解晶系和布拉菲原胞的概念；(9) 理解X射线衍射分析晶体结构的方法；(10) 理解原子散射因子和几何结构因子的概念；(11) 了解电子衍射、中子衍射和扫描隧穿显微镜的原理。

掌握和理解：晶体特征、空间点阵，晶格的周期性、基矢，原胞、晶胞，晶列、晶面指数倒易点阵，倒格子原胞（布里渊区）晶体的对称性、晶系、布喇菲原胞密堆积、配位数X射线衍射方程，原子散射因子，几何结构因子重点：晶体结构，空间点阵，倒移点阵晶向、晶面指数。

难点：晶体对称操作，点群和空间群。

§1.1节晶体的特征和晶体结构的周期性一、晶体的特征1、固体分为两大类：晶态和非晶态。

非晶态固体：又叫过冷液体，没有长程序，无固定的熔点。

晶态固体：内部原子和分子的排列是有规则的，长程有序。

晶体分单晶体和多晶体。

单晶体：单晶体中原子排列的周期性是在整个固体内部存在的；无限大的严格的单晶体可以看成是完美的晶体。

多晶体：是由很多不同取向的单晶体的晶粒组成的固体。

长程序解体时对应一定的温度，所以有一定的熔点。

2、晶体结构：固体具有许多的宏观物理性质，介绍、分析这些性质是固体物理学的内容。

我们知道材料的宏观物理性质、化学性质取决于构成材料的元素种类、更取决于这些组成元素的原子以何种质粒形态(原子、分子、离子、或它们的集团)、以何种方式排列于材料之中。

质粒在固体中的空间排列方式称为晶体结构，这是研究固体的宏观性质首选要解决的问题。

3、晶体（单晶）具有解理性：沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，这样的晶面称为解理面。

晶体容易沿解理面劈裂，说明平行于解理面的原子层之间的结合力弱，即平行解理面的原子层的间距大，因为面间距大的晶面族的指数低，所以解理面是面指数低的晶面。

《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％。

固体物理学课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：固体物理学所属专业：理学专业课程性质：专业基础课学分：4（二）课程简介、目标与任务；课程简介：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。

本课程以点阵及晶体对称性为主线，以周期结构中的波动问题贯穿固体物理的整个教学内容。

基本目标与任务：1.掌握包括对点阵及晶体对称性的定义、表征和检测，以及在晶体中物质的运动规律；2.在掌握知识架构的同时，对固体物理中处理多体问题的方法及其局限性有所了解，并了解一些重要概念的实验探测；3.获得在本门课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力；4.为学习后续课程和独力解决实际问题打下必要的基础。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；先修课程：《理论力学》、《电动力学》、《热力学统计物理》、《量子力学》以及《数学物理方法》关系：《理论力学》、《电动力学》、《热力学统计物理》、《量子力学》以及《数学物理方法》是固体物理学的数学基础和物理基础，固体物理学在此先修课程的基础上系统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。

（四）教材与主要参考书。

选用教材：基泰尔，固体物理导论（第八版）。

主要参考书：1.黄昆、韩汝琦，固体物理学，高等教育出版社2.Neil W. Ashcroft、N.David Mermin，Solid state Physics3.刘友之、聂向富、蒋生蕊，固体物理学习题指导二、课程内容与安排绪论第一章晶体结构第一节原子的周期性阵列第二节晶格的基本类型第三节晶面指数系统第四节简单晶体结构第二章晶体衍射和倒格子第一节晶体衍射第二节散射波振幅第三节布里渊区第四节结构基元的傅里叶分析第三章晶体结合与弹性常量第一节晶体结合的基本形式第二节惰性元素晶体（分子晶体）第三节离子晶体第四节共价晶体第四章声子（I）：晶格振动第一节单原子结构基元情况下的晶格振动第二节基元中含有两个原子的情况第三节弹性波的量子化第四节声子动量第五节声子引起的非弹性散射第五章声子（II）：热学性质第一节声子比热容第二节非谐晶体相互作用第三节导热性第六章自由电子费米气第一节自由电子费米气的物理模型第二节能级和轨道第三节电子气的比热容第四节电导率和欧姆定律第五节电子在外加磁场中的运动第六节金属热导率第七章能带第一节近自由电子模型第二节布洛赫定理第三节克勒尼希-彭尼模型第四节电子在周期性势场中的波动方程第五节能带图示法第六节金属与绝缘体第八章半导体晶体第一节运动方程第二节有效质量第三节回旋共振第四节本征载流子浓度第五节杂质导电性第九章费米面和金属第一节费米面构图法第二节电子在恒定磁场下的运动轨道第三节等能面与轨道密度第四节紧束缚近似第五节费米面研究中的实验方法（一）教学方法与学时分配采用以课堂讲授为主、结合习题讨论和随堂提问的方法，促进学生认真听讲及课后复习整理。

《固体物理》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号:13103104课程类别:专业核心课程适应专业:材料物理总学时:64学时总学分:3学分课程简介:固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律的学科,也是材料物理的重要基础课程。

