《固體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

《固體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：04310124課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課適合專(zhuān)業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)先修課程：普通物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理開(kāi)設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：考試總學(xué)時(shí)數(shù)：64-72學(xué)分：4課程教學(xué)目標(biāo)固體物理學(xué)是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、研究組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與規(guī)律、在此基礎(chǔ)上闡明固體宏觀性質(zhì)的學(xué)科。固體的宏觀性質(zhì)決定于固體的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用，不同的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子相互作用，造就了不同的固體宏觀性質(zhì)。固體物理學(xué)是在量子力學(xué)誕生之后，逐步建立和完善起來(lái)的一門(mén)現(xiàn)代物理學(xué)科；固體物理學(xué)是聯(lián)系微觀與宏觀的學(xué)科，固體物理學(xué)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，新材料和新器件的突破往往導(dǎo)致新的技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的誕生，對(duì)工業(yè)乃至人類(lèi)生活產(chǎn)生重大的影響。通過(guò)本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握固體物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，了解相關(guān)的固體物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)物理、納米科技等知識(shí)及其科學(xué)研究的發(fā)展現(xiàn)狀。使學(xué)生建立起晶體內(nèi)原子、電子等微觀粒子運(yùn)動(dòng)的物理圖象及其有關(guān)模型，掌握晶體內(nèi)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與晶體宏觀性能的物理聯(lián)系，深刻理解晶體宏觀性能的微觀物理本質(zhì)。在教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神。課程的目的與任務(wù)本課程的目的與任務(wù)是使學(xué)生了解認(rèn)識(shí)固體材料的微觀結(jié)構(gòu)、初步掌握研究分析固體物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律、及其與宏觀現(xiàn)象之間聯(lián)系的方法和原理。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生從微觀層次分析各種固體現(xiàn)象的思維能力，逐步提高學(xué)生運(yùn)用物理學(xué)綜合知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)專(zhuān)業(yè)課程奠定必要的理論基礎(chǔ)。課程教學(xué)的基本要求通過(guò)本課程的理論教學(xué)使生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)晶體中晶格振動(dòng)、固體的熱容量、導(dǎo)電性能進(jìn)行分析、解釋。了解一些分析研究固體能帶的模型和理論，掌握研究解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)，思路和技巧，對(duì)具體問(wèn)題的討論中，如何抓住主要因素，簡(jiǎn)化其它因素，建立合理模型。會(huì)運(yùn)用固體物理學(xué)的理論和方法，計(jì)算一些簡(jiǎn)單問(wèn)題，通過(guò)討論加深對(duì)問(wèn)題的理解。實(shí)踐教學(xué)要求為了保證必要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)習(xí)題討論課和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作以下要求：習(xí)題討論課：占總教學(xué)時(shí)數(shù)的15%（10學(xué)時(shí)）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：15學(xué)時(shí)（近代物理實(shí)驗(yàn)，不占教學(xué)內(nèi)課時(shí)）。教學(xué)全部采用多媒體方式，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的直觀性，增強(qiáng)教學(xué)效果。教學(xué)學(xué)時(shí)分配數(shù)章次各章名稱(chēng)總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)課外小計(jì)0緒論

1

1

1一晶體的結(jié)構(gòu)99

9二固體的結(jié)合66

6三晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)161616四能帶理論121212五晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)121212六金屬電子論888復(fù)習(xí)和習(xí)題課0-80-80-8總計(jì)64-7264-72

