固体物理基础
固体物理学的基础知识
固体物理学的基础知识固体物理学是研究物质的结构、性质、运动规律以及与其它物质或外界的相互作用的一门学科。
它是现代物理学的基本分支之一，涉及到原子物理、电子物理、热学、光学和量子力学等多个领域。
在这篇文章中，我们将探讨固体物理学的基础知识。
第一部分：晶体结构晶体是一种物质的排列有序的状态，通常包括单晶和多晶两种类型。
单晶是指大量的原子、离子或分子按照某种固定的排列方式在空间中排列成具有完美晶体结构的固体。
而多晶是指含有许多小结晶的物体，其晶体结构比较复杂，但仍具有一定的有序性。
晶体结构由晶格和基元两部分组成。
晶格是晶体内部的空间排列，它是由一个基元重复堆积而成的。
基元则是晶格中最小的重复单元，它具有原子、离子或分子等物质的特性。
晶体结构的复杂程度取决于晶格点的数量和类型，不同的晶格点组合可以形成不同类型的晶体结构，例如立方晶系、四方晶系、单斜晶系等。
第二部分：固体的机械性质固体的机械性质是指物质在受力作用下对形变和破坏的响应能力。
其中包括弹性、塑性、破裂等特性。
弹性是指物质在外力作用下发生微小变形后，力的大小和方向随即发生变化，但物质恢复原形和大小的能力。
而塑性是指物质在外力作用下发生较大的变形后，不完全恢复原形和大小的能力。
它是固体物理学中的重要概念，因为它可以揭示物质的可塑性和强度等特性。
破裂是指物质在外力作用下失去稳定性的现象，主要表现为裂纹的出现和扩展。
固体物理学可以提供有关破裂的原因和机制，为防止和减缓破坏过程提供理论基础。
第三部分：电子的行为电子是物质的基本组成部分，固体物理学中对电子的研究至关重要。
电子在固体中的行为与自由电子不同，因为它们被束缚在原子和分子中，形成电子云。
这种电子云与晶格共同构成了一个固体的物理性质。
铁磁性、金属性、半导体等性质都与电子的行为有关。
在半导体中，电子如果跃迁到禁带中的能级，可以通过吸收或散射光子的方式发生能量跃迁。
这个连续的电子能级称为电子云。
在金属中，电子可以自由移动，因为它们不受束缚，可以在整个金属中形成电子气态。
物理学中的固体物理学基础知识点
物理学中的固体物理学基础知识点固体物理学是物理学的分支学科，研究固体材料的性质、结构和行为。
本文将介绍一些固体物理学的基础知识点，包括晶体结构、声子和电子等。
一、晶体结构晶体是由原子、分子或离子组成，具有一定的周期性结构。
晶体结构包括晶格和基元两个基本概念。
1. 晶格晶格是指晶体中重复出现的基本单元，可以看作是无限重复的点阵。
晶体的晶格有五种常见结构类型：立方晶系、正交晶系、单轴晶系、菱面晶系和三斜晶系。
不同类型的晶格具有不同的对称性。
2. 基元基元是指晶体中最小的重复单元，其组合可以构成整个晶体。
基元可以是一个原子、一对原子或一组原子。
例如，钠氯化物晶体的基元是由一个钠离子和一个氯离子构成的。
二、声子声子是固体中振动的量子态，对应于晶体中原子的振动模式。
声子的产生和传播与晶体的结构和原子间相互作用有关。
声子的性质及其在固体物理中的作用有很多研究，其中最重要的是声子在热传导中的角色。
声子的传播会导致热量的传递，因此理解声子的性质对于材料的热导率和热电性能的研究具有重要意义。
三、电子固体中的电子是固体物理学中的重要研究对象。
电子在晶体中的行为由量子力学描述，其中包括能带理论、费米面和导电性等。
1. 能带理论能带理论是描述固体中电子能级分布的理论。
在晶体中，原子间的相互作用导致原子能级发生分裂，形成能带。
根据氢原子能级的经验规则，能带可以分为价带和导带。
2. 费米面固体中电子的分布状态由费米面决定。
费米面是能带理论中的重要概念，描述了能量最高的占据态与能量最低的未占据态之间的分界面。
3. 导电性固体材料的导电性与其中的电子行为密切相关。
根据电子在能带中的填充情况，材料可以被分为导体、绝缘体和半导体。
导体中的能带存在部分填充的状态，电子可以自由移动，并且易于形成电流。
绝缘体中的能带被完全填满，电子难以进行移动。
半导体的能带填充情况介于导体和绝缘体之间，通过施加外加电场或温度变化可以改变其导电性。
总结：固体物理学是物理学的重要分支，研究固体材料的性质和行为。
固体物理学的基础知识
固体物理学的基础知识固体物理学是物理学的一个重要分支，研究物质固态状态的性质和行为。
在这篇文章中，我们将介绍一些固体物理学的基础知识，包括晶体结构、晶格常数、晶体缺陷和固体力学性质等内容。
