物理学史10-1

第十章 凝聚态物理学简史 §10.1 历史概述
由大量原子、分子或离子集聚而成的固态和液态物质统称为凝聚态物质， 由大量原子、分子或离子集聚而成的固态和液态物质统称为凝聚态物质， 凝聚态物质 凝聚态物理学就是研究这些物质的物理性质、微观结构、 凝聚态物理学就是研究这些物质的物理性质、微观结构、粒子运动形态及其 相互关系的学科。 相互关系的学科。 固态和液态物质的宏观变化规律早有所了解，不过大都属于表象规律。 固态和液态物质的宏观变化规律早有所了解，不过大都属于表象规律。从 结构上说，凝聚态物质比气态要复杂得多，因为凝聚态物质的原子（或分子） 结构上说，凝聚态物质比气态要复杂得多，因为凝聚态物质的原子（或分子） 间距与原子（或分子）本身的线度在数量级上大致相同， 间距与原子（或分子）本身的线度在数量级上大致相同，原子间有较强的相 互作用力，因此经典理论不适用于处理凝聚态的微观过程。只有进入20世纪 世纪， 互作用力，因此经典理论不适用于处理凝聚态的微观过程。只有进入 世纪， 在认识了原子结构和量子规律之后，才对这些物质的物理性质、 在认识了原子结构和量子规律之后，才对这些物质的物理性质、结构及其内 部运动规律取得真正的认识。 部运动规律取得真正的认识。 凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的。 世纪初 世纪初， 凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的。20世纪初，物理学发展史中有 几个里程碑事件与固体物理学有关，例如： 几个里程碑事件与固体物理学有关，例如：1907年爱因斯坦把量子概念用于 年爱因斯坦把量子概念用于 点阵振动来解释固体的比热， 年劳厄发现晶体的X射线衍射 点阵振动来解释固体的比热，1912年劳厄发现晶体的 射线衍射，1913年布 年劳厄发现晶体的 射线衍射， 年布 拉格父子用X射线衍射研究晶体点阵 射线衍射研究晶体点阵， 拉格父子用 射线衍射研究晶体点阵，1927年索末菲提出金属的半经典电子 年索末菲提出金属的半经典电子 年海森伯提出铁磁性的微观理论， 世纪30年 论，1928年海森伯提出铁磁性的微观理论，布洛赫提出能带论。20世纪 年 年海森伯提出铁磁性的微观理论 布洛赫提出能带论。 世纪 固体物理学以量子力学作为理论基础蓬勃发展起来， 代，固体物理学以量子力学作为理论基础蓬勃发展起来，成为一门研究固体 各种物理性质（力学、电学、光学、热学、磁学等性质）、 ）、微观结构及其内 各种物理性质（力学、电学、光学、热学、磁学等性质）、微观结构及其内 部运动规律的学科。以后的几十年里，固体物理学的研究对象主要是晶体。 部运动规律的学科。以后的几十年里，固体物理学的研究对象主要是晶体。
第十章 凝聚态物理学简史
20世纪 年代以来，由于社会对新材料的需要，使固体物理学的研究集中固 世纪70年代以来 由于社会对新材料的需要， 世纪 年代以来， 体的表面和原子、分子无规则的排列形态，开创了表面物理学和非晶物理学； 体的表面和原子、分子无规则的排列形态，开创了表面物理学和非晶物理学； 此外还援救了液晶和超流体。 世纪末 世纪末， 此外还援救了液晶和超流体。20世纪末，固体物理学的领域已扩大成为包括 量子液体及其他液体的综合性学科，形成了凝聚态物理学。 量子液体及其他液体的综合性学科，形成了凝聚态物理学。 时至今日，我们已经可以从凝聚态的微观理论出发，建立物理模型， 时至今日，我们已经可以从凝聚态的微观理论出发，建立物理模型，借助 大型计算机计算电子结构， 大型计算机计算电子结构，并依据物质的原子结构和电子结构来解释材料的 各种特性；可以按照预先的构想和设计，制备具有新奇性能的微结构， 各种特性；可以按照预先的构想和设计，制备具有新奇性能的微结构，或制 备具有优异性能的人工材料和器件； 备具有优异性能的人工材料和器件；可以利用扫描隧道显微镜直接观察固体 中原子的形貌及其运动；还可以在超低温、超高压、超真空、 中原子的形貌及其运动；还可以在超低温、超高压、超真空、超强磁场和强 光作用等极端条件下研究凝聚态的原子结构、 光作用等极端条件下研究凝聚态的原子结构、电子结构及其与宏观性质的关 凝聚态物理学正方兴未艾，前途无量。 系。凝聚态物理学正方兴未艾，前途无量。由于凝聚态领域的研究具有极强 的应用背景，新材料的研制、 的发展，都与它有密切关系， 的应用背景，新材料的研制、电子工业 的发展，都与它有密切关系，因此从 20世纪中叶以来，这门学科就成了物理学中发展最快、规模最大的一个分支。 世纪中叶以来， 世纪中叶以来 这门学科就成了物理学中发展最快、规模最大的一个分支。
第十章 凝聚态物理学简史
的半导体发展提供了理论基础。 为之后的半导体发展提供了管的发明是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。 晶体管的发明是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。 在美国贝尔电话实验室工作的布拉坦（ 日生于中国厦门） 在美国贝尔电话实验室工作的布拉坦（1902年2月10日生于中国厦门）和 年 月 日生于中国厦门 贝克尔于1930~1940年间曾多次试图制造固体三级管，结果都以失败告终。 年间曾多次试图制造固体三级管， 贝克尔于 年间曾多次试图制造固体三级管 结果都以失败告终。 1945年的某天美国贝尔电话实验室的副所长凯利同理论物理学家肖克利谈了 年的某天美国贝尔电话实验室的副所长凯利同理论物理学家肖克利谈了 一次话，议题是： 探索研制新型电子器件” 一次话，议题是： “探索研制新型电子器件”。 1945年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组。这个组共有7人，组长是 年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组。这个组共有 人 年夏 肖克，另有半导体专家皮尔逊、物理化学家吉布尼、电子线路专家摩尔、 肖克，另有半导体专家皮尔逊、物理化学家吉布尼、电子线路专家摩尔、实验 技术专家布拉坦，最关键的一位是理论物理学家巴丁 他提出了半导体表面态 巴丁。 技术专家布拉坦，最关键的一位是理论物理学家巴丁。