1、固體物理Solid State Physics一、課程基本情況課程類別：專業(yè)主干課程課程學(xué)分：4 學(xué)分課程總學(xué)時(shí)：64學(xué)時(shí)，其中講課：64學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：必修開(kāi)課學(xué)期：第6學(xué)期先修課程：普通物理、量子力學(xué)I適用專業(yè)：物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科生教 材：固體物理學(xué)，高教出版社第1版，黃昆 原著、韓汝琦改編，1988年。開(kāi)課單位：物理與光電工程學(xué)院二、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)課程的教學(xué)目標(biāo)是：在大學(xué)物理、量子力學(xué)、高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和理解物理學(xué)基本研究方法如還原論、層展論的特點(diǎn)，理解和掌握實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、理論洞見(jiàn)、實(shí)際應(yīng)用三者間的辯證關(guān)系，深刻認(rèn)識(shí)固體物理范式“周期結(jié)構(gòu)中波的傳播”的物理內(nèi)涵，努

2、力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)精神，通過(guò)對(duì)固體物理學(xué)的基本概念和基本規(guī)律的學(xué)習(xí)或研究，理解或領(lǐng)悟科學(xué)研究方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用固體物理學(xué)理論分析和處理問(wèn)題的手段和思路，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和就業(yè)打好良好基礎(chǔ)。課程的任務(wù)是：理解固體物理的基本概念和基本規(guī)律，如晶體結(jié)構(gòu)，固體的分類和結(jié)合，晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)，能帶理論，晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，金屬電子論基礎(chǔ)等基本內(nèi)容；介紹與固體物理緊密相關(guān)的金屬電導(dǎo)理論，半導(dǎo)體晶體，超導(dǎo)電性、納米科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相變和性能的廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀和前景，既重視基礎(chǔ)，重視技能訓(xùn)練，又盡可能地涉及學(xué)科發(fā)展的前沿和應(yīng)用，真正使學(xué)生思維方式、思

3、維習(xí)慣有所改變，創(chuàng)新意識(shí)或創(chuàng)新能力有所提高。三、教學(xué)內(nèi)容和要求第1章 緒論（2學(xué)時(shí)）（1）了解固體物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容；（2）了解固體物理學(xué)的發(fā)展歷史和研究方法。第2章 晶體結(jié)構(gòu)（9學(xué)時(shí)）2.1 晶格 原胞 布拉菲格子 （3學(xué)時(shí))（1）了解簡(jiǎn)立方、體心立方、面心立方、六角密堆、金鋼石、復(fù)式格式等；理解晶格的周期、晶體對(duì)稱性類型；（2）掌握原胞、布拉菲格子；重點(diǎn)：原胞，布拉菲格子；難點(diǎn)：周期性。2.2 晶向晶面指數(shù)（2學(xué)時(shí)）（1）掌握晶向、晶面指數(shù)的表示方法；重點(diǎn)：晶向、晶面指數(shù)。2.3 倒格矢(2學(xué)時(shí))（1）掌握倒格矢的定義及求解；（2）掌握倒格矢與正格矢關(guān)系；（3）掌握晶面間距的求解方法；重點(diǎn)：

4、倒格矢定義；難點(diǎn)：倒格矢與對(duì)應(yīng)的晶面垂直。2.4晶體的對(duì)稱性X射線衍射 (2學(xué)時(shí))（1）了解X射線衍射分析晶體結(jié)構(gòu)的方法；（2）了解晶體周期性的基本特征和幾種常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)、晶系；（3）理解晶格的周期、晶體對(duì)稱性類型；重點(diǎn)：晶格對(duì)稱性；難點(diǎn)：X射線衍射。第3章 固體的結(jié)合（5學(xué)時(shí)）3.1 離子鍵(2學(xué)時(shí))（1）了解馬德隆常數(shù)的簡(jiǎn)單運(yùn)算；（2）理解和掌握離子性結(jié)合、結(jié)合能、體變模量、勢(shì)能函數(shù)；（3）掌握其結(jié)合能、體變模量研究方法；重點(diǎn)：離子鍵結(jié)合；難點(diǎn)：體變模量；3.2共價(jià)鍵(2學(xué)時(shí))（1）理解共價(jià)性結(jié)合概念、基本特征、成鍵態(tài)、反鍵態(tài)；（2）理解解軌道雜化含義、極化率、偶極矩；（3）理解負(fù)電性、