一、晶体结构晶体是指由周期性排列的原子、离子或分子组成的物质。
晶体结构描述了这些粒子在空间中的排列方式。
最基本的晶体结构是简单立方、面心立方和体心立方。
简单立方是最简单的结构，每个原子与其六个相邻原子相接触；面心立方在每个立方的面心上添加了一个原子；体心立方在每个简单立方的中心添加了一个原子。
除了这些基本结构，还存在许多复杂的晶体结构，如钻石和蓝宝石。
二、晶格常数晶格常数是描述晶体结构的一个重要参数。
它表示晶体中相邻原子之间的距离。
晶格常数可以通过实验或计算得到。
对于简单立方结构来说，晶格常数就是原子间距离；对于面心立方和体心立方结构，晶格常数与原子间距离有特定的关系。
三、晶体缺陷晶体缺陷是指晶体结构中的一些缺陷或杂质。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子；线缺陷包括位错和螺旋位错；面缺陷包括晶界和界面。
晶体缺陷对晶体的性质有重要影响，如电导率、热导率和光学性质等。
四、固体力学性质固体力学性质描述了固体对外界力的响应和变形行为。
其中最基本的性质是弹性模量。
弹性模量分为压缩模量、剪切模量和杨氏模量，它们分别描述了固体对压力、剪切力和应力的响应。
除了弹性模量，还有塑性、断裂和疲劳等力学性质值得研究。
结论固体物理学的基础知识包括晶体结构、晶格常数、晶体缺陷和固体力学性质等内容。
通过对这些知识的研究，我们可以更深入地理解固体的性质和行为，为材料科学和工程技术的发展做出贡献。
希望本文对你对固体物理学的学习有所帮助。
参考文献：[1] Ashcroft N W, Mermin N D. Solid State Physics. Cengage Learning, 1976.[2] Kittel C. Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons, 2005.[3] Rao C N R, Rao C N R, Omar Syed Ismail. Angular Momentum in Quantum Physics: Theory and Application. World Scientific, 2014.。
《固体物理基础概论》PPT课件
组成晶态固体的粒子在空间周期性排列,具 有长程序,它的对称性是破缺的。
非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间的 分布是完全无序或仅仅具有短程序,具有高度 的对称性。
准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间 分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的 取向序。
固体物理的研究对象以晶体为主。
准晶
2 . 固体物理学的基本任务：是企图从微观上 去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。
到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结合 、晶体缺陷等学生材内容和学时分配 第一章 金属自由电子费米气体模型(10学时) 第二章 晶体的结构 (19学时) 第三章 能带论 (23学时) 第四章 晶格振动 (10学时) 第五章 输运现象 (5学时) 第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图(5学时)
曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图
Ultra-Thin Material
超导磁悬浮
Magnetic Domains by Magneto-optical Effect
包钴氧化铁 钡铁氧体
铁合金
CrO2
m
计算机的硬盘
计算机的硬盘
2007年诺贝尔 物理学奖---巨 磁电阻效应 （GMR)
4.基泰尔（C.Kittel 5th edition）著，杨顺华等 译，固体物理导论，科学出版社，1979
5.方可,胡述楠,张文彬 主编;固体物理学,重庆大 学出版社,1993
6.陈金福 主编 固体物理学—学习参考书 高等 教育出版社,1986 7.
