西安交通大学固体物理导论课程教学大纲一、课程基本信息固体物理导论课程名称Introduction to Solid State Physics课程编号MATL400702.232总学时课程学分理论32实验：0上机0课外：0学时分配（课外学时不计入总学时）口公共课程口通识课程课程类型口专业大类基础课口学科门类基础课回专业核心课口专业选修课口集中实践□1-1□1-2□2-1□2-23-1□3-2开课学期□4-1□4-2□5-1□5-2先修课程数学物理方法，量子力学教材、参考使用教材：书及其他[1]方俊鑫，陆栋.固体物理学.上海：上海科技出版社，2005资料参考教材：[1]黄昆，韩汝琦．固体物理学.北京：高等教育出版社，2004[21基泰尔固体物理导论，北京：化学工业出版社，2005二、课程目标及学生应达到的能力2.1课程的基本要求该课程是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的专业核心基础课，尤其以固态电子理论和能带理论为主要内容，阐明固体的性能与用途。通过固体物理学的整个教学过程，要求学生理解晶体结构的几何特征及基本描述、晶体内原子间的相互作用及晶格振动特征、固体电子论和能带理论，以及实际晶体中的缺陷、杂质、表面和界面对材料性质的影响等，掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的研究新进展，要求学生深入理解其基本概念，有清楚的物理图像，能够熟练掌握基本的物理方法，具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力
西安交通大学固体物理导论课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 固体物理导论 Introduction to Solid State Physics 课程编号 MATL400702 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论: 32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 数学物理方法，量子力学 教材、参考 书及其他 资料 使用教材： [1] 方俊鑫，陆栋.固体物理学.上海：上海科技出版社，2005. 参考教材： [1] 黄昆，韩汝琦. 固体物理学.北京：高等教育出版社，2004. [2] 基泰尔. 固体物理导论. 北京：化学工业出版社，2005. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 该课程是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的专业核 心基础课，尤其以固态电子理论和能带理论为主要内容，阐明固体的性能与用途。 通过固体物理学的整个教学过程，要求学生理解晶体结构的几何特征及基本描述、 晶体内原子间的相互作用及晶格振动特征、固体电子论和能带理论，以及实际晶 体中的缺陷、杂质、表面和界面对材料性质的影响等，掌握周期性结构的固体材 料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的研究新进展，要求学生深入理解 其基本概念，有清楚的物理图像，能够熟练掌握基本的物理方法，具有综合运用 所学知识分析问题和解决问题的能力
2.2课程的目标及学生应达到的能力1.工程知识针对工程实践特别是力、热、光、电、磁学等领域涉及的材料性能及功能器件设计、制造及应用领域中涉及的材料物理、化学过程及其工作原理和机理，能够运用固体物理学基础知识进行理解和分析。支撑毕业要求指标点1-2：系统掌握数学、自然科学、工程基础和材料科学与工程专业的基础理论及专门知识，并能够将材料科学基础、材料工程基础、材料研究方法、材料性能等专业基础知识用于分析材料领域的复杂工程问题。2.工程问题分析能力能够应用高等数学、数理方程、量子力学及工程科学的基本原理，对功能材料及功能器件设计、制备和使用过程中的力、热、光、电、磁及其耦合交叉领域的复杂工程问题进行识别和分析，判断影响功能材及器件领域复杂工程问题的关键制约因素和物理机制，能提出或优化解决方案。支撑毕业要求指标点2-1：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，对材料设计、制备和使用过程中的复杂工程问题进行识别，判断影响材料领域复杂工程问题的关键因素。课程目标与专业毕业要求的关联关系毕业要求12134567810129课程目标L课程目标1M课程目标 2注：1,2,3....·12对应于专业认证毕业要求12条。课程目标与专业毕业要求的关联关系用H/M/L标注。三、教学内容简介参考序号章节名称知识点学时
