2-1(黄昆-固体物理)-教案
《固体物理》课程教学大纲
《固体物理》课程教学大纲课程名称：固体物理课程类别：专业必修课适用专业：物理学考核方式：考试总学时、学分：56 学时 3.5 学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标固体物理学是应用物理和物理类专业的一门基础课程，是继四大力学之后的一门基础且关键的课程。
主要内容是固体的结构及组成粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与运动规律，阐明固体的性能、用途以及其与微观图像的联系，以晶格振动、固态电子论和固体的能带理论为主要内容。
课程教学目标为：课程教学目标1：通过固体物理学的整个教学过程，使学生理解晶体微观结构和宏观性质的联系。
课程教学目标2：熟悉固体无论晶格结构，基本键和作用，晶格振动的物理图像，固体电子论和能带理论等基本概念和物理图像。
课程教学目标3：了解固体物理领域的一些新进展，为以后的专业课和研究生阶段学习打好基础。
课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。
二、课程教学要求本课程教学的基本结构要求：本课程以晶体结构、晶体结合、晶格振动、能带理论、金属和半导体电子理论、外场中晶体电子的运动规律为基本结构，内容有晶格周期性、晶格的对称性、晶体四种结合方式、简谐振动、声子、晶格振动的热容理论、晶格振动模式密度、布洛赫定理、弱周期场近似、紧束缚近似、能态密度、准经典运动、回旋共振、德哈斯-范阿尔芬效应、电子热容等。
执行本大纲应注意的问题：1.注意本课程与量子力学和热统的紧密联系，尤其是注意量子力学课程进度；2．注意讲清本课程中的基本概念和基本理论，在保持课程的科学性及系统性的基础上，应突出重点、难点，并努力反映本学科的新成就，新动向；3．因学时有限，而内容较多，因此有一部分内容要求学生自学。
学生自学部位不占总学时，但仍然是大纲要求掌握内容。
学生自学部分，采用由教师提示，学生课后自学并提出问题，老师课后解答的方式；4．注重学生思考问题，培养学生思维和研究精神。
黄昆固体物理课件
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《固体物理·黄昆》第三章
氢键结合的情况可写成通式:
X－H…Y。 式中 X 、 Y 代表 F 、 O 、 N 等电负 性大而原子半径较小的非金属原 子， X 和 Y 可以是两种相同的元 素，也可以是两种不同的元素。 d F l H F H F
归纳起来，氢键形成的条件是：
A)有与电负性大（X）的原子相结合的氢原子；
B) 有一个电负性也很大，含有孤对电子并带有部分负 电荷的原子（Y）； C)X与Y的原子半径都要较小。
氯化钠型 —— NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO (配位数6) 氯化铯型 —— CsCl、 TlBr、 TlI（配位数8）
离子结合成分较大的半导体材料ZnS等（配位数4）
2. 离子晶体结合的性质
1) 系统内能的计算 晶体内能 : 1)所有离子库仑相互作用能(吸引作用)
2) 和重叠排斥能之和(排斥作用)
具体晶体的内聚能(晶格能)参见周期表,有一定的规律性: 惰性气体晶体<碱金属<过渡族金属(共价晶体)
两粒子间的相互作用 相互作用能.
f(r) 和u(r)分别表示相互 作用力和相互作用势 则:
u (r ) f (r ) r
U 排斥 r
f (r )
B rn
u (r )
pij A12= j'
12
12.13188
pij A6= j'
6
14.45392
物理意义:
晶体总的势能:
—— 非极性分子晶体的晶格常数、结合能和体变模量 晶格常数
平衡状态体变模量
晶体的结合能
分子晶体: 常温下是气态的物质如:Cl2,SO2,HCl, H2, O2, He, Ne, Ar, Xe等在低温下依靠范德瓦耳斯力结合成的晶体.
