0固体物理-课程介绍

《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。

固体物理课程固体物理是物理学的一个重要分支，研究物质的宏观和微观结构，以及物质在不同条件下的性质和行为。

固体物理课程是物理学专业的一门核心课程，对于理解物质的基本性质和物质在实际应用中的表现具有重要意义。

固体物理课程首先介绍了固体的基本概念和特性。

固体是具有一定形状和体积的物质，其分子或原子之间存在着密切的相互作用力，使得固体具有较高的密度和较低的可压缩性。

固体物理研究的对象包括晶体、非晶体、液晶等不同类型的固体材料，以及固体材料的结构、性质和行为等方面。

固体物理课程还探讨了固体的结构和晶体学。

固体的结构是指固体中原子或分子的排列方式，晶体学则是研究晶体的结构和性质的科学。

固体物理课程通过介绍晶体的点阵、晶格常数、晶体缺陷等概念，帮助学生理解晶体的基本结构和性质，并学习如何通过X射线衍射等实验手段来确定晶体结构。

固体物理课程还涉及了固体的热学性质和热传导。

固体材料的热学性质包括热容、热导率等，这些性质与固体材料的结构和组成有密切的关系。

热传导是指固体内部热能的传递过程，固体物理课程通过介绍热传导的基本原理和数学模型，帮助学生理解热传导过程，并学习如何计算和控制热传导。

固体物理课程还包括了固体的电学性质和磁学性质。

固体材料的电学性质包括电导率、电介质常数等，而固体材料的磁学性质则包括磁化强度、磁导率等。

固体物理课程通过介绍电场和磁场对固体材料的影响，帮助学生理解固体的电磁响应和磁化过程，并学习如何应用电磁理论解释和控制固体材料的性质和行为。

固体物理课程还涉及了固体的声学性质和光学性质。

固体材料的声学性质包括声速、声衰减等，而固体材料的光学性质则包括折射率、吸收系数等。

固体物理课程通过介绍声波和光波在固体中的传播和衍射规律，帮助学生理解固体的声光效应，并学习如何应用声光技术实现固体材料的探测和应用。

固体物理课程的学习不仅要求学生掌握固体物理的基本概念和理论，还要求学生具备实验技能和数据处理能力。

固体物理实验包括晶体结构分析、热传导测量、电磁性质测试等，学生需要通过实验操作来加深对固体物理理论的理解和掌握。

《固体物理教案》PPT课件一、引言1. 介绍固体物理的概念和重要性2. 固体的分类和特点3. 固体物理的研究方法和内容二、晶体结构1. 晶体的定义和特点2. 晶体的基本结构类型3. 晶体的空间群和点群4. 晶体的对称性分析三、晶体的物理性质1. 晶体的光学性质2. 晶体的电性质3. 晶体的磁性质4. 晶体的热性质四、晶体的力学性质1. 晶体的弹性性质2. 晶体的塑性变形3. 晶体的断裂和强度4. 晶体的超导性质五、非晶体和准晶体1. 非晶体的定义和特点2. 非晶体的形成和结构3. 准晶体的定义和特点4. 准晶体的结构和性质六、电子态和能带理论1. 电子态的定义和分类2. 自由电子气和费米液体3. 能带理论的基本概念4. 能带的计算和分析方法七、原子的电子结构和元素周期表1. 原子的电子结构类型2. 原子轨道和电子云3. 元素周期表的排列原理4. 元素周期律的应用八、半导体物理1. 半导体的定义和特点2. 半导体的能带结构3. 半导体的导电性质4. 半导体器件的应用九、超导物理1. 超导现象的发现和特性2. 超导体的微观机制3. 超导体的临界参数4. 超导技术的应用十、纳米材料和固体interfaces1. 纳米材料的定义和特性2. 纳米材料的制备和应用3. 固体interfaces 的定义和类型4. 固体interfaces 的性质和调控十一、磁性和顺磁性材料1. 磁性的基本概念和分类2. 顺磁性材料的微观机制3. 顺磁性材料的宏观特性4. 顺磁性材料的应用十二、金属物理1. 金属的电子性质2. 金属的晶体结构3. 金属的塑性变形机制4. 金属的疲劳和腐蚀十三、光学性质和声子1. 固体的光学吸收和散射2. 声子的定义和特性3. 声子的晶体和性质4. 声子材料的应用十四、拓扑缺陷和量子材料1. 拓扑缺陷的定义和分类2. 量子材料的定义和特性3. 量子材料的研究方法和应用4. 拓扑缺陷和量子材料的前沿进展十五、固体物理实验技术1. 固体物理实验的基本方法2. 固体物理实验的仪器和设备3. 固体物理实验的数据分析和处理4. 固体物理实验的实际应用重点和难点解析一、引言重点：固体物理的基本概念和研究内容。

