材料物理
材料物理_李志林_第一章材料的电子理论（可编辑）
第一章材料的电子理论第一章材料的电子理论第一节自由电子近似第一节自由电子近似材料的应用要依赖于材料的某种性能材料的应用要依赖于材料的某种性能金属：强度高，塑性好，导电――结构材料．电器元件陶瓷：耐热，耐蚀，耐磨，绝缘――结构材料，隔热材料，绝缘材料金属――金属键结合，晶体，位错陶瓷――离子键结合，晶相与非晶相，位错宽度大→如何成键→从原子电子结构讲起材料的性能从本质上说归结于其电子结构材料的性能从本质上说归结于其电子结构一．历史回顾一．历史回顾经典自由电子说经典自由电子说德鲁特 Drude 等提出浆汁 jellium 模型金属原子聚集成固体时，其价电子脱离相应的离子芯的束缚，在固体中自由运动，故将其称为自由电子。
为保持金属的电中性，设想自由电子体系是电子间毫无相互作用的理想气体（电子气），其行为符合经典的麦克斯韦－玻耳兹曼统计规律，离子芯的正电荷散布与整个体积中，恰好与自由电子的负电荷中和。
成功之处计算出了金属的电导率及其与热导率的关系,一度被认为是对金属中的电子状态的正确描述。
主要缺陷：1 不能解释霍尔系数的反常现象。
2 实际测量的电子平均自由程比用该模型估计的大得多。
3 金属电子比热值只有用该模型估算的百分之一。
4 不能解释导体、半导体、绝缘体导电性的巨大差异。
1924，德布罗意提出物质波的概念1924，德布罗意提出物质波的概念消息传到苏黎世，德拜提出：有了波，就应该有一个波动方程。
不久，由德拜的学生薛定谔提出了这样一个方程――当时谁也没想到它如此重要。
解决的问题――是波动力学的基础．与矩阵力学一起标志量子力学的诞生。
与经典力学不同1 氢原子――量子概念．主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数、光谱．2 一维无限深势阱――量子、几率3 一维有限深势阱――阱外有几率4 隧道效应――低能也能穿过，有穿过几率――电子可跃出表面尖 V T表面尖与表面很近时，电子云重叠，有隧道电流JT ，由JT大小可知表面高低。
材料物理第一章1.2材料的蠕变-new详解
C1和C2为常数。
20
1.2.3 材料的粘弹性
玻尔兹曼(Boltzmann)叠加原理
玻尔兹曼叠加原理： 粘弹性材料的力学松弛行为是其整个过程 中各个应力贡献的线性加和的结果。
据此原理可以用有限的实验数据， 去预测很宽范围内材料的力学性质。
21
1.2.3 材料的粘弹性
理想力学元件模型
采用理想弹簧和理想粘壶，以不同方式组合 起来，可以模拟粘弹性材料的力学松弛过程。 理想弹簧代表理想弹性体，其力学性质服从
➢橡胶采用硫化交联的办法，是为了防止因分子间滑移 的粘性形变而引起的蠕变；
➢塑料加工时会产生内应力，常需要升温退火的办法来 消除，以防止产品弯曲或开裂。
14
1.2.3 材料的粘弹性
滞后
定义：在交变应力作用下，形变落后于应 力变化的现象。
原因：在外力作用和去除的过程中，大分子的形 变是大分子链段发生重排的过程，这个过程需要 时间，导致应变滞后于应力。 若应力表达式为：
???????1为普弹应变内部键长键角变化2为高弹应变3为粘性应变e1为普弹应变模量e2为高弹应变模量3为材料粘度为松弛时间分子链段形变不同分子链段相对滑移12123材料的粘弹性应力松弛在恒定的应变时材料内部的应力随时间的增长而减小的现象
1.2 材料的塑性、蠕变与粘弹性
1.2.1 材料的塑性
塑性(Plasticity)：
17
1.2.3 材料的粘弹性
力损耗与频率的关系
高分子材料在应力变化的频率较低时，分子链段运 动基本能跟上应力的变化，tanδ很小； 频率较高时，分子链段运动完全跟不上应力的变 化，tanδ也很小； 频率中等时，分子链段运动跟不上应力的变化，使 tanδ出现极大值。
材料物理专业就业前景 -回复
材料物理专业就业前景
材料物理专业的就业前景较好，因为材料科学和物理学在现代科技和工业领域中扮演着重要的角色。
以下是一些材料物理专业毕业生可能的就业方向：
1.材料研究与开发：毕业生可以在材料研究机构、科研院所、大型
制造企业等地从事新材料的研发、测试和改进工作，参与各种项目的技术研究和创新。
2.材料制造与工程：毕业生可以在制造企业、工程公司等领域从事
材料制备、加工和工程设计工作，负责材料选择、工艺优化和产品质量控制等方面的工作。
