高二物理競賽固體物理緒論課件

物理緒論

固體物理學(xué)的研究對象顧名思義，固體物理學(xué)是研究固態(tài)物質(zhì)物理性質(zhì)的學(xué)科。但和普通物理不同，它的重點不在于描述固體的宏觀物理性質(zhì)，而是去闡明和理解固體的宏觀性質(zhì)。解釋形成這些性質(zhì)的原因，從而找出控制、利用、改善這些性質(zhì)的方法。

固體是由大量原子和分子組成的，固體的性質(zhì)雖然也和組成固體的原子、分子種類有關(guān)，但更主要的是和這些原子采用什么方式結(jié)合在一起，他們的空間排列方式、相互作用力類型和運動機(jī)制有關(guān)，

特別是和原子形成固體后其價電子的運動狀態(tài)有關(guān)。馮端：固體物理學(xué)是從微觀角度來闡述固體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)關(guān)系的學(xué)科。

巴丁：(J.Bardeen)

固體物理學(xué)依據(jù)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)來了解固體的各種性質(zhì)

固體按其構(gòu)成原子空間排列的特點大致可以分為晶體和非晶體。固體物理的研究首先是從晶體開始的

1.在自然界的礦物中，晶態(tài)物質(zhì)占到98％以上，人類最早研究和使用的材料大都是晶態(tài)物質(zhì)，是各類晶態(tài)物質(zhì)特有的性質(zhì)引起了研究興趣和開發(fā)利用。

2.晶態(tài)物質(zhì)原子排列的周期性使的固體理論得以順利進(jìn)行，如今已經(jīng)成熟并獲得巨大成功的固體理論是建立在對晶體研究的基礎(chǔ)上。早期，Kittel說：固體物理研究晶體和晶體中的電子。

上世紀(jì)六七十年代后非晶態(tài)的研究和利用陸續(xù)引起重視，薄膜材料和器件廣泛應(yīng)用，納米材料和團(tuán)簇材料的深入研究，準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)和研究超晶格材料和器件的制備和利用都極大地豐富了固體理論。然而至目前為止，建立在晶體上的固體理論依然是固體物理的核心內(nèi)容。固體中一些最重要的性質(zhì)還只有利用晶體才能得到最好的描述。

對所有固體普遍適用的理論尚在建立之中。固體物理學(xué)的發(fā)展歷程

固體物理作為一門近代科學(xué)始于20世紀(jì)初，雖然晶體學(xué)的研究有著悠久的歷史，19世紀(jì)末就已經(jīng)建立起完整的對稱性理論，但只是在1912年Laue發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象后，晶體結(jié)構(gòu)的研究才得以證實，并從此具備了實驗研究固體微觀結(jié)構(gòu)的條件。

20世紀(jì)初量子論，特別是量子力學(xué)的逐步建立為正確解釋已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的關(guān)于固體性質(zhì)的規(guī)律成為可能，

Einstein1907,Debye1912,Born1912,Sommerfeld1928,Bloch!928,Wilson1931,Brillouin,Heisenberg,Seitz,Slater,

賽茲1940年出版的《現(xiàn)代固體理論》一書,它標(biāo)志固體物理的成熟并形成了國體物理學(xué)理論的第一個范式。

SeitzF,ModernTheoryofSolidsMcGraw-Hill1940固體物理研究周期結(jié)構(gòu)中波的傳播問題無論是彈性波、電磁波，de-Broglie波相關(guān)理論的共同點是：充分利用了晶體結(jié)構(gòu)中的平移對稱性，使問題得到簡化，因此作為實空間Fourier變換而得到的波矢空間的重要性就被突出出來，波矢空間的基本單位是布里淵區(qū)，而了解布里淵區(qū)內(nèi)部和邊界上的能量波矢關(guān)系就成為解決具體問題的關(guān)鍵。Hall：

倒易空間和布里淵區(qū)是固體物理的Maxwell方程固體物理學(xué)是當(dāng)代科學(xué)的重要支柱，是高科技的源泉。2.固體物理是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中最豐富的層次，構(gòu)成了對于人類智力的巨大挑戰(zhàn)。3.固體物理正在向凝聚態(tài)物理的范疇擴(kuò)展。4.固體物理的基本概念和實驗技術(shù)已在非固體學(xué)科得到廣泛應(yīng)用。固體晶體非晶體準(zhǔn)晶體納米材料團(tuán)簇材料？？目前固體物理的研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的晶狀固體拓展到非晶固體、薄膜和細(xì)小粒子體系、以及量子流體，這一更寬的研究領(lǐng)域人們稱之為凝聚態(tài)物理學(xué)SolidStatePhysics

CondensedmatterPhysics固體物理的研究的研究方法

1.固體物理是一門“橫向”科學(xué)

2.是一門理論與實踐密切結(jié)合的科學(xué)

3.固體理論中充滿了各種近似方法

4.固體物理中的兩類問題理想完整晶體；近完整晶體；基態(tài)問題；低激發(fā)態(tài)問題；

元激發(fā)是固體物理中最重要的概念

Anderson：

一個簡化模型對于自然界實際狀況的見解，遠(yuǎn)勝于個別情況的從頭計算，這些計算即便是對的，也往往包含了過多的細(xì)節(jié)，以至于掩蓋了而不是顯示了現(xiàn)實，計算或測量的過于精細(xì)有時不一定是優(yōu)點，反而可能是缺點，因為人們精確測量或計算出的結(jié)果往往是與機(jī)制無關(guān)的事情，總之，完美的計算可以重視自然，但不能解釋它。

元激發(fā)（excitation)電子光子－－－－－－電磁波聲子－－－－－－彈性波等離子激元－－－集體電子波磁振子－－－－－磁化強(qiáng)度波極化子－－－－－電子＋彈性波激子－－－－－－極化強(qiáng)度波通論部分：

1.晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的測定

2.晶體結(jié)合和彈性性質(zhì)

3.晶格振動和熱學(xué)性質(zhì)

4.晶格缺陷和位錯理論

5.晶體中的電子——能帶論

6.金屬電子論

7.非晶固體

8.尺寸效應(yīng)專題部