固体物理课程教学大纲一、课程目标本课程旨在帮助学生全面理解和掌握固体物理学的基本概念、原理和方法，培养学生在实际问题中运用固体物理知识进行分析和解决问题的能力。

二、课程内容1. 固体物理学的基本概念1.1 固体物质的结构特点1.2 离子晶体、金属晶体和共价晶体的结构及其特征1.3 各种晶格结构的几何和物理性质2. 固体物理的热学性质2.1 热传导及固体的热导率2.2 固体的热膨胀及其应用2.3 热容与固体热力学性质2.4 固体的热导电和热辐射现象及其应用3. 固体物理的电学性质3.1 电导率与导体的性质3.2 半导体物理学基础3.3 超导体的基本原理和应用3.4 介电材料的特性和应用4. 固体物理的光学性质4.1 固体的吸收、散射和透射4.2 衍射和干涉现象及其应用4.3 光导纤维和光波导的原理和应用5. 固体物理的量子力学性质5.1 电子能带理论和晶体中的能带结构5.2 固体中的声子和声子态密度5.3 固体中的磁性和费米液体理论6. 固体物理的其他专题6.1 固体中的输运现象与能带理论6.2 固体材料的结构调控与性能优化6.3 纳米材料与纳米结构的物理特性6.4 固体物理在材料科学和工程中的应用三、教学方法1. 理论授课：通过演示、图例和实例解释固体物理学的基本概念和原理，让学生掌握科学的基本理论知识。

2. 实验教学：设计相关的实验，让学生亲自操作、观察和分析实验现象，培养学生实验动手和思维的能力。

3. 讨论与互动：组织学生讨论、合作和演示，提升学生的团队合作和表达能力。

4. 综合案例分析：引导学生关注固体物理学在实际问题中的应用，进行实际案例分析和解决方案的探讨。

四、考核方式1. 平时表现：包括课堂参与、作业提交和实验报告等。

2. 学术论文：要求学生完成一篇固体物理学相关的学术论文，包括文献综述、实验设计和数据分析等。

3. 期末考试：通过笔试形式考察学生对固体物理学知识的掌握程度和应用能力。

《固体物理》教学大纲课程编号：06407215一、课程性质、目的及开课对象（一）课程性质：专业课（二）教学目的：固体物理学是高等师范院校物理系的理论课程，学习固体物理的主要目的是为进一步学习凝聚态物理提供必要的基础知识，通过本课程的学习了解晶体的结构，晶体的结合，晶格振动与能带理论等固体物理学基础知识。