3.能源与环境领域：毕业生可以在能源和环境领域从事材料的应用
与开发工作，包括太阳能电池、燃料电池、储能材料等方面的研究与开发。
4.半导体与光电子行业：毕业生可以在半导体、光电子等相关行业
从事材料的设计、制备和测试工作，参与半导体器件的研发和生产过程。
5.材料分析与测试：毕业生可以在材料分析与测试实验室、质检机
构等领域从事材料结构与性能的分析、测试和评估工作，为各类材料提供科学的检测与评估服务。
6.教育与研究：毕业生可以从事高校或科研院所的教学和科研工作，
培养材料物理专业的学生，推动学科的发展和创新。
总的来说，随着科技的发展和对新材料的需求增加，材料物理专业的就业前景相对较好。
毕业生在综合素质、实践能力和专业知识的基础上，将有机会在各个领域中找到适合自己的职业发展机会。
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。
材料物理性能复习重点
1.热容：热容是使材料温度升高1K所需的热量。
公式为C=ΔQ/ΔT=dQ/dT (J/K)；它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，与材料的质量、组成、过程、温度有关。
在加热过程中过程不同分为定容热容和定压热容。
2.比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K所需的热量称为比热容每个物质中有两种比热容，其中c p＞c v，c v不能直接测得。
3.摩尔热容：1mol的物质在没有相变或化学反应条件下升高1K所需的能量称为摩尔热容，用Cm表示，单位为J/(mol·K)4.热容的微观物理本质：材料的各种性能（包括热容）的物理本质均与晶格热振动有关。
5.热容的实验规律：1.对于金属:2.对于无机材料（了解）1.符合德拜热容理论，但是德拜温度不同，它取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。
2.对于绝大多数氧化物，碳化物，摩尔热容都是从低温时一个最低值增到到1273K左右近似于3R，温度进一步升高，摩尔热容基本没有任何变化。
3.相变时会发生摩尔热容的突变4.固体材料单位体积热容与气孔率有关，多孔材料质量越小，热容越小。
因此提高轻质隔热砖的温度所需要的热量远低于致密度的耐火砖所需的热量。
6.经典理论传统理论不能解决低温下Cv的变化，低温下热容随温度的下降而降低而下降，当温度接近0K时热容趋向于07.量子理论1.爱因斯坦模型三个假设：1.谐振子能量量子化2.每个原子是一个独立的谐振子3.所有原子都以相同的频率振动。
爱因斯坦温度：爱因斯坦模型在T >> θE 时，Cv，m=3R,与实验相符合，在低温下，T当T << θE时Cv，m比实验更快趋于0，在T趋于0时，Cv,m也趋于零。
爱因斯坦模型不足之处在于：爱因斯坦模型假定原子振动不相关，且以相同频率振动，而实际晶体中，各原子的振动不是彼此独立地以同样的频率振动，而是原子间有耦合作用，点阵波的频率也有差异。
温度低尤为明显2.德拜模型德拜在爱因斯坦的基础上，考虑了晶体间的相互作用力，原子间的作用力遵从胡克定律，固体热容应是原子的各种频率振动贡献的总和。
材料物理学ppt课件
式中k， 4202m；k弹性系数 0固 ；有频率
代入薛定谔方程， 得到谐振子的运动微分方程：
2 2 V E
2m
2 2m
d 2
dx2
2
2m02 x2
E
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
的几率 ），波函数是空间和时间的函数，并且是复数，
即Φ = Φ(x，y，z，t)
自由粒子(动量、能量不随时间或位置改变）的波函数：
2 i ( px Et )
0e h
r,t
Ae
i
( Et
pr )
0 、 A 常数
（描述自由粒子的波是平面波）
波函数的性质：波函数乘上一个常数后，所描写的粒子状态不变（粒子在 空间各点出现的几率总和等于1，所以粒子在空间各点出现的几率只决定于 波函数在各点强度的比例，而不决定于强度的绝对大小）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
量子力学的应用
⑴一维势阱问题 势阱—在某一定区域内，势能有固定的值。 设一粒子处于势能为V的势场中，沿x方向做一维运动，势能满足下列边界条件：
