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《固体物理学教案》PPT课件一、教案简介本教案旨在帮助学生了解和掌握固体物理学的基本概念、原理和应用。
通过本课程的学习，学生将能够理解固体物质的结构、性质以及其宏观表现，为进一步研究相关领域打下坚实基础。
二、教学目标1. 了解固体物理学的基本概念和研究方法。
2. 掌握晶体结构、电子分布、能带结构等基本内容。
3. 理解固体物理学的宏观性质及其微观解释。
4. 熟悉固体物理学在材料科学、凝聚态物理等领域的应用。
三、教学内容1. 固体物理学概述固体物理学的基本概念固体物理学的研究方法2. 晶体结构晶体的基本概念晶体的分类与空间群晶体的生长与制备3. 电子分布与能带结构电子分布的基本理论能带结构的类型及特点能带的调控与应用4. 固体物理学的宏观性质导电性、热导性、光学性质磁性、超导性、半导体性质力学性质与缺陷化学5. 固体物理学在实际应用中的案例分析材料科学与固体物理学凝聚态物理与固体物理学纳米技术、量子计算等领域中的应用四、教学方法1. 采用PPT课件进行讲解，结合实物图片、动画等直观展示，提高学生的学习兴趣和理解能力。
2. 通过案例分析、讨论等形式，激发学生的思考和创新能力。
3. 布置适量的课后习题，巩固所学知识，提高学生的实际应用能力。
五、教学评价1. 课后习题完成情况：评价学生对固体物理学基本概念和原理的掌握程度。
2. 课堂讨论参与度：评价学生在讨论中的表现，包括思考问题、表达能力等。
3. PPT课件制作与讲解：评价学生对固体物理学知识的理解和运用能力。
4. 期末考试：全面测试学生对固体物理学知识的掌握和应用能力。
六、教案设计6. 晶体的基本性质晶体粒子的排列与周期性晶体的对称性晶体的力学性质晶体的热性质7. 电子态与能带理论电子在晶体中的分布能带理论的基本概念能带的类型与特性能带结构与材料性质的关系8. 固体能谱学X射线衍射与晶体学电子显微学光学光谱学核磁共振谱学9. 磁性材料磁性的基本类型磁畴与磁化过程磁性材料的性质磁性材料的应用10. 结论与展望固体物理学的发展历程当前固体物理学的研究热点固体物理学在未来的发展趋势固体物理学对人类社会的贡献七、教学策略6. 通过实物模型和显微镜观察晶体结构，增强学生对晶体对称性和排列规律的理解。
《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。
《固体物理学教案》PPT课件教案章节：第一章固体物理学概述教学目标：1. 了解固体物理学的基本概念和研究内容。
2. 掌握固体物理学的发展历程和应用领域。
3. 理解固体物理学与其它学科的联系和区别。
教学内容：1. 固体物理学的基本概念：固体、晶体、电子、原子、分子等。
2. 固体物理学的研究内容：结构、性质、制备和应用等。
3. 固体物理学的发展历程：从经典固体物理学到现代固体物理学。
4. 固体物理学的应用领域：材料科学、凝聚态物理、纳米技术等。
5. 固体物理学与其它学科的联系和区别：与物理学、化学、材料科学等的关系。
教学方法：1. 讲解：教师通过PPT课件讲解固体物理学的基本概念和研究内容。
2. 讨论：学生分组讨论固体物理学的发展历程和应用领域。
3. 案例分析：教师展示固体物理学在实际应用中的案例，学生进行分析。
4. 互动提问：教师提问，学生回答，巩固所学知识。
教学评估：1. 课堂问答：检查学生对固体物理学基本概念的理解。
2. 小组讨论：评估学生在讨论中的参与度和理解程度。
3. 案例分析报告：评估学生对固体物理学应用领域的理解和分析能力。
教案章节：第二章晶体的结构教学目标：1. 了解晶体的基本概念和分类。
2. 掌握晶体的点阵结构和空间群理论。
3. 理解晶体生长和晶体缺陷的基本原理。
教学内容：1. 晶体的基本概念：晶体、晶格、晶胞等。
