固体物理学SolidStatePhysics
固体物理课程教学大纲
《固体物理》课程教学大纲一、《材料制备技术》课程说明（一）课程代码：08131007（二）课程英文名称：Solid State Physics（三）开课对象：物理系本科专业（四）课程性质：本课程是材料物理专业和应用物理专业的一门专业必修课。
（五）教学目的这是继大学物理以后基础且关键的一门课程。
通过本课程的学习，使学生了解晶体结构的基本描述、固体材料的宏观和微观特性，以及自由电子模型和能带理论等，掌握周期性结构固体材料的常规性质和处理方法，为以后专业课程的学习提供基础的知识。
（六）教学内容：基本内容有两大部分：一是晶格理论，二是固体电子理论。
晶格理论包括：晶体的基本结构及确定晶格结构的X光衍射方法；晶体中原子间的结合力和晶体的结合类型；晶格的热振动及热容理论；晶格的缺陷及其运动规律。
固体电子论包括：固体中电子的能带理论；金属中自由电子理论和电子的输运性质。
（七）学时数、学分数及学时数具体分配学时数：72学分数：4（八）教学方式：课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明：考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占20％，平时成绩占20％，期末成绩占60％。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章晶体的几何教学要点：通过本章的教学使学生初步了解晶体几何学的基本知识，掌握晶格、晶面、晶向等基本概念，对点群和对称性有一定的了解。
教学时数：12教学内容：第一节：晶格及其周期性第二节：晶向、晶面和它们的标志第三节：晶体的宏观对称和点群第四节：晶格的对称性考核要求：1.理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别（领会）2.掌握原胞、基矢的概念，清楚晶面和晶向的表示，了解对称性和点阵的基本类型（识记）3.了解简单的晶体结构（识记）4.掌握倒易点阵和布里渊区的概念，能够熟练地求出倒格子矢量和布里渊区（应用）第二章晶体的结合教学要点：了解晶体的基本结合形式，掌握原子的负电性的基本原理，能熟练计算离子晶体的结合能。
固体物理 英文
固体物理英文
固体物理学（solid state physics）是研究固体的物理性质、微观结构、固体中各种粒子运动形态和规律及它们相互关系的学科，是物理学的重要分支，涉及力学、热学、声学、电学、磁学和光学等各方面的内容。
固体物理的研究对象包括晶体、非晶体、液体和金属等，其研究方法包括X射线衍射、中子衍射等。
本学科是材料和器件物理的重要理论基础，是物理专业学生一门重要的较为综合的课程，对于学生获取有关学科的基础知识、培养科学思维、训练解决具体问题的能力等方面都非常有益。
固体物理教学大纲
课程编号：011908 总学分：3学分固体物理（Solid-State Physics）课程性质：学科大类基础课适用专业：应用物理学专业学时分配：课程总学时：48学时。
其中：理论课学时：46学时（含演示学时）；实验学时：0学时；上机学时：0学时；习题课学时：2学时。
先行、后续课程情况：先行课：高等数学、热力学与统计物理,；后续课：量子力学,原子物理。
教材：《固体物理学》，黄昆，韩汝琦，高等教育出版社参考书目：《固体物理学》，陆栋，上海科学技术出版社《固体物理基础》，阎守胜，北京大学出版社《固体物理简明教程》，蒋平，徐至中，复旦大学出版社一、课程的目的与任务固体物理学是应用物理和物理类各专业的一门必修基础课程，是继四大力学之后的一门基础且关键的课程，它的主要内容是研究固体的结构及组成粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与运动规律，阐明固体的性能和用途，尤其以固态电子论和固体的能带理论为主要内容。
通过固体物理学的整个教学过程，使学生理解晶体结构的基本描述，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一些新进展，为以后的专业课学习打好基础。
二、课程的基本要求教学内容的基本要求分三级：掌握、理解、了解。
掌握：属于较高要求。
对于要求掌握的内容（包括定理、定律、原理等的内容、物理意义及适用条件）都应比较透彻明了，并能熟练地用以分析和计算有关问题，对于能由基本定律导出的定理要求会推导。
理解：属于一般要求。
对于要求理解的内容（包括定理、定律、原理等的内容、物理意义及适用条件）都应明了，并能用以分析和计算有关问题。
对于能由基本定律导出的定理不要求会推导。
了解：属于较低要求。
对于要求了解的内容，应该知道所涉及问题的现象和有关实验，并能对它们进行定性解释，还应知道与问题直接有关的物理量和公式等的物理意义。
三、课程教学内容绪论：了解固体的分类和固体物理学的研究内容；了解固体物理学的发展历史；了解固体物理学的研究方法。