8.阎守胜. 2000. 固体物理基础. 北京：北京大学 出版社
7.教学要求
1) 掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对 金属的电、热、光等物性进行分析； 2) 掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性 和分类、倒格子以及X射线衍射；
固体物理基础曹全喜总结
固体物理基础曹全喜总结固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科。
固体是物质的一种状态，具有一定的形状和体积，分子或原子之间相对稳定，排列有序。
固体物理研究的对象包括晶体、非晶体、液晶等各种固态形态的物质。
固体物理的研究方法主要包括实验和理论两个方面。
实验是通过对实际物体进行测量和观察，获取物质性质和行为的数据。
实验方法包括X射线衍射、电子显微镜等。
理论方法是通过建立物理模型和方程，运用数学工具进行推导和计算，预测和解释实验现象。
理论方法主要包括量子力学、统计物理等。
固体物理的研究内容包括晶体结构、物质的力学性质、热学性质、电学性质、磁学性质等方面。
晶体结构是固体物理的基础，它研究的是物质的原子或分子的排列方式。
晶体结构的研究对于理解物质的性质和行为具有重要意义。
物质的力学性质研究的是物质的变形和力学响应。
热学性质研究的是物质的热传导、热膨胀等现象。
电学性质研究的是物质对电场的响应，包括电导、电磁波传播等。
磁学性质研究的是物质对磁场的响应，包括磁化、磁共振等。
固体物理的研究对于科学技术的发展和人类社会的进步具有重要意义。
固体物理的研究成果在材料科学、电子器件、能源等领域有广泛的应用。
例如，固体物理研究为新材料的开发和设计提供了理论基础。
固体物理的研究成果也为电子器件的设计和制造提供了重要的指导。
在能源领域，固体物理的研究对于太阳能电池、燃料电池等新型能源技术的发展具有重要意义。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他在固体物理的研究和教学方面做出了卓越贡献。
曹全喜教授的研究涉及固体物理的多个方面，包括晶体生长、低维材料、磁性材料等。
他的研究成果在国内外学术界产生了广泛的影响。
曹全喜教授的教学工作也备受学生和同行的认可，他培养了一大批优秀的固体物理学者。
固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科，具有重要的理论和应用价值。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他的研究成果为固体物理的发展做出了重要贡献。
固体物理基础
几种典型的晶体结构
1. 简立方结构
原子球在一个平面内呈现为正方排列
18
边长为 a 的立方体的每个顶角处有一个原子占据
ae3 a e2 ae
1
简单立方的晶胞
（原胞）
晶轴：晶胞的棱边 晶格常数：晶胞的边长
原胞的三个基矢：
三个基矢长度相 a a e 1 1 等，方向垂直， a a e 2 2 各自构成立方体 a3 ae3 的三条边
28
六重轴
五重轴
29
例如：一个立方体 6个2度轴： 不在同一立方面 上的平行棱边中 心的连线
4个3度轴：体对角线
3个4度轴：对面中心的连线
30
2、中心反演和n度旋转反演轴
① 中心反演
使坐标r-r的操作称为原点的中心反演，经过中心 反演后晶体与自身重合，则晶体具有中心反演对称 用i代表。
1
体心正交
底心正交
面心正交
14
简单六方
简单菱方
简单四方
体心四方
15
简单立方
体心立方
面心立方
16
晶格类型
基中只包含一个等价原子，晶格就是一 ①简单格子： 种布拉菲格子，原胞中只含一个原子。
基中包含两个以上不等价原子；晶格由 ②复式格子： 布拉菲格子相对错开一定距离套构而成， 原胞中包含多个原子。
17
33
晶系