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆教案章节：第一章引言教学目标：1. 了解固体物理的基本概念和研究内容。
2. 掌握固体物理的基本研究方法和手段。
3. 理解固体物理的重要性和在现代科技中的应用。
教学内容：1. 固体物理的基本概念和研究内容：固体物质的性质、晶体结构、电子态等。
2. 固体物理的基本研究方法：实验方法、理论方法和计算方法。
3. 固体物理的重要性和在现代科技中的应用：半导体器件、超导材料、磁性材料等。
教学活动：1. 引入固体物理的概念，引导学生思考固体物质的性质和特点。
2. 通过示例和图片，介绍晶体结构的基本类型和特点。
3. 讲解电子态的概念，引导学生了解固体中电子的分布和行为。
4. 介绍固体物理的基本研究方法，如实验方法、理论方法和计算方法。
5. 通过实际案例，展示固体物理在现代科技中的应用和重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对固体物理基本概念的理解。
2. 布置课后作业，要求学生掌握晶体结构的基本类型和特点。
3. 进行小组讨论，让学生展示对固体物理研究方法的理解。
教案章节：第二章晶体结构1. 掌握晶体结构的基本概念和分类。
2. 了解晶体结构的空间点阵和晶胞参数。
3. 理解晶体结构的物理性质和电子态。
教学内容：1. 晶体结构的基本概念：晶体的定义、晶体的特点。
2. 晶体结构的分类：离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体。
3. 晶体结构的空间点阵：点阵的定义、点阵的类型。
4. 晶胞参数：晶胞的定义、晶胞的类型。
5. 晶体结构的物理性质和电子态：电性质、热性质、光学性质等。
教学活动：1. 通过示例和图片，引入晶体结构的概念，引导学生了解晶体的特点。
2. 讲解晶体结构的分类，让学生掌握不同类型晶体的特点。
3. 介绍晶体结构的空间点阵，引导学生了解点阵的定义和类型。
4. 讲解晶胞参数的概念，让学生掌握晶胞的定义和类型。
5. 通过示例和图片，介绍晶体结构的物理性质和电子态，引导学生理解其重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对晶体结构基本概念的理解。
232425(黄昆固体物理)教案
§ 2.3 金属性结合;§ 2.4 范德瓦耳斯结合;§2.5 元素和化合物晶体结合的规律性1. 教学目的和要求: 通过讲解使学生明白得并把握金属性结合和范德瓦耳斯结合；明白得元素和化合物晶体结合的规律性2．教学重点：金属性结合和范德瓦耳斯结合。
3．教学难点：范德瓦耳斯结合。
4．教学时刻：45分钟。
5．教学方式：PPT文档。
6．作业：学生课后温习。
一．金属性结合（1）金属性结合的概念第I族、第II族元素及过渡元素都是典型的金属晶体，它们的最外层电子一样为1~2个。
组成晶体时每一个原子的最外层电子为所有原子所共有，因此在结合成金属晶体时，失去了最外层（价）电子的原子实“沉醉”在由价电子组成的“电子云”中。
如图XCH002_004所示。
这种情形下，电子云和原子实之间存在库仑作用，体积越小电子云密度越高，库仑彼此作用的能愈低，表现为原子聚合起来的作用。
（2）金属晶体结合力金属晶体结合力：主若是原子实和电子云之间的静电库仑力，对晶体结构没有特殊的要求，只要求排列最紧密，如此势能最低，结合最稳固。
因此大多数金属具有面心立方结构，即立方密积或六角密积，配位数均为12。
立方密积（Cu、Ag、Au、Al）（面心立方结构）（配位数12）六角密积(Be、Mg、Zn、Cd)体心立方结构(Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W)（配位数8）良好的导电本领，结合能比前面两种晶体要低一些，过渡金属的结合能较大。
晶体的平稳是依托库仑作使劲和必然的排斥力而维持的。
排斥来自两个方面(a) 但体积减小，电子云的密度增大，电子的动能将增加(b) 当原子实彼此接近到必然的距离时，它们的电子云发生显著的重叠，将产生强烈的排斥作用。
金属性结合对原子的排列没有特殊的要求，这使得容易造成原子排列的不标准性，使其具有专门大的范性。
二．范德瓦耳斯结合（1）范德瓦耳斯结合的概念元素周期表中第VIII族（惰性）元素在低温下所结合成的晶体，是典型的非极性分子晶体。
黄昆 固体物理 讲义 第二章