固体物理学-布喇菲空间点阵
Solid State Physics
1.3.2 原胞的分类
1. 原胞（固体物理学原胞，初基原胞）
原胞：以一结点为顶点，以三个不同方向的周期为边长的平行六面
体可作为晶格的一个重复单元，其中体积最小的重复单元称为原胞。
周期：晶格中某一方向上两相邻结点的距离称为该方向上的周期。
固体物理学原胞体积相同。
由于W-S原胞的构造中不涉及对基矢的任何特殊选择，
因此，它与相应的布喇菲原胞有完全相同的对称性，又称对称化原胞。
Solid State Physics
1.3.3 晶胞与原胞的关系
1. 立方晶系
՜
՜
⊥
՜ ՜
⊥
՜
⊥՜
==
取 Ԧi 为坐标轴的单位矢量,
Solid State Physics
（b）氯化钠结构
氯化钠结构由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/2的
长度套构而成。
Cl-和Na+分别组成面心立方子晶格。
其布喇菲晶格为面心立方。
氯化钠结构属面心立方。
Solid State Physics
氯化钠结构的原胞特点
氯化钠的固体物理学原胞选取方法与面心立方简单格子的选
错误
b. 能够从不同的晶体结构
中正确选取基元
Solid State Physics
结点的选取
结点示意图
结点可以取在基元的重心，也可以取在基元的其它点上
Solid State Physics
晶体结构的构建
点阵+基元=晶体结构
Solid State Physics
晶格（布喇菲格子）
沿三个不同方向通过点阵中的结点作平行的直线族，把结点
固体物理学—课程介绍
商业网站
网易公开课 搜狐课堂 / 新浪公开课 / 优酷公开课 /open
13
其他学习资源
（） （维基英文版） 科学网论坛 小木虫论坛
complex forms of matter, in particular to liquid
crystals and polymers".
“founding father of soft matter”27
固体与晶体
橡胶
石蜡
➢ A crystal or crystalline solid is a solid material whose constituent atoms, molecules, or ions are arranged in an ordered pattern extending in all three spatial dimensions. ➢ In addition to their microscopic structure, large crystals are usually identifiable by their macroscopic geometrical shape, consisting of flat faces with specific, characteristic orientations.
31
晶体的外形与微观结构
32
单晶冰糖和多晶冰糖
/AMuseum/crystal/index.html 33
身边的多晶体
硬币
alloy
瓷器
高岭土
石头
螺钉
上釉
1200℃
陶器
粘土
石头
800-1000℃ /AMuseum/crystal/index.html
固体物理 04-07能态密度和费密面
费米速度 vFpF/m
西
南
科 技
费米温度 TF EF /kB
大
学
Solid State Physics
固 体
费米能量的估算
物
理 —— 自由电子球半径
V N
1 n
43rs3
—— 电子密度
n
—— 费米半径
3
4 rs3
rs
(3
4 n
1
)3
kF
2(3n)1/3 8
西
kF
1 .9 2 rs
vF
pF m
南
—— 费米速度
N2(2V)3 43kF3
球的半径
kF
2( 3)1/3(N)1/3 8 V
n N 电子密度 V
西
南 科 技 大
kF
2(3n)1/3 8
学
Solid State Physics
固
体 物
费米波矢 费米动量 费米速度 费米温度
理
费米能量 EF 2kF 2/2m
费米球半径 kF 2mEF / 费米动量 p Fk F
V
Z (2)3 dSdk
西
南 应用关系
科
技
大 学
dk kE E
Solid State Physics
固
体
物 理
Z
V
(2)3
dSdk
dk kE E
Z(2V)3
dS kE
E
dk E kE
能态密度
N(E)(2V)3
dS kE
西 南
考虑到电子的自旋，能态密度
科 技 大 学
N(E)2(2V)3
—— 晶体中8N个电子全部填充成键态的4个能带形成 满带
(完整版)固体物理英语词汇