2. 晶体的分类：离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体等。
3. 晶体的点阵结构：点阵、基矢、倒格子等。
4. 空间群理论：点群、空间群、晶体对称性等。
5. 晶体生长：晶体生长的原理和过程。
6. 晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷等。
教学方法：1. 讲解：教师通过PPT课件讲解晶体的基本概念和分类。
2. 模型展示：教师展示晶体模型，学生观察和理解晶体结构。
3. 数学推导：学生跟随教师学习点阵结构和空间群理论的数学推导。
4. 互动提问：教师提问，学生回答，巩固所学知识。
教学评估：1. 课堂问答：检查学生对晶体基本概念的理解。
固体物理讲义第一章前言：固体物理学是用自然科学的基本原理从微观上解释固体的宏观性质并阐明其规律的科学课程的主要内容晶体的物理性质与内部微观结构以及其组成粒子（原子、离子、电子）运动规律之间的关系●晶体结构（基于X射线衍射）●晶体结合与晶体缺陷●晶格振动（基于统计物理和量子力学研究固体热学性质）●固体能带论（基于量子力学和统计物理研究固体的导电性）第一章晶体结构内容：晶体中原子排列的形式及其数学描述主要包括:●晶体的周期结构●十四种布拉菲格子和七大晶系●典型的晶体结构●晶面和米勒指数●晶体的对称性固体的性质取决于组成固体的原子以及它们的空间排列。
例如同为碳元素组成的石墨（导体）、碳60和金刚石就有明显不同的特性。
1.1晶体的周期结构晶体结构的特征：周期性组成晶体的粒子（原子、分子、离子或它们的集团）在空间的排列具有周期性（长程有序、平移对称性*）对称性晶体的宏观形貌以及晶体内部微观结构都具有自身特有的对称性。
晶体可以看成是一个原子或一组原子以某种方式在空间周期性重复平移的结果。
晶体内部原子排列具有周期性是晶体的主要特征，另一个特征是由周期性所决定的对称性（表现在晶体具有规则的外形）。
周期排列所带来的物理后果的讨论是本课程的中心。
（对称性最初是用来描述某些图形或花样的几何性质，后来经过推广、加深，用它表示各种物理性质/物理相互作用/物理定律在一定变换下的不变性。
在这里，我们主要关注的是对称性最初的、狭义的意义，即几何图形和结构（不管有限还是无限）的对称性。
虽然眼睛看不到晶体中的原子，但是原子的规则排列往往在晶体的一些几何特征上明显的反映出来。
实际上，人们最初正是从大量采用矿物晶体的实践中，观察到天然晶体外型的几何规则性，从理论上推断晶体是由原子作规则的晶格排列所构成。
后来这种理论被X衍射所证实。
）布拉菲空间点阵和基元●为了描述粒子排列的周期性，把基元抽象为几何点，这些点的集合称为布拉菲点阵。
布拉菲点阵的特点：所有格点是等价的，即整个布拉菲点阵可以看成一个格点沿三个不同的方向，各按一定的周期平移的结果●格点：空间点阵中周期排列的几何点●基元：一个格点所代表的物理实体●空间点阵：格点在空间中的周期排列在理想的情况下，晶体是由全同的原子团在空间无穷重复排列而构成。
§1-7 晶格的对称性根据32个点群对布拉菲格子的要求a a a vv v ,,必须满足的要求布拉菲格子总共可以分为七类称为七大晶系计14种布拉菲格子图1-7-1 14种布拉菲格子 空间群由点群操作和平移群操作的组合共计230个1-8 晶体表面的几何结构前面关于点群和空间群的讨论都是假定晶体是无限的周期性的需求实际晶体总存在表面对于理想表面其表面同样可以引入二维布拉菲格子同体内的三维布拉菲格子一样同样可以引入基矢可以假定第三个基矢为垂直晶体表面的单位矢量倒格矢同样存在对称性表面不能简单地看成是体内同一晶面簇的平移由于环境的不同其原子排列和化学组成和体内也存在差别在离表面几个原子层1~2nm可以看成特殊相---表面相因此表面相的基矢可能和体内同一晶面簇中基矢存在差异这种现象称为表面再构固体表面宏观看起来虽然显得很平坦但实际表面层存在很多缺陷主要有化学吸附氧化和缺位间隙等即使没有杂质的理想表面由于其表面层原子受到的势环境不同于内层原子电子波函数在表面附近会发生变化因此导致表面层原子出现驰豫偏离原来三维晶格时的平衡位置1理想表面结构2Pt有序原子台阶示意图3a驰豫表面示意图b