第二章 固体的结合晶体结合的类型 晶体结合的物理本质固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质有密切联系 § 2.1 离子性结合元素周期表中第I 族碱金属元素（Li 、Na 、K 、Rb 、Cs ）与第VII 族的卤素元素（F 、Cl 、Br 、I ）化合物（如 NaCl ， CsCl ，晶体结构如图XCH001_009_01和XCH001_010所示）所组成的晶体是典型的离子晶体，半导体材料如CdS 、ZnS 等亦可以看成是离子晶体。
1. 离子晶体结合的特点以CsCl 为例，在凝聚成固体时，Cs 原子失去价电子，Cl 获得了电子，形成离子键。
以离子为结合单元，正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的球对称性的电子壳层结构；,,,Na K Rb Cs Ne Ar Kr Xe FClBrI++++−−−−⇒⇒⇒⇒离子晶体的模型：可以把正、负离子作为一个刚球来处理；离子晶体的结合力：正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近，当靠近到一定程度时，由于泡利不相容原理，两个离子的闭合壳层的电子云的交迭会产生强大的排斥力。
当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体； 一种离子的最近邻离子为异性离子；离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl 晶体）；由于离子晶体结合的稳定性导致了它的导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小；大多数离子晶体对可见光是透明的，在远红外区有一特征吸收峰。
氯化钠型(NaCl 、KCl 、AgBr 、PbS 、MgO)(配位数6) 氯化铯型(CsCl 、 TlBr 、 TlI)（配位数8）离子结合成分较大的半导体材料ZnS 等（配位数4） 2. 离子晶体结合的性质 1）系统内能的计算晶体内能为所有离子之间的相互吸引库仑能和重叠排斥能之和。
以NaCl 晶体为例，r 为相邻正负离子的距离，一个正离子的平均库仑能：∑++−++321321,,2/122322222102)(4)1('21n n n n n n r n r n r n q πε ——遍及所有正负离子，因子1/2—库仑作用为两个离子所共有，一个离子的库伦能为相互作用能的一半。
第一章-晶体结构-《固体物理学》黄昆-韩汝琦PPT课件
属 导 体 学介 晶 体 导 态 态 体关
物体物
质 物 发 体 电 光 光联
理物理
物 理 光 物 子 电 谱物
理
理
理学 子
理
学
表介纳
面观米
物物物
理理理
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
四 固体物理的研究方法
固体物理是一门实验性学科 —— 为阐明固体表现出的现 象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
Crystal Structure of YBaCuO
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
Shape of Snow Crystal
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
05 /16
Be2O3 Crystal and Glass of Be2O3
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
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，阐 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
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
—— 十九世纪中叶，布拉伐发展了空间点阵学说 概括了晶格周期性的特征
01_00_绪论 ——立了经典金属自由电子 论，对固体认识进入一个新的阶段
—— 描述晶体比热___杜隆－珀替定律 描述金属导热和导电性质的魏德曼－佛兰兹定律
—— 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地发 展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据
