固体物理 绪论
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固体理论讲义0-绪论
固体理论讲义一序论1.什么是固体固体是由大量原子所结合而成的不会流动的宏观体系。
从导电性讲：导体、半导体、绝缘体。
从晶格结构讲：晶态、准晶、非晶态、无系玻璃态。
3.元激发的概念T=0 K时，固体的基态不仅是能量最低的状态，而且还是某种有序态。
从微观角度分析，实验上所测得的宏观属性是固体在外扰动作用下从基态跃迁到激发态时所产生的响应。
对于能量靠近基态的低激发状态，往往可看作成是一些独立基本激发单元的集合，它们具有确定的能量和波矢，这些基本激发单元就是元激发，有时也称为准粒子。
4.元激发的分类元激发大体可分为两类：一类是集体激发的准粒子：声子、磁振子、等离激元等，表现为序参量的微小涨落。
这类元激发一般为波色子。
另一类元激发是个别激发：极化子、金属中的屏蔽电子或准电子。
4．固体理论的基本任务在于从微观上解释固体的各种特性，阐明其规律。
固体理论的主要方法为量子场论的方法。
借助于元激发的引入，可以使复杂的多体问题简化为接近于理想气体的准粒子系统，从而使低激发态的描述变得十分简单。
解释固体的实验测量特性问题归结为求解在给定外扰动作用下互作用系统的元激发问题，这是固体量子论的中心课题。
5.固体理论的讲授内容（1）周期性结构：正格矢、倒格矢、布里渊区。
（2）声子：晶格动力学、声学模、光学模、极化激元。
（3）磁振子：海森伯模型、铁磁自旋理论、反铁磁自旋理论。
（4）等离激元：等离激元和准电子、介电函数。
（5）电声子相互作用：（6）超导电性的微观理论：BCS理论。
（7）氧化物高温超导体（8）能带理论：（9）极化子理论：大极化子与小极化子。
（10）激子理论：瓦尼尔-莫特激子、夫伦克耳激子。
（11）强关联电子体系（12）无系系统连续介质近似：连续介质近似是将整个固体系统看作一宏观意义下的均匀介质，不考虑原子及晶格结构的具体细节。
绝热近似：考虑到离子实的质量比较大，离子运动速度相对慢，位移相对小，在讨论电子问题时，可以认为离子是固定在瞬时的位置上，这样，多种粒子的问题就简化成多电子问题。
固体物理绪论
非晶体则不具有长程有序的性质， 但是在非晶体中原子排列也不是 杂乱无章、完全无序的，仍然保 留有原子排列的短程序。
晶体---单晶体：水晶、岩盐、金刚石 ---多晶体：金属、陶瓷 非晶体：高分子材料，橡胶，塑料， 松香，石蜡
1984年，实验发现一类和晶体、非晶 体都不相同的固体，在这类固体中发现了 已经证明在晶体中不可能存在的五重对称 轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的 固体，称为准晶体
• 在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子 态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预 测了半导体的存在。 • 3） 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半 导体单晶的出现并制成了晶体三极管______ 产 生了半导体物理。 • 4）1960年诞生的激光技术对固体的电光、声 光和磁光器件不断地提出新要求。
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 粒子的运动形态及其相互关系的科 学。
研究对象：
固体的结构及其组成粒子（原子、离 子、分子、电子等）之间相互作用与运 动规律，以阐明其性能和用途。
固体物理是固体材料和器件的基础 学科，是新材料、新器件的生长点。
• 近代物理发展史
• 1. 1803年，道尔顿 近代原子论：万物由几十种 原子组成。
原子核物理(nuclear physics)
原子分子物理(atomic and molecular physics)
凝聚态物理(condensed matter physics)
表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics)
凝聚态物理的研究对象除晶体、非 晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠 密气体、液体以及介于液态和固态之间 的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、 熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶 等。
第一章 固体物理绪论分解
誉为当代文明的三大支柱。
20
70 年代又把新型材料、信息技术和生物技 术誉为新技术革命的主要标志。
80年代，为超越世界科技水平，我国政府 制订的“863”高新技术计划又把新材料作为 主要研究与发展领域之一。
21
大量事实证明，科学技术的进步离不开材 料科学，因而也就离不开固体化学。
例如: 半导体材料的设计推动了今天的半 导体工业、电子工业、计算机和信息产业；
第九章 材料与材料设计
第二章 玻璃与多晶粉末
可以说，固体化学与固体物理组成现代材料科学的基础
3
主要参考资料
1、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996） 2、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987) 3、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,申 泮文等译(复旦大学出版社,1989) 4、无机材料科学基础--- 陆佩文等编(武汉工业大学出 版社,1996) 5、无机材料物理化学--- 周亚栋编(武汉工业大学出版 社,1994)