2.2 课程的目标及学生应达到的能力 1. 工程知识 针对工程实践特别是力、热、光、电、磁学等领域涉及的材料性能及功能器 件设计、制造及应用领域中涉及的材料物理、化学过程及其工作原理和机理，能 够运用固体物理学基础知识进行理解和分析。 支撑毕业要求指标点 1-2：系统掌握数学、自然科学、工程基础和材料科学 与工程专业的基础理论及专门知识，并能够将材料科学基础、材料工程基础、材 料研究方法、材料性能等专业基础知识用于分析材料领域的复杂工程问题。 2. 工程问题分析能力 能够应用高等数学、数理方程、量子力学及工程科学的基本原理，对功能材 料及功能器件设计、制备和使用过程中的力、热、光、电、磁及其耦合交叉领域 的复杂工程问题进行识别和分析，判断影响功能材及器件领域复杂工程问题的关 键制约因素和物理机制，能提出或优化解决方案。 支撑毕业要求指标点 2-1：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理， 对材料设计、制备和使用过程中的复杂工程问题进行识别，判断影响材料领域复 杂工程问题的关键因素。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 L 课程目标 2 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考 学时
1.晶体结构及X射线衍射晶体基本几何特1.1固体物理的研究对象及研究内容征、晶体的周期1.2晶体的基本特征及布喇菲空间点阵性和对称性、倒1.3晶体的周期性易空间及与正格81.4晶向和晶面的表示方法子空间的关系、晶体结构表征的1.5倒格子空间及其与正格子空间的关联性1.6晶体的对称性及对称操作X射线衍射方法1.7晶体结构表征的X射线衍射方法1.8晶格结构的几何结构因子2.晶体的结合及晶体类型晶体结合力的一2.1晶体的结合类型般性质、晶格参2.2晶体结合力的一般性质及晶格参量量、晶体的结合252.3非极性分子晶体结合能的物理本质类型及物理本2.4离子晶体的结合及马德隆常数质、马德隆常数、2.5原子晶体结合的方向性和饱和性非极性分子晶体结合的物理参量3.晶体振动和晶体的热学性质晶体内原子运动3.1一维晶格振动及原子运动方程方程、声子色散3.2声学波和光学波的色散关系关系、声学支和3.3声子的基本性质光学支、声子的273.4模式密度及固体比热的声子模型基本性质、模式3.5晶格振动非简谐效应密度、固体比热3.6晶格振动谱测定的基本方法的声子模型、晶格振动谱的测定4.金属自由电子费米气体金属自由气体电4.1金属自由电子的物理模型子的物理模型、金属自由电子费4.2自由电子费米气体模型4.3自由电子费米参数的计算米气体模型、费4.4自由电子气体的能态密度米参数计算方64.5自由电子气体的热容法、能态密度、4.6费米球及电导和欧姆定律自由电子气体的热容、电场与费米球的移动、电导与欧姆定律
1 1. 晶体结构及 X 射线衍射 1.1 固体物理的研究对象及研究内容 1.2 晶体的基本特征及布喇菲空间点阵 1.3 晶体的周期性 1.4 晶向和晶面的表示方法 1.5 倒格子空间及其与正格子空间的关联性 1.6 晶体的对称性及对称操作 1.7 晶体结构表征的 X 射线衍射方法 1.8 晶格结构的几何结构因子 晶体基本几何特 征、晶体的周期 性和对称性、倒 易空间及与正格 子空间的关系、 晶体结构表征的 X 射线衍射方法 8 2 2. 晶体的结合及晶体类型 2.1 晶体的结合类型 2.2 晶体结合力的一般性质及晶格参量 2.3 非极性分子晶体结合能的物理本质 2.4 离子晶体的结合及马德隆常数 2.5 原子晶体结合的方向性和饱和性 晶体结合力的一 般性质、晶格参 量、晶体的结合 类型及 物理本 质、马德隆常数、 非极性分子晶体 结合的物理参量 5 3 3. 晶体振动和晶体的热学性质 3.1 一维晶格振动及原子运动方程 3.2 声学波和光学波的色散关系 3.3 声子的基本性质 3.4 模式密度及固体比热的声子模型 3.5 晶格振动非简谐效应 3.6 晶格振动谱测定的基本方法 晶体内原子运动 方程、声子色散 关系、声学支和 光学支、声子的 基本性质、模式 密度、固体比热 的声子模型、晶 格振动谱的测定 7 4 4. 金属自由电子费米气体 4.1 金属自由电子的物理模型 4.2 自由电子费米气体模型 4.3 自由电子费米参数的计算 4.4 自由电子气体的能态密度 4.5 自由电子气体的热容 4.6 费米球及电导和欧姆定律 金属自由气体电 子的物理模型、 金属自由电子费 米气体模型、费 米参数 计算方 法、能态密度、 自由电子气体的 热容、电场与费 米球的移动、电 导与欧姆定律 6
