固体物理 绪论
《固体物理》复习大纲
«固体物理»复习大纲招生专业：凝聚态物理/材料物理与化学固体物理学的基本内容(专题除外), 主要有:晶体结构, 晶体结合, 晶格振动和晶体热学性质, 晶体的缺陷, 金属电子论和能带理论.主要参考书目: 1. 黄昆, 韩汝琦, 固体物理学, 高教出版社2. 陆栋, 蒋平, 徐至中, 固体物理学, 上海科技出版社3. 朱建国, 郑文琛等, 固体物理学, 科学出版社«新型功能材料»复习大纲招生专业：材料物理与化学/光学工程一、复习大纲1，材料、新材料的重要性；2，材料科学、材料工程、材料科学与工程的学科形成与学科内涵；3，材料科学与工程的“四要素”的内容；“四要素”间的相互关系（用图来表示）；“四要素”在材料研究中的作用；（要求能结合具体材料事例予以说明）4，如何理解材料、特别是新材料是社会现代化的物质基础与先导；5，怎样区分结构材料和功能材料？新型功能材料的内涵是什么？6，了解新型功能材料中相关科学名词的解释，并能给出适当的例子，如：信息材料；光电功能材料；能源材料；高性能陶瓷；纳米材料；晶体材料；人工晶体（材料）；压电材料；铁电材料；复合材料；梯度材料；智能材料与结构；材料设计；环境材料；低维材料；生物材料；非线形光学材料；光子晶体；半导体超晶格；等等；7，注意了解材料检测评价新技术的发展；注意了解材料的成分测定、结构测定、形貌观测的方法；材料无损检测评价新技术的发展概况；8，能结合具体的材料对象，给出材料的成分分析、原子价态分析、结构（含微结构）分析、形貌分析等所采用的主要技术，以及利用这些技术所得出的主要结果；9，对若干常用的分析技术，包括：X射线衍射分析（XRD），原子力显微镜分析（AFM），扫描电子显微镜分析（SEM），透射电子显微镜分析（TEM），俄歇电子能谱分析，X射线光电子能谱分析（XPS），核磁共振谱分析，等，能结合具体事例，阐述它们在材料物化结构分析中的作用和能解决的具体问题；10，材料科学技术是一门多学科交叉的前沿综合性学科；材料科学技术的学科内涵极为丰富；当代材料科学技术正在飞速发展，其主要发展趋势可以归纳为8个方面。
固体中学物理学导论
固体物理学导论第一章晶体结构1.1 原子的周期性阵列一个晶体的所有各面的方向指数都是精确的整数。
衍射实验决定性的证明了晶体是由原子或原子团的周期性阵列组成的。
在理想情况下，晶体是由全同的原子团在空间无限重复排列而构成的，这样的原子团被称为基元。
在数学上这些基元可以抽象为几何点，而这些点的集合被称为晶格。
原胞是体积最小的晶胞，初基基元是包含原子数目最少的基元。
1.2 晶格的基本类型晶格可以通过晶格平移或其它各种对称操作与其自身重合。
典型的对称操作是围绕一个通过格点的晶轴进行转动。
，，，与这些角度相对应的转动轴分别被称为一重、二重、三重、四重和六重轴，通常用符号1、2、3、4和6分别表示这些转动轴。
晶格平移矢量具有任意性，由此给出的一般性晶格通常被称为斜方晶格。
二维晶格的分类：有五种，即一种斜方晶格和四种特殊晶格。
布拉维晶格（Bravais lattice）是对某种具体晶格类型的统称，于是有五种二维布拉维晶格。
三维晶格的分类：有14种，即三斜晶格和13种特殊晶格。
为方便起见，通常按照七种惯用晶胞将这14种晶格划分为7种晶系，即三斜（1）、单斜（2）、正交（4）、四角（2）、立方（3）、三角（1）和六角晶系（1）。
立方晶系包括简单立方(sc)，体心立方(bcc)和面心立方(fcc)三种晶格。
1.3 晶面指数系统一个晶面的取向可以由这个晶面上的任意三个不共线的点确定。
晶体中某一方向的指数是指这样一组最小整数，这组最小整数间的比率等于该方向的一个矢量在轴上的诸分量的比率。
1.4 简单晶体结构氯化钠型结构：面心立方。
基元由一个钠离子和一个氯离子组成，每个原子有六个异类原子作为最近邻。
每一个单位立方体中有4个氯化钠基元。
氯化铯型结构：简单立方，基元由一个铯离子和一个氯离子组成，每个原子有八个异类原子作为最近邻。
每个原胞有1个分子。
六角密堆积型结构(hcp)：与面心立方结构的总体积被球占据的体积比率一样，都为0.74。
2、绪论
理想晶体：内在结构完全规则的固体，又叫做完整晶体； 实际晶体：固体中或多或少地存在有不规则性，在规则（排列）的背景中
尚存在微量不规则性的晶体则做近乎完整的晶体。
UESTC
0.2 固体物理的发展过程