其中，溶胶凝胶法及水热与溶剂热合成法是 软化学合成中比较重要的两种方法。
39
软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应物在分子状态上均 匀混合，通过生成前驱体或中间体（此反应过程可 以人为控制），最后生成（？）具有指定组成、结 构和形貌的材料。
软化学合成方法广泛应用于发光材料、磁性材 料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
但是其最为基本内容都应包括以下六个 部分：
17
1、固态物质的合成； 2、固体的组成和结构； 3、固相中的化学反应； 4、固体中的缺陷； 5、固体表面化学； 6、固体的性质与新材料等。
18
第1章 晶体结构
第2章 固体中的键合力
20
70 年代又把新型材料、信息技术和生物技 术誉为新技术革命的主要标志。
80年代，为超越世界科技水平，我国政府 制订的“863”高新技术计划又把新材料作为 主要研究与发展领域之一。
21
大量事实证明，科学技术的进步离不开材 料科学，因而也就离不开固体化学。
例如: 半导体材料的设计推动了今天的半 导体工业、电子工业、计算机和信息产业；
第九章 材料与材料设计
第二章 玻璃与多晶粉末
可以说，固体化学与固体物理组成现代材料科学的基础
3
主要参考资料
1、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996） 2、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987) 3、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,申 泮文等译(复旦大学出版社,1989) 4、无机材料科学基础--- 陆佩文等编(武汉工业大学出 版社,1996) 5、无机材料物理化学--- 周亚栋编(武汉工业大学出版 社,1994)
其中，溶胶凝胶法及水热与溶剂热合成法是 软化学合成中比较重要的两种方法。
39
软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应物在分子状态上均 匀混合，通过生成前驱体或中间体（此反应过程可 以人为控制），最后生成（？）具有指定组成、结 构和形貌的材料。
软化学合成方法广泛应用于发光材料、磁性材 料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
但是其最为基本内容都应包括以下六个 部分：
17
1、固态物质的合成； 2、固体的组成和结构； 3、固相中的化学反应； 4、固体中的缺陷； 5、固体表面化学； 6、固体的性质与新材料等。
18
第1章 晶体结构
第2章 固体中的键合力
中科大固体物理绪论
上世纪六七十年代后 非晶态的研究和利用陆续引起重视， 薄膜材料和器件广泛应用， 纳米材料和团簇材料的深入研究 ， 准晶体的发现和研究 超晶格材料和器件的制备和利用 都极大地丰富了固体理论。 然而至目前为止， 建立在晶体上的固体理论依然是 固体物理的核心内容。 固体中一些最重要的 性质还只有利用晶体才能得到 最好的描述。 对所有固体普遍适用的理论尚在建立之中。
Hall：
倒易空间和布里渊区
是固体物理的Maxwell方程
1. 固体中最丰富的层次，
构成了对于人类智力的巨大挑战。
3. 固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。
4. 固体物理的基本概念和实验技术已在非固体 学科得到广泛应用。
固体
回答：什么是固体物理学？ 为什么学习固体物理学？ 如何学习固体物理学？
0.1 固体物理学的研究对象
顾名思义，固体物理学是研究固态物质物理 性质的学科。 但和普通物理不同，它的重点不在于描述固 体的宏观物理性质，而是去阐明和理解固体的宏 观性质。解释形成这些性质的原因，从而找出控 制、利用、改善这些性质的方法。
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 7． Busch G. Schade H. 固体物理学讲义 高等教育出版社 1987 (原文为德文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 8．M A Omar Elementary Solid State Physics: Principle and Applications 中译本：固体物理学基础 北京师范大学出版社 1987 9．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 10. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
固体物理基础 绪论
以固体电子论的发展为主线可以把散落的知识点 联系在一起。 首先从金属的自由电子论讲起，在领略该模型的 巨大成功时也要知道该模型的不足。并指出这些不足 就是由于忽略了离子实和电子之间的相互作用导致的 ，为此必须加以修正。 而要考虑离子实和电子的相互作用，就必须知道 离子实在晶体中的排列方式。由此引入第二章晶体结 构的内容。 有了晶体结构的知识以后，就可以修改自由电子 模型了。在周期势单电子近似下，晶体电子的能谱呈 现能带结构，从而引入第三章能带论的内容。
