SolidStatePhysics固体物理-华中科技大学研究生院
固体物理(英文版)
Solid State PhysicsCourse ID：83035000Course Title：Solid state physicsCredit：4 Semester：the 8th semesterTeaching Objects：the speciality of Selective Course：Quantum mechanics,applied physics Thermology·Statistical physicsInstructor：Hong-Qiang Song, Ph.D.Course Description：Solid-state physics, the largest branch of condensed matter physics, is the study of rigid matter, or solids. The main contents are close-packing, Bravais lattice, primitive cell, unit cell, crystal array, crystal plane, reciprocal space, atomic scattering factor, geometrical structure factor, electronegativity, cohesive energy, covalent crystal, ionic crystal, atomic and ionic radii, one-dimensional crystal lattice, three-dimensional crystal lattice, normal vibration, phonon, heat capacity, harmonic approximation, edge dislocation, low angle grain boundary, Madelung constant, ionization energies of the elements, dielectric constant, internal energy, Frenkel defect, neutron scattering, Bloch function, Bloch theorem, Bragg reflection, Brillouin zone, energy band, symmetry operation, symmetric group, orthogonalized plane wave, electron affinity, electromagnetic phonon, plane wave method, Blende structure, saturation of covalent bonds, optical branch, valence band, conduction band, effective mass, relaxation time, free electron model, hybrid orbit, Schottky defect, dislocation, Dulong-Petit’s law, density of states, Boltzman equation, De Hass-Van Alphen effect, and so on.Grading Scheme：Classroom Participation (10%)Homework (10%)Midterms (10%)Final Exam (70%)Text Book：[1]Jin-Feng Wang. Introduction to Solid State Physics, 6th edition. Shandong University Press, 2008References:[1] Kun Huang & Ru-Qi Han. Solid State Physics, Higher Education Press, 1988[2] Kittel, C. Introduction to Solid State Physics, 8th edition. John Wiley & Sons, Inc., 2005。
固体物理课程教学大纲
《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。
华中科技大学2020年博士研究生招生 各院系专业目录
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华科研究生固体物理第2章习题
第二章习题
1、计算NaCl 晶胞从（1,1,1）扩至（2,2,2）的马德龙常数
2、.有一晶体，在平衡时的体积为0V ，原子之间总的相互作用能为0U ，如果原子间相互作
用能由下式给出：
n
m
r r r u β
α
+
-
=)(，
试证明弹性模量可由[])9/(00V mn U 给出。
提示：原子间总结合能为)//)(2/()(n m r r N r U βα+-=，体积3ANr V =。
3、.上题表示的相互作用能公式中，若2=m ，10=n ，且两原子构成稳定分子时间距为
10
⨯m，离解能为4eV，试计算α和β之值。
10
3-
4、如果NaCl结构中离子的电荷增加一倍，晶体的结合能及离子间的平衡距离将发生多大的变化？
5、NaCl晶体的体弹模量为2.4×1010Pa，在2×109Pa的气压作用下，晶体中两相邻离子间的距离将缩小百分之几？
6、计算GaAs和氧化铝\氮化铝中离子键的比例。
7、对线型离子晶体，在一条直线链上交替地载有电荷±q 的2N 个离子，最近邻之间的排斥
势能为
n r
b。
（1）试证在平衡间距下 )1
1(42ln 2)(0020n
r Nq r U --=πε
