固體物理學(xué)

前言

本書作為高等院校理工科講授固體物理的教科書，目的在于希望通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握從事凝聚態(tài)物理研究工作的起碼的物理基礎(chǔ)，以及進一步學(xué)習(xí)固體理論和凝聚態(tài)物理學(xué)所需要的基本概念和知識。作為凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)的固體物理學(xué)，主要把晶態(tài)物質(zhì)作為討論對象。在單粒子近似的基礎(chǔ)上，充分利用晶格的平移對稱性，統(tǒng)一處理周期結(jié)構(gòu)中波的傳播問題。格波在周期結(jié)構(gòu)中傳播導(dǎo)致晶格動力學(xué)，德布羅意波在周期結(jié)構(gòu)中傳播導(dǎo)致能帶論，也包括自旋波和電磁波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播。固體物理學(xué)的基本任務(wù)是企圖從微觀上去解釋固體材料的宏觀物理性質(zhì)，并闡明其規(guī)律性。系統(tǒng)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)是理解固體物理性質(zhì)的關(guān)鍵．固體的基態(tài)只依賴于體系中粒子之間的內(nèi)稟相互作用。例如，考慮固體中不同類型的原子間的相互作用，可以構(gòu)造成具有不同對稱性的晶體結(jié)構(gòu)。而建立在單電子基礎(chǔ)上的金屬電子論，體系的基態(tài)是電子按能級填充，一直到費米能為止，這是忽略了相互作用的基態(tài)。除此之外，不同的相互作用將在一定條件下構(gòu)成形形色色的固體基態(tài)，例如，磁性離子之間的交換作用可以形成鐵磁或反鐵磁基態(tài)，電子與聲子的相互作用使費米面附近的電子配對（稱為庫珀對）構(gòu)成常規(guī)超導(dǎo)體的基態(tài)，等等。基態(tài)不僅是能量的最低狀態(tài)，而且是某種有序狀態(tài)。晶體在外場擾動下將從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。在弱外場下，晶體的低激發(fā)態(tài)可以看作一些獨立激發(fā)單元的集合，這些激發(fā)單元通常稱為元激發(fā)。在本書的相應(yīng)章節(jié)中，應(yīng)用簡單模型和處理方法去論述系統(tǒng)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)屬性，自然地引入各種類型的基態(tài)和元激發(fā)，這些元激發(fā)包括：準(zhǔn)電子、空穴、聲子、極化激元，等離激元、激子和自旋波量子等，而不將固體中的元激發(fā)作為專章討論。固體物理是建立在周期性和單粒子近似下的簡單理論。對于偏離周期性的系統(tǒng)（包括準(zhǔn)周期系統(tǒng)、無序系統(tǒng)、含缺陷的晶體、表面和界面等)以及由于無序?qū)е碌木钟蚧瘑栴}，并不做全面的論述，只是在適當(dāng)?shù)恼鹿?jié)，穿插某些典型例子點到為止，以此說明簡單理論的局限性和解決問題的思路。超越單粒子近似而計入粒子間相互作用的多體效應(yīng)問題，諸如金屬磁性和超導(dǎo)電性，只在本書第七章和第八章中做簡單討論。至于窄能帶系統(tǒng)中電子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的金屬一絕緣體相變等問題也只以典型例子在相應(yīng)章節(jié)中加以討論。

內(nèi)容概要

本書是普通高等教育“九五”國家級重點教材，是作者多年來在南京大學(xué)講授固體物理的經(jīng)驗的總結(jié)，作為一本面向大學(xué)本科學(xué)生的教材，本書在內(nèi)容取舍、順序安排、難度處理等諸多方面都經(jīng)過反復(fù)斟酌，本書在傳統(tǒng)固體物理的理論框架和不增加篇幅的情況下，對一些一般教材講解較少的內(nèi)容做了比較深入的講解，例如非完整晶格振動中的局域模、磁致電阻、范弗萊克順磁性和超交換耦合等，同時，作者適當(dāng)?shù)匾肓艘恍┠蹜B(tài)研究領(lǐng)域的新進展，如準(zhǔn)晶體、量子霍爾效應(yīng)和自旋相關(guān)輸運等，在盡量不涉及高等量子力學(xué)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理的情況下，做到物理圖像清晰、內(nèi)容融會貫通，以使學(xué)生能夠掌握從事凝聚態(tài)物理研究工作的專業(yè)基礎(chǔ)知識。全書內(nèi)容包括晶體的結(jié)構(gòu)及其對稱性、晶體的結(jié)合、晶格動力學(xué)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)、能帶論、金屬電子論、半導(dǎo)體電子論、固體磁性和超導(dǎo)電性8章。    本書可作為高等院校物理類專業(yè)本科生、研究生的固體物理教材，也可供其他專業(yè)的師生及社會讀者參考。

書籍目錄

第一章  晶體的結(jié)構(gòu)及其對稱性　1.1  晶格及其平移對稱性    一、晶體結(jié)構(gòu)及基元    二、結(jié)點和點陣    三、基矢和元胞　1.2　晶列和晶面    一、晶列及其晶向標(biāo)志    二、晶面及有理指數(shù)定律    三、晶面指數(shù)和密勒指數(shù)　1.3　倒點陣    一、點陣傅里葉變換，倒點陣    二、倒點陣的性質(zhì)　1.4　晶體的宏觀對稱性    一、宏觀對稱性的描述    二、宏觀對稱性破缺    三、實例      四、晶體的宏觀對稱性與宏觀物理性質(zhì)　1.5　晶體點陣和結(jié)構(gòu)的分類    一、群的概念    二、7個晶系和14種點陣    三、晶體結(jié)構(gòu)的32種點群和230種空間群　1.6  晶體x射線衍射    一、布拉格反射公式    二、勞厄方程    三、原子散射因子與幾何結(jié)構(gòu)因子    四、三種重要的X射線晶體學(xué)分析方法　1.7　準(zhǔn)晶體    一、一維準(zhǔn)周期（Fibonacci）點陣    二、投影理論及其衍射譜第二章　晶體的結(jié)合　2.1　原子的負(fù)電性    一、原子的電離能    二、原子的親和能    三、原子的負(fù)電性　2.2　晶體結(jié)合的類型    一、金屬結(jié)合    二、共價結(jié)合    三、離子結(jié)合    四、范德瓦耳斯（van der waals）結(jié)合    五、氫鍵    六、混合鍵　2.3　結(jié)合能    一、內(nèi)能函數(shù)與結(jié)合能    二、離子晶體的結(jié)合能    三、惰性氣體晶體的結(jié)合能第三章　品格動力學(xué)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)　3.1　簡正模和格波    一、微振動理論——簡正模    二、格波　3.2　一維單原子鏈振動    一、運動方程及其解    二、格波特性    三、玻恩－卡曼（Bom－Kaman）邊界條件    四、簡正坐標(biāo)　3.3　一維雙原子鏈振動    一、運動方程及其解    二、聲學(xué)波和光學(xué)波    三、玻恩－卡曼邊界條件　3.4  三維晶格振動，格波量子－聲子    一、三維晶格振動    二、格波量子　3.5　離子晶體中的長光學(xué)波    一、離子晶體中長光學(xué)晶格振動產(chǎn)生的內(nèi)場    二、長光學(xué)波的宏觀運動方程   ……第四章　能帶論第五章　金屬電子論第六章　半導(dǎo)體電子論第七章　固體磁性第八章　超導(dǎo)電性習(xí)題選編主要參考書

章節(jié)摘錄

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