（三）开课对象：物理系物理学专业、本科生一、先修课程量子力学、热力学统计物理二、教学方法与考核方式（一）教学方法：讲授式为主（二）考核方法：考试三、学时数分配54学时，教学内容中带 * 号部分属学生了解内容，可根据情况要求学生课外阅读.四、教学内容与学时第一章晶体结构（16学时）§1.1 一些晶格的实例（1学时）§1.2 晶格的周期性（2学时）§1.3 晶向、晶面和它们的标志（2学时）§1.4 倒格子（2学时）§1.5 晶体的宏观对称性（2学时）§1.6 点群（2学时）§1.7 晶格的对称性（2学时）§1.8 晶体表面的几何结构（2学时）*§1.9非晶态材料的结构*§1.10 准晶态习题（1学时）[本章重点、难点]重点：晶格的周期性、倒格子、晶体的宏观对称性、点群、晶格的对称性难点：倒格子、点群[学生掌握要点]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，倒格子原胞（布里渊区）第二章固体的结合（8学时）§2.1 离子性结合（ 2学时）§2.2 共价结合（ 2学时）§2.3 金属性结合（ 1学时）§2.4范得瓦耳斯结合（1学时）§2.5 元素和化合物晶体结合的规律性（2学时）[本章重点、难点]重点：离子性结合、共价结合、元素和化合物晶体结合的规律性难点：共价结合的成键态和反键态[学生掌握要点]晶体的结合类型、结合力的一般性质、非极性分子和离子晶体的结合能、离子半径、元素和化合物晶体结合的规律性第三章晶格振动与晶体的热学性质（14学时）§3.1 简谐近似和简正坐标（1学时）§3.2 一维单原子链（2学时）§3.3 一维双原子链声学波和光学波（2学时）§3.4 三维晶格的振动（2学时）§3.5 离子晶体的长光学波（2学时）*§3.6 确定晶格振动谱的实验方法*§3.7 局域振动§3.8 晶格热容的量子理论（2学时）§3.9 晶格震动模式密度（1学时）*§3.10 晶格的状态方程和热膨胀*§3.11 晶格的热传导习题（2学时）[本章重点、难点]重点：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难点：晶格振动的量子化、声子的概念。

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。

固体物理学课程综述固体物理学是20世纪物理学发展最快的一门学科，几十年来，以固体物理学的能带理论为基础，科学家在半导体、激光、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破，有关研究成果已经迅速转化为生产力，并带动了整个信息科学技术群的高速发展。

第一章、晶体结构1、晶体的宏观特性1、长程有序：晶体内部的原子的排列是按照一定得规则排列的。

这种至少在微米级范围内的规则排列称为长程有序。

长程有序是晶体材料具有的共同特征。

在熔化过程中，晶体长程有序解体时对应一定得熔点。

2、自限性与解理性：晶体具有自发形成封闭多面体的性质称为晶体的自限性。

晶体外形上的这种特性是晶体内部原子有序排列的反应。

一个理想完整的晶体，相应地晶体面具有相同的面积。

晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质称为晶体的解理性，相应地晶面称为解理面。

3、晶面角守恒：由于生长条件的不同，同一种晶体外形会有一定得差异，但相应的两晶面之间的夹角却总是恒定的。

即属于同种晶体的两个对应晶面之间夹角恒定不变的规律称为晶面守恒定律。

4、各向异性：晶体的物理性质在不同方向上存在着差异的现象称为晶体的各向异性。

晶体的晶面往往排列成带状，晶面间的交线互相平行，这些晶面的组合称为晶带，晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。

由于各向异性，在不同带轴方向上，晶体的物理性质是不同的。

晶体的各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性。

因此对于一个给定的晶体，其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率等一般不再是一个确定的常数。

通常要用张量来表述。

2、固体物理学原胞（原胞）与布拉维原胞（晶胞、结晶学原胞）的区别答：晶格具有三维周期性，因此可取一个以结点为顶点、边长分别为3个不同方向上的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性，这个体积最小的重复单元称为固体物理学原胞，简称原胞。

在同一晶格中原胞的选取不是唯一的，但他们的体积都是相等的。

为了反映周期性的同时，还要反映每种晶体的对称性，因而所选取的重复单元的体积不一定最小。

《固体物理》教学大纲一、课程名称：固体物理二、课程性质：专业必修课三、课程教学目的：（一）课程目标：通过固体物理学课程的学习，使学生树立起晶体内原子、电子等微观粒子运动的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒子的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系，深刻理解晶体宏观性能的微观物理本质，为进一步学习和研究固体物理学各种专门问题及相关领域的内容建立初步的理论基础。