LiF001面的驰豫结构1-9非晶态材料的结构非晶态材料不具备周期性因此不具备长程有序但非晶态材料中的原子仍然保持原子排列的短程有序1近邻原子的数目和种类2近邻原子之间的距离键长3近邻原子配置的几何方位键角如下图1-10准晶态 准晶是介于非晶态和晶态物质之间的另一状态它不象晶体那样具有严格的周期性也和通常的非晶态存在区别其显著特点是原子位置仍然受到长程关联的制约而具有长程序1 从准周期性函数到Penrose 拼砌 数学上早就有准周期函数最简单的形式 x A x A x f 22112sin 2sin)(λπλπ+= 如果21λλ为一无理数则为周期等于无穷大的函数)(x f 但其又由两周期函数组合而成这就是准周期函数 从六十年代起物理学家开始研究多种类型的无公度相无公度相是指在基本晶格上附加有无公度的某种调制被调制的可以是原子的位移组分或自旋如下图周期为a 的晶格上附加了周期为λ的位移调制若a λ为有理数晶体即成为长周期的超结构若aλ为无理数那么就是无公度相这时沿这个方向的周期性不复存在在无公度相受到注意的同时数学家开始关注平面的非周期拼砌1974年R.Penrose找到能无空隙不重叠地布满平面的两种基本拼砌块该结构具有晶体学禁止的五重对称性2准晶的发现1984年Shechtman等在急冷Al-Mn合金中得到了具有五重对称轴斑点清晰的电子衍射图这和周期结构是不相容的这正是有非晶体学对称性的三维准周期性结构取名为准晶quasicrystal其和无公度相的区别在于准晶具有非晶体取向对称性非晶体取向对称性也对准周期性加以限制。
《固体物理学》第二章晶格振动和固体比热第二章晶格振动和固体比热晶体中的格点表示原子的平衡位置，晶格振动便是指原子在格点附近的振动。
晶格振动对晶体的电学、光学、磁学、介电性质、结构相变和超导电性都有重要的作用。
本章的主题：用最近邻原子间简谐力模型来讨论晶格振动的本征频率；并用格波来描述晶体原子的集体运动；再用量子理论来表述格波相应的能量量子。
2-1、绝热近似和简谐近似绝热近似：考虑离子运动时，可以近似认为电子很快适应离子的位置变化。
为简单化，可以把离子的运动看成是近似成中性原子的运动。
简谐近似：r 设一维单原子晶体的布喇菲格子的格矢为R ，那么第n 个格点原子的位置r r r r矢量为：Rn na a 为基矢。
令第n 个原子相对其平衡位置Rn 的瞬时位置由与时r r r r间相关的矢量Sn 给出。
那么原子的瞬时位置为：rn Rn Sn 。
晶体的总势能应该为所有原子相互作用势能之和忽略均匀电子云产生的常1 r r势能项。
静态格点时的总势能：U 0 ∑ u0 Rn Rn ，u x 表示一维原子链中2 n n距离为x 的两原子的相互作用能。
1 r r 1 r r r r 考虑晶格振动时的总势能：U ∑ urn rn 2 ∑ u Rn Sn Rn Sn 2 n n nn 这时势能与动力学变量Sn有关，如果Sn是个小量，将势能U在平衡值U0附近1作泰勒展开：f r a f r a f r a 2 f r ...... 。
2 r r r r r r 取r Rn Rn a Sn Sn 1 r r 1 r r r r 1 r r r rU ∑ u0 Rn Rn 2 ∑ Sn Sn u0 Rn Rn 4 ∑ Sn Sn 2 u0 Rn Rn .... 2 n n nn nn 我们忽略高阶项，只保留二阶项第一项非零校正项，那么势能近似为：1 r r r r U U 0 ∑ S n S n 2 u0 Rn Rn 4 n n 上述近似称为简谐近似。
固体物理学讲义2.1
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第二章 固体的结合