在能带论的讲述中，通过绝热近似使学生认识到 晶格体系和电子体系可以分开处理，为第四章的晶格 振动打下伏笔。 通过晶格振动的讲述引入声子概念，从而可以用 电子、声子来描述固体中的输运问题了，这就是第五 章固体输运现象的内容。 通过金属、半导体的电、热、光输运特性，尤其 是电阻的产生机制，为第六章晶体结合、晶体缺陷和 相图的引入做好铺垫。 这样，就以固体电子论的发展为主线把各个知识点 结合在了一起。
固 体 物 理 基 础
绪 论
一、固体物理基础的内容
二、固体物理基础的地位
三、如何学好固体物理学 四、参考书目
一、固体物理基础的内容
1．概念
固体物理学是研究固体的性质、它的微观结 构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内 部运动同固体的宏观性质的关系的学科。
固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚 性的物质，在压强和温度一定，且无外力作用 时，它的形状和体积保持不变。包括晶体、准 晶体和非晶体。
1）固体物理学的基本问题
简单地说，固体物理学的基本问题有： 固体是由什么原子组成？它们是怎样排列 和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的 固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形 态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什
固体物理第一讲 绪论PPT课件
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，
在于晶体结构的观察方面有所进步。近年来发展
的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表
面的原子结构。
• 晶体的结构以及它的物理、化学性质 同晶体结合的基本形式有密切关系。通常 晶体结合的基本形式可分成：离子键合、 金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳 斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分 析晶体的物理、化学性质，或者依据晶体 价电子的局域密度分布的自洽理论计算， 人们可以准确地判定该晶体具有何种键合 形式。
(二)、固体物理的发展史
几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开
始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术， 人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质， 并用之于绘画、装饰等。
1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角 形；
1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着 温度的升高而下降；
阿拉克西曼德：万物是由无数的原始物质构成的。 阿拉克西美尼：万物的本质是空气。 赫拉克里特：万物的本质是火，火与其他物类的混合物，一
般都以我们可以感知气味的其他物类来命名，但是火本身 是不变的因素。 埃姆毕多克拉斯：万物是由水、气、火、土组成。
• 巴门尼德： 宇宙中只有一个永恒的存在，像一个充实的
固体物理学
第一讲 绪论
• 一：固体物理学 • 二：发展史 • 三：当前研究的热点和前沿 • 四：本课程的主要讲解内容 • 五、参考书籍
一：固体物理学
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。
融汇了力学、热力学与统计物理学、 电动力学、量子力学和晶体学等多学 科的知识。
固体物理绪论
9. 混沌现象
10. 同步辐射
11. 原子显微镜、原子探针
12. 金属氢〔T<20k,液态； T<14k，固态；常温下加压也 可为固态〕——储氢材料
13. 氧化物超导体〔86年诺贝尔奖〕〔中国的最高温超导 为90K〕
14. 分形和分维〔自相似〕 15. 准晶〔晶体——长程有序，准晶——有短程序、无长
艾尔伯·费尔
皮特·克鲁伯格
2021年：日本科学家南部阳一郎，表彰他发现了亚 原子物理的对称性自发破缺机制。日本物理学家小 林诚，益川敏英提出了对称性破坏的物理机制，并 成功预言了自然界至少三类夸克的存在。
小林诚 益川敏英 南部阳一郎
2021年：英国籍华裔物理学家高锟因为“在光学通信领域 中光的传输的开创性成就〞 而获奖；美国物理学家韦拉 德·博伊尔〔Willard S.Boyle〕和乔治·史密斯〔George E.Smith〕因“创造了成像半导体电路——电荷藕合器件图 像传感器CCD〞 获此殊荣。
理物理
物 理 光 物 子 电 谱物
理
理
理学 子
理
学
外介纳
表观米
物物物
理理理
四、近10年来的诺贝尔物理学奖情况
2000年：阿尔费罗夫〔俄国〕、克罗默〔德国〕提出异层构造
理论，并开发了异层构造的快速晶体管、激光二极管；杰
克·基尔比〔美国〕创造集成电路 阿尔费罗夫用克罗默的理论，
于 1966 年 研 制 出 第 一 个 实 用 的
2. 金属的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用单电 子近似的方法建立能带理论
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，说 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
固体物理I绪论
固体物理 I
朱满康
王 波
zhumk@ wangbo@
什么是固体物理学?