（二）教学目标：第一章晶体结构【教学目标】通过本章的教学，使学生了解晶格结构的实例、非晶态和准晶态的特征；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；熟悉有关晶体结构的基本分析与计算。

借助于多媒体展示，使学生建立起晶体结构特征的直观图像。

第二章晶体的结合【教学目标】通过本章的教学，使学生了解晶体结合力的一般性质；掌握晶体的结合类型与特征；理解元素和化合物晶体结合的规律性；掌握离子晶体的结合能、体积弹性模量的计算；掌握范德瓦耳斯晶体的结合能、体积弹性模量的计算。

在教学中，能够使学生认识到吸引与排斥的矛盾的差别和对立统一是认识与理解固体的结合规律与性质的关键，培养学生的辩证思维能力。

第三章晶格振动与晶体的热学性质【教学目标】通过本章的教学，能够使学生理解简谐近似、格波概念、声子概念；理解玻恩-卡曼边界条件；了解三维格波的一般规律、晶格振动的非简谐效应；了解确定晶格振动谱的实验方法；掌握一维单原子、双原子晶格振动的格波解与色散关系；掌握晶格振动模式密度的计算方法；理解晶格热容量的量子理论、掌握爱因斯坦模型与德拜模型；理解格林爱森近似、掌握晶格状态方程。

结合例题分析和习题训练，提高学生分析问题和解决问题的能力。

第四章能带理论【教学目标】通过本章的教学，使学生能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解布洛赫定理及其推论的证明，掌握晶体能带的基本特征；熟悉克龙尼克—潘纳模型的求解与结论；熟悉布里渊区、费米面等基本概念；了解平面波方法、赝势方法；掌握近自由电子近似方法及其结论；掌握紧束缚近似方法的运用；掌握能态密度的计算方法。

固体物理学教学大纲一、课程概述固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构及其相互关系的学科。

它是物理学的一个重要分支，对于理解材料的性质、开发新材料以及推动现代科技的发展具有重要意义。

本课程旨在为学生提供固体物理学的基本概念、理论和方法，使学生能够理解固体的结构、晶格振动、电子态、电导、热导等物理性质，并能够运用所学知识解决实际问题。

二、课程目标1、使学生掌握固体物理学的基本概念和基本理论，包括晶体结构、晶格振动、晶体结合、能带理论、电导理论等。

2、培养学生运用固体物理学的基本理论和方法分析和解决实际问题的能力。

3、使学生了解固体物理学的前沿研究领域和发展动态，培养学生的科学思维和创新能力。

三、课程内容1、晶体结构晶格的周期性和对称性晶体的布拉菲晶格和原胞晶体的倒格子和布里渊区常见晶体结构的特点和实例2、晶格振动一维单原子链和双原子链的晶格振动晶格振动的量子化和声子固体的比热理论晶格振动的光学性质3、晶体结合离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体的结合类型和特点晶体结合能的计算元素和化合物晶体结合的规律4、能带理论布洛赫定理近自由电子近似和紧束缚近似能态密度和费米面导体、半导体和绝缘体的能带结构5、电导理论金属电导的经典理论和量子理论半导体的电导特性霍尔效应和磁阻6、热导理论固体热导的机制热导率的计算和影响因素7、晶体的缺陷点缺陷、线缺陷和面缺陷的类型和特点晶体缺陷对材料性能的影响8、固体的磁性原子磁矩和物质磁性的分类铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性的特点和理论磁畴和技术磁化四、教学方法1、课堂讲授讲解固体物理学的基本概念、理论和方法，通过多媒体教学手段展示晶体结构、能带结构等抽象概念，帮助学生理解。

结合实际例子和科研成果，阐述固体物理学在材料科学、电子学等领域的应用，激发学生的学习兴趣。

2、课堂讨论针对一些重点和难点问题，组织学生进行课堂讨论，鼓励学生发表自己的见解，培养学生的思维能力和创新能力。