晶体中粒子的相互作用力可以分为两大类，即吸引力和排斥力，前者在远距离是主要的，后者在近距离是主要的；在某一适当的距离，两者平衡，使晶格处于稳定状态。
吸引作用来自于异性电荷的库仑作用；排斥作用源于：一、同种电荷之间的库仑作用，二、泡利原理所引起的作用。
固体的结合根据结合力的性质分为四种基本形式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧范德瓦尔结合
金属性结合共价性结合离子性结合 实际结合可能是兼有几种结合形式或者具有两种结合之间的过渡性质。
§2-1 离子性结合
离子性结合的基本特点是以离子而不是以原子为结合的单位，结合的平衡依靠较强的静电库仑力，要求离子间相间排列。
其结构比较稳定，结合能为800千焦耳/摩尔数量级。
结合的稳定性导致导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小等特点。
以N a Cl 晶体为例，由于N a +和 Cl -离子满壳层的结构，具有球对称结构，可以看成点电荷，若令r 表示相邻离子的距离，则一个正离子的平均库仑能为：
∑++-++321321,,2122322222102)(4)1(21n n n n n n r n r n r n q πε
这里n 1，n 2，n 3为整数且不能同时为零。
一个元胞的库仑能为：
απεπεr q n n n r q n n n n n n 02,,2123222102
4)()1(4321321-≡∑++-++
上式中α为无量纲量，称为马德隆常数。
当邻近离子的电子云显著重叠时，将出现排斥，其能量可以由下式描述：
n r r
r b
be 或者0-
因此含N 个元胞的晶体的系统内能可以表示为：
)(n
r B r A N U +-= 其和体积或者晶格常数的关系如下图
（1） 晶格常数
结合最稳定时的原子间距即为晶格常数，由下式决定
0)
(0
=∂∂=r r r r U
（2） 压缩系数
压缩系数定义为单位体积的改变随单位压强的变化的负
值，即：
T p
V V )(1∂∂-=κ 由热力学第一定律有：pdV dU -=（这里忽略了热效应），则压缩系数为：
T
V U
V )
(122∂∂=
κ 体弹性模量为：κ1=K
（3） 抗张强度
晶体能够承受的最大张力，叫抗张强度。
当负荷超过此强度时，晶体裂开，对应于张力使两原子之间的距离等于相互作用力曲线取最小值的距离。
0)(=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=m
r r r r f §2-2 共价结合
共价结合是指依靠两原子各贡献一个电子，形成所谓的共价键，长而在最外层形成公用的封闭电子壳层。
设有一对近邻的原子A 和B ，自由时各有一个价电子，其归一化波函数满足（假定原子核不动）：
A A A A A A V m H ϕεϕϕ=+∇-=)2(ˆ22 ，
B B B B B B V m
H ϕεϕϕ=+∇-=)2(ˆ22 这里，B A ϕϕ,为原子轨道波函数。
当原子靠近时，由于相互作用，其哈密顿量为：
AB B A B A V V V V m
V V m H ++++∇-++∇-=12222221121222ˆ V Ai 为I 电子在A 原子核中的库仑势能，V 12为两电子之间的相互作用能，V AB 为原子核之间的相互作用势能，按Born-Oppenheimer 近似，该量可视为参量而不是动力学变量。
其波函数满足：
ψψE H
=ˆ （1） 其中E 为系统本征能量。
当忽略电子之间的相互作用项V 12时（这里V AB 暂不考虑），系统的波函数可表示为仅和各个电子的位置有关的两独立电子波函数的乘积，即Shrodinger 方程可由分离变量求解。
设)()(),(2121r r r r ψψψ=，)(),(21r r
ψψ满足如下方程：