Solid-State Physics1.1 Classification of Solids by Binding ForcesBinding force 结合力crystalline a. 结晶的equilibrium n. 平衡equilibrium position 平衡位置chemical bonding 化学键molecule n. 分子perturbation n. 微扰perturbation theory 微扰理论quantum mechanical 量子力学的quantum mechanics 量子力学van der Waals forces 范德瓦尔斯力short range 短程short-range force 短程力repulsive force 斥力transitory dipole 瞬时偶极子harmonic oscillator 谐振子、简谐振子、正弦波发生器electrically neutral 电中性的electrical neutrality 电中性kinetic energy 动能interatomic potential 原子间势interatomic spacing 原子间距the permittivity of free space 真空介电常数zero-point energy 零点能ground state 基态ground state energy 基态能量attractive force 引力Lennard-Jones potential 雷纳德－琼斯势Coulomb attraction 库仑引力Coulomb repulsion 库仑斥力potential energy 势能prime 上撇号，符号(′)Madelung constant 马德隆常数cohesive energy 结合能reversible process 可逆过程entropy 熵internal energy 内能isothermal compressibility 等温压缩率metallic bond 金属键Pauli exclusion principle 泡利不相容原理covalent bond 共价键cleavage plane 解理面valence crystal 共价键晶体molecular crystal 分子晶体ionic crystal 离子晶体metallic crystal 金属晶体hydrogen-bonded crystal 氢键晶体proton 质子1.2 Group Theory and Crystallography crystallography 结晶学。
《固体物理学》教学大纲
《固体物理学》教学大纲
一、课程基本信息
二、课程教学目标
通过本课程的学习，使学生将能够了解固体物理学发展的基本情况，以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用，了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况，掌握固体物理学的基本概念和基本规律，掌握晶体宏观物理性质及其组成粒子之间相互作用与运动规律，并能解释晶体基本物理性质的微观机理，培养应用固体物理学理论分析和处理问题的能力。
三、理论教学内容与要求
四、考核方式
采用期末考试、平时考核的考核方式。
总成绩为100分，其中期末考试成绩占总成绩的70％，平时成绩(考核包括作业、出勤、课堂讨论等)占总成绩30％。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[美] C.基泰尔. 固体物理导论[M], 第 5 版. 科学出版社, 1979.
阎守胜. 固体物理基础[M]. 北京: 北京大学出版社, 2000.
相关期刊杂志等
课程的教学目的与任务
本课程的教学目的是使学生学习到一些固体的结构和组成粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与 运动的规律，以此来阐明固体材料的性能和用途，为从事材料科学的研究、新材料的探索与设计打下理论 基础。其任务是通过课堂讲授，使学生建立起固体材料的微观结构、能量和宏观性能之间的联系，在原子、 电子层次上去分析研究其微观机理，进而按预定性能实现“材料设计”。
第三节 典型的晶体结构及结构演化 一、面心立方结构 二、体心立方结构 三、六角密堆积结构 四、金刚石结构 五、钙钛矿结构
第四节 倒格子 一、引入 二、定义 三、性质 四、晶格的傅立叶变换 五、应用
第五节 晶体的宏观对称性 第六节 点群 第七节 晶格的对称性 第八节 晶体表面的几何结构 第九节 非晶态材料的结构 第十节 准晶态
第三章 晶格振动与晶体的热学性质
建议学时：8
[教学目的与要求] 掌握一维和三维晶格振动的特点及处理方法。掌握晶体比热的 3 种理论。理解掌握“声
子”概念、性质及应用。掌握晶格振动模式密度的计算。掌握热膨胀、热传导的物理本质及理论处理。了
解离子晶体的长光学波处理结论、应用及确定晶格振动谱的实验方法。了解非晶固体的原子振动。
论。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂提问、讨论及课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 结合力的普遍性质