5.固体电子能带理论布洛赫定理、近5.1布洛赫定理及近自由电子模型自由电子模型、布里渊区和能带5.2布里渊区和能带的产生5.3电子能带的紧束缚近似计算结构、电子能带5.4晶体中电子的准经典运动规律结构的紧束缚近似计算、晶体中5.5恒定电场中电子的运动及电子有效质量65.6导体、绝缘体和半导体电子的准经典运动、恒定电场作用下电子的运动及电子有效质量、固体分类的能带理论基础
5 5. 固体电子能带理论 5.1 布洛赫定理及近自由电子模型 5.2 布里渊区和能带的产生 5.3 电子能带的紧束缚近似计算 5.4 晶体中电子的准经典运动规律 5.5 恒定电场中电子的运动及电子有效质量 5.6 导体、绝缘体和半导体 布洛赫定理、近 自由电子模型、 布里渊区和能带 结构、电子能带 结构的紧束缚近 似计算、晶体中 电子的准经典运 动、恒定电场作 用下电子的运动 及 电 子 有 效 质 量、固体分类的 能带理论基础 6
四、教学安排详表学时教学教学要求教学内容对课程目标章节顺序分配方式（知识要求及能力要求）的支撑关系主要讲述晶体的基本几何结构特征及布喇菲空间点阵、晶体的周期掌握晶体的基本几何结构特征，理解并掌握倒易空授课、性、晶向和晶面的表示方法、倒易间及其与正格子空间的关系，掌握晶体结构表征的课程目标1第一章空间及其与正格子空间的关联性、g课堂X射线衍射方法；针对固体材料几何结构，具有非课程目标2讨论晶体的对称性及对称操作、晶体结常强的分析表征能力构表征的X射线衍射方法、晶格结构几何结构因子的计算介绍晶体的结合及晶体类型，讲解掌握晶体结合类型及其其物理本质，理解固体结合晶体内结合力的一般性质及平衡授课、力的一般性质，能计算马德隆常数以及非极性分子晶格参量、非极性分子晶体结合能课程目标1第二章5课堂晶体势能参量，利用原子间相互作用势能计算平衡的物理本质、离子晶体的结合及马课程目标2讨论晶格参量、了解原子晶体的特征，利用相关知识分德隆常数、原子晶体结合的方向性析固体材料力学特性及其变化机制和饱和性讲解一维晶格振动及原子运动方掌握一维简单和复式晶格振动分析的基本思路，掌授课、程、声学支和光学支的色散关系、握声学支和光学支晶格振动的物理本质，理解声子课程目标1课堂第三章声子的基本性质、模式密度及固体的基本性质，掌握模式密度的概念并能熟练计算晶课程目标2讨论格振动的模式密度，理解固体比热的声子模型并基比热的声子模型、晶格振动非简谐
四、教学安排详表 章节顺序 教学内容 学时 分配 教学 方式 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标 的支撑关系 第一章 主要讲述晶体的基本几何结构特 征及布喇菲空间点阵、晶体的周期 性、晶向和晶面的表示方法、倒易 空间及其与正格子空间的关联性、 晶体的对称性及对称操作、晶体结 构表征的 X 射线衍射方法、晶格 结构几何结构因子的计算 8 授课、 课堂 讨论 掌握晶体的基本几何结构特征，理解并掌握倒易空 间及其与正格子空间的关系，掌握晶体结构表征的 X 射线衍射方法；针对固体材料几何结构，具有非 常强的分析表征能力 课程目标 1 课程目标 2 第二章 介绍晶体的结合及晶体类型，讲解 晶体内结合力的一般性质及平衡 晶格参量、非极性分子晶体结合能 的物理本质、离子晶体的结合及马 德隆常数、原子晶体结合的方向性 和饱和性 5 授课、 课堂 讨论 掌握晶体结合类型及其其物理本质，理解固体结合 力的一般性质，能计算马德隆常数以及非极性分子 晶体势能参量，利用原子间相互作用势能计算平衡 晶格参量、了解原子晶体的特征，利用相关知识分 析固体材料力学特性及其变化机制 课程目标 1 课程目标 2 第三章 讲解一维晶格振动及原子运动方 程、声学支和光学支的色散关系、 声子的基本性质、模式密度及固体 比热的声子模型、晶格振动非简谐 7 授课、 课堂 讨论 掌握一维简单和复式晶格振动分析的基本思路，掌 握声学支和光学支晶格振动的物理本质，理解声子 的基本性质，掌握模式密度的概念并能熟练计算晶 格振动的模式密度，理解固体比热的声子模型并基 课程目标 1 课程目标 2