64-72大綱內(nèi)容固體物理學(xué)涉及較廣泛的知識(shí)面，其主要內(nèi)容包括三部分：晶格理論、固體的電子理論和專(zhuān)題描述。前兩部分是基礎(chǔ)，其中晶格理論包括:晶體的基本結(jié)構(gòu)、晶體中原子間的結(jié)合力和晶體的結(jié)合類(lèi)型、晶格的熱振動(dòng)及熱容理論。固體電子論包括:固體中電子的能帶理論;金屬中自由電子理論和電子的輸運(yùn)性質(zhì)。具體教學(xué)內(nèi)容和要求如下：第一章晶體的結(jié)構(gòu)教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解晶格的幾何描述,掌握一些晶格的實(shí)例及其構(gòu)成方式。達(dá)到對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及其周期性有較清晰的認(rèn)識(shí)，能應(yīng)用固體中原子排列的形式，研究固體材料的宏觀性質(zhì)和各種微觀過(guò)程。教學(xué)內(nèi)容：簡(jiǎn)單晶體的結(jié)構(gòu)和描述方法，晶格的空間點(diǎn)陣、晶格基矢的表達(dá)，分析晶體結(jié)構(gòu)常用的概念：布喇菲格子、原胞、晶面、晶向、正格子和到格子，以及正格點(diǎn)陣和倒易點(diǎn)陣的關(guān)系。教學(xué)提示：晶體結(jié)構(gòu)是固體物理的基礎(chǔ)，要求學(xué)生能較好地掌握，充分發(fā)揮晶體結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)的多媒體效果，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。教學(xué)重點(diǎn)：晶格的周期性、宏觀對(duì)稱(chēng)性、倒格子等概念和應(yīng)用它們對(duì)晶格進(jìn)行分類(lèi)。教學(xué)難點(diǎn)：倒格子概念、應(yīng)用群理論描述晶格的對(duì)稱(chēng)性。學(xué)法指導(dǎo)：需要空間直觀想象力；理論和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合。倒易點(diǎn)陣的的理解：從數(shù)學(xué)上講,倒易點(diǎn)陣和Bravais點(diǎn)陣互相是對(duì)應(yīng)的傅里葉空間。聯(lián)系量子力學(xué)，倒易空間就是定義在晶格上的波的波矢的空間。第二章固體的結(jié)合教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解原子依靠怎樣的相互作用結(jié)合成固體的。掌握固體結(jié)合的四種基本形式：離子結(jié)合、共價(jià)結(jié)合、金屬結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合與結(jié)合性質(zhì)。了解晶體的結(jié)合能。達(dá)到能運(yùn)用固體結(jié)合的基本理論去研究固體材料的性質(zhì)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容：晶體的結(jié)合類(lèi)型，互作用力和互作用勢(shì)能，結(jié)合力的性質(zhì)，離子晶體和離子晶體結(jié)合能，原子晶體的結(jié)合，非極性分子晶體的結(jié)合能，離子半徑，晶體的彈性模量。教學(xué)提示：本章與“晶體結(jié)構(gòu)”部分的內(nèi)容結(jié)合緊密，能夠根據(jù)原子負(fù)電性和原子半徑的差異解釋晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是這兩部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的目的。教學(xué)重點(diǎn)：晶體的結(jié)合類(lèi)型，互作用力和互作用勢(shì)能，結(jié)合力的性質(zhì)，離子晶體和離子晶體結(jié)合能，原子晶體的結(jié)合，非極性分子晶體的結(jié)合能，元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性。教學(xué)難點(diǎn)：共價(jià)結(jié)合、共價(jià)鍵。學(xué)法指導(dǎo)：共價(jià)鍵本質(zhì)上只能由量子力學(xué)解釋。在共價(jià)晶體中,原子之間無(wú)電子轉(zhuǎn)移,但是晶體中每個(gè)原子的價(jià)電子的空間幾率分布與孤立的單個(gè)原子不同。如碳原子有四個(gè)價(jià)電子.碳的兩個(gè)2s電子與兩個(gè)2p電子混合，形成四個(gè)互夾約度角的電子軌道（雜化--hybridorbital）。每個(gè)雜化軌道上只有一個(gè)電子，正好與相鄰原子的某一個(gè)雜化軌道提供的一個(gè)電子共享，形成一個(gè)新的包含兩個(gè)電子的共用軌道,這種共用雙電子軌道就是共價(jià)鍵。第三章晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解晶格振動(dòng)的主要特點(diǎn)及研究晶格振動(dòng)的意義，掌握一些晶格振動(dòng)的結(jié)論，能應(yīng)用晶格簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論解釋固體熱容量、應(yīng)用晶格非簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論解釋固體電導(dǎo)、熱傳導(dǎo)、熱膨脹等輸運(yùn)性質(zhì)，能解決離子晶體等紅外吸收以及各種輻射與晶體的相互作用的過(guò)程問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容：一維原子鏈的振動(dòng)，晶格振動(dòng)的量子化，光學(xué)波，聲學(xué)波，聲子，固體比熱的量子理論，固體比熱的德拜模型與愛(ài)因斯坦模型，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)。