固体物理-第一章金属自由电子论
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• 发展为相对独立的分支
3 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
固体物理是一门以实验为基础, 理论联 系实践十分密切的学科。
• 实践是检验真理的标准，必须把所作的假设放到实践 中接受检验，才能在理论研究在中既运用假说、近似， 将复杂问题简单化，又能充分注意真实客体的复杂性， 避免认识的片面性。
*来自复旦大学车静光教授讲义
9 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
课程大纲(选自复旦大学《固体物理》课程教学大纲,72学时)
基础部分
1、金属自由电子气，计有Drude模型，Sommerfeld模型，自由电子气模 型局限及其修正方案等内容，共6课时；
2、晶体结构，计有晶格和原胞，密堆积和晶面，带芯格子和对称性， 倒格子，晶体散射理论和晶体结构实验方法等内容，共12课时；
经典自由电子论（Drude-Lorentz)的建立
15 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
16 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
第一章 金属自由电子论
十九世纪根据经验总结了许多经验定律： • 晶体比热：杜隆-珀替定律(Dulong-Petit)，Cv=3NkB
• 导热导电性质：魏德曼-佛兰兹定律(Wiedemann-Franz)： 在室温下，金属的热导率和电导率的比值为常数
参考：
*来自中国科技大学王关中教授讲义
1. 阎守胜版, 第一章 2. 黄昆版, §6.1, §6.2, p275 3. Kittel 8版, 第6章 13
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
*来自复旦大学车静光教授讲义
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华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
**来自复旦大学车静光教授讲义
8 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
有版权的国外参考书的简评和建议
• 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——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.
有机铁磁体的原子力显微镜像
光盘预刻槽的原子力显微镜像
烟草花叶病毒(MTV)的原子力显微镜像
多孔氧化铝模板的原子力显
微镜像
7
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
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 * 主要参考书，讲课顺序基本按该书编排 • 固体物理学（上册），方俊鑫、陆栋编著，上海科学技术出版社 * 善于自学的可选，主干内容都已包含，主要差别在内容编排顺序 • 固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社 * 善于自学的可选，经典内容较全
4 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
场发射电子扫描显微镜
*资料来源于网络
5
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
吸附在铂单晶表面上的碘原子 搬动48个Fe原子到Cu表面上
3×3阵列STM图象
构成的量子围栏的STM象
ຫໍສະໝຸດ Baidu
*资料来源于网络
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华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
• 热导率 • 电导率
( ) χ
= π2
k
2 B
Tnτ
E
0 F
τ 为弛豫时间
3
m*
( ) σ
=
ne 2τ
E
0 F
L=
χ σT
=
π2
3
kB e
2
m*
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18 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
19 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
3、能带理论一，计有Bloch定理和能带描述内容，共8课时； 4、能带理论二，近自由电子近似，紧束缚近似，能带解读，费米面及 其测量，典型能带分析，Bloch电子动力学等，共6课时； 5、晶格振动，计有一维晶格振动，三维晶格振动，晶格振动量子化和 声子，晶体热学性质，晶格振动的实验测量，非简谐效应等内容，共10课时； 6、输运理论，计有经典输运理论，热传导和热电现象，磁阻等内容， 共6课时； 7、缺陷，计有杂质和缺陷，表面和界面等内容，共4课时。
固体物理学课程内容
• 固体的晶体结构 • 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）
2 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
子学科
• 金属物理、半导体物理、晶体物理、晶体生长（固体 化学）、磁学、电解质（液晶）物理、固体发光、超 导体物理、固态电子学、固态光电子学
10 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
前沿和热点部分
安排6~8个深入专题，每个2课时，分别穿插于各章之间，计有：
1）整数和分数量子霍尔效应（以电子气为背景知识）； 2）用轨道物理学的观点看晶体结合（以晶体结构为背景知识）； 3）密度泛函理论和单电子近似（以电子气为背景知识，作为能带理论基础）； 4）固体磁性，金属—绝缘体相变和能带论局限（以能带理论为背景知识）； 5）超导电性（以晶格振动为背景知识）； 6）量子输运现象（以输运理论为背景知识）； 7）纳米结构（以缺陷为背景知识）等，以拓展学生眼界，提高兴趣。
11 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
复旦大学固体物理教学安排
12 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
第一章 金属自由电子论
1.1 经典自由电子论（Drude-Lorentz) 1.2 量子自由电子论（Sommerfeld ） 1.3 金属的热容 1.4 金属的电导率和热导率 1.5 金属的热电子发射和接触电势 1.6 金属的交流电导率和光学性质 1.7 自由电子模型的局限性