效应及热膨胀和热传导、晶格振动于此理解固体比热随温度的变化关系，理解晶格振谱测定的基本方法动的非简谐效应以及由此导致的热膨胀和热传导的物理本质，了解晶格振动谱测定的基本方法，利用相关知识分析和解释固体材料的热学特性及本质讲解金属自由电子气体的物理模了解金属自由电子气体的物理模型及其局限性，掌型、金属自由电子费米气体模型、握金属自由电子气体模型、费米-狄拉克分布函数授课、费米-狄拉克分布函数、自由电子的物理意义及费米参数的计算分析方法，掌握自由课程目标1课堂第四章气体费米参数的计算、自由电子气6电子气体对热容的贡献，根据电场与费米球的相互课程目标2讨论体的能态密度、自由电子气体的热作用理解电导和欧姆定律，利用相关知识能分析和容、电场与费米球、电导与欧姆定解释固体材料的电学特性及本质律讲述布洛赫定理及近自由电子模掌握布洛赫定理、近自由电子模型，理解布里渊区型、布里渊区和能带的产生、采用和能带的产生，掌握采用紧束缚近似计算电子能带授课、紧束缚近似计算电子能带的方法、的方法，理解晶体中电子的准经典运动规律，掌握课程目标1课堂第五章晶体中电子的准经典运动规律、恒6恒定电场作用下电子的运动规律及电子有效质量课程目标2讨论定电场作用下电子的运动规律及的概念，利用电子能带理论解释导体、绝缘体和半导体的形成，能够分析和解释固体的光、电、磁学电子有效质量、导体、绝缘体和半特性导体的形成机理
效应及热膨胀和热传导、晶格振动 谱测定的基本方法 于此理解固体比热随温度的变化关系，理解晶格振 动的非简谐效应以及由此导致的热膨胀和热传导 的物理本质，了解晶格振动谱测定的基本方法，利 用相关知识分析和解释固体材料的热学特性及本 质 第四章 讲解金属自由电子气体的物理模 型、金属自由电子费米气体模型、 费米-狄拉克分布函数、自由电子 气体费米参数的计算、自由电子气 体的能态密度、自由电子气体的热 容、电场与费米球、电导与欧姆定 律 6 授课、 课堂 讨论 了解金属自由电子气体的物理模型及其局限性，掌 握金属自由电子气体模型、费米-狄拉克分布函数 的物理意义及费米参数的计算分析方法，掌握自由 电子气体对热容的贡献，根据电场与费米球的相互 作用理解电导和欧姆定律，利用相关知识能分析和 解释固体材料的电学特性及本质 课程目标 1 课程目标 2 第五章 讲述布洛赫定理及近自由电子模 型、布里渊区和能带的产生、采用 紧束缚近似计算电子能带的方法、 晶体中电子的准经典运动规律、恒 定电场作用下电子的运动规律及 电子有效质量、导体、绝缘体和半 导体的形成机理 6 授课、 课堂 讨论 掌握布洛赫定理、近自由电子模型，理解布里渊区 和能带的产生，掌握采用紧束缚近似计算电子能带 的方法，理解晶体中电子的准经典运动规律，掌握 恒定电场作用下电子的运动规律及电子有效质量 的概念，利用电子能带理论解释导体、绝缘体和半 导体的形成，能够分析和解释固体的光、电、磁学 特性 课程目标 1 课程目标 2
五、考核方式及成绩构成5.1 考核成绩构成平时：30%，（包含：平时作业、课堂讨论）期末：70%1、课程教学与考核环节及其对应的课程目标的汇总课堂授课主要使学生掌握固体物理学的基础知识，以及培养学生对工程问题的分析和研究能力，对应课程目标1和课程目标2。课堂讨论主要考察学生对基础知识的掌握程度，应用基础知识分析复杂问题的研究能力，对应课程目标1和课程目标2。平时作业主要培养学生利用基础知识，对复杂工程问题的分析研究能力，对应课程课程目标1和课程目标2。另外，在期末考试试题中（满分100分），有60分试题考核学生基础知识的掌握情况，对应课程目标1；有40分的题目考核学生对复杂工程问题的分析能力，并解决复杂工程问题的能力，对应课程目标2。期末试题评分见试题答案与评分标准。课程各教学环节与课程目标达成计算的比例具体如表5-1所示。表5-1课程各教学环节与课程目标达成计算的比例总评成绩=课程考试成绩×70%+平时作业成绩×20%+课堂讨论成绩×10%考核与评价方式平时作业成绩课堂讨论成绩课程考试成绩（100分）（100分）（100分）506060课程目标1（1-2)405040课程目标2（2-1)2、平时作业成绩与课堂讨论成绩评分标准（1）平时作业及评价标准主讲教师根据每章重要知识点布置4~8道课后习题，根据实际工程问题涉及的相关知识点布置1~2道延伸分析题，考察学生对基本概念的进一步探究和实际工程问题的分析。要求学生独立完成，并按时以书面形式提交作业
