复旦大学车静光教授固体物理课件sec01

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前言
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最后成绩
• 期未考试占80% • 平时作业占20%
* 按时交：每周四上交，周四后请交辅导老师办公 室，光华楼东主楼24楼
• 注意
* 当次作业批改完退还后将不再登记该次作业的成绩 * 补考卷100%，不再计入平时作业成绩 * 不愿交作业，两周之内交一申请，考试成绩按 100%计 * 建议还是交作业，特别是免听的学生。这个20%可 能就决定能否通过
•
那么，固体的物理性质和规律由什么决定？
*
*
•
显然，这就需要在微观上来研究固体固体 中原子的分布
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固体的微观定义
• 如何定义固体，取决于我们的研究层次
* 在原子、电子层次，研究固体的宏观物理性质
• 原子分布?如何区别于气态和液态 • 固体的微观定义
• 每章结束后二周内email寄给我
* 我会作出简单评论，贴出供大家参考。署名听便
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开讲寄语：不抛弃！不放弃！
• 预备知识：主要是量子和热统初步
* 也包括力学、电磁学、…，但都只涉及最基本的
• 讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重 建复杂
固体性质既然涉及到原子、电子层次，那么 我们首先必须面对如下的三个重要的问题 ——用经典还是量子方法？
判据？
•
——如何描写原子、电子之间的相互作用？
多体问题
——如何处理1029/m3量级的粒子数？
周期结构
•
固体物理学的繁复就在这里，就是以前学过 与原子电子相互作用有关的物理理论，在这 样对象上的运用
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围绕着金属电导演绎固体物理学
近似模型近似规律修正模型螺旋上升
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围绕电导的逻辑关系（阎守胜教材）
第1章、粗糙模型：金属电子气(电子-原子间无作用) 无法显示各向异性？ 第2章、修正：引入原子排列结构 周期排列。含第7章、晶体结合，另类观点 第3、4章、周期结构中电子运动 结果导致零电阻？ 第5章、再修正：原子振动致周期性破缺 声子 第6章、修成正果：电子受声子作用产生电阻 得到与实验符合的金属电导 第8章、再修正：当周期性结构存在其他破缺
* 给出这些物理定律的适用条件的同时 * 告诉我们所描述问题的准确性和精度有多高
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3、 参考教材国内教材情况
• 国内出的固体物理学教材几乎都是Kittel系列 的教材 • 唯有两本教材可以归于Ashcroft系列
* 清华大学，顾秉林，1989年第一版，未再版和重印 * 北京大学，阎守胜，2000年第一版，2004第二版 （修改主要在第二部分）
* 最关键：假设和前提都非常简单、明晰，容易接受 * 当然这样的前提和假定仅仅是某种程度上的近似， 这个近似在某些条件下不再正确，所以它可能是错 的，需要修正
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物理研究方式的特点
• 近似模型近似规律修正模型螺旋上升 • 失败是成功之母——有问题的模型是理解正确 概念、得到正确物理规律的第一步 • 合适的近似在
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第1讲、前言
• 1. 2. 3. 4. 固体物理的成就与辉煌 贯穿固体物理学课程的主线周期性 固体物理学课程的特点逻辑线索 参考教材选择阎守胜教材？或其他教材？ 课程内容的简单介绍围绕电导展开
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国内参考书的简评和建议
• 固体物理基础，阎守胜编著，北京大学出版社
* 属Ashcroft系列。讲课顺序基本按该书编排
• 固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教 育出版社
* 属Kittel系列。善于自学的可选。经典内容很全，但 由于出版早，新近发展缺
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如何处理1029/m3的粒子？
• 这是我们以前学过的物理所不曾遇到过的问题
* 这个问题找到了解决之道后，才形成了固体物理学 这门学科
• 那么，如何化解这个困难？
* 统• ——线索和根据（衍射实验，以后会讲）？
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4、课程内容简单介绍：主干+专题
• 一部分是固体物理的主干内容
* 已经有定论的概念、定律，要求掌握 * 理解理论的主要框架，知道解决问题的关键
• 另一部分属于前沿热点专题的入门导读。为何 有？
* 没有必要准备好所有的知识，实际上也做不到 * 把一些深入的、较新的、拓展的和应用的内容—— 作专题的入门导读 能够用学到的知识处理实际问题 * 这部分内容穿插着讲解——看预备知识是否够用 即以能够接受和理解为原则选择，不贪多求全
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自编例题（酌情加分）
• 目的
* 复习、归纳、总结、记忆的有效手段需要思考、 分析所学的内容；同时，也是科学表达（文字和逻 辑）方面的一个训练
• 内容、形式
* 每章选编一个例题，包括解和分析 提倡小题大做：为何选该例题，涉及哪些重要概 念，知识要点和解题技巧，等等必要的分析 * 一个好的例题不一定是难题，但最好要综合性地涵 盖所涉及的概念和知识
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1、贯穿固体物理学的主线
• 固体物理学是一门涉及物理学很多领域的学科
* 诸如，力学、原子物理、电磁学、光学和磁学等 等，需要量子力学、热力学统计力学等的基本知识
• 固体物理学内容非常繁复，能不能抓住要点成 为关键，所谓纲举目张
* 因此，在开始讲解课程主要内容前，我对贯穿固体 物理学的主线，对课程内容的内在联系给出个大致 的介绍