i i i Bi Ai i i i V V m
H ψεψψ=++∇-=)2(ˆ22 ，i=1，2 （2） 式（2）给出的单电子在两个原子核作用下（如+2H ）的波函数称为分子轨道
（1）如果A 和B 为同种原子（例如氢分子），则0εεε≡=B A
方程（1）的解可以表示为：
)(B A C ϕϕψ+=++
)(B A C ϕϕψ-=--
其中C +，C -为归一化系数，“+”“-”号根据全同性原理中的交换
不变性得到。
全同性原理；由非定域的全同粒子组成的系统，任意交换两个粒
子，量子态保持不变。
交换算符只有“-1”“+1”
两个本征值，即对称和反对称。
实验表明，自旋量子数取2 的偶数倍的粒子（Bose 子，如光子，π介
子），波函数具有交换对称性，自旋量子数取2 的
奇数倍的粒子（Fermi 子，如电子，质子，中子），
波函数具有交换反对称性。
Pauli 原理；不可能具有两个完全相同的Fermi 子处于完全相同
的状态。
广义的说，对于费米体系，描述其运动状
态的全波函数必须是反对称的；对于波色子体系则
要求对称。
宇称：是波函数的一个物理性质。
它表明将波函数的所有空间坐
标通过原点进行反演的行为。
-+ψψ和通常称为成键态和反键态，如下图，成键态电子云密集在二原子核之间，反键态原子核之间的电子云密度减小。
系统在-+ψψ和两分子轨道的能量计算如下：
r d C H C r
d r d H B A B A ⎰++=⎰⎰=+++++++)(ˆ)(ˆ*****ϕϕϕϕψψψψε r d H H H H C B B A B B A A A )ˆˆˆˆ(****2ϕϕϕϕϕϕϕϕ++⎰+=+
)(22ab aa H H C +=+
)(22ab aa H H C -=--ε
其中
⎰≈⎰==0**ˆˆεϕϕϕϕr d H r d H H B B A A aa ，0ˆˆ**<⎰⎰==r d H r d H H A
B B A ab ϕϕϕϕ
由此可以看出，成键态能量相对于原子能级0ε降低，而反键态能级则上升，这可以从电子云和原子核的库仑作用解释。
（2）轨道的杂化
共价键在解释金刚石结构时遇到了困难。
实验表明：金刚石结构的四个价键是等同的，键间夹角为109028’，而碳的电子组态为1s 2、2s 2、2p 2，按照上述成键理论，只能形成两个共价键。
但是在碳原子结合形成金刚石结构时，由于2s 、2p 态非常接近，碳原子中的一个2s 电子会激发到2p 态，因此可以形成四个共价键，由于多形成的两个共价键放出的能量要比一个电子跃迁的能量大，总能量下降，结构是稳定的。
1931年Pauling 和Slater 提出了杂化轨道理论，成功地解释了这个现象。
他们认为由这四个轨道“混合”起来重新组成四个
等价的轨道，它们由原子的z y x p p p s 2,2,2,2态迭加而成，这种轨道叫做杂化轨道。
（3）如果A 和B 为不同种原子，则B A εε≠
A A A aa r d H H εϕϕ≈⎰= ˆ*，
B B
B bb r d H H εϕϕ≈⎰= ˆ* 0ˆˆ**<⎰⎰==r d H r d H H A
B B A ab ϕϕϕϕ 引入23,2V H V ab A
B -=-=εε可得：
23222V V B
A +-+=+εεε，23222V V B
A +++=-εεε
同样，反键态的能量高于成键态的能量。
共价键的特点是：一、饱和性，以共价键形式结合的原子能形成的键的数目有一个最大值，该最大值由最外层价电子的未配对情况决定；二、方向性，各个共价键之间有确定的相对取向，因为共价键的强弱由两电子的波函数的重叠程度决定，因此成键总是在波函数最大方向上形成。
该类型的晶体具有熔点高、导电性能差、硬度高等特点。
氢键晶体：氢原子可以和两个负电性很大而原子半径较小的原子
结合形成的特殊结合。
唯一的核外电子和其他原子结
合形成共价键后，氢核裸露在外，该氢核可以通过库
仑力的作用与负电性较大的原子相结合。
