物理學前沿第二章凝聚態(tài)物理

1、 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 凝聚態(tài)物理學是物理學中最大的分支學科，凝聚態(tài)物理學是物理學中最大的分支學科，也是與高科技和日常生活關系最為密切的物理學也是與高科技和日常生活關系最為密切的物理學領域。凝聚態(tài)物理學是物理學中歷史悠久的學科領域。凝聚態(tài)物理學是物理學中歷史悠久的學科，也是蓬勃發(fā)展、不斷有新發(fā)現(xiàn)、不斷出現(xiàn)新的，也是蓬勃發(fā)展、不斷有新發(fā)現(xiàn)、不斷出現(xiàn)新的分支和交叉學科的領域。凝聚態(tài)物理學是固體物分支和交叉學科的領域。凝聚態(tài)物理學是固體物理學的發(fā)展和延伸，它包含許多分支和豐富多彩理學的發(fā)展和延伸，它包含許多分支和豐富多彩的內容。的內容。 物理學物理學前沿前沿第二

2、章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2.1.1凝聚態(tài)凝聚態(tài) 凝聚態(tài)是粒子數(shù)凝聚態(tài)是粒子數(shù)N大于阿伏伽德羅常數(shù)的原子、分子大于阿伏伽德羅常數(shù)的原子、分子、離子集合體的總稱、離子集合體的總稱，包括以下幾個方面：，包括以下幾個方面： 固體：固體：晶體、準晶體、非晶體都屬于固體，其特點是原子晶體、準晶體、非晶體都屬于固體，其特點是原子（離子、分子）之間有固定的平衡位置，由相互作用凝聚（離子、分子）之間有固定的平衡位置，由相互作用凝聚態(tài)成整體，密度較大。態(tài)成整體，密度較大。 液體：液體：包括常規(guī)液體和有序液體包括常規(guī)液體和有序液體(液晶液晶),其特點是（離子、其特點是（離子、分子）之間在一定范圍內可以相

3、對運動（流動），但相互分子）之間在一定范圍內可以相對運動（流動），但相互作用把它們凝聚成整體，密度中等。作用把它們凝聚成整體，密度中等。 氣體：氣體：包括中性氣體和電離氣體（等離子體），其特點是包括中性氣體和電離氣體（等離子體），其特點是粒子之間有很大的距離，可自由運動，靠外場或容器的約粒子之間有很大的距離，可自由運動，靠外場或容器的約束而非靠粒子之間的相互作用形成凝聚體。束而非靠粒子之間的相互作用形成凝聚體。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2.1.2凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 凝聚態(tài)物理學是研究凝聚態(tài)的電磁、光學、凝聚態(tài)物

4、理學是研究凝聚態(tài)的電磁、光學、力學等性質，揭示其規(guī)律并加以利用，創(chuàng)造和利力學等性質，揭示其規(guī)律并加以利用，創(chuàng)造和利用新的凝聚態(tài)的科學。用新的凝聚態(tài)的科學。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2.1.3凝聚態(tài)理論凝聚態(tài)理論 凝聚態(tài)理論用基于量子電動力學（凝聚態(tài)理論用基于量子電動力學（QED）或）或其等效理論的量子多體理論計算凝聚態(tài)的電磁、其等效理論的量子多體理論計算凝聚態(tài)的電磁、光學、熱學、力學等性質，揭示其規(guī)律，從而設光學、熱學、力學等性質，揭示其規(guī)律，從而設計具有所需性質的新的凝聚態(tài)。計具有所需性質的新的凝聚態(tài)。 2.1 凝