固体物理学(凝聚态物理学)
研究固体的结构及其物理性质的物理学分支学科 主要研究固体的原子结构以及固体中电子与原子、 电子与电子、原子与原子之间的各种相互作用和由 这些相互作用决定的固体材料的各种性质。
石 墨 金刚石 石墨烯
They are all just carbon!
通过学习，了解为什么一种碳物质(石墨) 是金属性，一种碳物质 (金刚石) 是绝缘性的，而另一种碳(石墨烯)呈现半导体特性 通过学习，理解这些差别产生的物理起源---物质结构
5
学习意义与方法
理解课程的重要性
固体物理是基础理论学科与应用学科之间的桥梁，是一门实验与 理论相结合的科学 固体材料的性质是现代社会和技术的核心 IT技术(计算机、通讯等)和电子工业的发展是基于对一些特殊材 料的调制而取得的
《辞海》
凝聚态物理学，相对于固体物理学，是更为合适的 名称
许多与固体相关的一些概念也可适用于液体.
2
固体物理学的目的
了解固体材料的性质及发生相互作用，人们通 过薛定谔(Schrö dinger)方程，预测固体材料的性质.
了解决定固体行为的基本定律.
晶体结构↔衍射行为 晶格振动↔ Debye热容理论 导电性能↔能带理论
3
研究对象
课程主要讨论的对象是晶态固体：
具有有序重复排列原子结构的固体
许多重要的固体是晶态的.
晶态材料的计算和表征更为容易，理解晶态 固体的行为获得的进展远大于非晶态固体.
朱满康
王 波
zhumk@ wangbo@
什么是固体物理学?
固体物理学(凝聚态物理学)
研究固体的结构及其物理性质的物理学分支学科 主要研究固体的原子结构以及固体中电子与原子、 电子与电子、原子与原子之间的各种相互作用和由 这些相互作用决定的固体材料的各种性质。
石 墨 金刚石 石墨烯
They are all just carbon!
通过学习，了解为什么一种碳物质(石墨) 是金属性，一种碳物质 (金刚石) 是绝缘性的，而另一种碳(石墨烯)呈现半导体特性 通过学习，理解这些差别产生的物理起源---物质结构
5
学习意义与方法
理解课程的重要性
固体物理是基础理论学科与应用学科之间的桥梁，是一门实验与 理论相结合的科学 固体材料的性质是现代社会和技术的核心 IT技术(计算机、通讯等)和电子工业的发展是基于对一些特殊材 料的调制而取得的
《辞海》
凝聚态物理学，相对于固体物理学，是更为合适的 名称
许多与固体相关的一些概念也可适用于液体.
2
固体物理学的目的
了解固体材料的性质及发生相互作用，人们通 过薛定谔(Schrö dinger)方程，预测固体材料的性质.
了解决定固体行为的基本定律.
晶体结构↔衍射行为 晶格振动↔ Debye热容理论 导电性能↔能带理论
3
研究对象
课程主要讨论的对象是晶态固体：
具有有序重复排列原子结构的固体
许多重要的固体是晶态的.
晶态材料的计算和表征更为容易，理解晶态 固体的行为获得的进展远大于非晶态固体.