三斜 Triclinic a≠b≠c ,α≠β≠γ 单斜 Monoclinic a≠b≠c, α=γ=90º≠β 正交 orthorhombic a≠b≠c,α=β=γ＝ 90º
布拉菲点阵
简单三斜
晶系
固体物理学的基础
固体物理学的基础引言固体物理学是研究固体材料的结构、性质及其内部粒子运动规律的一门学科。
它在现代科技发展中扮演着重要角色，为材料科学、电子学、光学等领域提供了理论基础和技术支撑。
本文将简要介绍固体物理学的基本概念和核心内容。
固体的分类与结构晶体和非晶体固体可以分为晶体和非晶体两大类。
晶体内部的原子或分子排列具有周期性和对称性，如食盐、金刚石等。
非晶体则没有这种长程有序结构，例如玻璃、塑料等。
晶格理论晶体内部的基本单位是晶格，它是构成晶体的最小重复单元。
常见的晶格类型有简单立方、面心立方、体心立方等。
晶格理论通过分析原子在空间中的排列方式，解释了晶体的宏观物理性质。
固体的结合力固体内部的粒子之间存在相互作用力，这些力决定了固体的稳定性和物理特性。
主要的固体结合力包括离子键、共价键、金属键和范德华力等。
离子键离子键是由正负离子之间的静电吸引力形成的，常见于盐类化合物，如氯化钠（NaCl）。
共价键共价键是由两个原子共享电子对形成的化学键，典型例子是金刚石和硅晶体。
金属键金属键是金属原子之间的电子云重叠形成的键合，使得金属具有良好的导电性和延展性。
范德华力范德华力是分子间较弱的吸引力，主要存在于非金属材料中，如石墨层之间的相互作用。
能带理论能带理论是固体物理学的核心内容之一，它描述了电子在固体中的运动状态。
根据能带理论，固体中的电子能量分布形成能带，能带之间的空隙称为禁带。
导体、半导体和绝缘体的电学性质可以通过能带结构来解释。
导体导体的能带中有部分未填满，电子可以自由移动，因此具有良好的导电性。
半导体半导体的能带间隙较小，温度升高或掺杂可以使其导电性显著增加。
绝缘体绝缘体的能带完全填满，电子无法自由移动，因此几乎不导电。
结论固体物理学作为一门基础科学，对于理解材料的微观结构和宏观性能具有重要意义。
通过对晶体结构、结合力以及能带理论的研究，我们能够设计出性能更优的材料，推动科技进步和产业发展。
固体物理基础阎守胜 第三版 修订
固体物理基础阎守胜第三版修订固体物理是物理学中的重要分支，它研究物质的结构、性质和行为。
《固体物理基础》是一本经典教材，由阎守胜教授撰写的第三版经过修订，为读者提供了更全面、生动且有指导意义的内容。
本教材首先介绍了晶体学的基本概念与方法，帮助读者了解不同晶体的结构和对称性。
通过具体的实例，阐明晶体的结构对其宏观性能的影响，使读者能够理解晶体材料的机械、光学、电学和热学特性，并掌握相关实验技术。
在介绍晶体缺陷的章节中，教材详细阐述了点缺陷、线缺陷和体缺陷的类型和性质。
通过讲解缺陷的形成机制和影响，读者将更深入地理解固体物理中的缺陷化学和缺陷工程，为制备功能材料提供了理论基础。
电子能带理论是固体物理的核心内容之一。
《固体物理基础》对能带理论的基本原理和应用进行了深入讲解，并结合实例解释了金属、绝缘体和半导体材料的导电性质。
此外，对近年来发展迅猛的低维结构、纳米结构和非晶态材料的电子性质也进行了介绍，使读者能够跟上固体物理研究的最新进展。
教材还特别强调了实验方法和技术在固体物理研究中的重要性。
通过介绍各种材料表征和测试技术，如X射线衍射、扫描电子显微镜和拉曼光谱等，读者将获得实验数据分析和解释的能力，为自己的科研工作提供有力支持。
最后，教材还引入了固体物理领域中的一些前沿课题，例如拓扑绝缘体和量子调控等。
这些新兴领域的介绍将帮助读者了解固体物理研究的最新动态，并对未来的科学发展有所指导。
总而言之，《固体物理基础》第三版修订本是一本内容全面、生动且有指导意义的教材。
无论是从基础知识的系统梳理，还是对前沿科研领域的引入，本教材都能够帮助读者建立起对固体物理的全面认识，并通过具体案例和实验技术的讲解，培养读者的科学思维和实践能力。
无论是学生还是科研工作者，都能从中获益匪浅。
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注意事项