5、聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 凝聚態(tài)理論的發(fā)展經(jīng)歷了氣體分子運動論、凝聚態(tài)理論的發(fā)展經(jīng)歷了氣體分子運動論、費米氣體理論、液體理論（費米、郎道）流體動費米氣體理論、液體理論（費米、郎道）流體動力學、固體量子論，并最終進入了凝聚態(tài)理論的力學、固體量子論，并最終進入了凝聚態(tài)理論的現(xiàn)階段，其中以固體量子論和晶體量子論最為成現(xiàn)階段，其中以固體量子論和晶體量子論最為成熟。下面對晶體量子論做簡要介紹。熟。下面對晶體量子論做簡要介紹。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 晶體量子論：

6、具有周期性點陣結構的固體稱為晶體，晶具有周期性點陣結構的固體稱為晶體，晶體量子論研究各種波在具有周期性點陣結構的固體體量子論研究各種波在具有周期性點陣結構的固體晶晶體中的傳播規(guī)律，包括：體中的傳播規(guī)律，包括： （1）彈性波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即晶格動力）彈性波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即晶格動力學，聲波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即聲子晶體的性學，聲波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即聲子晶體的性質質. （2）X射線電磁波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即射線電磁波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即x射射線衍射動力學，光波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)律，即光線衍射動力學，光波在晶體周期點陣中的傳播規(guī)

7、律，即光子晶體的性質。子晶體的性質。 （3）電子物質波在晶體點陣中的傳播規(guī)律，即電子能帶）電子物質波在晶體點陣中的傳播規(guī)律，即電子能帶論。論。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 晶體量子論在以下四個方面發(fā)展晶體量子論在以下四個方面發(fā)展： （1）從有序晶體到無序晶體。研究各種波在超）從有序晶體到無序晶體。研究各種波在超晶體、準晶體和無序系統(tǒng)（包含很多雜質的系統(tǒng)晶體、準晶體和無序系統(tǒng)（包含很多雜質的系統(tǒng)）中的傳播。）中的傳播。 （2）從三維系統(tǒng)到低位系統(tǒng)，研究種波在二維）從三維系統(tǒng)到低位系統(tǒng)，研究種波在二維量子阱、一維量子線和零維

8、量子點中的傳播。量子阱、一維量子線和零維量子點中的傳播。 （3）從大系統(tǒng)到小系統(tǒng)。研究電子波在團簇和）從大系統(tǒng)到小系統(tǒng)。研究電子波在團簇和介觀環(huán)等介觀系統(tǒng)中的運動。介觀環(huán)等介觀系統(tǒng)中的運動。 （4）從固體到一般凝聚態(tài)（如液晶、等離子體）從固體到一般凝聚態(tài)（如液晶、等離子體、軟凝聚態(tài)等）、軟凝聚態(tài)等） 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2.1.4凝聚態(tài)物理學的基本概念凝聚態(tài)物理學的基本概念 凝聚態(tài)物理學的發(fā)展與這一領域的科學大師凝聚態(tài)物理學的發(fā)展與這一領域的科學大師的貢獻分不開，其中郎道和安德森的貢獻對凝聚的貢獻分不開，其中郎道

9、和安德森的貢獻對凝聚態(tài)物理學的發(fā)展起著特別重要的作用。他們的研態(tài)物理學的發(fā)展起著特別重要的作用。他們的研究成果體現(xiàn)在凝聚態(tài)物理學的基本概念和基本理究成果體現(xiàn)在凝聚態(tài)物理學的基本概念和基本理論之中。論之中。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 郎道發(fā)展了二級相變、超導、超流、費米液體、郎道發(fā)展了二級相變、超導、超流、費米液體、序參量、對稱性破缺、元激發(fā)等基本概念和基本序參量、對稱性破缺、元激發(fā)等基本概念和基本理論。安德森在無序系理論、雜質磁性理論、軟理論。安德森在無序系理論、雜質磁性理論、軟膜相變、約瑟夫森效應、元激發(fā)、廣義剛度、