八年级物理上册2-1教学教案教学设计
第一节声音的产生与传播【教学目标】1．通过观察和实验，知道声音产生和传播的条件。
2．知道声音是由物体的振动产生的。
3．知道声音传播需要介质，声音在不同介质中传播的速度不同。
【过程与方法】1．通过观察和实验的方法，探究声音是如何产生的，声音是如何传播的。
2．通过学习，锻炼学生初步的观察能力和初步的研究问题的能力。
【情感、态度与价值观】1．通过教师、学生双边的教学活动，激发学生的学习兴趣和求知欲望，使学生乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理。
2．注意在活动中培养与其他同学合作的意识。
【重点】1．声音的产生是由于物体的振动。
2．声音传播需要介质，以及声是以波的形式传播的。
3．声速与介质的种类及温度有关。
【难点】1．声音在介质中以波的形式传播。
2．设计探究实验。
3．声现象的分析、解释。
【教学设计】一、创设情境，引入新课通过多媒体课件播放一些常见的声音，请学生思考这些声音都是由什么物体发出的，从而使学生产生疑问，活跃思维。
再通过“声波枪”创设情境，激发学生的学习兴趣，以顺利引入新课。
二、讲授新课1、声音的产生：（板书）（1）物理学研究问题最常用的方法是实验，首先我们通过实验研究声音是怎样产生的，实验同时思考物体发声时，有什么共同的特征。
（2）学生活动：提供给学生随纸屑、音叉、水等。
①用手指触摸喉头，同时发声----触觉感受发声物体的振动。
②敲击音叉，音叉振动，就会听到声音。
将音叉放在水中会看到有水珠跳起。
---可观察发声物体费振动。
（3）分组实验：①用手指触摸喉头发声，同时观察感受。
②敲击有碎纸屑的桌面，同时观察。
③敲击音叉，学生观察。
④敲击音叉然后放入水中，同时观察现象。
在学生观察、分析和归纳的基础上，课概括出：无论是固体、液体还是气体，发声时都在振动，所以一切发声的物体都在振动。
即声音是物体振动产生的。
声音是由物体的振动产生的（板书）结论：一切正在发声的物体都在振动，固体、液体和气体都可以振动发声。
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第二章固体的结合
本章的主要内容：阐明原子是依靠怎样的相互作用而结合成为固体的。
教学重点：晶体结合的基本类型。
教学难点：晶体结合的物理本质。
教学时数：3学时。
讲授方式：PPT文档。
§ 2.1 离子性结合
1. 教学目的和要求: 通过讲解使学生理解并掌握离子性结合成为晶
体的本质。
2．教学重点：离子晶体结合的特点及性质。
3．教学难点：离子晶体结合的基本物理量：内能、晶格常数、体变模量和结合能的计算。
4．讲授时间：45分钟。
5．讲授方式：PPT文档。
6．作业：2.1，2.2，2.3。
一．离子晶体概述
元素周期表中第I族碱金属元素（Li、Na、K、Rb、Cs）与第VII族的卤素元素（F、Cl、Br、I）化合物（如NaCl，CsCl，晶体结构如图XCH001_009_01和XCH001_010所示）所组成的晶体是典型的离子晶体，半导体材料如CdS、ZnS等亦可以看成是离子晶体。
二．离子晶体结合的特点
以CsCl 为例，在凝聚成固体时，Cs 原子失去价电子，Cl 获得了电子，形成离子键。
以离子为结合单元，正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的球对称性的电子壳层结构；
Xe I
Cs Kr Br
Rb Ar Cl
K Ne F
Na ⇒⇒⇒⇒-
+
-
+-
+-
+,
,
,
（1）离子晶体的模型：可以把正、负离子作为一个刚球来处理；
离子晶体的结合力：正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近，当靠近到一定程度时，由于泡利不相容原理，两个离子的闭合壳层的电子云的交迭会产生强大的排斥力。
当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体；
（2）一种离子的最近邻离子为异性离子；
（3）离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl 晶体）；
（4）由于离子晶体结合的稳定性导致了它的导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小； （5）大多数离子晶体对可见光是透明的，在远红外区有一特征吸收峰。