固体物理学研究的对象是由大量粒子组成的复杂系统。

这些大量粒子之间存在着复杂的相互作用,但同时也包含了丰富的物理现象。

对于这种复杂的系统,人们必须作近似处理,找出描述某种现象的物理本质。

这对学生的抽象、假设、创造力的培养是非常重要的。

授课教材:《固体物理学》,黄昆、韩汝琦,高等教育出版社,1988,1996年获国家科学技术进步二等奖、全国第二届优秀教材特奖参考书目:[1]《固体物理引论》,基特耳著、万纾民等译,人民教育出版社,1962年。

[2]《固体物理学》,H.E.Hall,刘志远等译,高等教育出版社,1983年。

[3]《固体物理学》,谢希德等,上海科学技术出版社,1961年。

[4]《固体物理学》,顾秉林、王喜坤,清华大学出版社,1989年。

[5]《固体物理》,徐毓龙、阎西林,西安电子科技大学出版社,1990年。

[6]《固体物理学》,陈长乐,西北工业大学出版社出版,2000年。

二、课程教育目标固体物理学是物理学中的重要分支,本课程是材料物理学的基础理论课,是物理专业及其相近专业非常重要的基础课、必修课。

课程强调对固体物理学的科学方法、物理图象的理解。

学生通过本课程的学习要求掌握固体物理学的基本概念、基本模型和方法,了解它们在各类技术中的应用,为进一步学习专业课,为毕业后从事科研和高新技术工作打下坚实的基础。

三、教学内容与要求第一章晶体结构教学重点:晶体结构,空间点阵,倒移点阵晶向、晶面指数教学难点:倒格子,晶体对称操作教学时数:10学时教学内容:一些晶格的实例,晶格的周期性,晶向、晶面和它们的标志,倒格子,晶体的宏观对称性。

教学方式:课堂讲授教学要求:(1)掌握晶体的空间点阵,晶体基矢的表达,倒易点阵,晶面、晶向的概念以及正点阵和倒移点阵的关系。

《固体物理》课程教学大纲课程代码：090632008课程英文名称：Solid State Physics课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程专业大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标固体物理学是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

它可作为高等理工学校光电信息科学与工程专业的专业基础课、选修课。

固体物理学是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的学科，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。

要求学生深入理解其基本概念，有清楚的物理图象，能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握晶格结构、晶体的结合、晶格振动与热性质、固体电子理论、半导体、费密面和金属和固体磁性质等部分揭示丰富多彩的固体形态（如金属、绝缘体、半导体等）形成的基本物理规律，并介绍一些重要的实验方法，如X-光衍射，中子散射实验等。

2.基本理论和方法：掌握晶体结构、声子、自由电子和能带理论等固体物理的基本理论，作为凝聚态物理学、现代材料科学和微电子技术的理论基础。

3.基本技能：能够利用所学习的知识对材料研究中的一些现象进行解释，并建立用模型去理解固体性质的思维方式等。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。

《固体物理学》教学大纲（适用于本科物理学专业）课程编码：140613040学时：64学分：4开课学期：第七学期课程类型：专业必修课先修课程：理论力学，电动力学，热力学与统计物理，量子力学教学手段：多媒体一、教学目的与任务：本课程是物理学专业本科生的专业选修课。

通过本课程的学习，使学生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，培养学生的科学素质和科学精神；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，培养学生的现代意识和科学远见；掌握固体物理学的基本概念和基本规律，培养掌握科学知识的方法；掌握应用固体物理学理论分析和处理问题的手段和方法，培养科学研究的方法。

二、课程的基本内容：1.晶体的结构2.固体的结合3.晶格振动与晶体的热学性质4.能带理论5.晶体中电子在电场和磁场中的运动6.金属电子论三、课程的教学要求：（1）掌握晶体的空间点阵，晶体基矢的表达，倒易点阵，晶面、晶向的概念以及正点阵和倒易点阵的关系。

（2）掌握晶体的结合类型和结合性质。

（3）掌握一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的量子化、声子的概念。

爱因斯坦模型和德拜模型解释固体的比热性质。

（4）掌握自由电子气的概念，自由电子气的费密能量，布洛赫波以及自由电子模型。

（5）掌握布里渊区的概念以及近自由电子近似和紧束缚近似方法计算能带的理论。

（6）了解晶体的对称操作类型，了解非谐效应，确定振动谱的实验方法以及晶格的自由能。

（7）了解金属中电子气的热容量，金属、半导体、绝缘体以及空穴的概念。

四、课程学时分配：第一章晶体结构(8学时)【教学目的】通过本章的教学，使学生了解晶格结构的一些实例；理解和掌握晶体结构的周期性特征及其描述方法；理解和掌握晶体结构的对称性特征及其描述方法；理解和掌握倒格子的定义及其与正格子的关系。

【重点难点】重点：晶体结构的周期性特征及其描述方法、晶体结构的对称性特征及其描述方法、倒格子及其与正格子的关系。