一、结合力的普遍性质 二、结合能 三、物理特性量 第二节 结合力的类型与晶体分类 一、离子键与离子晶体 二、共价键与共价晶体 三、金属键与金属晶体 四、分子键与分子晶体 五、氢键与氢键晶体 六、混合键 第三节 元素和化合物晶体结合的规律性 一、结合力的性质 二、元素晶体结合的规律性 三、化合物晶体结合的规律性 第四节 离子晶体的结合能 一、近似模型 二、结合能 三、讨论 四、Madelung 常数 五、应用 第五节 共价晶体的结合力 一、共价键的本质 二、共价键理论 三、杂化轨道理论 第六节 金属性结合 第七节 分子晶体的结合力和结合能 一、van der Waals 的本质 二、van der Waals 的理论 三、非极性分子晶体的结合能 四、应用
[教学重点与难点] “声子”概念、性质及应用。比热函数及爱因斯坦比热理论和德拜比热理论。一维和
三维晶格振动的特点及处理方法。晶格振动模式密度的计算。热膨胀的物理本质及理论处理。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂提问、讨论及课下自学为辅。 [授 课 内 容]
第一节 晶体中原子的微振动，声子 一、晶体中原子微振动的特点 二、声子
课程的基本要求
1.掌握晶体结构的基本理论、典型的类型及倒格子。 2.掌握原子结合成晶体的物理本质、类型及理论处理。 3.掌握晶格振动和晶体的热学性质的理论及应用。 4.掌握能带理论，特别是近自由电子近似和紧束缚近似的理论处理、结论及应用。 5.掌握电子在外场中的运动规律及金属电子论。 6.理解掌握晶体中的缺陷类型、理论及应用。 7.通过课堂讲授、讨论和学生课下自学思考，使学生建立起固体材料的微观结构、能量和宏观性能之间的 联系，并在原子、电子层次上去理解其微观机理。要求学生在学完本课程后，在掌握基本知识、基本理论 的基础上，具有一定灵活运用这些基础知识解决实际问题的能力，进而在一定程度上按预定性能实现“材 料设计”。
《固体物理学（选修）》教学大纲
Solid State Physics
课程编码：01A31206
学分：2.0
课程类别：专业方向课（选修）
计划学时：32
其中讲课：32
实验或实践：0
上机：0
适用方向：材料科学与工程
推荐教材：黄 昆, 韩汝琦. 固体物理学[M]. 高等教育出版社, 1988.
参考书目：方俊鑫, 陆栋. 固体物理学(上册)[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1980.
第二章 晶体的结合和分类
建议学时：6
[教学目的与要求] 掌握原子结合成晶体的物理本质、类型。掌握离子晶体、分子晶体结合能的理论。理
解原子间结合力的综合性质与复杂结构的关系。了解现代结合能理论；原子间相互作用势及性能预测。
[教学重点与难点] 离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的物理本质。离子晶体、分子晶体结合能理
第二节 晶体的热力学函数 一、自由能函数 二、比热函数
第三节 Einstein 模型 第四节 Debye 模型 第五节 一维晶格的振动
一、一维单原子晶格（布拉伐格子）的振动 二、一维双原子晶格（复式格子）的振动 第六节 三维晶格的振动 第七节 晶格振动模式密度 第八节 离子晶体的长光学波 第九节 确定晶格振动的实验方法 第十节 晶格的状态方程和热膨胀 一、晶格的状态方程 二、热膨胀 第十一节 晶格的热传导 一、热传导的宏观规律 二、热传导的微观机理 三、讨论 第十二节 非晶固体中的原子振动
第四章 能带理论
建议学时：8
[教学目的与要求] 掌握能带理论，特别是近自由电子近似和紧束缚近似。理解掌握 Bloch 定理。掌握
Brillouin 区、能态密度、Fermi 面及应用。了解表面电子态及无序系统中的电子态。
[教学重点与难点] Bloch 定理。一维和三维的近自由电子近似及紧束缚近似。Brillouin 区、能态密度、
各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）
第一章晶体结构
建议学时：6
[教学目的与要求] 掌握晶体结构的周期性、对称性，3 种原胞的选取及典型的晶体结构，学会从点、线、
面、体来划分晶体结构及表征，并理解其意义。理解对称性与宏观物理性质的联系，掌握倒格子的概念、
性质及应用。了解晶体表面的几何结构，非晶态的结构及准晶态。
[教学重点与难点] 周期性、对称性及晶体结构表征，典型的晶体结构及结构演化与宏观物理性质的联系。
倒格子的概念、性质及应用。 [授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂提问、讨论及课下自学为辅。 [授 课 内 容]
第一节 晶体结构的周期性 一、空间点阵学说 二、晶胞 三、晶体的通性
第二节 晶向、晶面和它们的标志 一、晶向和它的标志 二、晶面和它的标志