5、親合能、電離能。重點(diǎn)：共價(jià)鍵；難點(diǎn)：雜化軌道，負(fù)電性。3.4 金屬鍵范德瓦耳斯（1學(xué)時(shí)）（1）理解金屬性結(jié)合、電子共有化的概念；（2）理解范德瓦耳斯結(jié)合的概念；重點(diǎn)：共有化電子。第4章 晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)（16學(xué)時(shí)）4.1 簡(jiǎn)正坐標(biāo)(1學(xué)時(shí))（1）了解簡(jiǎn)正坐標(biāo)；（2）了解簡(jiǎn)正坐標(biāo)的動(dòng)能、勢(shì)能表示；4.2 一維單原子鏈（3學(xué)時(shí)）（1）掌握一維單原子鏈中格式的求解方法；（2）掌握格波和聲子；（3）掌握長(zhǎng)波極限和短波極限的色散和振動(dòng)特征；重點(diǎn)：格波的求解；難點(diǎn)：聲子。4.3 一維雙原子鏈(3學(xué)時(shí))（1）理解一維雙原子鏈的求解思路；（2）理解聲學(xué)支、光學(xué)支的色散關(guān)系和振動(dòng)特征；重點(diǎn)：聲學(xué)支和光學(xué)

6、支特征；難點(diǎn)：雙原子鏈格波求解。4.4 三維晶格的格波（2學(xué)時(shí)）（1）了解三維晶格的振動(dòng)的規(guī)律；（2）了解三維晶格振動(dòng)格波數(shù)、模波與縱波；（3）初步了解布里淵區(qū)；4.5 晶格熱容（3學(xué)時(shí)）（1）了解晶格的熱傳導(dǎo)、熱膨脹和狀態(tài)方程；（2）掌握愛(ài)因斯坦模型固體比熱容；（3）掌握德拜模型解釋固體比熱容；重點(diǎn)：比熱容計(jì)算；難點(diǎn)：德拜模型。4.6 振動(dòng)模型式密度（3學(xué)時(shí)）（1）理解模式密度函數(shù)含義；（2）掌握模式密度函數(shù)計(jì)算；重點(diǎn)：模式密度計(jì)算；難點(diǎn)：模式密度概念。4.7 振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法(1學(xué)時(shí))（1）了解確定振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法；第5章 能帶理論（16課時(shí)）5.1 晶體中的電子布洛赫定理 （3學(xué)時(shí)）（1

7、）了解晶體中載流子運(yùn)動(dòng)方程的幾步近似；（2）理解布洛赫定理的證明過(guò)程；（3）掌握布洛赫定理及其應(yīng)用；重點(diǎn)：布洛赫定理；難點(diǎn)：布洛赫定理的證明。5.2 近自由電子近似（4學(xué)時(shí)）（1）了解三維周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似；（2）理解近自由電子近似的處理圖像；（3）理解非簡(jiǎn)并微擾下的能級(jí)與狀態(tài)；（4）理解用簡(jiǎn)并微擾法得出的計(jì)算公式； （5）理解能帶的劈裂，能隙；（6）掌握簡(jiǎn)約波矢；（7）掌握布里淵區(qū)；重點(diǎn)：簡(jiǎn)并微擾、能帶、能隙、簡(jiǎn)約波矢、波里淵區(qū)；難點(diǎn)：能帶、簡(jiǎn)約波矢。5.3 緊束縛近似（5學(xué)時(shí))（1）理解緊束縛近似的圖像；（2）理解能帶相近的多帶緊束縛近似；（3）理解復(fù)式晶格中緊束縛近似方法的