3 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
固体物理是一门以实验为基础, 理论联 系实践十分密切的学科。
• 实践是检验真理的标准，必须把所作的假设放到实践 中接受检验，才能在理论研究在中既运用假说、近似， 将复杂问题简单化，又能充分注意真实客体的复杂性， 避免认识的片面性。
*来自复旦大学车静光教授讲义
9 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
课程大纲(选自复旦大学《固体物理》课程教学大纲,72学时)
基础部分
1、金属自由电子气，计有Drude模型，Sommerfeld模型，自由电子气模 型局限及其修正方案等内容，共6课时；
2、晶体结构，计有晶格和原胞，密堆积和晶面，带芯格子和对称性， 倒格子，晶体散射理论和晶体结构实验方法等内容，共12课时；
经典自由电子论（Drude-Lorentz)的建立
15 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
16 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
第一章 金属自由电子论
十九世纪根据经验总结了许多经验定律： • 晶体比热：杜隆-珀替定律(Dulong-Petit)，Cv=3NkB
• 导热导电性质：魏德曼-佛兰兹定律(Wiedemann-Franz)： 在室温下，金属的热导率和电导率的比值为常数
参考：
*来自中国科技大学王关中教授讲义
1. 阎守胜版, 第一章 2. 黄昆版, §6.1, §6.2, p275 3. Kittel 8版, 第6章 13
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
*来自复旦大学车静光教授讲义
14
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
**来自复旦大学车静光教授讲义
8 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
有版权的国外参考书的简评和建议
• 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——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.
有机铁磁体的原子力显微镜像
光盘预刻槽的原子力显微镜像
烟草花叶病毒(MTV)的原子力显微镜像
多孔氧化铝模板的原子力显
微镜像
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华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
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 * 主要参考书，讲课顺序基本按该书编排 • 固体物理学（上册），方俊鑫、陆栋编著，上海科学技术出版社 * 善于自学的可选，主干内容都已包含，主要差别在内容编排顺序 • 固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社 * 善于自学的可选，经典内容较全
4 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
场发射电子扫描显微镜
*资料来源于网络
5
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
吸附在铂单晶表面上的碘原子 搬动48个Fe原子到Cu表面上
3×3阵列STM图象
构成的量子围栏的STM象
ຫໍສະໝຸດ Baidu
*资料来源于网络
6
华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
• 热导率 • 电导率
( ) χ
= π2
k
2 B
Tnτ
E
0 F
τ 为弛豫时间
3
m*
( ) σ
=
ne 2τ
E
0 F
L=
χ σT
=
π2
3
kB e
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m*
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18 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
19 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
3、能带理论一，计有Bloch定理和能带描述内容，共8课时； 4、能带理论二，近自由电子近似，紧束缚近似，能带解读，费米面及 其测量，典型能带分析，Bloch电子动力学等，共6课时； 5、晶格振动，计有一维晶格振动，三维晶格振动，晶格振动量子化和 声子，晶体热学性质，晶格振动的实验测量，非简谐效应等内容，共10课时； 6、输运理论，计有经典输运理论，热传导和热电现象，磁阻等内容， 共6课时； 7、缺陷，计有杂质和缺陷，表面和界面等内容，共4课时。
固体物理学课程内容
• 固体的晶体结构 • 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）
2 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
子学科
• 金属物理、半导体物理、晶体物理、晶体生长（固体 化学）、磁学、电解质（液晶）物理、固体发光、超 导体物理、固态电子学、固态光电子学
10 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
前沿和热点部分
安排6~8个深入专题，每个2课时，分别穿插于各章之间，计有：
1）整数和分数量子霍尔效应（以电子气为背景知识）； 2）用轨道物理学的观点看晶体结合（以晶体结构为背景知识）； 3）密度泛函理论和单电子近似（以电子气为背景知识，作为能带理论基础）； 4）固体磁性，金属—绝缘体相变和能带论局限（以能带理论为背景知识）； 5）超导电性（以晶格振动为背景知识）； 6）量子输运现象（以输运理论为背景知识）； 7）纳米结构（以缺陷为背景知识）等，以拓展学生眼界，提高兴趣。
11 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
复旦大学固体物理教学安排
12 华南理工大学，材料科学与工程学院，本科课程<<固体物理>>，讲义
第一章 金属自由电子论
1.1 经典自由电子论（Drude-Lorentz) 1.2 量子自由电子论（Sommerfeld ） 1.3 金属的热容 1.4 金属的电导率和热导率 1.5 金属的热电子发射和接触电势 1.6 金属的交流电导率和光学性质 1.7 自由电子模型的局限性