固体物理学导论课程大纲固体物理导论第一章、晶体结构及X射线衍射马飞·李煎主编第二章、晶体的结合及晶体类型第三章、晶体振动和晶体的热学性质第四章、金属自由电子费米气体第五章、固体电子能带理论使用教材：方俊鑫，陆栋.固体物理学.上海科技出版社，2005参考教材：黄昆，韩汝琦.固体物理学.高等教育出版社，2004先行课程：量子力学任课教师：马飞、李燕办公室：仲英楼A509
固体物理学导论 课程大纲 第一章、晶体结构及X射线衍射 第二章、晶体的结合及晶体类型 第三章、晶体振动和晶体的热学性质 第四章、金属自由电子费米气体 第五章、固体电子能带理论 使用教材：方俊鑫，陆栋.固体物理学.上海科技出版社，2005. 参考教材：黄昆，韩汝琦.固体物理学.高等教育出版社，2004. 先行课程：量子力学 任课教师：马飞、李燕 办公室： 仲英楼A509
绪论、固体物理学的研究对象1.物质存在的形态固体：具有固定的形状和体积，由1023/cm3粒子组成。液体：不具有固定形态，具有固定体积气体：不具有固定体积和形态等离子体：（电浆）正负离子组成的离子化气体状物质，宏观尺度表现为电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配。固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能与用途的学科
绪论 一、固体物理学的研究对象 1.物质存在的形态 固体：具有固定的形状和体积，由1023/cm3粒子组成。 液体：不具有固定形态，具有固定体积 气体：不具有固定体积和形态 等离子体：（电浆）正负离子组成的离子化气体状物质，宏 观尺度表现为电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配。 固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、 电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能与用途的 学科
2.固体分类(按结构)单晶体晶体：内部原子在空间有规律排列长程有序，比如水晶、单晶硅、金刚石多晶体固体人非晶体：短程有序，比如玻璃、橡胶、塑料准晶体：有长程取向性，而没有平移对称性，比如快速冷凝的AIMn合金长程有序：至少在微米量级范围内原子排列具有周期性
固体 晶体: 非晶体: 准晶体: 内部原子在空间有规律排列 长程有序，比如水晶、单晶 硅 、金刚石 短程有序，比如玻璃、橡胶、塑料 有长程取向性，而没有平移对称性，比如 快速冷凝的AlMn合金 单晶体 多晶体 长程有序: 至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。 2.固体分类(按结构)
2.固体分类(按结构)(a)(b)(b)非晶体结构的无规则网格(a)晶体结构的规则网格非晶体中原子排列不具有长程的周期性，无衍射斑点，但基本保留了原子排列的短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离（键长）、近邻原子配置的几何方位（键角)都与晶体相近
(a) 晶体结构的规则网格 非晶体中原子排列不具有长程的周期性，无衍射斑点，但基本 保留了原子排列的短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原 子之间的距离(键长)、近邻原子配置的几何方位(键角)都与晶 体相近。 (b) 非晶体结构的无规则网格 2.固体分类(按结构)
2.固体分类(按结构)（)(c)Penrose拼接图案在晶体中，由于周期性的限制，晶体的可能的旋转操作是有限的。晶体只能进行2元/n度(n=1,2,3,4,6)五种转动，可与自身重合。1984年，Shechtman等人在快速冷却的AIMn合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射图中具有五重对称的斑点分布。这种具有长程有序的原子排列，但不具备晶体的平移对称性的固体称为准晶体，可以用四个角为36,72,36,216°的“箭”以及四个角为72,72,144,72°的“风筝”型四边形的（Penrose拼图）显示其结构特点。--2011年诺贝尔化学奖
(c) (c) Penrose拼接图案 在晶体中，由于周期性的限制，晶体的可能的旋转操作是有限的。晶体只 能进行2π/n度(n=1,2,3,4,6)五种转动，可与自身重合。1984年，Shechtman等 人在快速冷却的AlMn合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射图中具有 五重对称的斑点分布。这种具有长程有序的原子排列，但不具备晶体的平 移对称性的固体称为准晶体，可以用四个角为36,72,36,216°的“箭” 以 及四个角为72,72,144,72°的“风筝” 型四边形的（Penrose拼图）显示其 结构特点。-2011年诺贝尔化学奖 2.固体分类(按结构)