他提出了半导体表面态 和表面能级的概念 把半导体理论又提高了一步， 的概念， 和表面能级的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作走 上了正确的道路。后来肖克利的另一同学赫林也加入了研究组。 上了正确的道路。后来肖克利的另一同学赫林也加入了研究组。 贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯， 贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯，并研究成 功生长大晶体锗的工艺， 功生长大晶体锗的工艺，使固体物理学研究组有可能利用新型的半导体材料进 行实验。 行实验。 在肖克利的指导下，巴丁和布拉坦等集中于硅和锗的研究。 在肖克利的指导下，巴丁和布拉坦等集中于硅和锗的研究。在此之前肖克 利就得出结论：通过给半导体表面施加一电场， 利就得出结论：通过给半导体表面施加一电场，就可能控制表面附近的载流 子数目，即所谓的“场效应” 子数目，即所谓的“场效应”。
第十章 凝聚态物理学简史
尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到 尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到1926 海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后， 年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一 定程度的克服。 定程度的克服。1927年，索末菲提出了金属的半经典电子论，认为金属中的 年 索末菲提出了金属的半经典电子论， 电子是服从费米-狄拉克量子统计的简并电子气 由此得出了费米能级、 狄拉克量子统计的简并电子气， 电子是服从费米 狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米 面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法 解释的问题。 解释的问题。
第十章 凝聚态物理学简史
近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是： 近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：
（1）由研究体内性质转到研究表面、界面性质； ）由研究体内性质转到研究表面、界面性质； （2）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系； ）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系； （3）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变； ）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变； （4）由研究性质单一体系转到共性体系； ）由研究性质单一体系转到共性体系； （5）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷； ）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷； 超晶格。 （6）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体 ）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体——超晶格。 超晶格 由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。 由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。
第十章 凝聚态物理学简史 §10.2 晶体结构分析
1912年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想： 年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想： 年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想 既然晶体的相邻原子间距和X射线波长有相同数量级 射线波长有相同数量级， 既然晶体的相邻原子间距和 射线波长有相同数量级，那 射线通过晶体就会发生衍射现象。 么X射线通过晶体就会发生衍射现象。 射线通过晶体就会发生衍射现象 当时，曾在伦琴实验室内研究过 当时，曾在伦琴实验室内研究过X 射线的弗里德里希 尼平着手从实 弗里德里希和 射线的弗里德里希和尼平着手从实 验上证实劳厄的思想， 验上证实劳厄的思想，他们把一块 劳厄 亚硫酸铜晶体放在一束准直的X射 亚硫酸铜晶体放在一束准直的 射 线中， 线中，在晶体后面一定距离处放置 体与X射线同向时 射线同向时， 照相底片。发现： 体与 射线同向时，底片上出现规 照相底片。发现：当晶 则排列的黑点， 则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有 这一实验不仅说明了X射线的电磁本性 射线的电磁本性， 关。这一实验不仅说明了 射线的电磁本性，而且肯定 了晶体空间点阵结构假设的正确性， 了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体 进行结构分析的方法。 进行结构分析的方法。 对晶体X射线衍射现象的解释 射线衍射现象的解释， 对晶体 射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物 理学家布拉格父子 理学家布拉格父子
弗里德里希和尼平的 X射线衍射实验装置 射线衍射实验装置
第十章 凝聚态物理学简史
劳厄和布拉格父子开创性的工作已 成为晶体结构分析的基础， 成为晶体结构分析的基础，是固体物 理学发展史中一个重要的里程碑。 理学发展史中一个重要的里程碑。