（2）令晶体被压缩，使)1(00δ-→r r ，试证在晶体被压缩单位长度的过程中，（外力）所做功的主项为2)2/1(δC ，其中
0242ln )1(r q n C πε-=
思考题
1.原子结合成晶体时，原子的价电子将重新分布，从而产生不同的结合力。
分析各类晶体
中决定结合类型的主要结合力。
华中科技大学物理学院研究生培养方案
64 64 64 48 48 64 48 48 32 48 48 48 48 48 64 48 48 48 48 48 48 48 48
4 4 4 3 3 4 3 3 2 3 3 3 3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3
秋 春 春 春 秋 春 秋 秋 秋 秋 秋 春 春 秋 春 秋 秋 春 秋 秋 春 秋 春
070204
磁约束等离子体物理；惯性约束等离子体物理； 低温等离子体物理；等离子体诊断
低维凝聚态物理；自旋电子学及机理；纳米复合功 能材料制备与机理； 新型光电子功能材料制备与机 理；光和物质的相互作用
3
凝聚态物理
070205
理科
光学 无线电物理 固体地球物理 精密测量物理 材料物理与化学
070207 070208 0702Z1 0702Z2 080501
五、课程设置及学分要求一览表：
见物理学院一级学科专业课程设置。
六、研究环节与学位论文
按学校有关硕士学位的规定和《华中科技大学物理学院研究生培养工作手册》的管 理规定执行。 物理学一级学科研究生课程设置
类别 课程 学 位 公 共 课程 代码 课程名称 学 时 32 18
4
学 分 2 1
季节
开课单位
备注 全体硕士 生必修
研究 环节
参加国际学术会议或国内 ≥19 参加国际学术会议或国内召开的国际学 ≥19 召开的国际学术会议并提 学分 术会议并提交论文 1 学分 学分 交论文 1 学分 论文中期进展报告 1 学分 发表学术论文 1 学分
2
论文中期进展报告 1 学分 发表学术论文 1 学分
学位论文 15 学分
学位论文 15 学分
理工科硕 士必修
411.800 科技英语写作 现代科学技术革命与马 408.801 克思主义
中科院研究生院《固体物理》课程课件合集.pdf
X射线衍射
X射线衍射
X射线主要与电子云相互作用 只考虑原子对X射线的弹性反射
晶面反射
相长干涉需要光程相等
bc ad dac bca
Bragg 把晶体对 X光的衍射当作由原子平面（晶面）的镜面反射， 在满足镜面反射的衍射方向上，一个晶面内所有原子的散射波位相 相同、相互叠加，形成相长干涉
晶体结构的探测
虽然点群和空间群理论以及晶格理论都是19世纪提出的， 但直到1912年Laue发现了晶体X射线衍射现象之后才得以 从实验上观测到晶体结构并证实了上述理论。
普通光学显微镜受分辨率的限制，无法观测原子排列，使 用X光源，至今又没有可以使X光聚焦的透镜，所以只能依 靠衍射现象来间接观测晶体中的原子排列。
这就是X射线衍射的劳厄条件；
可以证明劳厄条件和布拉格条件等价。
劳厄条件
k
k
G
h
k k Gh
k k
k
Gh
k
Ewald球
k k Gh
劳厄法
晶体取向固定，采用波长在 min 和max 之间的连续 波长的X射线；
劳厄法
晶体取向固定，采用波长在 min 和max 之间的连续 波长的X射线；
1.2
(nm )
eV 12
波长与晶格常数可比时，如波长 0.1nm 对应 的能量 150 eV 。因此适合于晶体结构研究的 是20~250eV的低能电子束。
电子带电，与原子相互作用强，穿透深度约几个 原子层间距量级，因此低能电子衍射(Low Energy Electron Diffraction, LEED)主要用于晶体表面结构 研究。
T (Rn ) (r ) (r Rn )
电子密度具有平移对称性
材料强度学-华中科技大学研究生院
§10.2强度准则
§10.3层合板拉伸试验及数值结果对比分析
第十一章材料的抗断裂设计Fracture control design of materials
§11.1结构完整性保障
§11.2损伤容限设计
§11.3复合材料的可靠性设计
教材：材料强度学（作者：陈建桥），华中科技大学出版社，2008，武汉。
章节目录第一章固体的破坏fracturesolids11理论破坏强度12破坏类型与机理13固体脆性断裂特征第二章位错与晶体的强度dislocationcrystals21位错与剪切强度22位错的应力场23多晶体屈服强度第三章材料破坏的能量条件energybalancefracture31能量释放率32griffith公式第四章断裂力学分析方法fracturemechanicsmethod41裂纹尖端应力场42应力强度因子的影响因素43弹塑性断裂力学基础第五章材料的断裂韧性及其测试fracturetoughnessitsmeasurement51断裂韧性52断裂韧性测试第六章金属的脆性和延性破坏brittleductilefracturemetals61解理断裂62微孔洞汇聚和延性破坏机理第七章材料的高温强度materialsstrengthelevatedtemperatures71蠕变变形机理72持久寿命预测第八章疲劳破坏fatigue81疲劳断裂特征82疲劳裂纹扩展83断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用第九章高分子材料和陶瓷材料的强度strengthceramics91高分子材料的力学性能92高分子材料的粘弹性行为93时间温度等效原理94蠕变曲线及应力一寿命图第十章纤维复合材料的强度strengthfiberreinforcedplastics101复合材料的性能和特点102强度准则103层合板拉伸试验及数值结果对比分析第十一章材料的抗断裂设计fracturecontroldesignmaterials111结构完整性保障112损伤容限设计113复合材料的可靠性设计教材
第零章 绪论
2）多种现代及极端条件的应用
