固體物理的研究?jī)?nèi)容

1、固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究對(duì)象固體物理的研究?jī)?nèi)容固體物理課程的章節(jié)安排教材和參考書目鉆石鉆石：非洲之星二號(hào)：非洲之星二號(hào)自然狀態(tài)的水晶自然狀態(tài)的水晶規(guī)則的幾何外形?自然界中的晶體自然界中的晶體“凡草木花多五出凡草木花多五出, ,雪花獨(dú)六出雪花獨(dú)六出” - - 韓詩(shī)外傳韓詩(shī)外傳西漢西漢雪花的六角對(duì)稱性是其內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)雪花的六角對(duì)稱性是其內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)的體現(xiàn) - - 六角雪花論六角雪花論J. Kepler （16111611） 世界上沒有兩朵一樣的雪花世界上沒有兩朵一樣的雪花自然界中有沒自然界中有沒有有5瓣的雪花？瓣的雪花？17841784年年 法國(guó)學(xué)者阿羽依法國(guó)學(xué)者阿羽依晶體是由無

2、數(shù)個(gè)具有晶體是由無數(shù)個(gè)具有多面體形狀多面體形狀的原始的原始“組成單元組成單元”在三維空間在三維空間無間無間隙隙地平行堆砌而成地平行堆砌而成 二十世紀(jì)以前，人們僅僅從材料二十世紀(jì)以前，人們僅僅從材料規(guī)則的規(guī)則的外形外形來推測(cè)材料來推測(cè)材料內(nèi)部的內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)！五方對(duì)稱性的雪花五方對(duì)稱性的雪花雪花雪花 晶體晶體五方對(duì)稱性的五方對(duì)稱性的“組成單元組成單元”無間隙無間隙 平行堆砌平行堆砌有沒有辦法看到晶有沒有辦法看到晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)呢？體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)呢？X X射線衍射！射線衍射！18951895年：倫琴發(fā)現(xiàn)年：倫琴發(fā)現(xiàn) X X 射線射線。1912年：年： 勞厄勞厄(M. von Laue)， 弗里

3、德里希弗里德里希(W. Feriederich)， 克尼平克尼平(P. Knipping) 晶體晶體X射線實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。射線實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。NaClX射線衍射圖樣射線衍射圖樣如何描述晶體內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)呢？),(),(2121txxxHtxxxtnn 量子力學(xué)：描述晶體內(nèi)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：描述晶體內(nèi)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律晶體由大量的原子組成，晶體由大量的原子組成，1cm3含有含有1023個(gè)原子個(gè)原子單個(gè)原子單個(gè)原子 單電子薛定鄂方程描述單電子薛定鄂方程描述原子之間、原子與電子之間、電子與電子之間原子之間、原子與電子之間、電子與電子之間都存在相互作用，都存在相互作

4、用， 多體問題多體問題嚴(yán)格求解不可能嚴(yán)格求解不可能采取采取 近似近似總結(jié)規(guī)律總結(jié)規(guī)律固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究對(duì)象固體物理的研究?jī)?nèi)容固體物理課程的章節(jié)安排教材和參考書目物質(zhì)的狀態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)固態(tài)固態(tài)(晶體和非晶體晶體和非晶體) 液態(tài)液態(tài)(液晶體和液晶體和非液晶體非液晶體)氣態(tài)氣態(tài)等離子等離子態(tài)（態(tài)（是一種電離電離的氣體，電離出來的自由電子自由電子和帶電離子帶電離子）玻色玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC）凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物理晶體的特點(diǎn)晶體的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)程有序（周期性）長(zhǎng)程有序（周期性）性能性能 各向異性各向異性固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究對(duì)象固體物理的研究?jī)?nèi)容固體物理課程的