1. 掌握固体物理的基本概念、思维方法和 学习方法； 针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突 出主要因素，建立模型。 例如：晶体－－－周期性； 金属－－－电子共有化 单电子近似－－－能带论 2. 作好作业。
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第一章
§ 1－ 1
晶体结构
晶体的宏观特性
பைடு நூலகம்
1. 均一性――从宏观理化性质的角度来 (周期性－－从原子排列的角度来讲）； 2. 对称性； 3.各向异性和解理性，例如，云母的解理性；
引入W－S原胞的原因 优点： （1）W－S原胞本身保持了B格子的对称性； （2）该取法今后要用到。 缺点：(参见GT014d) （1）W－S原胞的体积等计算不方便； （2）平移对称性反而不直观。
3.惯用原胞和轴矢
惯用原胞：体积是初基原胞的几倍，能明 显地反映布拉菲格子的周期性，又能明 显地反映布拉菲格子的对称性。 轴矢：惯用原胞的三个不共面的棱边，分 别用a、b、c表示。
3.每个基元内所含的原子数＝晶体中原子 的种类数。 4.布拉菲格子（B格子）的基本特征：各格 点的情况（基元内涵和周围“环境”） 完全相同。 5.晶体结构的一种描述：带基元的B格子。 另一种描述： 单式格子：晶体由一种原子组成。一个 基元仅有一个原子，即一个原子由一个 格点表示。
复式格子：晶体由几种原子组成，但各种 原子在晶体中的排列方式都是相同的 （均为B格子的排列），可以说每一种 原子都形成一套布拉菲子格子，整个晶 体可以看成是若干排列完全相同的子格 子套构而成。
晶体结构＝基元＋空间点阵
布拉菲格子：把空间点阵用三组不共面的 平行线连起来，形成的空间网格。 此时，又把阵点称为格点。 布拉菲格子（B格子）＝空间点阵 说 明 1. 基元中A、B可以是不同的原子，或相 同的原子，但周围“ 环境”不同。 2. 每个基元用一个格点来表示。此格点选 在基元的什么地方、代表几个原子并未 限制。
固体物理
教材：固体物理基础
曹全喜等编， 西安电子科技大学出版社。
参考书： 固体物理学 陆栋等编著， 上海科学技术出版社； 固体物理学 黄昆，韩汝崎编，高等教育出版社。
系列课件
绪论
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。
基矢选定之后，B格子中的任一格 点的位矢
Rn= n1a1+ n2a2+ n3a3 Rn称为格矢，是B格子的数学表示。
说明：
1.基矢的选法并不唯一确定（初基原胞内仅含一 个格点,对称性反映的程度不同）。
2.威格纳－赛兹原胞（W－S原胞，对称原胞）
作法：（1）任选一格点为原点； （2）将原点与各级近邻的格点连线，得 到几组格矢； （3）作这几组格矢的中垂面， 这些中垂面绕原点围成的最小区域称W －S原胞。（请看动画GT010）
4. 自范性和晶面角守恒 自范性：晶体能自发地形成封闭的几何 多面形。 晶面角守恒定律：同一品种的晶体， 任两个对应晶面的夹角不变。 5．最小自由能和稳定性。
NaCl晶体的若干外形
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§1－2 晶体的微观结构
周期性－－又称平移对称性，晶体的根本 特征（主要矛盾）。 一. 空间点阵（布拉菲格子） 基元－－组成晶体的最小结构单元。 把基元抽象成为一点，则晶体抽象成为 空间点阵。
复式格子＝晶体结构 复式格子≠B格子
例：晶体结构 ·○ ·○ ·○ A B 一种描述： ·○ ＋ · · · 基元 B格子 另一种描述： · · · ·＋ A子格子
·
○ ○ B子格子
○
二、原胞
1.初基原胞和基矢 初基原胞：B格子中的最小重复区域。 每个初级原胞只包含一个格点。 基矢：在B格子中任取一个格点为原点， 初基原胞的三个棱边为三个矢量a1、a2 a3 ,其模分别为该方向的最小周期长度， 这三个矢量a1、a2、a3称为基矢。