10、缺膜相變、約瑟夫森效應、元激發(fā)、廣義剛度、缺陷、標度性、重整化群等面做出了重要貢獻。陷、標度性、重整化群等面做出了重要貢獻。L.D郎道因凝聚態(tài)理論和液氦超流理論研究獲郎道因凝聚態(tài)理論和液氦超流理論研究獲1962年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。P.W安德森、安德森、N.莫特和莫特和J.范費萊克因磁性和無序系統(tǒng)電子結構理論研究范費萊克因磁性和無序系統(tǒng)電子結構理論研究獲獲1977年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 1.能帶與化學鍵能帶與化學鍵 能帶與化學鍵體現(xiàn)了固體物理學與化學的關系能帶與化學

11、鍵體現(xiàn)了固體物理學與化學的關系. 能帶：能帶：價電子為整個固體共有（這類價電子稱為巡價電子為整個固體共有（這類價電子稱為巡游電子，具有很強的非定域性）游電子，具有很強的非定域性） 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 能帶理論是用量子力學的方法研究固體內部能帶理論是用量子力學的方法研究固體內部電子運動的理論。始于電子運動的理論。始于20世紀初期，在量子力學世紀初期，在量子力學確立以后發(fā)展起來的一種近似理論。它曾經(jīng)定性確立以后發(fā)展起來的一種近似理論。它曾經(jīng)定性地闡明了晶體中電子運動的普遍特點，并進而說地闡明了晶體中電子運動的普遍特點

12、，并進而說明了導體與絕緣體、半導體的區(qū)別所在，解釋了明了導體與絕緣體、半導體的區(qū)別所在，解釋了晶體中電子的平均自由程問題。晶體中電子的平均自由程問題。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 晶體中電子所能具有的能量范圍，在物理學晶體中電子所能具有的能量范圍，在物理學中往往形象化地用一條條水平橫線表示電子的各中往往形象化地用一條條水平橫線表示電子的各個能量值。能量愈大，線的位置愈高，一定能量個能量值。能量愈大，線的位置愈高，一定能量范圍內的許多能級（彼此相隔很近）形成一條帶范圍內的許多能級（彼此相隔很近）形成一條帶，稱為，稱為能帶。

13、能帶。各種晶體能帶數(shù)目及其寬度等都不各種晶體能帶數(shù)目及其寬度等都不相同。相鄰兩能帶間的能量范圍稱為相同。相鄰兩能帶間的能量范圍稱為“能隙能隙”或或“禁帶禁帶”。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 完全被電子占據(jù)的能帶稱完全被電子占據(jù)的能帶稱“滿帶滿帶”。滿帶中滿帶中的電子不會導電；完全未被占據(jù)的稱的電子不會導電；完全未被占據(jù)的稱“空帶空帶”；部分被占據(jù)的稱部分被占據(jù)的稱“導帶導帶”。導帶中的電子能夠導導帶中的電子能夠導電；價電子所占據(jù)能帶稱電；價電子所占據(jù)能帶稱“價帶價帶”。 能量比價帶低的各能帶一般都是滿帶，價帶能量比價帶低

14、的各能帶一般都是滿帶，價帶可以是滿帶，也可以是導帶；如在金屬中是導帶可以是滿帶，也可以是導帶；如在金屬中是導帶，所以金屬能導電。在絕緣體中和半導體中是滿，所以金屬能導電。在絕緣體中和半導體中是滿帶所以它們不能導電。但半導體很容易因其中有帶所以它們不能導電。但半導體很容易因其中有雜質或受外界影響（如光照，升溫等），使價帶雜質或受外界影響（如光照，升溫等），使價帶中的電子數(shù)目減少，或使空帶中出現(xiàn)一些電子而中的電子數(shù)目減少，或使空帶中出現(xiàn)一些電子而成為導帶成為導帶,因而也能導電。因而也能導電。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 窄能