教學(xué)提示：晶格振動(dòng)理論是固體物理學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容之一，通過(guò)本章的學(xué)習(xí)可以從原子級(jí)的角度加深對(duì)晶體熱學(xué)性質(zhì)的理解。教學(xué)重點(diǎn)：晶格振動(dòng)理論，格波、聲子等概念，格波能量量子化原理，固體熱容量子理論的應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：格波的理解與意義。學(xué)法指導(dǎo)：以量子力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，解決晶格振動(dòng)量子化問(wèn)題、導(dǎo)出愛(ài)因斯坦熱容模型、德拜熱容模型。用晶格狀態(tài)方程解釋熱膨脹現(xiàn)象。第四章能帶理論教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解在周期晶格勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電子的波函數(shù)及能級(jí)分布的基本特點(diǎn)。掌握一維周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似處理方法：近自由近似和緊束縛近似方法。應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單能帶的計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：布洛赫定理，一維周期場(chǎng)中電子的近自由電子模型，緊束縛近似，能帶理論中的幾個(gè)重要概念：布里淵區(qū)，簡(jiǎn)約布里淵區(qū)，能態(tài)密度，能帶論的緊束縛計(jì)算方法，用布里淵區(qū)來(lái)描述能帶，與關(guān)系的三種圖式。教學(xué)提示：能帶論部分要用到量子力學(xué)的知識(shí)，學(xué)生會(huì)感覺(jué)比較困難，因此這部分內(nèi)容在講課前需把相關(guān)的量子力學(xué)的內(nèi)容加以復(fù)習(xí)，把模型建立交待清楚。由于這部分內(nèi)容主要是理論推導(dǎo)，所以用黑板講授效果會(huì)更好。教學(xué)重點(diǎn)：固體的能帶理論，理解掌握布洛赫定理的意義和應(yīng)用，能帶理論中的幾個(gè)重要概念：布里淵區(qū)，簡(jiǎn)約布里淵區(qū)，態(tài)密度，費(fèi)米面等，一維周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似處理方法的的運(yùn)用。與關(guān)系的三種圖式。教學(xué)難點(diǎn)：布洛赫函數(shù)及其物理意義,用布里淵區(qū)描述能帶。學(xué)法指導(dǎo)：讓學(xué)生學(xué)習(xí)用量子力學(xué)的知識(shí)來(lái)解決固體物理的具體問(wèn)題。第五章晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)目的與基本要求：從能帶理論出發(fā)，理解晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)理論，了解晶體中有關(guān)電子的輸運(yùn)過(guò)程問(wèn)題，了解固體物質(zhì)的導(dǎo)電行為。掌握導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)，掌握電子有效質(zhì)量、空穴、導(dǎo)帶、價(jià)帶等概念。教學(xué)內(nèi)容：晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)理論，電子在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度與加速度，在恒定電場(chǎng)作用下晶體電子的運(yùn)動(dòng)，波包，有效質(zhì)量，空穴等概念的理解，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶論解釋。教學(xué)提示：本章內(nèi)容是能帶理論的重要組成部分，也是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的必備基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)：晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)。有效質(zhì)量、空穴、導(dǎo)帶、價(jià)帶等概念。教學(xué)難點(diǎn)：晶體中電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)的理解，有效質(zhì)量的理解。學(xué)法指導(dǎo)：在本章學(xué)習(xí)中，以簡(jiǎn)單立方晶體為例，來(lái)加以對(duì)照、詮釋。