固体物理教学大纲2018

《固体物理》课程教学大纲

一、课程简介：

固体物理学融汇了力学、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，在现代科学技术中起着非常重要的作用，是物理学的重要组成部分，是物理专业的必修基础课。

二、教学目的

本课程主要介绍固体物理学的基础知识和基本理论，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。在课程教学过程中，进一步培养学生的现代科学意识，提高分析问题与解决问题的综合能力及创新思维的能力。

三、教学要求

1．了解固体物理学发展的主要历程及固体物理对现代物理学与现代科学技术发展的作用。

2．了解固体物理学及凝聚态领域的当代前沿概况。

3．掌握固体物理学的基本概念与基础理论。

4．掌握固体物理学分析与处理问题的基本手段和思想方法。

5．掌握固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用、运动规律，晶体结构与物质力学、热学、光学性质的之间的关系。重点是晶体结构、晶体结合、晶格振动、金属自由电子论、能带论等。

四、课程重点与难点

课程重点：一是晶格理论，二是固体电子理论。晶格理论包括：晶体结构的基本特点和类型及对称性质；确定晶体结构的X射线衍射方法；晶体的结合类型与特点；晶格振动与晶体的热学性质。固体电子论包括：固体中电子的能带理论；金属自由电子理论和电子的输运性质。

课程难点：倒点阵的性质及其与正点阵的关系；晶体X射线衍射的分析；晶格振动的色散关系与模式密度；布洛赫定理及推论；晶体中电子的准经典运动与有效质量。

五、选用教材及参考书目

1．使用教材

基泰尔，《固体物理导论》，化学工业出版社，2013年6月第8版；

2．教学参考书目

（1）方俊鑫，陆栋，《固体物理学》（上册），上海科学技术出版社，1980年12月第1版；

（2）阎守胜，《固体物理基础》，北京大学出版社2003年8月第二版；

（3）陆栋，蒋平，徐至中，《固体物理学》，上海科学技术出版社，2003年12月第1版；

（4）胡安，章维益，《固体物理学》，高等教育出版社，2005年6月第1版；

（5）黄昆原著，韩汝琦改编，《固体物理学》，高等教育出版社，1988年10月第1版。

六、课程内容：

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；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。

教学时间分配表

第1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

第五节原子结构的直接成像

第六节非理想晶体结构

第七节晶格结构的有关数据

要求：掌握几种典型的晶体结构；掌握原胞、基矢的概念，了解晶面和晶向的表示，了解对称性；理解点阵、简单晶格、复式晶格、基元、原胞、晶胞等概念；理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别；了解晶体的对称性与晶系、点阵的基本类型及其基矢的表达。

学时分配：6学时

第2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

第四节结构单元的傅里叶分析

要求：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；理解晶格X衍射、劳厄方程、反射公式、和原子的散射因子和几何因子；掌握倒格子和布里渊区及倒格基矢的概念和正格基矢与倒格基矢的关系。

学时分配：6学时

第3章晶体结合与弹性常量

第一节惰性气体晶体

第二节离子晶体

第三节共价晶体

第四节金属晶体

第五节氢键晶体

第六节原子半径

第七节弹性应变的分析

第八节弹性顺度与劲度常量

第九节立方晶体中的弹性波

教学要求：了解固体结合的几种基本形式；了解氢键和氢键晶体冰；理解离子性结合、共价结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合等概念；掌握晶体内聚能和晶体的体弹性模量的计算。

学时分配：6学时

第4章声子（1）：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

教学要求：熟练掌握并理解其物理过程，一维链的振动（单原子链、双原子链）、声学支、光学支、色散关系；清楚掌握格波、简正坐标、声子、声子振动态密度、长波近似等概念；熟练掌握并理解其物理过程，

学时分配：6 学时

第5章声子（2）：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

教学要求：掌握固体热容、爱因斯坦模型、德拜模型；理解晶格振动的本征振动、格波的概念和晶体热膨胀和热传导；了解中子的非弹性散射测声子能谱；了解声子的概念；了解非简谐效应：热膨胀、热传导；了解格波的模式和频谱密度及晶体比热。

学时分配：6学时

第6章自由电子费米气

第一节一维情况下的能级

第二节温度对费米-狄拉克分布的影响

第三节三维情况下的自由电子气

第四节电子气的比热容

第五节电导率和欧姆定律

第六节在磁场中的运动

第七节金属的导热性

教学要求：熟练掌握金属自由电子的模型和基态性质；掌握自由电子能级和能态密度及电子气的比热；了解金属自由电子的电性质了解维格纳晶格；理解金属电导率；了解金属自由电子的磁性质。

学时分配：6学时

第7章能带

第一节近自由电子模型

第二节布洛赫函数

第三节克勒尼希-彭尼模型

第四节电子在周期势场中的波动方程

第五节能带中的轨道数目

教学要求：熟练掌握近自由电子模型、紧束缚近似的能带计算和能带的填充与固体的导电性的关系；理解布洛赫波和电子的准经典运动的概念；理解能态密度和能带的特点；了解费米面与粒子的轨道。

学时分配：6学时

第8章半导体晶体

第一节带隙

第二节运动方程

第三节本征载流子浓度

第四节杂质导电性

第五节温差电效应

第六节半金属

第七节超晶格

教学要求：熟练掌握带隙、空穴、有效质量、本征载流子等概念；了解杂质导电性、温差电效应、半金属和超晶格。

学时分配：6学时

第9章费米面和金属