15、帶：按照固體的能帶理論，半導體的按照固體的能帶理論，半導體的價帶與導帶之間有一個禁帶。在禁帶較窄價帶與導帶之間有一個禁帶。在禁帶較窄的半導體中，有一些物理現(xiàn)象表現(xiàn)得最為的半導體中，有一些物理現(xiàn)象表現(xiàn)得最為明顯，最便于研究，因此把窄禁帶半導體明顯，最便于研究，因此把窄禁帶半導體作為半導體的單獨一類。但作為半導體的單獨一類。但“窄窄”的界限的界限并不嚴格，一般把禁帶小于小于并不嚴格，一般把禁帶小于小于0.26eV的的半導體通稱為窄禁帶半導體。半導體通稱為窄禁帶半導體。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 能帶能帶(energy ba

16、nd): 一組連續(xù)狀態(tài)的分子軌道一組連續(xù)狀態(tài)的分子軌道導帶導帶(conduction band): 電子在其中能自由運動的能帶電子在其中能自由運動的能帶價帶價帶(valence band): 金屬中最高的全充滿能帶金屬中最高的全充滿能帶禁帶禁帶(forbidden energy gap): 能帶和能帶之間的區(qū)域能帶和能帶之間的區(qū)域 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 化學鍵：價電子定域在它們所屬的臨近原子之間 固體中共同存在的一些有關化學鍵的基本固體中共同存在的一些有關化學鍵的基本問題：離子鍵、共價鍵、金屬鍵、以及氫問題：離子鍵

17、、共價鍵、金屬鍵、以及氫鍵和分子間作用力。鍵和分子間作用力。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 Pauling L在The Nature of The Chemical Bond中提出了用得最廣泛的化學鍵定義：如果兩個原子（或原子團）之間的作用力強得足以形成足夠穩(wěn)定的、可被化學家看作獨立分子物種的聚集體，它們之間就存在化學鍵。簡單地說，化學鍵是指分子內部原子之間的強相互作用力。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 離子鍵離子鍵是由是由電子轉移（失去電子者為陽電子

18、轉移（失去電子者為陽離子，獲得電子者為陰離子）形成的離子，獲得電子者為陰離子）形成的。即。即正離子和負離子之間由于靜電引力所形成正離子和負離子之間由于靜電引力所形成的化學鍵。離子既可以是單離子，如的化學鍵。離子既可以是單離子，如Na+ 、Cl-；也可以由原子團形成；也可以由原子團形成； 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2 離子鍵的特點離子鍵的特點 本質是本質是靜電引力靜電引力（庫侖引力）（庫侖引力） 沒有沒有方向性方向性和和飽和性飽和性（庫侖引力的性質所決定）（庫侖引力的性質所決定） 鍵的極性與元素的電負性有關鍵的極性與元素

19、的電負性有關2RqqfNaClCsCl 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 金屬鍵金屬鍵: 金屬原子的價電子的電離能較低，受外金屬原子的價電子的電離能較低，受外界環(huán)境的影響界環(huán)境的影響(包括熱效應等包括熱效應等)，價電子可脫，價電子可脫離原子，且不固定在某一離子附近，而可離原子，且不固定在某一離子附近，而可在晶格中自由運動，常稱它們?yōu)樽杂呻娮釉诰Ц裰凶杂蛇\動，常稱它們?yōu)樽杂呻娮印Ｕ沁@些自由電子將金屬原子及離子聯(lián)。正是這些自由電子將金屬原子及離子聯(lián)系在一起，形成了金屬整體。這種作用力系在一起，形成了金屬整體。這種作用力稱為金屬鍵

20、。稱為金屬鍵。 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 當然固體金屬也可視為等徑圓球的金當然固體金屬也可視為等徑圓球的金屬原子屬原子(離子離子)緊密堆積成晶體。這時原子的緊密堆積成晶體。這時原子的配位數(shù)可高達配位數(shù)可高達8至至12。金屬中為數(shù)不多的價。金屬中為數(shù)不多的價電子不足以形成如此多的共價鍵。這些價電子不足以形成如此多的共價鍵。這些價電子只能為整個金屬晶格所共有。所以金電子只能為整個金屬晶格所共有。所以金屬鍵不同于離子鍵；也不同于共享電子局屬鍵不同于離子鍵；也不同于共享電子局限在兩個原子間的那種共價鍵限在兩個原子間的那種共價鍵(定域鍵定域鍵)。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)

