固體物理學教學大綱

《固體物理學》授課大綱（適用于本科物理學專業(yè)）課程編碼：140613040學時：64學分：4開課學期：第七學期課程種類：專業(yè)必修課先修課程：理論力學，電動力學，熱力學與統(tǒng)計物理，量子力學授課手段：多媒體一、授課目標與任務：本課程是物理學專業(yè)本科生的專業(yè)選修課。經(jīng)過本課程的學習，使學生認識固體物理學發(fā)展的基本情況，以及固體物理學對于近代物理和近代科技的發(fā)展起的作用，培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)和科學精神；認識固體物理所研究的基本內(nèi)容和固體物理研究前沿領(lǐng)域的大要，培養(yǎng)學生的現(xiàn)代意識和科學遠見；掌握固體物理學的基本看法和基本規(guī)律，培養(yǎng)掌握科學知識的方法；掌握應用固體物理學理論解析和辦理問題的手段和方法，培養(yǎng)科學研究的方法。二、課程的基本內(nèi)容：晶體的結(jié)構(gòu)固體的結(jié)合晶格振動與晶體的熱學性質(zhì)能帶理論晶體中電子在電場和磁場中的運動金屬電子論三、課程的授課要求：1）掌握晶體的空間點陣，晶體基矢的表達，倒易點陣，晶面、晶向的看法以及正點陣和倒易點陣的關(guān)系。2）掌握晶體的結(jié)合種類和結(jié)合性質(zhì)。-1-3）掌握一維晶體振動模式的色散關(guān)系，晶格振動的量子化、聲子的看法。愛因斯坦模型和德拜模型講解固體的比熱性質(zhì)。4）掌握自由電子氣的看法，自由電子氣的費密能量，布洛赫波以及自由電子模型。5）掌握布里淵區(qū)的看法以及近自由電子近似和緊拘束近似方法計算能帶的理論。6）認識晶體的對稱操作種類，認識非諧效應，確定振動譜的實驗方法以及晶格的自由能。7）認識金屬中電子氣的熱容量，金屬、半導體、絕緣體以及空穴的看法。四、課程學時分配：第一章晶體結(jié)構(gòu)(8學時)【授課目標】經(jīng)過本章的授課，使學生認識晶格結(jié)構(gòu)的一些實例；理解和掌握晶體結(jié)構(gòu)的周期性特色及其描述方法；理解和掌握晶體結(jié)構(gòu)的對稱性特色及其描述方法；理解和掌握倒格子的定義及其與正格子的關(guān)系?！局攸c難點】重點：晶體結(jié)構(gòu)的周期性特色及其描述方法、晶體結(jié)構(gòu)的對稱性特色及其描述方法、倒格子及其與正格子的關(guān)系。難點：倒格子及其與正格子的關(guān)系、對稱操作與群表示?！?—1一些晶格的實例簡立方晶格、體心立方晶格、面心立方晶格、六角密排晶格、金剛石晶格、NaCl晶格、CsCl晶格、閃鋅礦晶格、鈣鈦礦晶格§1—2晶格的周期性-2-（一）原胞和基矢。（二）簡單晶格與復式晶格（三）晶格點陣的數(shù)學表述（四）例子§1—3晶向、晶面和它們的標志（一）晶向與晶向指數(shù)（二）晶面與晶面指數(shù)、密勒指數(shù)§1—4倒格子（一）倒格子基矢（二）倒格子與正格子的關(guān)系§1—5晶體的宏觀對稱性（一）對稱操作及其數(shù)學性質(zhì)（二）立方體、正周圍體、正六角柱的對稱操作（三）對稱操作群§1—6晶體的對稱性與晶格點陣分類（一）七個晶系（二）十四種布拉伐格子第二章固體的結(jié)合（8學時）【授課目標】經(jīng)過本章的授課，使學生認識晶體結(jié)合力的一般性質(zhì)；掌握晶體的結(jié)合種類與特色；理解元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性；掌握離子晶體的結(jié)合能、體積彈-3-性模量的計算；掌握范德瓦耳斯晶體的結(jié)合能、體積彈性模量的計算?！