举例：
氯化钠型(NaCl 、KCl 、AgBr 、PbS 、MgO)(配位数6)
氯化铯型(CsCl 、 TlBr 、 TlI)（配位数8）
离子结合成分较大的半导体材料ZnS 等（配位数4）
三. 离子晶体结合的性质
1）系统内能的计算
晶体内能为所有离子之间的相互吸引库仑能和重叠排斥能之和。
以NaCl 晶体为例，r 为相邻正负离子的距离，一个正离子的平均库仑能：
∑
++-++3
21321,,2
/122
32
2
22
2
102
)
(4)
1('
2
1n n n n n n r n r n r n q πε
321,,n n n 遍及所有正负离子，因子1/2—库仑作用为两个离子所共有，一个离子的库伦能为
相互作用能的一半。
一个负离子的平均库仑能：
∑
++-++3
21321,,2
/1223
2
22
2
21
02
)
(4)
1('
2
1n n n n n n r n r n r n q πε
321,,n n n 遍及所有正负离子，因子1/2—库仑作用为两个离子所共有，一个离子的库伦能为
相互作用能的一半。
一个原胞有两个离子，其原胞的能量：
∑
++-++3
21321,,2
/1223
2
22
2
21
02
)
(4)
1('
n n n n n n r n r n r n q πε
即
r
q
n n n r
q
n n n n n n 02
,,2
/1232
22
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1('
43
21321πεαπε-
=++-∑
++Σ++
∑
++-=
-++3
21321,,2
/1232
22
1)
()
1('
n n n n n n n n n α
α:马德隆常数，完全取决于晶体的结构。
几种常见的晶体晶格的马德隆常数
相邻两个离子因电子云有显著重叠时的排斥能：0
/r r be
-n
r
b or
在NaCl 晶体中只考虑近邻离子的排斥作用，每个原胞的平均排斥能：n
r
b 6
晶体中有N 个原胞，系统的内能：]6
4[02
n
r
b r
q
N U +-
=πε
α][n
r
B r
A N +
-
=
2
,64q
A B b απε=-
=
2）平衡时晶体的体积和晶格常数
原子形成晶体以后，系统具有更低的能量。
如果分散周期性排列的原子构成的系统，其内能为零，形成晶体时内能降低，放出能量W ，称W 为结合能。
－W 就是结合成晶体后系统的内能。
不考虑热效应，外界作功等于系统内能增量，即 dU pdV =-， dV
dU p -=
在一般条件下00≈=-
p dV
dU
晶体只受大气压的作用，对晶体体积的影响很小，由此可以确定晶体平衡时的体积和晶格常数。
离子晶体的内能：][n
r
B r A N U +-
=
图XCH002_001和图XCH002_002是原子之间的作用力和势能曲线。
平衡位置，吸引力与排斥力相互抵消，原子的相互作用势能最小，体系的内能最低。
（1）晶格常数：
令
00
==r r dr
dU ，010
20
=+
-
+n r
nB r
A ，11
0)(
-=n A
nB r
NaCl 晶体为面心立方晶格，原胞体积
3
4
1a 301(2)4
r =
3
02r =
对于NaCl 晶体相邻正负离子之间的距离为相邻正粒子之间距离的二分之一： r0=a/2
（2）平衡时NaCl 晶体体积： 3
002Nr V =
3）晶体的体变模量和结合能 体变模量：V
dV dp K /-=
，将dV
dU p -
=代入得到)(2
2
dV
U d V
K =
平衡状态下：0)(2
2
V dV
U d V
K =，将][n
r
B r
A N U +
-
=和3
02Nr V =代入
得到 ])1(2[18120
30
+++
-
=
n r
B n n r
A r K
利用
00
==r r dr
dU 得到的： 01
2
=+
-
+n r nB r A 和0
2
4πε
αq
A -
=
（1）体变模量 40
2184)1(r
q n K ⨯-=
πε
α
依据实验测得的晶格常数和体变模量，从上式可以确定排斥力中的参数n 。
晶体的结合能：)(0r U W -= 将][n
r
B r A N U +-
=、01
2
=+
-
+n r nB r A 和0
2
4πε
αq
A -
=代入
（2）晶体的结合能 )11(40
02n
r q
N W -
=
πεα，根据不同晶体确定的n ，可以计算结合能。