21、狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 共價鍵共價鍵是原子間通過共用電子對（電子云重是原子間通過共用電子對（電子云重疊）而形成的相互作用。形成重疊電子云的電子疊）而形成的相互作用。形成重疊電子云的電子在所有成鍵的原子周圍運動。一個原子有幾個未在所有成鍵的原子周圍運動。一個原子有幾個未成對電子，便可以和幾個自旋方向相反的電子配成對電子，便可以和幾個自旋方向相反的電子配對成鍵，共價鍵飽和性的產生是由于電子云重疊對成鍵，共價鍵飽和性的產生是由于電子云重疊（電子配對）時仍然遵循泡利不相容原理。電子（電子配對）時仍然遵循泡利不相容原理。電子云重疊只能在一定的方向上

22、發(fā)生重疊，而不能隨云重疊只能在一定的方向上發(fā)生重疊，而不能隨意發(fā)生重疊。共價鍵方向性的產生是由于形成共意發(fā)生重疊。共價鍵方向性的產生是由于形成共價鍵時，電子云重疊的區(qū)域越大，形成的共價鍵價鍵時，電子云重疊的區(qū)域越大，形成的共價鍵越穩(wěn)定，所以，形成共價鍵時總是沿著電子云重越穩(wěn)定，所以，形成共價鍵時總是沿著電子云重疊程度最大的方向形成（這就是最大重疊原理）疊程度最大的方向形成（這就是最大重疊原理）。共價鍵有飽和性和方向性。共價鍵有飽和性和方向性。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 共價鍵的形成條件為：共價鍵的形成條件為：鍵合雙方各

23、提供自旋方向相反的未鍵合雙方各提供自旋方向相反的未 成對電子成對電子b. 鍵合雙方原子軌道應盡可能最大程度地重疊鍵合雙方原子軌道應盡可能最大程度地重疊c. 能量最低原理能量最低原理 圖形反映了兩個中性原子間通過共用電子對相連形圖形反映了兩個中性原子間通過共用電子對相連形成分子，是基于電子定域于兩原子之間，形成了一個密成分子，是基于電子定域于兩原子之間，形成了一個密度相對大的電子云（負電性），這就是價鍵理論的基礎。度相對大的電子云（負電性），這就是價鍵理論的基礎。H2分子的形成分子的形成 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 分子間

24、作用力，又稱范德瓦爾斯力（分子間作用力，又稱范德瓦爾斯力（van der Waals force）。）。是存在于中性分子或原子之間的是存在于中性分子或原子之間的一種弱堿性的電性吸引力。分子間作用力（范德一種弱堿性的電性吸引力。分子間作用力（范德瓦爾斯力）有三個來源：極性分子的永久偶極瓦爾斯力）有三個來源：極性分子的永久偶極矩之間的相互作用。一個極性分子使另一個分矩之間的相互作用。一個極性分子使另一個分子極化，產生誘導偶極矩并相互吸引。分子中子極化，產生誘導偶極矩并相互吸引。分子中電子的運動產生瞬時偶極矩，它使臨近分子瞬時電子的運動產生瞬時偶極矩，它使臨近分子瞬時極化，后者又反過來增強原來分子的

25、瞬時偶極矩極化，后者又反過來增強原來分子的瞬時偶極矩；這種相互耦合產生凈的吸引作用，這三種力的；這種相互耦合產生凈的吸引作用，這三種力的貢獻不同，通常第三種作用的貢獻最大。貢獻不同，通常第三種作用的貢獻最大。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 范德華力范德華力(Van der Wands force)1） 取向力取向力(orientation force) 發(fā)生在極性分子與非極性分子之間發(fā)生在極性分子與非極性分子之間, 本質是靜電引力。本質是靜電引力。2） 誘導力誘導力(induced force) 存在于極性分子與非極性分子