五、考核方式及成绩构成- 5.1 考核成绩构成 平时： 30 %，（包含：平时作业、课堂讨论） 期末： 70 % 1、课程教学与考核环节及其对应的课程目标的汇总 课堂授课主要使学生掌握固体物理学的基础知识，以及培养学生对工程问题 的分析和研究能力，对应课程目标 1 和课程目标 2。课堂讨论主要考察学生对基 础知识的掌握程度，应用基础知识分析复杂问题的研究能力，对应课程目标 1 和课程目标 2。平时作业主要培养学生利用基础知识，对复杂工程问题的分析研 究能力，对应课程课程目标 1 和课程目标 2。另外，在期末考试试题中（满分 100 分），有 60 分试题考核学生基础知识的掌握情况，对应课程目标 1；有 40 分的 题目考核学生对复杂工程问题的分析能力，并解决复杂工程问题的能力，对应课 程目标 2。期末试题评分见试题答案与评分标准。课程各教学环节与课程目标达 成计算的比例具体如表 5-1 所示。 表 5-1 课程各教学环节与课程目标达成计算的比例 总评成绩=课程考试成绩×70%+平时作业成绩×20%+课堂讨论成绩×10% 考核与评价方式 平时作业成绩 （100 分） 课堂讨论成绩 （100 分） 课程考试成绩 （100 分） 课程目标 1（1-2） 50 60 60 课程目标 2（2-1） 50 40 40 2、平时作业成绩与课堂讨论成绩评分标准 （1） 平时作业及评价标准 主讲教师根据每章重要知识点布置 4~8 道课后习题，根据实际工程问题涉及 的相关知识点布置 1~2 道延伸分析题，考察学生对基本概念的进一步探究和实际 工程问题的分析。要求学生独立完成，并按时以书面形式提交作业
表5-2平时作业考核与评分标准评价标准优秀（85-100）良好（75-84）及格（60-74)不及格（0-59）按时交作业；基本按时交作业；基本按时交作业；基本不能按时交作概念正确，并能充概念正确、讨论分概念基本正确、未业；有抄袭现象。分讨论分析问题。析问题不够充分。给出讨论分析。（2）课堂讨论评分标准引导学生查阅相关文献资料，探索涉及到《固体物理》知识点相关的国际前沿的学术问题以及工程应用领域存在的技术问题，鼓励学生大胆发表自已对问题的理解和观点，积极参与讨论并进行分组报告，提出可能的解决思路和方案。表5-3课堂讨论评分标准评分标准优秀（85-100）良好（70-84）合格（60-69)不合格（<60）主动加入讨论，能主动加入讨论，但尽管参加了讨论不做任何准备，够深入讨论话题，因准备不充分，课，但未作任何未不参加讨论课。并与同学之间有准备，未积极加充分参与辩论，仅讨论或者辩论，有简述出自己观点。入讨论环节。说服力。（为了鼓励学生讨论，积极参与，如果在讨论时对问题理解有误，但能大胆说出自己的理解，敢于用证据与同学辩论者，也给优秀。）大纲制定者：马飞大纲审核者：孙巧艳最后修订时间：2019年10月15日
表 5-2 平时作业考核与评分标准 评价标准 优秀（85-100） 良好（75-84） 及格（60-74） 不及格（0-59） 按时交作业；基本 概念正确，并能充 分讨论分析问题。 按时交作业；基本 概念正确、讨论分 析问题不够充分。 按时交作业；基本 概念基本正确、未 给出讨论分析。 不 能 按 时 交 作 业；有抄袭现象。 （2）课堂讨论评分标准 引导学生查阅相关文献资料，探索涉及到《固体物理》知识点相关的国际前 沿的学术问题以及工程应用领域存在的技术问题，鼓励学生大胆发表自己对问题 的理解和观点，积极参与讨论并进行分组报告，提出可能的解决思路和方案。 表 5-3 课堂讨论评分标准 评分标准 优秀（85-100） 良好（70-84） 合格（60-69） 不合格（<60） 主动加入讨论，能 够深入讨论话题， 并与同学之间有 讨论或者辩论，有 说服力。（为了鼓 励学生讨论，积极 参与，如果在讨论 时对问题理解有 误，但能大胆说出 自己的理解，敢于 用证据与同学辩 论者，也给优秀。） 主动加入讨论，但 因准备不充分，未 充分参与辩论，仅 简述出自己观点。 尽管参加了讨论 课，但未作任何 准备，未积极加 入讨论环节。 不做任何准备， 不参加讨论课。 大纲制定者： 马飞 大纲审核者： 孙巧艳 最后修订时间： 2019 年 10 月 15 日