V
0xa，Vx0
x0和xa，Vx
t
(1.6)
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
③定态薛定谔方程 由于势能与时间无关，薛定谔方程可进行简化．设方程的一种特解为：
x ,y ,z .t. x ,y ,z ft
《材料物理薄膜物理》课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
材料物理专业
材料物理专业材料物理专业是研究材料的物理性质和特性的学科，它涉及了材料的结构、性能、制备和应用等方面。
在当今社会，材料物理专业的研究对于推动科技进步、促进工业发展具有重要意义。
本文将从材料物理专业的基本概念、研究内容和未来发展趋势等方面进行介绍。
首先，材料物理专业是一门综合性学科，它涉及了物理学、化学、工程学等多个学科的知识。
材料物理学家通过研究材料的结构和性能，探索材料的物理特性和物理变化规律，为新材料的研发和应用提供理论基础。
材料物理专业的学习内容包括晶体学、材料分析、材料表征、材料制备等方面，学生需要掌握物理学和化学的基础知识，具备一定的实验技能和分析能力。
其次，材料物理专业的研究内容涉及了多个方面。
在材料的结构方面，材料物理学家研究材料的晶体结构、缺陷结构、晶体生长等问题；在材料的性能方面，研究材料的电学、磁学、光学、热学等性质；在材料的制备方面，研究新材料的合成方法、工艺条件和性能调控等问题。
材料物理专业的研究内容非常广泛，涉及了不同类型的材料，包括金属材料、半导体材料、陶瓷材料、高分子材料等。
此外，材料物理专业的未来发展趋势是多方面的。
随着科技的不断进步，新材料的研发和应用将成为未来的重要方向。
材料物理学家将继续研究新材料的物理特性和性能，探索新材料的制备方法和应用领域，为推动科技创新和产业升级做出贡献。
另外，材料物理专业也将与其他学科相结合，开展跨学科研究，如材料与能源、材料与生物医药等领域的合作，推动材料科学的发展和应用。
总之，材料物理专业是一门重要的学科，它对于推动科技进步、促进工业发展具有重要意义。
材料物理学家通过研究材料的结构和性能，探索新材料的制备方法和应用领域，为推动科技创新和产业升级做出贡献。
随着科技的不断进步，材料物理专业的研究内容和未来发展趋势将会更加丰富和多样化，为我们的生活和社会发展带来更多的惊喜和机遇。
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1.1波粒二象性
➢ 光的波粒二象性
光的波动性
光的粒子性
电磁波
光子
有波动参量，如：
有粒子参量，如：
波长
动量
频率
能量
波速
质量
有波的行为特性，如：
有粒子的行为特性，如：
波的干涉
黑体辐射
波的衍射
光电效应
光既具有波粒性有具有粒子性，光的这种双重特性称为光的波粒二象性
➢ 材料的性能决定于材料的成分结构与加工工艺。 材料性能的好坏直接决定了材料的用途，所以 学习和掌握材料的各种性能知识与理论是材料 研发的基础
学习的主要内容及参考资料
➢ 材料的物理性能：电学、磁学、光 学、热学、力学等
➢ 参考书目： ➢ 龙毅. 材料物理性能.中南大学出版 ➢ 黄昆. 固体物理 ➢ 杨兵初. 固体物理
1.2 波函数
➢ 某时刻空间某体积元dτ中出现粒子的几率正比 于波函数模的平方和体积元体积：
dw c | |2 d
通常取比例系数为c为1 ➢ 单位体积的几率称为几率密度ρ：
dw | |2 g ψ*是ψ的共轭复数
d
➢ 在波函数存在的全部空间τ中必能找到粒子，即 在全部空间τ中粒子出现的几率为1
材料的基本知识
➢ 新技术革命的支柱：材料、信息、能源与生物
➢ 材料一般指人类能用来制作有用物件的物质， 它与人们的衣食住行息息相关
➢ 材料按属性可分为三类：金属材料、无机非金 属材料和高分子材料
➢ 按性能可分为：结构材料和功能材料
➢ 现实中我们面对的是应用需求、材料性能、成 分结构与加工工艺四位一体的领域
0
0
L
LA2 1 2
1.2 波函数
例：已知一维无限深势阱中粒子的波函数为：
n
(
x)
A
sin
n L
x
(0≤x≤L)，式中L为势阱宽度，n为量子数。求：(1)求归一
化条件形式的波函数；(2)粒子在0≤x≤L/4区间出现的概率，
并分别计算n=1和n=∞时的概率值
解：(1) L |
|2