固体物理学的研究内容二1.结构问题一原子如何进行排列ReutUntceBStuctire石墨金刚石富勒烯C60碳纳米管石墨炔石墨烯
1.结构问题—原子如何进行排列 二、固体物理学的研究内容 石墨 金刚石 富勒烯C60 碳纳米管 石墨烯 石墨炔
为什么同种元素构成的材料差异如此之大？unhybridised2++一2sS2px2py2pz+++++porbitalssp hybridsO.2s2-/Spysp hybrid orbitalslineaexcited statehybridised stateground state+++2p-A42sIV411ssp2hybrid orbitalstrigonal planarGroundstatecarbonExcitedstatecarbonPePysp2 hybridized carbonpromotionhybridization1s22s22p1s2 (2sp2)92p1s22s12p32p3++2p21 14sphybrids+++2s22s-Sp’ hybrid orbitalsPPyPztetrahedralground stateexcited statehybridised state
为什么同种元素构成的材料差异如此之大？
2.结合力问题！一原子之间如何进行结合金属键、共价键、离子键、范德瓦尔斯作用、H键3.原子的运动变化规律一晶格动力学在一定的温度下，原子偏离平衡位置，一个原子带动其他原子运动，原子间相互传递的作用类似于波的运动，可以用简谐波来描述。实际运动由各种简谐波进行叠加，晶格振动由格波进行描述。由于晶体周期性条件，格波的能量也是量子化的一声子。晶格振动对晶体的许多性质有重要的影响。热学上，固体的比热、热膨胀、热导等直接与晶格振动有关，可由声子描述。电学上，欧姆定律是电子与声子的散射产生的电阻作用。光学上，光子的吸收和发射导致电子在能带间的跃迁，有时伴随声子的参与，可看作光子与声子的耦合。4.固体内部电子的运动变化规律一固体能带理论电子具有波粒二象性波动性：电子运动方程一薛定方程，电子波函数的平方表征电子在空间的几率分布。粒子性：电子在空间存在具有不确定性，电子是费米子，服从费米狄拉克统计。电子具有自旋、轨道耦合影响磁学性质
2.结合力问题—原子之间如何进行结合 金属键、共价键、离子键、范德瓦尔斯作用、H键 3.原子的运动变化规律—晶格动力学 在一定的温度下，原子偏离平衡位置，一个原子带动其他原子运动，原子间相 互传递的作用类似于波的运动，可以用简谐波来描述。实际运动由各种简谐波 进行叠加，晶格振动由格波进行描述。由于晶体周期性条件，格波的能量也是 量子化的—声子。晶格振动对晶体的许多性质有重要的影响。 热学上，固体的比热、热膨胀、热导等直接与晶格振动有关，可由声子描述。 电学上，欧姆定律是电子与声子的散射产生的电阻作用。 光学上，光子的吸收和发射导致电子在能带间的跃迁，有时伴随声子的参与， 可看作光子与声子的耦合。 4.固体内部电子的运动变化规律—固体能带理论 电子具有波粒二象性 波动性：电子运动方程—薛定谔方程，电子波函数的平方表征电子在空间的几 率分布。 粒子性：电子在空间存在具有不确定性，电子是费米子，服从费米狄拉克统计。 电子具有自旋、轨道耦合影响磁学性质
第一章晶体的结构及X射线衍射第一节晶体的特征及空间点阵一、晶体的特征(1)长程有序性晶体内部，至少在微米量级的范围内是有序排列的。(2)晶体固定的熔点给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中温度保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。确定的能量将键断裂
第一章 晶体的结构及X射线衍射 第一节 晶体的特征及空间点阵 (1)长程有序性 晶体内部，至少在微米量级的范围内是有序排列的。 (2)晶体固定的熔点 给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开 始熔化，且在熔化过程中温度保持不变，直到晶体全 部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。确 定的能量将键断裂。 一、晶体的特征
(3)凸多面体晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为2b自限性。O'(a)(b)(4)具有确定的解理性晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为(c)(d)晶体的解理性，这样的晶面称为解理面
(3)凸多面体 晶体所具有的自发地形成 封闭凸多面体的能力称为 自限性。 a 1 b c d 2 (4)具有确定的解理性 晶体具有沿某些确定方位 的晶面劈裂的性质，称为 晶体的解理性，这样的晶 面称为解理面