26、之間和極性分子之間，本質存在于極性分子與非極性分子之間和極性分子之間，本質 是靜電引力。是靜電引力。3）色散力）色散力(dispersion force)或倫敦力或倫敦力(London force) 由于電子的不斷運動和原子核的不斷振動由于電子的不斷運動和原子核的不斷振動, 電子云和原子電子云和原子 核之間可發(fā)生瞬時相對位移而產生瞬間偶極核之間可發(fā)生瞬時相對位移而產生瞬間偶極, 分子靠瞬間分子靠瞬間 偶極相互吸引。存在于任何分子中。偶極相互吸引。存在于任何分子中。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2.2.相與序參量相與序參量

27、 相體現(xiàn)了物質結構的某種有序性，故稱有序相體現(xiàn)了物質結構的某種有序性，故稱有序相，用不等于零的序參量來描述，序參量是相互相，用不等于零的序參量來描述，序參量是相互作用或統(tǒng)計法則導致的粒子之間的長程關聯(lián)。作用或統(tǒng)計法則導致的粒子之間的長程關聯(lián)。 大量原子所組成的經(jīng)典粒子系統(tǒng)，有序化最明大量原子所組成的經(jīng)典粒子系統(tǒng)，有序化最明顯地表現(xiàn)為位置序，這意味著不同處的原子位置顯地表現(xiàn)為位置序，這意味著不同處的原子位置存在關聯(lián)。如果關聯(lián)的范圍達到無限大，系統(tǒng)即存在關聯(lián)。如果關聯(lián)的范圍達到無限大，系統(tǒng)即具有具有長程序長程序；如果關聯(lián)的范圍限于鄰近的原子，；如果關聯(lián)的范圍限于鄰近的原子，則系統(tǒng)具有則系統(tǒng)具有短程

28、序短程序；如果根本沒有關聯(lián)，原子分；如果根本沒有關聯(lián)，原子分布完全是無規(guī)的，即系統(tǒng)處于布完全是無規(guī)的，即系統(tǒng)處于完全完全無序態(tài)無序態(tài)。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 3.相變與對稱性破缺相變與對稱性破缺 相變與對稱性破缺相聯(lián)系，這是相變的準確的物相變與對稱性破缺相聯(lián)系，這是相變的準確的物理與數(shù)學描述，這種描述體現(xiàn)了凝聚態(tài)物理學與理與數(shù)學描述，這種描述體現(xiàn)了凝聚態(tài)物理學與粒子物理學的深刻聯(lián)系。粒子物理學的深刻聯(lián)系。 對稱性破缺對稱性破缺指從高對稱性到底對稱性的轉變，其指從高對稱性到底對稱性的轉變，其逆過程是對稱性的恢復。下面

29、是有序相與對稱性逆過程是對稱性的恢復。下面是有序相與對稱性的例子的例子 高對稱相：高對稱相：水，球體，均勻系（非晶體，無磁性水，球體，均勻系（非晶體，無磁性） 低對稱相低對稱相：冰、橢球、非均勻系（晶體，磁性）：冰、橢球、非均勻系（晶體，磁性） 相變：由于宏觀條件改變引起的對稱性的轉變，相變：由于宏觀條件改變引起的對稱性的轉變，即對稱性破缺（高即對稱性破缺（高 到到 低）與恢復（低到高）。低）與恢復（低到高）。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 相變是指當外界約束（溫度和壓強）作連續(xù)變化相變是指當外界約束（溫度和壓強）作連續(xù)變