5、章節(jié)安排教材和參考書目晶體的晶體的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和和功能功能的關(guān)系的關(guān)系力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等（1 1）不同原子不同原子組成的晶體具有不同的性質(zhì)。組成的晶體具有不同的性質(zhì)。（同質(zhì)異構(gòu)體）（同質(zhì)異構(gòu)體） （2 2）同種原子同種原子按按不同的排列方式不同的排列方式組成的晶體具有不同的性質(zhì)。組成的晶體具有不同的性質(zhì)。如如硅硅和和銅銅，都是面心立方結(jié)構(gòu)，但性能上差別很大，都是面心立方結(jié)構(gòu)，但性能上差別很大碳碳 - - 奇妙的家族奇妙的家族Carbon:1s22s22p2石墨石墨(Graphite)金剛石金剛石(Diamond)導(dǎo)電 疏松 絕緣體 硬度高 貴重SP2雜化雜

6、化SP3雜化雜化Robert F. CurlH.W. KrotoR. E. Smalley富勒烯富勒烯(Fullerenes )1996年年R. Buckminster Fuller (1895-1983)C60C70超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕壓、抗化學(xué)腐蝕布里淵布里淵(L. Brillouin)“固體物理固體物理主要是探討具有周期結(jié)構(gòu)特征的晶態(tài)物質(zhì)主要是探討具有周期結(jié)構(gòu)特征的晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系。”周期結(jié)構(gòu)中波的傳播周期結(jié)構(gòu)中波的傳播- - 布里淵布里淵固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究對(duì)象固體物理的研究?jī)?nèi)容固體物理課程的章節(jié)安排教材和參考書目

7、周期性介質(zhì)周期性介質(zhì)-晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu) （第一章）（第一章）晶體中晶體中電磁波電磁波（X射線）的傳播射線）的傳播 （第一章）（第一章）晶體中的缺陷及其運(yùn)動(dòng)晶體中的缺陷及其運(yùn)動(dòng) （第四章）（第四章）晶體的結(jié)合方式（第二章）晶體的結(jié)合方式（第二章）晶體中晶體中格波格波的傳播的傳播 (第三章第三章)晶體中電子的晶體中電子的德布洛意波德布洛意波的傳播的傳播(第第五章五章)自由電子論和電子的輸運(yùn)性質(zhì)（第六章）自由電子論和電子的輸運(yùn)性質(zhì)（第六章）固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究對(duì)象固體物理的研究?jī)?nèi)容固體物理課程的章節(jié)安排教材和參考書目1. 固體物理教程固體物理教程 王矜奉王矜奉 編著編著 （山東大學(xué)出

8、版社）（山東大學(xué)出版社）2. 固體物理導(dǎo)論固體物理導(dǎo)論 基泰爾基泰爾 （C.Kittel) (化學(xué)工業(yè)出版社）化學(xué)工業(yè)出版社）3. 固體物理學(xué)固體物理學(xué) 黃昆、韓汝琦黃昆、韓汝琦 （高等教育出版社）（高等教育出版社）4. 凝聚態(tài)物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)上卷上卷 馮端、金國(guó)鈞馮端、金國(guó)鈞 高等教育出版社）高等教育出版社）5. Solid State Physics G. Grosso 、G. P. Parravicini (Elsevier)6. 固體物理學(xué)固體物理學(xué)（上），方俊鑫（上），方俊鑫 陸棟著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，陸棟著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19807. 固體物理基礎(chǔ)固體物理基礎(chǔ)閆守勝編著，

9、北京大學(xué)出版社，閆守勝編著，北京大學(xué)出版社，2001； 1.1 晶體的共性1.2 密堆積原子以怎樣的排列方式堆積成晶體長(zhǎng)程有序 -晶體最突出的特點(diǎn)至少在至少在微米量級(jí)微米量級(jí)范圍內(nèi)原子排列具有范圍內(nèi)原子排列具有周期性。周期性。單晶體單晶體 ( (整體范圍內(nèi)原子都是規(guī)格排列整體范圍內(nèi)原子都是規(guī)格排列) )多晶體多晶體 （由許多小單晶組成，在（由許多小單晶組成，在各晶粒范圍各晶粒范圍內(nèi)原子是有序排列的）內(nèi)原子是有序排列的）自限性晶體所具有的晶體所具有的自發(fā)自發(fā)地形成地形成封閉凸多面體封閉凸多面體的能的能力稱為自限性。力稱為自限性。這是晶體這是晶體內(nèi)部原子的規(guī)則排列內(nèi)部原子的規(guī)則排列在晶體在晶體宏觀

