固体物理第一讲 绪论PPT课件

70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，
在于晶体结构的观察方面有所进步。近年来发展
的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表
面的原子结构。
• 晶体的结构以及它的物理、化学性质 同晶体结合的基本形式有密切关系。通常 晶体结合的基本形式可分成：离子键合、 金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳 斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分 析晶体的物理、化学性质，或者依据晶体 价电子的局域密度分布的自洽理论计算， 人们可以准确地判定该晶体具有何种键合 形式。
(二)、固体物理的发展史
几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开
始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术， 人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质， 并用之于绘画、装饰等。
1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角 形；
1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着 温度的升高而下降；
阿拉克西曼德：万物是由无数的原始物质构成的。 阿拉克西美尼：万物的本质是空气。 赫拉克里特：万物的本质是火，火与其他物类的混合物，一
般都以我们可以感知气味的其他物类来命名，但是火本身 是不变的因素。 埃姆毕多克拉斯：万物是由水、气、火、土组成。
• 巴门尼德： 宇宙中只有一个永恒的存在，像一个充实的
固体物理学
第一讲 绪论
• 一：固体物理学 • 二：发展史 • 三：当前研究的热点和前沿 • 四：本课程的主要讲解内容 • 五、参考书籍
一：固体物理学
固体物理学是研究固体物质的物理 性质、微观结构、构成物质的各种粒 子的运动形态，及其相互关系的科学。 它是物理学中内容极丰富、应用极广 泛的分支学科。
融汇了力学、热力学与统计物理学、 电动力学、量子力学和晶体学等多学 科的知识。
• 固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物 质，包括晶体和非晶态固体。简单地说，固体物理 学的基本问题有：
• 固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？ 这种结构是如何形成的？
• 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运 动形态？
《洪范》：宇宙是由金木水火土五种元素组成。 阴阳八卦也被用来解释自然界的千变万化。
炼丹术 是古代用人工的方法，炼制既可长生不老又能点 石成金之药的方术。炼丹术曾经在世界各国都有发展。炼 金术士们希望能够利用廉价的金属为原料，得到贵重的金 属金和银，也希望炼制出长生不老的仙丹。 炼丹术在我 国最早可追溯到秦始皇时期。秦始皇为了追求长生不老， 曾经派徐福等人出海寻找，还召集了一大帮方士(炼丹家) 日日夜夜为他炼制丹砂——长生不老药。中国的炼丹始于 神仙传说流行的两汉，汉朝时，宫廷中也召集了许多炼丹 术士们从事炼丹。历经六朝道教的推波助澜，至于李唐之 世还达到波澜壮阔的高潮，而宋元以后逐渐衰歇，到了明 朝正统、万历、嘉靖朝代，道教借着皇帝的昏庸而盛行， 炼丹术又趋兴旺，实际上，这一阶段，中国的资本主义思 想和自然科学研究也渐露萌芽，因此在炼丹术的回光返照 中也逐渐带进了科学的因素。
1830年布拉菲(A.内部结构可以
概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作
周期性地无限分布；
•
费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、
巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理
论。熊夫利(A.M.Schoenflies)从理论上证明
晶体有32个点群，230个空间群；这为固体的
•
对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有
序排列的对称性，直到20世纪50年代舒布尼科夫
才建立了磁有序晶体的对称群理论。
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第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是
磁性晶体结构分析的重要手段。 60年代起，人们
开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原
子结构。 20年代末发现的低能电子衍射技术在60
年代经过改善，成为研究晶体表面的有力工具。
• 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？
• 各种固体有哪些可能的应用？
• 探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应 用。
二、固体物理发展史
（一）、古希腊的原子论 “万物是由什么构成的？”-BC600
泰勒斯：万物都是由水聚散构成的，水蒸气就是空气，空气 凝结为水和各种固体，所以万物的本质是水。
柏拉图: 他设想宇宙开头有两种直角三角形，一种是正方 形的一半，另一种是等边三角形的一半。从这些三角形就 合理地产生出四种正多面体，这就组成四种元素的微粒。 火微粒是正四面体，气微粒是正八面体，水微粒是正二十 面体，土微粒是立方体。第五种正多面体是由正五边形形 成的十二面体，这是组成天上物质的第五种元素，叫做以 太。整个宇宙是一个圆球，因为圆球是对称和完善的，球 面上的任何一点都是一样。宇宙也是活的，运动的，有一 个灵魂充溢全部空间。宇宙的运动是一种环行运动，因为 圆周运动是最完善的，不需要手或脚来推动。四大元素中 每一种元素在宇宙内的数量是这样的：火对气的比例等于 气对水的比例和水对土的比例。万物都可以用一个数目来 定名，这个数目就是表现它们所含元素的比例。
1929年迈斯纳又观测到硫化铜在非常低的温 度下(2K)突然变成比纯铜还好得多的导体；
从公元前3000年一直到本世纪初的整个历史 阶段，人们一直被指南针为什么能指方向这个问 题所困惑。
在相当长的时间里，人们研究的固体主要是 晶体。早在18世纪，人们对晶体外部的几何规则 性就有一定的认识。
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球，空白不能存在，因为 “有”不能是 “无”。
• 阿拉克撒格拉： 物质是无限可分的。
• 毕达哥拉斯 ：四元素都是由形状为规则立方体的基本粒 子构成的。
• 留基伯：一个整体是由无数粒子构成的，每个粒子都是巴 门尼德球，刚性，立体而不可分割。原子在空间移动，聚 散成物，原子的性质同一，形状与规模不同。
• 德谟克利特：物质是由原子组成。虚空而真实的空间是原 子运动的场所。人类的知识来源于原子对感官的影响。原 子是同一的，原子的特殊组合是变换的。
理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。
• 1912年劳厄等发现X射线通过晶体的衍 射现象，证实了晶体内部原子周期性排列 的结构。加上后来布喇格父子1913年的工 作，建立了晶体结构分析的基础。19世纪 以来在晶体结构，固体的电学、磁学、光 学、热学等方面的发展所奠定的基础，固 体物理学才形成一门完整的学科。