dx
L A2 sin2 n x dx
➢ 原子光谱：分立的线状光谱而不是经典理论认 为的连续光谱
1.1波粒二象性
1.1.1 从光子说到概率波
➢ 经典物理中的波和粒子
• 它们是两种仅有的又完全不同的能量传播方 式，如声音的传播和石子击碎玻璃
• 对于粒子可以精确地测定能量、动量、质量 和位置
• 波有波长、频率和振幅，会发生波的干涉和 衍射现象
1.1波粒二象性
例：质量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度 运动，试求人的德布罗意波波长。
解： h
h
6.631034
p mv 5015
8.81037 m
人的德布罗意波长仪器观测不到，宏观物体 的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
1.1波粒二象性
1.1.2 波粒二象性的必然结果—“不确定关系”
第1章 量子力学基础
1.1 波粒二象性 1.2 波函数 1.3 薛定谔方程
经典物理发展困惑
➢ 黑体辐射：经典理论 的瑞利-金斯公式在长 波段与实验值相符， 但在短波段相差较大， 这是著名的“紫外灾 难”
➢ 光电效应：经典理论认为电流和光强相关，与 频率无关。实验证实，电流不仅与光强有关， 还与频率有关，频率低于某值时，无论光强多 大，也无电流
应的动量变化分量 粗 估其动量的不确定程度
衍 射 图 样
德布罗 意波长
即 xPx 电子通过单缝时其位置 x 的不确定程度。
为了减小位置测量 的不确定程度，可以 减小缝宽 ，但与 此同时，被测电子的 动量的不确定量 却变大了。
根据右图可粗估
与 x 的关系
w | |2 d 1
波函数的归一化条件
1.2 波函数
1.2.2 波函数的性质
➢ 波函数的三个标准条件：连续、单值、有限
➢ Cψ和ψ描写同一个状态
➢ 波函数乘以一个数eiδ(δ为常数），不会影响它所表 示的物理状态
➢ 状态叠加原理：若体系具有一系列不同的可能状态 （ψ1，ψ2…)，则它们的线性组合ψ=c1ψ1+c2ψ2+…也 是该体系的一个可能状态。其中c1，c2…为任意常 数
光量子的能量和动量分别为
E=hν P=h/λ
1.1波粒二象性
➢物质的波粒二象性
1923年德布罗意提出，任何实物粒子都具有波粒二象 性
h h
p mv
p h 2 h hk
式中 h h ，k 2 称为波数
2
UO2晶体的 NaCl晶体的
电子衍射
中子衍射
1927年，汤姆逊利用电子束照射铝箔，得到清晰的电子衍射 图像，证实电子具有波粒二象性。后来中子衍射、原子和分 子束在晶体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。微观 粒子具有波粒二象性的理论得到了公认。
解：
P mv 9.11031 200 1.81028 kg m s-1
p p 0.01% 1.81032 kg m s-1
x
h p
6.63 1034 1.8 1032
3.7 102 m
1.2 波函数
1.2.1 波函数Ψ
➢ 波函数是用来描述具有波粒二象性的微观粒子状态 的函数，它是时间和空间的函数Ψ= Ψ(x,y,z,t)
➢ 自由粒子的波函数 (rr,t) Aexp[ i ( pr grr Et)]
h
➢ 自由粒子的能量和动量为常量，波函数描述的德布 罗意波是平面波
➢ 对于处在外场作用下的非自由粒子，其能量和动量 不是常量，波函数描述的德布罗意波就不是平面波
➢ 外场不同，粒子的运动状态及用来描述运动状态的 波函数也不相同
取 xPx h
xPx h 通常也作为不确定关系的一种简明的表达形式，它表明
和 x 不可能
同时为零，即微观粒子的位置和动量不可能同时精确测定，这是微观粒子具有波粒二象性的一种
客观反映。不确定关系可用来划分经典力学与量子力学的界限
1.1波粒二象性
例：一电子具有200m/s的速度，动量的不确 定度为0.01%，问在确定该电子的位置时，有 多大的不确定范围？
1927年，海森堡提出微观粒子不能同时具有确定 的位置和动量：
同一时刻 位 置 的 不 确 定 量 x 的关系为 该方向动量的不确定量 Px
xgPx h
称为“不确定关系”，又称为“测不准原理”。
1.1波粒二象性
电子束 缝 宽
得 x Px h PP
单电 概缝子 略衍通地射过用一单一级缝级衍时暗射发纹角生条所衍件对射，