• 固体物理学发展至今，内容一般包含
* * * * * * 固体的结构性质 固体的力学性质 固体的电子性质 固体的输运性质 固体的磁学性质（另有专门的课程） 固体的光学性质（另有专门的课程）
• 两种体系的教材：
* 加州大学伯克利分校的Kittel (1953年出版，2004年 已出到第8版，不断地增、删，重印) * 康奈尔大学的Ashcroft (1976年出版，未再版，不断 地重印)
* 美国多数大学的研究生教材。1976年出版后未更 新，新近发展缺 * 影印版也很贵，但将去美国求学的可选
• Introduction to Solid State Physics, by C. Kittel，化学工业出版社
* 第8版有中文版，第5版也有中文版 * 用简单物理讲解是其特色——避免使用量子和统 计——无奈之举，与美国大学本科生的基础相适应 比如，晶格振动量子化没有涉及引出声子、讨 论输运的关键——因此，未涉及金属电导论 24
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经典还是量子？
• 用经典还是量子方法来处理，这基本上这取决 于研究固体的何种物理性质 • 以后会看到，有判据
* 什么时候该用量子 * 什么时候经典也可以
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多体相互作用如何处理？
• 这个要点是什么呢？我们先看固体物理学的研 究对象
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什么是固体？
• 固体物理学的研究对象？
* * * 当然是固体！那么，什么是固体？ 从初中开始我们就已经知道 现在当然不够！研究固体的物理性质和规律 仅仅是由组成固体的原子成分？ 比如，金刚石、石墨、C60固体都由碳原子组 成，但它们物理性质完全不同！ 那么，细究金刚石、石墨、C60固体有何不同？
* 与以前有很大的不同——把一个复杂的研究对象合 理地在不同层次进行简化，建立模型，引入新概 念，运用已有知识，得到新的规律，再对照实验结 果，修改模型，…，这样螺旋地循环上升，一步步 接近实际
• 因此，从上面这两点来说
★都站在同一起跑线★
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* 有一类固体——晶体中原子呈有规律性的排列—— 周期性！ * 数学！后面会看到，数学上处理这样的周期性结 构——只需在几个或有限数量的原子、电子范围
• 固体物理要点或贯穿固体物理学的主线就是
周期性（各种波在周期性结构中的运动）
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2、研究特点看逻辑线索
固体物理学
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有关信息
• 讲课/讨论
* 车静光 办公室：光华楼东主楼2422室 电话：65643427 Email：jgche@ 主页：http://10.107.0.68/~jgche/
• 作业/讨论
* 韩 晗(email: 071019020@) * 孔令尧(email: 071019019@) 办公室：光华楼东主楼24楼电梯后面办公室
本讲目的
1. 由固体研究特点，介绍贯穿课程的内容线索
研究周期性结构下波的运动
* 内容重点：周期结构（晶体）中的各种波
2. 由教材编排特点，介绍讲解课程的逻辑线索
研究金属电导率
* 逻辑特点：围绕着金属电导率演绎固体物理学
3. 同时也将说明：
如何讲解将复杂还原为简单，再从简单重建复杂 为何如此学习固体概念和规律的同时，学习方法
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什么内在联系？
• 固体物理学课程的各章之间有什么互相关系？
* 除了讲解基本概念、规律、定理外，还要学方法， 学习固体物理研究、思考问题的方法，因为，固体 是我们到目前为止第一个将要面对的具体的、复杂 的对象，运用已学知识，面对复杂对象 * 因此，前两讲将给出课程内容的内在联系，使大家 能够在繁复的内容出现时，不会感到措手不及和举 足无措，帮助大家容易地抓住课程要点
* 固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动
• 原子平衡位置的排列形成固体的微观结构 • 回到前面问题
* 金刚石、石墨、C60固体中C原子的排列结构不同 * 固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其 它们排列的结构共同决定
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微观层次研究固体的三个关键问题
• 不管经典还是量子都还有如何具体描写它们之 间的相互作用问题多体问题
* 固体物理学（也是凝聚态物理）中最困难的问题 * 非常困难！三体以上至今仍未解决！ * 课程中对多电子的作用采平均方法——在密度泛函 理论这个专题中会介绍其解决的可能途径 我个人认为——这个问题的关键在于数学工具！ † 在没有找到合适的数学工具前，别去碰它— —在现有的数学工具下，别试图在理论上有 效地描写多体相互作用！ † 当然这只是我个人的观点。
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关于记忆的统计
• 24小时后还能记住的内容
* * * * 听课，~5%； 阅读，~10% 练习，~30%； 备课，~90%
• 固体物理学（上册），方俊鑫、陆栋编著，上 海科学技术出版社
* 属Kittel系列。善于自学的可选。将要讲解的主干内 容都已经包含，但由于出版早，新近发展缺
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有版权的国外参考书的简评和建议
• Solid State Physics, by N. W. Ashcroft and N. D. Mermin，世界图书出版公司影印
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物理研究方式的优点
• 什么是物理研究的方式？
* 普通物理、四大力学的方式？ * 根据所研究物理现象，用都能够接受和理解的假设 和前提，建立（抽象出）近似模型，解释物理现象 * 对比、验证实验结果，修正，再演绎，再验证，…
• 结论和规律有适用范围：因为有近似，所以得 到的结果可能是不那么完善的规律 • 这样方式的优点