局攸c難點】重點：晶體結(jié)合的一般規(guī)律、離子晶體的結(jié)合能、范德瓦耳斯晶體的結(jié)合能、體積彈性模量難點：共價結(jié)合、體積彈性模量、范德瓦耳斯晶體的結(jié)合能§2—1離子性結(jié)合（一）結(jié)合力的一般性質(zhì)（二）離子晶體的吸引能、馬德隆常數(shù)（三）離子晶體的排斥能、內(nèi)能（四）離子晶體的體積彈性模量、結(jié)合能§2—2共價結(jié)合（一）成鍵態(tài)與反鍵態(tài)（二）共價結(jié)合的飽和性與方向性§2—3金屬性結(jié)合（一）價電子的“共有化”（二）金屬的基本性質(zhì)§2—4范德瓦耳斯結(jié)合（一）范德瓦耳斯力的幾種形式（二）Lennard-Jones勢（三）范德瓦耳斯晶體的內(nèi)能、結(jié)合能、體積彈性模量。第三章晶格振動與晶體的熱學性質(zhì)（16學時）-4-【授課目標】經(jīng)過本章的授課，能夠使學生理解簡諧近似、格波看法、聲子看法；理解玻-卡曼界線條件；認識三維格波的一般規(guī)律、晶格振動的非簡諧效應；認識確定晶格振動譜的實驗方法；掌握一維單原子、雙原子晶格振動的格波解與色散關(guān)系；掌握晶格振動模式密度的計算方法；理解晶格熱容量的量子理論、掌握愛因斯坦模型與德拜模型；理解格林愛森近似、掌握晶格狀態(tài)方程?！局攸c難點】重點：格波看法、聲子看法、一維單（雙）原子晶格的振動及其色散關(guān)系、晶格振動模式密度的計算、晶格熱容量、晶格狀態(tài)方程難點：三維格波的一般規(guī)律、色散關(guān)系、模式密度、非簡諧效應§3—1簡諧近以和簡正坐標（一）簡諧近似（二）簡正坐標與振動模（三）獨立諧振子系統(tǒng)的量子力學解§3—2一維單原子鏈（一）簡諧近似與動力學方程（二）格波解及其物理意義（三）玻恩-卡曼界線條件與波矢的取值（四）色散關(guān)系（五）長波近似（六）格波量子化與聲子§3—3一維雙原子鏈-5-（一）動力學方程與格波解（二）色散關(guān)系（三）界線條件與波矢的取值（四）聲學波與光學波§３—4三維晶格的振動（一）三維格波解及一般特色（二）波矢數(shù)與模式數(shù)（三）聲子及聲子的準動量§３—5確定晶格振動譜的實驗方法（一）能量守恒與準動量守恒（二）中子非彈性散射（三）光的散射§3—6晶格振動模式密度（一）晶格振動模式密度的定義（二）模式密度的計算（三）例子§3—7晶格熱容的量子理論（一）晶格熱容量（二）愛因斯坦模型（三）德拜模型§3—8晶格的狀態(tài)方程（一）晶格振動的自由能-6-（二）格林愛森近似與晶格狀態(tài)方程（三）格林愛森定律§3—9晶格振動的非簡諧效應（一）晶格熱膨脹（二）固體高溫熱容量（三）晶格的熱傳導第四章能帶理論（8學時）【授課目標】經(jīng)過本章的授課，使學生能夠認識晶體能帶理論的基本假設和辦理問題的基本思路；理解布洛赫定理及其推論的證明，掌握晶體能帶的基本特色；熟悉布里淵區(qū)、費米面等基本看法；掌握近自由電子近似方法及其結(jié)論；掌握緊拘束近似方法的運用；掌握能態(tài)密度的計算方法。