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长程有序: 至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。
(a)晶体结构的规则网格
(b)非晶体结构的无规则网格
非晶体中原子排列不具有长程的周期性，但基本保留了原子排 列的短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离(键
长)、近邻原子配置的几何方位(键角)都与晶体相近。
非晶体
多晶体
单晶体
狭义上的固体：单晶体
a
2. 体心立方堆积 致密度 = 31/2π/8 =0.68 配位数 = ？ 3. 立方密堆积(面心立方堆积）
BCBCBCB CBCBCB
密堆积结构
密堆积的方式由两种：六角密积和立方密积,它们 的配位数均为12
立方密积
按ABCABC…顺序密 堆积,也就是面心立方 结构
六角密积
按ABAB…顺序密堆 积
参考书目
1. 《固体物理教程》 王矜奉 编著 （山东大学出版社） 2. 《固体物理导论》 基泰尔 （C. Kittel) (化学工业出版社） 3. 《固体物理学》 黄昆、韩汝琦 （高等教育出版社） 4. 《固体物理》韦丹、清华大学出版社
5. 《Solid State Physics》 G. Grosso 、G. P. Parravicini (Elsevier)
在晶体几何学中，一般使用晶格（crystral lattice） 的概念来代表完美晶体。在完美晶体中用某一原子平衡 位置的几何点替代这一原子，结果得到一个与晶体几何 特征相同、但无任何物理实质的几何图形，成为晶格， 也叫做点阵。
基元（Basis）
基元可以是一个粒子，也可以是由若干个粒 子所组成的粒子集团。基元内所含的粒子数 ＝晶体中原子的种类数 基元的几何代表点称为格点（lattic Site） 格点在空间的分布，所形成空间点阵称为布 拉菲点阵。
第一章 晶体的结构
内容：晶体中原子排列的形式及其描述 主要包括: 晶体的周期结构 晶列 晶面指数 倒格空间 晶体的对称性及晶体结构的分类 晶体的X射线衍射
引论
固体的分类
晶体: 固体 长程有序 多晶体 单晶体
非晶体: 不具有长程序的特点,短程有序。
准晶体: 有长程取向性，而没有长程的平移对称性。
在布喇菲点阵中，以某一格点为坐标原点，选取与晶格维数同样多的
一组矢量，构成坐标系，使得晶格中任意一个格点的径向量（称为晶
格矢量）可以表述为一组矢量的整数线性组合,这一组矢量称为基矢。
基矢的大小：所选方 向最短的周期 基矢量的选取不是唯 一的！
基矢：重复单元的边长。(a1, a2, a3) 点阵中任意两格点之间的位置矢量：
Cu
o o
Cu
o
o
Cu
o o
Cu
o o
Cu
o o
Cu
o
o
o
o
o
如何描述点阵结构
布喇菲空间点阵：沿三个不同的方向通过点阵中的结点做平行的直 线族，将节点包揽无遗，形成一个三维网格（晶格）。
周期：某一方向上两相邻结点的距离，称为该方向的周期。 原胞（固体物理学原胞）：以一个结点为顶点，以三个不同方向的 周长为边长的平行六面体。 特点: (1) 体积最小的重复单元 (2) 格点只出现在该平行六面体的顶角上。 (3) 每个原胞平均包含一个格点 (4) 原胞的选择方式有多种（形状），但原胞的体积相等。
布喇菲空间点阵（Bravais
lattice）1850年
晶体的内部结构可以看成有一些相同的点（结点）在空间作 规则的周期性的无限分布。（布喇菲点阵是一个没有边界的无 穷大点阵，其中所有的格点是等价的）
晶体的对称性 点阵的对称性
基元：晶体的基本结构单元 (1) 一个基元对应一个节点 (2) 基元（结点）周围的环境相同（等效性） (3) 基元内部有结构，可以由一种或数种原子构成
雪花晶体 食糖晶体 明矾晶体 单质硫 食盐晶体
第一章 晶体的结构 §1.1 晶体的共性
组成晶体的原子的性质以及原子的排列方式（晶体结构）决定 了晶体的性质！ 晶体中的原子成周期性的排列（长程有序）！
晶体中的各项异性！
晶体的共性
长程有序 自限性 各向异性
由于生长条件不同，同一品种的晶体，外形也是不 一样的
“《固体物理》主要是探讨具有周期结构特征的晶态物质的结
构和性质的关系。”
周期性介质--晶体的结构 （第一章） 晶体的结合方式（第二章） 晶体中的缺陷及其运动 （第四章） 晶体中电磁波（X射线）的传播 （第一章） 晶体中格波的传播 (第三章) 晶体中电子的德布洛意波的传播(第五、六章)
Rl = l1 a1 + l1 a1 + l3 a3
空间格子、原胞（Unit Cell）
a3
a3
a2
a1
a2
a1
原胞的体积：
a1 a2 a3
原胞的特征
原胞是以格点为顶点，以基矢为边长所构成的平行六面 体，其几何特征由原胞的边长以及它们之间的夹角α,β和γ 规定 原胞描述了晶体结构的周期性，是晶格中体积最小的重 复单元,格点只能位于平行六面体的的顶点上，因而每个 原胞只包含一个格点 原胞选取不唯一，但对于给定的空间点阵,无论怎样选取， 原胞的体积大小相同