第六章金屬電子論教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解用自由電子費(fèi)米氣體模型解釋電子比熱、金屬的電流、金屬熱電子發(fā)射的功函數(shù)、接觸電勢(shì)差等性質(zhì)，金屬中電子輸運(yùn)過(guò)程的一些基本概念和理論方法。掌握金屬電子的量子理論，費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和熱容量，了解這些理論在某些平衡問(wèn)題和非平衡問(wèn)題中的應(yīng)用。理解費(fèi)米面概念等。能夠計(jì)算在動(dòng)量和能量標(biāo)度下的態(tài)密度，金屬的熱容量。教學(xué)內(nèi)容：電子氣的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，費(fèi)米分布函數(shù)，費(fèi)米面概念，金屬電子的量子理論，費(fèi)米能量，金屬中電子氣的熱容量，功函數(shù)和接觸勢(shì)差。教學(xué)提示：通過(guò)Drude對(duì)金屬自由電子氣的物理性質(zhì)所做的幾個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)來(lái)闡明費(fèi)米分布及費(fèi)米面概念。忽略電子-電子相互作用。除了碰撞以外，忽略電子-離子相互作用。電子和離子的碰撞是瞬時(shí)的，電子的速度被突然改變。碰撞后的電子速度只與溫度有關(guān)而與碰撞前的速度無(wú)關(guān),電子的動(dòng)能等于。兩次碰撞之間的平均時(shí)間間隔為,稱(chēng)為馳豫時(shí)間。不依賴(lài)于電子的位置與速度(依賴(lài)于晶體結(jié)構(gòu))。教學(xué)重點(diǎn)：金屬電子的量子理論：費(fèi)米分布函數(shù)、費(fèi)米面概念；電子的能態(tài)密度、費(fèi)米能及計(jì)算；電子氣的熱容量的計(jì)算。掌握功函數(shù)和接觸電勢(shì)及計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：費(fèi)米分布函數(shù)、費(fèi)米面概念；電子的能態(tài)密度、費(fèi)米能及計(jì)算；電子氣的熱容量的計(jì)算。學(xué)法指導(dǎo)：要明白本章討論的理論基礎(chǔ)是金屬自由電子氣模型。金屬自由電子氣模型主要是三個(gè)基本假設(shè)：自由電子近似：忽略電子與離子實(shí)間相互作用獨(dú)立電子近似：忽略電子與電子間相互作用馳豫時(shí)間近似：討論輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)引入課程有關(guān)說(shuō)明按照信陽(yáng)師范學(xué)院教務(wù)處關(guān)于修訂本科課程教學(xué)大綱的指導(dǎo)意見(jiàn)，根據(jù)人才培養(yǎng)計(jì)劃與培養(yǎng)目標(biāo)相統(tǒng)一、科學(xué)性與先進(jìn)性相統(tǒng)一、系統(tǒng)性與適應(yīng)性相結(jié)合、理論教學(xué)與能力相統(tǒng)一的基本原則，特修訂本大綱。固體物理是半導(dǎo)體物理、材料物理、固態(tài)電子器件等專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)固體物理又要求學(xué)生已較好地掌握了大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的知識(shí)。固體物理課程宜安排在普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué)等課程結(jié)束后進(jìn)行講授。教學(xué)方式以課堂講授為主，采用多媒體電子教案，配合專(zhuān)題講座、調(diào)研、討論會(huì)等多種輔助教學(xué)形式。主要教學(xué)方法與媒體要求主要教學(xué)方法本課程采取以課堂講授為主，運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)、課堂討論、研究性教學(xué)、師生互動(dòng)等形式，精講多練。教學(xué)過(guò)程中充分利用現(xiàn)有的演示、掛圖、多媒體技術(shù)等形象化教學(xué)手段，以提高教學(xué)效果。通過(guò)課后布置適量思考題、練習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，使學(xué)生深入理解基本原理和概念，提高分析和解決問(wèn)題的能力。媒體要求多媒體教室。使用教材及主要參考書(shū)[1]黃昆，韓汝琦，固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.[2]JohnWiley、Sons.IntroductiontoSolidStatePhysics，[M].CHARLESKITTEL,SeventhEdition，2006.[3]陸棟蔣平，固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011年1月.[4]方俊鑫，陸棟，固體物理學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2002.[５]李延齡，呂華平，固體物理學(xué)習(xí)題解答[M].北京：高等教育出版社，2012年1月.[6]閻守勝，固體物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.[７]王矜奉，固體物理教程[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2010年10月.[８]謝希德，陸棟，固體能帶理論[M].上海:復(fù)