經(jīng)過周期勢場中單電子布洛赫波的多種求解方法的學習與練習，使學生擁有進一步研究與研究固體電子理論的能力?！局攸c難點】重點：布洛赫定理與布洛赫波、晶體能帶的基本特色、自由電子近似、緊拘束近似、能態(tài)密度、布里淵區(qū)難點：布洛赫定理及其推論、緊拘束近似方法§4—1布洛赫定理（一）能帶理論的基本思想與方法（二）平移算符與布洛赫定理（三）布洛赫定理的若干推論-7-§4—2近自由電子近似（一維周期場）（一）模型與微擾計算（二）能帶與帶隙§4—3近自由電子近似（三維周期場）（一）模型與微擾計算（二）布里淵區(qū)（三）布里淵區(qū)與能帶§4—4緊拘束近似（原子軌道線性組合法）（一）模型與微擾計算（二）原子能級與晶體能帶的對應（三）瓦尼爾（Wannier）函數(shù)（四）例子§4—5能態(tài)密度和費米面（一）能態(tài)密度（二）等能面（三）費米面第五章晶體中電子在電場和磁場中的運動（12學時）【授課目標】經(jīng)過本章授課，使學生認識在準經(jīng)典近似下晶體中的電子在平均外電場與磁場中的運動規(guī)律；熟悉平均速度、有效質(zhì)量、準動量、空穴等看法；理解導體、半導體、絕緣體的能帶論講解；掌握運用電子準經(jīng)典近似的動力學方程談論晶體-8-中的電子在電場與磁場中運動問題的方法?！局攸c難點】重點：電子準經(jīng)典近似難點：波包、有效質(zhì)量、空穴的特色§5—1準經(jīng)典運動（一）波包與平均速度（二）動力學方程與準動量（三）加速度與有效質(zhì)量§5—2恒定電場作用下電子的運動（一）一維運動的例子（二）談論§5—3導體、絕緣體和半導體的能帶論講解（一）滿帶電子（二）導體與非導體的模型（三）近滿帶與空穴§5—4在恒定磁場中電子的運動（一）恒定磁場中電子的準經(jīng)典運動（二）自由電子情況的量子理論（三）電子的有效質(zhì)量近似（四）回旋共振第六章金屬電子論（12學時）-9-【授課目標】經(jīng)過本章的授課，使學生掌握金屬自由電子氣的經(jīng)典與量子理論，由此理解金屬導熱與導電的微觀體系，揭穿出金屬導熱與導電等宏觀性質(zhì)的物理實質(zhì)?！局攸c難點】重點：金屬自由電子氣的量子理論、費米能級、電子容熱、熱電子發(fā)射與功函數(shù)難點：費米能級、電子容熱、分布函數(shù)與玻耳茲曼方程§6—1金屬自由電子氣的量子理論（一）索末菲模型（二）費米統(tǒng)計（三）費米能級（四）電子熱容§6—2功函數(shù)與接觸電勢（一）熱電子發(fā)射和功函數(shù)（二）接觸電勢§6—3分布函數(shù)和玻耳茲曼方程（一）分布函數(shù)（二）玻耳茲曼方程§6—4弛豫時間近似和電導率公式（一）弛豫時間近似（二）電導率公式§6－5各向同性彈性散射和馳豫時間（一）各向同性彈性散射-10-（二）馳豫時間§6－6晶格散射和電導（一）晶格散射（二）電導五、課程習題要求：書面作答。六、實驗內(nèi)容與要求：拜會實驗課計劃。七、課程主要參照書：黃昆，韓汝琦《固體物理學》，高等教育初版社（1988）。胡安，章維益《固體物理學》，高等教育初版社（2005）。陸棟，蔣平《固體物理學》高教初版社（2010）。閻守勝《固體物理基礎(chǔ)》（第三版）北京大學初版社（2011）。CHARLESKITTEL著，項金鐘、吳興惠譯《固體物理導論