晶体具有规则性的几何形状和晶体外形的对称性与其他物理性质之间 有一定联系；晶体外形的规则性是内部规则性的反映。 十七世纪惠更斯用椭球堆积的模型来解释方解石的双折射性质和解理面； 十八世纪阿羽依认为方解石晶体是由一些坚实的、相同的、平行六面形的 小“基石”有规则地重复堆集而成的； 1850年布喇菲导出14种点阵，概括了晶格周期性的特征。 费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体 对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具 。 在十九世纪人们还总结了若干重要的经验规律，例如晶体比热的杜隆珀替 定律，金属导热和导电性质的魏德曼－佛兰兹定律（1853）。1905年特鲁 德和洛伦兹建立了经典的金属自由电子论等。 1912年劳厄等发现 X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期 性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析 的基础。 量子理论可描述晶体内部微观粒子的运动过程。如爱因斯坦的晶格振动（ 1907）；索末菲的在金属自由电子论的基础上，发展了固体量子论；此外 ，费米发展了统计理论。这为以后研究晶体中电子的运动指出了方向。
UESTC
4、固体的分类 ：晶体、准晶体、非晶体
晶体（晶态） ：原子按一定的周期排列规则的固体（长程 有序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、 硅单晶都是晶体。
图1和图2是CaCO3和雪花结晶的结构 图3是高温超导体 YBaCuO 晶体的结构
非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程 有序），如：玻璃、橡胶、塑料。
《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
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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；
固体物理教学大纲课程名称固体物理课程性质专业必修课
固体物理教学⼤纲课程名称固体物理课程性质专业必修课《固体物理》教学⼤纲⼀、课程名称：固体物理⼆、课程性质：专业必修课三、课程教学⽬的：（⼀）课程⽬标：通过固体物理学课程的学习，使学⽣树⽴起晶体内原⼦、电⼦等微观粒⼦运动的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒⼦的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系，深刻理解晶体宏观性能的微观物理本质，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。
（⼆）教学⽬标：第⼀章晶体结构【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶格结构的实例、⾮晶态和准晶态的特征；理解和掌握晶体结构的周期性特征及其描述⽅法；理解和掌握晶体结构的对称性特征及其描述⽅法；理解和掌握倒格⼦的定义及其与正格⼦的关系；熟悉有关晶体结构的基本分析与计算。
借助于多媒体展⽰，使学⽣建⽴起晶体结构特征的直观图像。
第⼆章晶体的结合【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶体结合⼒的⼀般性质；掌握晶体的结合类型与特征；理解元素和化合物晶体结合的规律性；掌握离⼦晶体的结合能、体积弹性模量的计算；掌握范德⽡⽿斯晶体的结合能、体积弹性模量的计算。
在教学中，能够使学⽣认识到吸引与排斥的⽭盾的差别和对⽴统⼀是认识与理解固体的结合规律与性质的关键，培养学⽣的辩证思维能⼒。
第三章晶格振动与晶体的热学性质【教学⽬标】通过本章的教学，能够使学⽣理解简谐近似、格波概念、声⼦概念；理解玻恩-卡曼边界条件；了解三维格波的⼀般规律、晶格振动的⾮简谐效应；了解确定晶格振动谱的实验⽅法；掌握⼀维单原⼦、双原⼦晶格振动的格波解与⾊散关系；掌握晶格振动模式密度的计算⽅法；理解晶格热容量的量⼦理论、掌握爱因斯坦模型与德拜模型；理解格林爱森近似、掌握晶格状态⽅程。
结合例题分析和习题训练，提⾼学⽣分析问题和解决问题的能⼒。