8、應(yīng)用；（4）掌握單原子能級(jí)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的緊束縛近似及運(yùn)算；（5）掌握在簡(jiǎn)單晶格中緊束縛近似能帶的應(yīng)用并分析；重點(diǎn)：緊束縛近似，能級(jí)與能帶；難點(diǎn)：多帶系統(tǒng)中的緊束縛近似。5.5 費(fèi)米面（4學(xué)時(shí)）（1）掌握能態(tài)密度（2）掌握費(fèi)米面、費(fèi)米能級(jí)、費(fèi)米波矢等；重點(diǎn)：能態(tài)密度和費(fèi)米面；難點(diǎn)：能態(tài)密度。第6章 晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) （10課時(shí)）6.1 準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)（2學(xué)時(shí)）（1）理解晶體中電子準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)；（2）理解波包；（3）掌握準(zhǔn)動(dòng)量、加速度和有效質(zhì)量；重點(diǎn)：準(zhǔn)動(dòng)量、有效質(zhì)量；難點(diǎn)：有效質(zhì)量。6.2 恒定電場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)（3學(xué)時(shí)）（1）了解電場(chǎng)下電子在實(shí)空間的運(yùn)動(dòng)；（2）了解電子在實(shí)空間的振蕩；（3）

9、理解恒定電場(chǎng)作用下的電子的運(yùn)動(dòng)；重點(diǎn)：電子在外場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)；難點(diǎn)：外場(chǎng)下電子在實(shí)空間的振蕩。6.3 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶解釋（2學(xué)時(shí)）（1）理解空穴；（2）掌握禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶；（3）掌握導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶論解釋；重點(diǎn)：能帶論解釋導(dǎo)電性；難點(diǎn)：空穴。6.4 恒定磁場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)（3學(xué)時(shí)）（1）了解德哈斯-范阿爾芬效應(yīng)；（2）理解在恒定磁場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)、回旋共振；重點(diǎn)：電子在恒定磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、回旋共振；難點(diǎn)：回旋共振。第7章 金屬電子論（6課時(shí)）7.1 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)與電子熱容（3學(xué)時(shí)）（1）理解電子的熱容量；（2）掌握半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布；（3）掌握費(fèi)米分布函數(shù)、費(fèi)米面、費(fèi)米能

10、級(jí)；重點(diǎn)：費(fèi)米分布函數(shù)；難點(diǎn)：有限溫下費(fèi)米能級(jí)的確定。7.2 功函數(shù) 接觸電勢(shì) （2學(xué)時(shí)）（1）理解熱電子發(fā)射和功函數(shù)；（2）理解接觸電勢(shì)差；（3）掌握接觸電勢(shì)差的計(jì)算；重點(diǎn)：接觸電勢(shì)差；難點(diǎn)：接觸電勢(shì)差的產(chǎn)生機(jī)理。7.3 玻爾茲曼方程 （1學(xué)時(shí)）（1）了解玻爾茲曼方程方法及其處理對(duì)象；（2）理解馳豫時(shí)間；（3）理解電導(dǎo)率與碰撞的關(guān)系；重點(diǎn)：馳豫時(shí)間；難點(diǎn)：電導(dǎo)率與碰撞的關(guān)系。四、課程考核（1）作業(yè)等：作業(yè)：6 次；（2）考核方式：（閉卷考試）（3）總評(píng)成績(jī)計(jì)算方式：（平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、期中考試成績(jī)和期末考試成績(jī)等綜合計(jì)算）五、參考書(shū)目1.固體物理學(xué)（上冊(cè)），上海科學(xué)技術(shù)出版社，方俊鑫 陸棟，1980；2.固體物理學(xué)習(xí)題解答，高等教育出版社，李延齡、呂