超高、低温、低压、强激光、磁共振、电 子束、粒子束技术、同步辐射、中子衍射 重正化群方法引入→相变理论；自相似、 自组织、混沌方法引入→非平衡、非线性 问题等 计算机的发展可以将原来理论研究 和实验结果的分析推向崭新阶段 微电子学、材料科学、激光物理与技术、 化学、计算物理、能源科学等
体系建立过程（20－30’s 年代）
实验上：X-ray、电子衍射→ 微观结构的直接测定→“晶体学” 理论上：量子力学、统计物理、群论→晶格动力学、电子能带论 →标志着固体物理学体系的建立→独立为一门学科 1940年，德国Seitz:第一本系统的固体物理学书 “modern theory of solid state”
固
体
物
理（I）
Solid State Physics （I）
华中科技大学 物理学院 袁松柳
Email:yuansl@
教 材 黄 昆：固体物理学 参 考 书 方俊鑫：固体物理学 阎守胜：固体物理基础 基泰尔：固体物理导论 陆栋等：固体物理学
第0章 绪论 §0.1 什么是固体物理学
二、什么是固体
概念： 处于凝固状态下的宏观物质
气 体：粒子离散； 液、固体：粒子凝聚； 液体：粒子离域，整体没有固定的形状 固体：粒子凝固: 运动形式振动, 整体有固定的形状 凝 聚 体：液、固、中间物（如生命体） BEC: B-E condensation 微观、动量空间凝聚 （超流、超导） 固体物理学中的固体多数情况下指的是晶体 粒子按一定规则周期有序排列的固体
3）理论研究的深入
4）与计算物理之间密切联系
5）与其它学科相互交叉、渗 透、互相促进、共同发展
4、地位 从器件设计看固体物理学的地位
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1、师资方面：
胡树兵教授为工程材料学精品课程负责人，2009年获得过湖北省教学一等奖。
在表面工程和功能材料方面取得了多项研究成果。
2、教学内容方面：
教学核心内容符合国际大学和国内重点高校的要求
3、教学方式方面：
以讲授为主，结合专题讨论和习题课进行教学
4、教材方面：
承担了国防973项目“xxxxxx高能束流焊接制造的基础研究”，并作为专题负责人承担“显微组织对焊接接头疲劳断裂影响的研究”。承担湖北省基金项目“机械合金化制备氧化铝颗粒增强黄铜基复合材料的研究”。参入承担国家自然科学基金两项“块体非晶合金的原子扩散行为的研究”和“SOFC金属连接体材料的氧化和导电机理极其改性探索”。承担了东风汽车公司课题；与三一重工承担了“输送直管电磁感应热处理技术研究”，为三一重工解决了重大技术难题。承担了广东省产学研合作重大项目“高品质液压油缸装备关键组件制造共性技术研究及产业化”。近年在表面工程、纳米颗粒增强铜基复合材料、材料强韧化、电子封装材料、可靠性与失效分析等方面有深入的研究。开发了等离子束表层合金化新技术，在钛合金及电子束焊接接头的疲劳性能做了深入研究。共发表学术论文80余篇，被SCI、EI收录近二十篇。负责的工程材料学为湖北省精品课程。
§2非晶态的结构模型
§3非晶态材料的制备
§4非晶态材料的的电子理论
教材：黄昆原著、韩汝琦改编，固体物理学，北京，高等教育出版社，1988年10月第1版
主要参考书：
1Ch.Kittle, Introduction toSolidStatePhysics ,8thEd.,J.Wiley and Sons,New York,2005
材料科学
49
表面工程、功能材料
课程负责教师教育经历及学术成就简介：
1985年毕业于华中理工大学机械二系金属材料及热处理专业，本科
1991年毕业于浙江大学材料系，硕士
2000年毕业浙江大学材料与化工学院，博士
2002年华中科技大学材料学院博士后出站
2002年至今华中科技大学材料学院教授，重点实验室副主任，2005-2011年任材料科学与技术系副主任。
附件
(
课程名称：固体物理
课程代码：110.510
课程类型：□√一级学科基础课□二级学科基础课□其它：
考核方式：考试
教学方式：讲授
适用专业：材料学纳米科学与技术
适用层次：□√硕士□博士
开课学期：秋季
总学时：40
学分：2.5
先修课程要求：大学物理、材料科学基础
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术方向
胡树兵
教授
§5材料的超导电性第ຫໍສະໝຸດ 章固体的磁性§1材料的磁现象
§2材料磁性的物理本质
§3抗磁性
§4顺磁性
§5金属材料的抗磁性与顺磁性
§6铁磁性
§7磁畴与技术磁化
§8反铁磁性和亚铁磁性
§9磁性材料的应用
第七章材料的光学
§1材料的透光性
§2激光与激光材料
§3光的传输与光纤材料
第八章非晶态固体物理
§1非晶态固体的结构
2.James D.Patterson,Bernard C.Bailey Solid-State Physics ,世界图书出版公司，2005，
3、Han Fuxiang．AModern Course in Solid State Physics,大连理工出版社，2010，第一版
4陈长乐，固体物理学，西北工业大学出版社，1998年6月第1版
选用具有国际水平的教材和参考书
5、其它：
第三章能带理论
§1经典电子论
§2布洛赫定理
§2能带论
§3费米-狄拉克分布
§4应用举例
第四章晶格振动与热学性质
§1一维晶格振动
§2三维晶格振动
§3晶格振动的长波分析
§4晶格热容
§5晶格的热膨胀
§6晶体的热传导
第五章材料的导电性
引言
§1金属材料的导电性
§2半导体材料的导电性
§3固体电解质材料的导电性
§4固体的介电性质
课程教学目标：
材料类专业研究生掌握固体物理的主要内容，了解材料学科发展前沿，掌握功能材料的物理现象与本质，为学生开发功能材料、新型材料打下基础。
课程大纲：（章节目录）
引言
第一章晶体结构
§1晶格的周期性
§2晶格的对称性
§3倒格子
§4准晶
第二章晶体结合
§1晶体结合的普遍描述
§2晶体结合的基本类型及特性
§3晶体结合类型与原子的负电性