福州大学

固体物理学

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课程概述

课程背景:

1.重要性

固体物理学是20世纪物理学发展最快的一门学科,几十年来,以固体物理学的能带理论为基础,科学家在半导体、激光、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破,有关研究成果已经迅速转化为生产力,并带动了整个信息科学技术群的高速发展。

2.创新性

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态,及其相互关系的科学。不断的技术创新和深究的科学探索,促使固体物理研究内涵不断拓展和应用领域日新月异,形成了一系列的内容极丰富、应用极广泛的分支。

3.实用性

固体物理是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科,从电子、原子和分子的角度研究固体的结构和性质(主要是物理性质) 的一门基础理论学科。它和普通物理、热力学与统计物理、金属物理、材料科学、特别是量子力学等学科有着密切关系。已经成为材料科学、电子科学与技术、应用物理等许多相关专业的主干课程和选修课程。


课程目标:

(1)通过本课程的学习,使学生了解固体物理学发展的基本情况,以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用,培养学生的科学素质和科学精神;

(2)了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况,培养学生的现代意识和科学远见;

(3)掌握固体物理学的基本概念和基本规律。培养掌握科学知识的方法;

(4) 掌握应用固体物理学理论分析和处理问题的手段和方法,培养科学研究的方法。


设计原则:

  1. 通过固体物理学的基本概念、基本模型和基本研究方法来说明固体物理学的基本内容基本要求;

  2. 实际操作计算与在线学习相结合,帮助学生将知识转化成能力


授课目标
通过学习本课程,了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况。掌握固体物理学的基本概念和基本规律。培养掌握科学知识的方法。掌握应用固体物理分析和处理问题的手段和方法,培养科学研究的方法,为学习后续课程打下坚实的基础。增强学生的科学素质、培养科学思维能力和创新意识。
证书要求

综合成绩合格(平时50%,期末50%)。


本课程按照福建省高校精品在线开放课程条例,认定成绩。由福州大学教务处提供。

预备知识

高数,大学物理等

授课大纲

对不同专业学生,讲授的内容各有所侧重,学时的安排也有相应的不同。

应用物理专业:注重基本概念、基本素质培养的同时,突出系统性理论知识的获得,讲授的知识模块较多、较全面,理论教学64课时。其它相关专业:在教学中强调基本概念、基本框架构建的同时,注重学生实用性能力的培养,讲授的知识模块向实用性方向侧重。理论教学54学时。

理论教学大纲:

 1章晶体结构

1.1原子的周期性阵列:晶格平移矢量;结构基元与晶体结构;原胞

1.2晶格的基本类型:二维晶格的分类;三维晶格的分类

1.3晶面指数系统

1.4简单晶体结构:氯化钠型;氯化铯型;六角密堆积(hcp)型;金刚石型;立方硫化锌

1.5原子结构的直接成像

1.6非理想晶体结构:无规堆垛和多型性

 

2 晶体衍射和倒格子

2.1晶体衍射: Brag定律;散射波振幅;傅里叶分析;

2.2倒格矢:衍射条件;劳厄方程

2.3布里渊区:简单立方晶格的倒格子;体心立方晶格的倒格子;面心立方晶格的倒格子

2.4结构基元的傅里叶分析:体心立方晶格的结构因子;面心立方晶格的结构因子;原子形状因子

 

3 晶体结合

3.1 惰性气体晶体:1范德瓦耳斯伦敦相互作用;排斥相互作用;平衡晶格常量;内聚能

3.2离子晶体:静电能或马德隆(Madelung)能;马德隆常数的计算

3.3共价晶体 3.4金属晶体 3.5氢键晶体

3.6原子半径:离子晶体半径

 

4章声子():晶格振动

4.1单原子结构基元情况下的晶格振动:第一布里渊区;群速;长波极限;从实验出发的力常量的推导

4.2基元中含有两个原子的情况:

4.3弹性波的量子化

4.4声子动量

4.5声子引起的非弹性散射

 

5 声子():热学性质

5.1 声子比热容:普朗克分布;简正模的计算方法;一维情况下的态密度;三维情况下的态密度;计算态密度的德拜模型;德拜的T3律;计算态密度的爱因斯坦模型;D(ω)的一般表达式

5.2非谐晶体相互作用:热膨胀;

5.3导热性:声子气的热阻率;倒逆过程;非理想晶格的情况

 

6 自由电子费米气

6.1一维情况下的能级

6.2温度对费米狄拉克分布的影响

6.3三维情况下的自由电子气

6.4电子气的比热容:金属比热容的实验结果;重费米子;

6.5电导率和欧姆定律:金属电阻率的实验结果;倒逆散射;

6.6在磁场中的运动:霍尔效应

6.7金属的导热性:热导率与电导率之比

 

7 能带

7.1近自由电子模型:能隙的由来;能隙的大小;

7.2 布洛赫函数

7.3电子在周期势场中的波动方程:关于布洛赫定理的另一种表述形式;电子的晶体动量;关于中心方程的解;空格点近似;在布里渊区边界附近的近似解

7.4能带中的轨道数:金属和绝缘体

 

8章半导体晶体

8.1 半导体能带:能带计算的紧束缚法;内聚能

8.2 带隙

8.3晶体中电子的准经典运动方程:hk=F的物理推导;空穴;有效质量;半导体中的有效质量(机动);硅和锗(机动)


参考资料

教材:[美]C. 基泰尔著的《固体物理导论》中译本(第8版)

参考书:

黄昆、韩汝琦著《固体物理学》

陆栋 蒋平 徐至中 编著《固体物理学》

阎守胜著《固体物理学》

常见问题

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