第四章能带理论【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解布洛赫定理及其推论的证明，掌握晶体能带的基本特征；熟悉克龙尼克—潘纳模型的求解与结论；熟悉布⾥渊区、费⽶⾯等基本概念；了解平⾯波⽅法、赝势⽅法；掌握近⾃由电⼦近似⽅法及其结论；掌握紧束缚近似⽅法的运⽤；掌握能态密度的计算⽅法。
固体地球物理 1 绪论
与数学的关系
反演问题的答案一般是不单一的，但通过 多种观测可以将这种不确定性缩小，可以 想见，反演问题是地球物理学中一个核心 的理论问题。
参考文献
傅承义：地球物理学基础 科学出版社, 1985 金旭：固体地球物理学基础 吉林大学出版社, 2003 滕吉文：固体地球物理学概论 地震出版社 1998 刘光鼎：地球物理系列教材 地质出版社，2005
课程内容
绪论 地球内部结构 地震学 地磁学 古地磁学 重力学 电磁学
地震是一种常见的地质现象。对其孕育、发生的 研究包括了运动学和动力学二个方面的内容。地 震波的传播带来了大量、丰富的地球内部的信 息。因此地震学本身就是固体地球物理学的重要 组成部分。
地震学原来的目的是为了研究和防御天然灾害， 但后来却主要沿着地震波物理学这个方面大大发 展起来，而对于天然地震本身的研究反而进展不 大。到了六十年代，情况才有了变化。我国在 1971年成立了国家地震局，专门进行地震预测预 防方面的工作。
6.二战后的发展：
在二战期间军事科学的发展和军事需要促进地球物 理学发展，在全球范围内布设地震台站。
二战后，国际上组织了全球大协作研究，地球物理学 得到了空前的进展。这四次大协作计划是：
1957～1958年的国际地球物理年(IGY) 1960～1970年的国际上地幔计划(IUP) 1974～1980年的国际地球动力学计划(IGP) 1981～1989年的国际岩石圈计划(ILP) 九十年代后国际间的合作力度更大，如全球地学大 断面计划（GGT）、大陆动力学计划。
目前主要应用领域包括油气、矿产资源 勘查、环境资源评价、工程监测等。
按研究目标和应用领域分为:勘探地 球物理、环境地球物理、工程地球 物理等。
基泰尔. 固体物理导论. 参考文献
基泰尔. 固体物理导论. 参考文献一、概述1. 介绍固体物理学的重要性和研究对象2. 引出本文主要内容二、基泰尔固体物理导论概述1. 基泰尔的学术背景和成就2. 《固体物理导论》的出版历史和影响三、固体物理导论的主要内容1. 原子结构和晶体学1) 原子的结构和性质2) 晶体的分类和性质2. 晶格振动和声学性质1) 晶格振动的基本理论2) 固体中的声波传播3. 电子结构和导电性1) 原子的电子结构2) 固体中的电子行为与导电性4. 磁性与磁介质1) 磁性材料的分类与特性2) 磁介质的应用与研究5. 绝缘体和半导体1) 绝缘体与半导体的性质对比2) 半导体材料与器件的发展四、《固体物理导论》的学术贡献1. 对固体物理学的理论框架和实验研究的影响2. 在教学和科研领域的地位和价值五、结论1. 总结基泰尔的《固体物理导论》对固体物理学研究的重要性和影响2. 展望固体物理学领域的未来发展方向参考文献基泰尔. 固体物理导论. Springer-Verlag出版社. 1986.六、基泰尔固体物理导论概述基泰尔（Charles Kittel）是一位美国著名的物理学家，生于1916年。
他曾在伯克利加州大学任教并从事磁性物理学、凝聚态物理学等领域的研究工作。
基泰尔教授是固体物理学领域的权威专家，他在磁性、声子、电子结构等方面的研究成果丰硕，对固体物理学的发展做出了杰出贡献。
《固体物理导论》是基泰尔教授于1953年首次出版的著作，其后多次修订，成为固体物理学领域最为权威和经典的教材之一。
这部著作系统全面地介绍了固体物理学的基本理论和方法，对研究者和学习者有着重要的指导意义。
《固体物理导论》对于推动固体物理学的研究和教学有着深远的影响，被誉为固体物理学领域的“圣经”。
七、固体物理导论的主要内容1.原子结构和晶体学《固体物理导论》首先介绍了固体物理学的基本概念和原子结构的特点。
基泰尔教授深入浅出地阐述了原子结构的基本理论，包括原子核和电子的构成，以及原子的能级和轨道结构。
固体物理11090214PPT课件
7．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005
➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体：Ca、Sr、Al、Cu、Ag
2.固体分类
（1）晶体（晶态） ：原子按一定的周期、排列规则的固体（长程有 序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是 晶体.