10、形態(tài)上的反映。宏觀形態(tài)上的反映。晶面角守恒定律：屬于同一品種的晶體，兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面間的夾角恒定不變屬于同一品種的晶體，兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面間的夾角恒定不變。石英晶體：石英晶體： a、b 間夾角總是間夾角總是14147 ； a、c 間夾角總是間夾角總是11308 ； b、c 間夾角總是間夾角總是12000 。生長(zhǎng)條件不同，同一種晶體的外形會(huì)有差異生長(zhǎng)條件不同，同一種晶體的外形會(huì)有差異各向異性在在不同方向不同方向上，晶體的物理性上，晶體的物理性質(zhì)不同。質(zhì)不同。 由右圖可以看出，在由右圖可以看出，在不同的不同的方向上晶體中原子排列情況不同方向上晶體中原子排列情況不同，故其性質(zhì)不同。故其性質(zhì)不同。OO1O Cl

11、AC1A*AB）面示意圖（晶體結(jié)構(gòu)100NaCl 這時(shí)候晶體的有些物理常數(shù)不能用一個(gè)數(shù)值來這時(shí)候晶體的有些物理常數(shù)不能用一個(gè)數(shù)值來表示，如彈性常數(shù)、壓電常數(shù)，而要用表示，如彈性常數(shù)、壓電常數(shù)，而要用張量張量來描述。來描述。小球如何堆積成晶體？原子以怎樣的排列方式堆積成晶體晶體有規(guī)晶體有規(guī)則的外形則的外形原子內(nèi)部原子內(nèi)部規(guī)則排列規(guī)則排列將原子視為剛性的小球若晶體由同一種原子組成有哪些排列的方式？有哪些排列的方式？如食鹽晶體，立方結(jié)構(gòu)在一個(gè)平面內(nèi)最簡(jiǎn)單的規(guī)則排列是正方排列層層重合堆積起來紅點(diǎn)代表球心8個(gè)原子位于立方體的8個(gè)頂點(diǎn)上配位數(shù): 一個(gè)原子周圍最近鄰的原子數(shù)是否有更密的排列方式？6簡(jiǎn)單立方的

12、配位數(shù)是幾？在體心再放入一個(gè)原子體心處的原子跟頂角上的8個(gè)原子相切配位數(shù)是：8是否還有更密的排列方式？BA原子要構(gòu)成最緊密的堆積方式，原子球必須與同一平面內(nèi)相鄰的6個(gè)原子相切C再放一層原子：原子球心必須與相鄰原子層的空隙相重合AB 第一層：每個(gè)球與第一層：每個(gè)球與6個(gè)球相切，有個(gè)球相切，有6個(gè)空隙，如編號(hào)個(gè)空隙，如編號(hào)1, ,2, ,3, ,4, ,5, ,6。第二層：占據(jù)第二層：占據(jù)1, ,3, ,5空位中心空位中心。 第三層：在第一第三層：在第一層球的正上方形成層球的正上方形成ABABAB排列排列方式。方式。BA 第一層：每個(gè)球與第一層：每個(gè)球與6個(gè)球相切，有個(gè)球相切，有6個(gè)空隙，如編號(hào)為個(gè)空隙，如編號(hào)為1, ,2, ,3, ,4, ,5, ,6。第二層：占據(jù)第二層：占據(jù)1，3，5空位中空位中心。心。C 第三層：占據(jù)第三層：占據(jù)2，4，6空位中心，空位中心，按按ABCABCABC方式排列，形方式排列，形成面心立方結(jié)構(gòu)，稱為成面心立方結(jié)構(gòu)，稱為立方密積立方密積。iajak