（2）同种原子按不同的排列方式组成的晶体具有不同的性质。
（同质异构体）
碳 --- 奇妙的家族
Carbon: 1s22s22p2
石墨 (Graphite)
金刚石 (Diamond)
富勒烯(Fullerenes )
Robert F. Curl
1996年
H.W. Kroto
C60
C70
R. E. Smalley R. Buckminster Fuller (1895-1983)
E.S. Fedorov
1895年：伦琴发现 X 射线。 1912年： 劳厄(M. von Laue)，
弗里德里希(W. Feriederich)， 克尼平(P. Knipping) 晶体X射线实验，验证了晶体结构的周期性。
量子力学：描述晶体内微观粒子的运动规律
ˆ ( x1 , x2 , , xn , t ) H( x1 , x2 , , xn , t ) t
碳纳米管(Carbon Nanotubes)
S.Ijima, Nature 358, 220 (1991)
石墨烯(Graphene)
A. K. Geim, Science 306, 666 (2004)
《固体物理》的学科背景及研究意义
固体物理学是用自然科学的基本原理解释物体的宏观性质的科学。课 程的重点，是研究固体的物理性质、内部微观结构以及内部的微观世 界的运动规律之间的关系。——韦丹《固体物理》 1.固体物理学是一个联接微观世界和固体宏观性质的桥梁 微观世界的基本规律 固体的宏观性质 力学 电磁学 热学 统计学 统计物理 量子力学 量子动力学 量子统计 力学性质 热性质 声性质 统计学 电性质 磁性质 光性质
晶体结构＝基元＋布拉菲点阵
晶体结构 = 点阵 + 基元
a
a
晶体结构
基元
点阵
布拉菲点阵（Bravais lattice）
布拉菲点阵是一个没有边界的无穷大 空间点阵，其中的所有格点是等价的： 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。 晶体结构＝基元＋布拉菲点阵
二维周期排列的结构及点阵的实例
密集型结构
3. 立方密堆积(面心立方堆积）
致密度 = 21/2π/6 =0.74 配位数 = ？
4. 六角密堆积
致密度 = ?
配位数 = ？
§1.3 布喇菲空间点阵、原胞、晶胞
由于组成晶体的组分和组分原子的排列方式的多样性，使 实际的晶体结构非常复杂！
空间点阵和基元
空间点阵（Lattic） 晶体可以看成一个基本的结构单元（简称基元） 沿空间三个方向，以不同的周期平移的结果
《固体物理》的研究内容——所研究的基本问题
固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？ 这种结构是如何形成的？ 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运 动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什 么联系？ 各种固体有哪些可能的应用？能否设计和制备新的 固体，研究其特性，开发其应用 ？
“凡草木花多五出,雪花独六出” --- 《韩诗外传》西汉
雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 --- 《六角雪花论》J. Kepler （1611）
1784年 法国学者阿羽依
R.J. Haliy
晶体是由无数个具有多面体形状的原始“组成单元”在三维空间无间隙地 平行堆砌而成
1848年 法国学者布喇菲(A．Bravais): 空间点阵 1890 年：费多罗夫(E.S. Fedorov) 1891 年：熊夫里斯 (A. Schönflies) 晶体微观结构的几何理论 空间群论
《固体物理》的研究对象
物 质 的 状 态
固态(晶体和非晶体) 液态(液晶体和非晶液体) 气态 等离子态 凝聚态物理
玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC）
晶体的特点
结构 →长程有序（周期性） 性能
→
各向异性
《固体物理》的研究对象
晶体的结构和功能的关系
力学、热学、电学、磁学、光学、等
（1）不同原子组成的晶体具有不同的性质。
晶胞(Conventional unit cell)
为了反映晶格的点对称性，结晶学上所取的重复单元也是 一平行六面体，其基矢（用 a、b 、c 表示）沿晶轴方 向，但重复单元的体积不一定是最小的：即格点不仅在平 行六面体顶点上，还可以在平行六面体的体心和面心上。 这样选取的重复单元叫晶胞。也叫惯用晶胞或布拉菲原胞。 晶胞基矢的大小是该方向最短的平移周期。 通常说某种晶体的空间点阵指的是晶胞。晶胞基矢 的长度称为晶格常数。 晶胞在有些情况下就是原胞，有时则不同。晶胞的 体积为原胞体积的整数倍。 每个晶胞中平均包含不止一个格点。