固体物理教学大纲

《固体物理》课程教学大纲
课程代码：090632008
课程英文名称：Solid State Physics
课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0
适用专业：光电信息科学与工程专业
大纲编写（修订）时间：2017.10
一、大纲使用说明
（一）课程的地位及教学目标
固体物理学是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

它可作为高等理工学校光电信息科学与工程专业的专业基础课、选修课。

固体物理学是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的学科，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。

要求学生深入理解其基本概念，有清楚的物理图象，能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求
1.基本知识：掌握晶格结构、晶体的结合、晶格振动与热性质、固体电子理论、半导体、费密面和金属和固体磁性质等部分揭示丰富多彩的固体形态（如金属、绝缘体、半导体等）形成的基本物理规律，并介绍一些重要的实验方法，如X-光衍射，中子散射实验等。

2.基本理论和方法：掌握晶体结构、声子、自由电子和能带理论等固体物理的基本理论，作为凝聚态物理学、现代材料科学和微电子技术的理论基础。

3.基本技能：能够利用所学习的知识对材料研究中的一些现象进行解释，并建立用模型去理解固体性质的思维方式等。

（三）实施说明
1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。

讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

（四）对先修课的要求
本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。

本课程主要的先修课程有普通物理、量子力学、热力学统计物理、原子物理学等。

本课程将为研究固体材料和固体器件性质的专业课、课程设计以及毕业设计的学习打下良好基础。

（五）对习题课、实践环节的要求
1．对重点、难点章节（如：晶体结构，固体的结合，晶格振动，晶格缺陷，固体电子论，能带理论等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。

2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉标准、规范等的作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评
作业。

学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。

3．安排大作业，大作业成绩作为平时成绩的一部分。

（六）课程考核方式
1．考核方式：考查
2．考核目标：在考核学生对固体物理学基本知识、基本原理和方法的基础上，重点考核学生的运用已有理论设计分析新材料性能的解决问题能力。

3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占20%，期末考试成绩占80%。

总成绩为100分，其中课堂活动和课外作业作为平时成绩，平时成绩达到合格才可以参加考试，平时成绩占20%，期末考试方式为闭卷笔试，期末考试成绩占80%。

（七）参考书目
《固体物理学》，黄昆编，高等教育出版社，2010
《固体物理学》，方俊鑫，陆栋编，上海科学技术出版社，1984
《固体物理学》，胡安，章维益编，高等教育出版社，2011
二、中文摘要
本课程是光电信息科学与工程专业开设的一门专业基础选修课。

课程包括晶格结构、晶体的结合、晶格振动与热性质、固体电子理论、半导体、费密面和金属、固体磁性质和非晶态固体等部分。

本课程将系统介绍固体物理的基础知识和理论，揭示丰富多彩的固体形态（如金属、绝缘体、半导体等）形成的基本物理规律，并介绍一些重要的实验方法，如X-光衍射，中子散射实验等。

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。

要求学生深入理解其基本概念，有清楚的物理图象，能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

三、课程学时分配表
四、教学内容及基本要求
第1部分晶体的结构
总学时(单位：学时):10 讲课:10 实验:0 上机:0
第1.1部分晶体的特征（讲课1学时）
具体内容:
1) 明确本课程的内容、性质和任务；
2) 掌握固体的分类及晶体的特征；
第1.2部分空间点阵（讲课3学时）
具体内容:
1) 掌握点阵及布拉菲格子的概念及特征；
2) 掌握固体物理学原胞及结晶学原胞的选取方法；
第1.3部分晶面指数
1) 掌握晶列指数的确定方法；
2) 掌握晶面指数的确定方法；
3）掌握密勒指数的概念；
重点:
点阵及布拉菲格子的概念及特征等；
难点:
晶列指数的确定方法；晶面指数的确定方法；密勒指数的概念；习题:
晶列指数的确定方法；晶面指数的确定方法；密勒指数的计算；第2部分晶体的结合
总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0
第2.1部分晶体的结合类型（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握离子结合与离子晶体；
2) 共价结合与共价晶体；
3) 金属结合及金属晶体；
第2.2部分结合力及结合能（讲课2学时）
具体内容:
了解内聚能与晶体的力学热学性质；
第2.3部分分子力结合（讲课2学时）
具体内容:
理解范德瓦耳斯结合与分子晶体；
第2.4部分离子结合（讲课2学时）
具体内容:
理解氢键结合与氢键晶体；
重点:
掌握离子结合，掌握范德瓦耳斯结合，掌握共价结合，了解内聚能与晶体的力学热学性质；难点:
离子晶体的几何结构，离子晶体的内聚能；
习题:
结合能计算等
第3部分晶格振动与晶体的热学性质
总学时(单位：学时):10 讲课:10 实验:0 上机:0
第3.1部分一维晶格的振动（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握一维单原子链的振动；
2) 一维双原子链的振动；
第3.2部分简正振动声子（讲课2学时）
具体内容:
理解简正坐标、格波的量子；
第3.3部分长波近似（讲课1学时）
具体内容:
理解三维晶格的振动模；
第3.4部分晶格振动热容理论（讲课2学时）
具体内容:
掌握晶格比热；
第3.5部分非简谐效应（讲课2学时）
具体内容:
掌握非简谐效应；
重点:
一维单原子链，一维双原子链的振动，格波的量子，爱因斯坦模型，德拜模型；
难点:
格波的量子理论，格波的模式数；
第4部分固体电子论基础
总学时(单位：学时):10 讲课:10 实验:0 上机:0
第4.1部分电子气的能量状态（讲课1学时）
具体内容:
自由电子能级和态密度；
第4.2部分电子气的费密能量（讲课3学时）
具体内容:
掌握电子气的费密能量；
第4.3部分金属中电子气的热容量（讲课2学时）
具体内容:
掌握电子气的比热；
第4.4部分接触电势差（讲课1学时）
具体内容:
掌握金属的电导过程，在磁场中金属的输运性质；
第4.5部分布洛赫波函数（讲课1学时）
具体内容:
掌握周期势场和布洛赫波；
第4.6部分一维晶格中的近自由电子（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握近自由电子近似；
2) 能隙的由来，能带，有效质量，紧束缚近似，电子的准经典运动，能带与固体的导电性，
价带、导带和满带的概念。

重点:
掌握自由电子能级和能态密度，理解电子气的基态和电子热发射.
难点:
利用能带概念解释导体、半导体和绝缘体的导电性；
习题:
布洛赫波函数计算等。