本书是新一版的固体物理学教材,作者力图从原创的科学家的思想出发,介绍固体物理学中主要的概念、实验和理论,其中包括了固体物理学史、化学键与晶体组成、固体结构、晶体振动和固体热性质、固体电子理论、固体的电性质(输运过程)、固体的磁性、固体的介电性质和光学性质等内容。本书适合涉及电子、器件与材料专业的本科生或研究生学习。
在本书第1版出版后近3年,应清华大学出版社之邀,本书将出第2版。根据读者的反馈,以及我自己在教学中的经验教训,书中有不少细节的地方叙述过简,初学者很不容易把握,因此还有待加强和改善。
恰巧通过清华出版社的推荐,美国的Thomson Learning出版社有意出版本书的英文版。本书第2版的中文版于是就与英文版一起进行写作和修改,这样可以起到互相校正的作用。
本书第2版与第1版比较,课程的大框架没有变。但是,叙述细节以及图片有大量的增加。例如,我在重写第2章的时候,发现哈特里-福克方程与化学键的物理解释关系密切,因此必须结合哈特里-福克理论才能正确分析各种化学键结合能的量子力学来源。又比如说,在第5章中,我发现在量子化学和计算材料学中常用的能带计算方法,必须建立在密度泛函理论的基础上;因此在讨论真实能带之前,初步介绍密度泛函理论及相关的计算法就是必要的。再比如说,我发现第1版的书中原来提及的很多理论和实验是获得过诺贝尔奖的,只不过我原来没有查阅资料,忽略过去了,在第2版中,希望能更好地体现这些思想的精彩之处。
本书的写作目的是阐述固体物理诸多分支中共有的哲学基础。固体物理及其拓展的凝聚态物理,在所有的物理学知识中占有相当的比例。物理学在从宏观到微观的所有尺度上都获得了巨大的成功,固体物理学与其他物理学分支一样,都是奠基于伟大学者提出的激动人心的思想;只不过固体物理学着重研究10-10~10-2m这个重要区间内的固体的结构、电磁声光热等基本原理。显然,这个区间恰好是现代高科技工业、特别是电子工业的尺度区间。因此,固体物理学不仅是微观和宏观世界之间的桥梁,也是自然科学和现代工程学科之间的重要桥梁之一。
感谢清华大学出版社和Thomson Learning出版社的编辑,没有他们的鼓励,珠玉在前,我真的没有勇气来完成一本英文教材,并对中文原版做大幅度的修改。本书第2版相关的教学参考和习题解答也将由清华大学出版社出版,希望对新接触固体物理课的读者有所帮助。
最后我还要感谢在固体物理方面教育和影响过我的老师们,包括北京大学物理学院的秦国刚院士,他教过我本科的固体物理课程;还有美国加州大学(University of California at San Diego, UCSD)物理系我的导师Daniel P. Arovas教授、Robert C.Dynes教授、Lu J.Sham教授、Jorge Hirsch教授、Harry Suhl教授;还有本系的朱静院士和柳百新院士在研究的着眼点方面对我的影响。他们的教育和知识对我的影响是无法估价的。
第1章 绪论1
1.1 古希腊的原子论1
1.2 固体物理的发展史4
1.3 自然界中的固体及固体物理学7
本章小结10
本章参考文献10
第2章 化学键和晶体形成11
2.1 原子的量子模型12
2.2 离子键和离子晶体15
2.3 共价键和共价晶体19
2.4 金属键和典型金属23
2.5 原子和分子固体25
本章小结29
本章参考文献30
本章习题30
第3章 固体结构32
3.1 晶体的几何描述32
3.2 对称性与晶格结构的分类36
3.2.1 对称性与二维布拉菲点阵的分类37
3.2.2 点群与三维布拉菲点阵的分类39
3.3 晶体的自然结构43
3.3.1 元素晶体的结构43
3.3.2 化合物的结构: 泡林规则47
3.4 倒易点阵和布里渊区51
3.4.1 倒易点阵51
3.4.2 布里渊区53
3.5 衍射与晶体结构的测定56
3.5.1 X射线衍射、电子衍射和中子衍射58
3.5.2 衍射理论65
3.6 无序固体结构71
3.6.1 非晶体73
3.6.2 准晶体75
3.6.3 液晶78
本章小结85
本章参考文献86
本章习题87
第4章 晶格振动和固体热性质89
4.1 爱因斯坦声子模型91
4.2 德拜声子模型94
4.3 晶格动力学和中子衍射98
4.3.1 晶格动力学98
4.3.2 光学支和声学支101
4.3.3 声子能谱的中子衍射测定105
本章小结108
本章参考文献109
本章习题109
第5章 固体电子理论111
5.1 德鲁德模型: 自由电子气体113
5.2 索末菲模型: 自由电子费密气体117
5.2.1 电子的比热容121
5.2.2 电导率和热导率123
5.2.3 电子从金属表面的热发射125
5.2.4 霍尔效应127
5.3 能带理论129
5.3.1 布洛赫定理130
5.3.2 紧束缚模型132
5.3.3 弱晶格势近似136
5.3.4 密度泛函理论与能带计算法的介绍139
5.3.5 真实能带和费密面141
5.3.6 半经典模型和有效质量146
本章小结149
本章参考文献149
本章习题151
第6章 固体的电性质: 输运过程154
6.1 导体155
6.2 半导体159
6.2.1 半导体的特性161
6.2.2 载流子浓度和迁移率167
6.2.3 半导体器件的基本概念179
6.3 超导体189
6.3.1 超导体的特性191
6.3.2 唯象理论194
6.3.3 微观BCS理论199
本章小结202
本章参考文献202
本章习题204
第7章 固体的磁性207
7.1 磁性的量子力学根源210
7.1.1 单原子近似: 原子磁矩211
7.1.2 自由电子近似: 朗道能级214
7.2 磁性的类别217
7.2.1 抗磁性217
7.2.2 顺磁性219
7.2.3 铁磁性225
7.2.4 反铁磁性和亚铁磁性230
7.3 自旋与基本粒子的相互作用233
7.3.1 中子磁性衍射和磁结构233
7.3.2 自旋波与中子非弹性散射235
7.3.3 电子自旋共振和核磁共振239
本章小结242
本章参考文献243
本章习题245
第8章 固体的介电性质和光学性质247
8.1 固体的光性质、电性质和磁性质的统一249
8.2 洛伦兹光学模型和电极化过程251
8.2.1 德鲁德金属光学模型256
8.3 激光: 爱因斯坦的受激辐射理论258
8.3.1 辐射的量子力学理论258
8.3.2 微波激射器和激光器260
本章小结263
本章参考文献264
本章习题265
索引266