图1 图3
图2
图1和图2是CaCO3和雪花结 晶的结构； 图3是高温超导体 YBaCuO 晶 体的结构。
（2）非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 8． Busch G. Sc文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 9．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 10．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 11. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
表面物理——在研究体内过程的基础上进入了固体表面 （界面）的研究，半导体实际界面的研究在改善和稳定 半导体器件性能上已显示锐利的锋芒。
固体物理讲义
晶体
度划分
实际晶体—近乎完整晶体：在规则排列的背景中尚存在微量不规则
性的晶体。如：单晶硅→半导体性质→掺杂； Al2O3单晶→光学性质→色心→掺杂
绪论
Shape of BaTiO3 Crystal
Hale Waihona Puke 绪论Shape of Snow Crystal
绪论
Shape of SiO2 Crystal
绪论
教材及参考书
教材:
方俊鑫、陆栋，固体物理学（上、下），上海科学技 术出版社
参考书:
苟清泉，固体物理学简明教程，人民教育出版社， 1979年 黄昆著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社 [美]C 基泰尔著，项金钟译，固体物理导论，化学工 业出版社
第一章 晶体结构
晶体的周期性 晶面与晶面指数 倒格子 晶系、布喇菲格子、对称性 密堆积、致密度 晶体衍射的基本知识
v 其中r 为晶胞中任一点的位置矢量。Q代表晶体中某一
种物理性质，n1、n2、n3为整数。
第一章 晶体结构
晶体的周期性 晶面与晶面指数 倒格子 晶系、布喇菲格子、对称性 密堆积、致密度 晶体衍射的基本知识
晶体结构的周期性 晶胞的选取 布喇菲格子和复式格子
晶体的周期性
晶 胞 的 选 取
固体物理学晶胞 结晶学晶胞
平移对称性即周期性。
固体物理学晶胞：仅仅反映晶体结构周期性的最小结构单元，
只包含一个格点，且格点全部在顶角上。
★ 固体物理学晶胞突出反映了晶体结构的周期性。
晶体的周期性
结晶学晶胞
① 通常选取体积较大的晶胞；
晶 胞 的 选 取
② 格点不仅在顶角上，同时可以在体心或面 心上； ③ 晶胞的棱称为晶轴，边长称为晶格常数或 晶胞常数。
固体物理导论1.3
三维原胞
基矢、 基矢、原胞与空间格子 任一格点的位置量 原胞的体积 周期性 Rl=l1a1+l2a2+l3a3 =a1• (a2×a3) Γ (r)=Γ(r+Rl)
三维布拉维晶胞 三维布拉维晶胞
立方晶系的布拉维格子 a=b=c , a⊥b, b⊥c, c⊥a ⊥ ⊥
简单立方
每个晶胞只包含一个格点（ ）。晶胞就是原胞 晶胞就是原胞。 每个晶胞只包含一个格点（8χ1/8 ）。晶胞就是原胞。 晶胞和原胞的基矢相同。 晶胞和原胞的基矢相同。 a1=ai、 a2=aj、 a3=ak 。 基矢相同 晶胞和原胞的体积都是a3 。 晶胞和原胞的体积都是
面心立方
每个晶胞含有4个格点（ +6× ）。 每个晶胞含有4个格点（8×1/8+6×½）。 从原点出发，到三个最近邻面心为基矢， 从原点出发，到三个最近邻面心为基矢，构成的平行 六面体就是原胞，基矢为 六面体就是原胞， a1=a/2(j+k) a2=a/2(i+k) a3=a/2(i+j) 晶胞体积a 原胞体积¼a 晶胞体积 3,原胞体积 3。
轴矢相对关系 a＝b＝c ＝ ＝ α=β=γ≠90° ° a=b≠c α=β=γ=90° ° a=b≠c α=β=90° ° γ=120 ° a＝b＝c ＝ ＝ α=β=γ=90° °
元胞名称 简单三方 简单四方 体心四方 简单六方
布拉维格子
简单立方 体心立方 面心立方
体心立方
每个晶胞含有2个格点（1+8× 每个晶胞含有2个格点（1+8×1/8）。 晶胞体积a 晶胞体积 3 从体心出发，到三个最近邻顶点为基矢， 从体心出发，到三个最近邻顶点为基矢，构成的平行六面体 就是原胞。 就是原胞。 a1=(-i+j+k)a/2 a2=(i-j+k)a/2 a3=(i+j-k)a/2 原胞体积 =a1• (a2×a3)=½a3