30、化時，在特定條件下，物體狀態(tài)的突變。時，在特定條件下，物體狀態(tài)的突變。 這具體可表現(xiàn)為：這具體可表現(xiàn)為： （1 1）結構的變化，如氣）結構的變化，如氣- -液、氣液、氣- -固相變，或固相固相變，或固相中不同晶體結構之間的轉變；中不同晶體結構之間的轉變； （2 2）化學成分的不連續(xù)變化，如固溶體的脫溶分）化學成分的不連續(xù)變化，如固溶體的脫溶分解或溶液的脫溶沉淀；解或溶液的脫溶沉淀； （3 3）某種物理性質的突變，如順磁）某種物理性質的突變，如順磁- -鐵磁轉變、鐵磁轉變、順電順電- -鐵電轉變、正常態(tài)鐵電轉變、正常態(tài)- -超導態(tài)轉變等超導態(tài)轉變等 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理

31、學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 日常生活中常說的對稱性，是指物體或日常生活中常說的對稱性，是指物體或一個系統(tǒng)各部分之間的適當比例、平衡、協(xié)一個系統(tǒng)各部分之間的適當比例、平衡、協(xié)調一致，從而產生一種簡單性和美感。調一致，從而產生一種簡單性和美感。這種這種美來源于幾何確定性，來源于群體與個體的美來源于幾何確定性，來源于群體與個體的有機結合有機結合。 對對稱稱性性概概念念源源于于生生活活 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 人體、動植物結構對稱人體、動植物結構對稱天竺葵 長春草 對對稱稱性性概概念念源源于于生生

32、活活 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 建筑物建筑物(宮殿宮殿,寺廟寺廟,陵墓陵墓,教堂教堂)左右對稱左右對稱 對對稱稱性性概概念念源源于于生生活活 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 如果一個操作能使某體系從一個狀態(tài)變換如果一個操作能使某體系從一個狀態(tài)變換到另一個與之等價的狀態(tài)，即體系的狀態(tài)在此到另一個與之等價的狀態(tài)，即體系的狀態(tài)在此操作下保持不變，則該體系對這一操作操作下保持不變，則該體系對這一操作對稱對稱，這一操作稱為該體系的一個這一操作稱為該體系的一個對

33、稱操作對稱操作。體系的所有對稱操作的集合體系的所有對稱操作的集合對稱群對稱群德國數(shù)學家魏爾德國數(shù)學家魏爾(H.Weyl)關于對關于對稱性的定義如下稱性的定義如下:體系體系( (系統(tǒng)系統(tǒng)) )：被研究的對象被研究的對象 狀態(tài)：狀態(tài)：對體系的描述對體系的描述變換變換/ /操作：操作：體系從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的體系從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的過程過程變換前后體系狀態(tài)相同變換前后體系狀態(tài)相同“等價等價”或或“不變不變”對對稱稱性性的的基基本本概概念念 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 空間對稱性空間對稱性1. .空間旋轉對稱空間旋轉對稱

34、o對繞對繞O軸旋軸旋轉任意角的轉任意角的操作對稱操作對稱o對繞對繞O軸旋軸旋轉轉 2 整數(shù)整數(shù)倍倍的操作對的操作對稱稱o對繞對繞O軸旋軸旋轉轉 /2整數(shù)整數(shù)倍倍的操作對的操作對稱稱對對稱稱性性的的基基本本概概念念 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 o1次軸次軸.o 3次軸次軸o4次軸次軸2次軸次軸.o .o 若體系繞某軸旋轉若體系繞某軸旋轉 2 n 后恢復原后恢復原狀狀，則稱該體系具有則稱該體系具有n 次對稱軸次對稱軸。對對稱稱性性的的基基本本概概念念 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章

35、 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 時間對稱性時間對稱性1. 時間平移對稱性時間平移對稱性 一個靜止不變或勻速直線運動的體系對任一個靜止不變或勻速直線運動的體系對任何時間間隔何時間間隔 t 的時間平移表現(xiàn)出不變性；的時間平移表現(xiàn)出不變性； 而周期變化體系而周期變化體系( (單擺、彈簧振子單擺、彈簧振子) )只對周只對周期期T T及其整數(shù)倍的時間平移變換對稱。及其整數(shù)倍的時間平移變換對稱。 意義：物理定律不隨時間變化即為意義：物理定律不隨時間變化即為物理定律具有時間平移對稱性。物理定律具有時間平移對稱性。物理實驗可以在不同時間重復，其物理實驗可以在不同時間重復，其遵循的規(guī)律不變。遵循的規(guī)律不變。 2.1

36、 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 2. 時間反演對稱性時間反演對稱性 t (-t)的操作、時間倒流的操作、時間倒流 2222)(ddddtrmFtrmF牛頓定律具有時間牛頓定律具有時間反演對稱性反演對稱性對對稱稱性性的的基基本本概概念念 某些理想過程：某些理想過程：無阻尼的單擺無阻尼的單擺時間反演不變時間反演不變 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 臨界現(xiàn)象：臨界現(xiàn)象：是對稱性轉變的相變過程中出是對稱性轉變的相變過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，其間存在著劇烈的漲落，伴隨現(xiàn)的現(xiàn)象，其

37、間存在著劇烈的漲落，伴隨著舊的長程關聯(lián)和序的破壞以及新的長程著舊的長程關聯(lián)和序的破壞以及新的長程關聯(lián)和序的建立，存在相應的相變過程中關聯(lián)和序的建立，存在相應的相變過程中的普適定律與臨界指數(shù)，發(fā)生某些物理量的普適定律與臨界指數(shù)，發(fā)生某些物理量突變。突變。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 為了對物質結構的相與對稱性的關系有更深入的理解，下為了對物質結構的相與對稱性的關系有更深入的理解，下面給出了物理學中一些基本對稱性及其相應的不可觀測量面給出了物理學中一些基本對稱性及其相應的不可觀測量、守恒量。、守恒量。 對稱性（不變性）對稱性

38、（不變性） 不可觀測量不可觀測量 守恒量守恒量 空間平移空間平移 絕對位置絕對位置 動量守恒動量守恒 時間平移時間平移 絕對時間絕對時間 能量守恒能量守恒 空間旋轉空間旋轉 絕對方向絕對方向 角動量角動量 空間反演空間反演 絕對左（右）絕對左（右） 宇稱宇稱 時間反演時間反演 無無 無無 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 原來具有較高對稱性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱原來具有較高對稱性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱因素，其對稱程度自發(fā)降低因素，其對稱程度自發(fā)降低, , 對稱性自發(fā)對稱性自發(fā)破缺。破缺。 當對稱性發(fā)生破缺時不可觀測量變成可當對稱性發(fā)生破缺

39、時不可觀測量變成可觀測的序參量，而相應的守恒律遭到破壞觀測的序參量，而相應的守恒律遭到破壞。 2.1 凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀凝聚態(tài)物理學現(xiàn)狀 物理學物理學前沿前沿第二章第二章 凝聚態(tài)物理學凝聚態(tài)物理學 4.4.系統(tǒng)的基態(tài)、激發(fā)態(tài)與熱平衡態(tài)系統(tǒng)的基態(tài)、激發(fā)態(tài)與熱平衡態(tài) 任何元素的原子都由原子核和圍繞原子核運動的電子任何元素的原子都由原子核和圍繞原子核運動的電子組成。這些電子按其能量的高低分層分布，具有不同的能組成。這些電子按其能量的高低分層分布，具有不同的能級，因此一個原子可具有多種能級狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，級，因此一個原子可具有多種能級狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，原子處于最低能態(tài)（這個能態(tài)最穩(wěn)定）稱為基態(tài)。處于基原子處于最低能態(tài)（這個能態(tài)最穩(wěn)定）稱為基態(tài)。處于基態(tài)的原子稱基態(tài)原子?；鶓B(tài)原子受到外界能量（如熱能、態(tài)的原子稱基態(tài)原