复旦大学车静光教授固体物理课件sec01.pdf

http 10 107 0 68 jgche 前言前言 1 固体物理学固体物理学 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 2 有关信息有关信息 讲课讲课 讨论讨论 车静光车静光 办公室 光华楼东主楼办公室 光华楼东主楼2422室室 电话 电话 65643427 Email jgche 主页 主页 http 10 107 0 68 jgche 作业作业 讨论讨论 韩晗韩晗 email 071019020 孔令尧孔令尧 email 071019019 办公室 光华楼东主楼办公室 光华楼东主楼24楼电梯后面办公室楼电梯后面办公室 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 3 http 10 107 0 68 jgche http 10 107 0 68 jgche 前言前言 4 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 5 关于记忆的统计关于记忆的统计 24小时后还能记住的内容小时后还能记住的内容 听课 听课 5 阅读 阅读 10 练习 练习 30 备课 备课 90 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 6 最后成绩最后成绩 期未考试占期未考试占80 平时作业占平时作业占20 按时交 每周四上交 周四后请交辅导老师办公 室 光华楼东主楼 按时交 每周四上交 周四后请交辅导老师办公 室 光华楼东主楼24楼楼 注意注意 当次作业批改完退还后将不再登记该次作业的成绩当次作业批改完退还后将不再登记该次作业的成绩 补考卷补考卷100 不再计入平时作业成绩 不再计入平时作业成绩 不愿交作业 两周之内交一申请 考试成绩按不愿交作业 两周之内交一申请 考试成绩按 100 计计 建议还是交作业 特别是免听的学生 这个建议还是交作业 特别是免听的学生 这个20 可 能就决定能否通过 可 能就决定能否通过 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 7 自编例题 酌情加分 自编例题 酌情加分 目的目的 复习 归纳 总结 记忆的有效手段 需要思考 分析所学的内容 同时 也是科学表达 文字和逻 辑 方面的一个训练 复习 归纳 总结 记忆的有效手段 需要思考 分析所学的内容 同时 也是科学表达 文字和逻 辑 方面的一个训练 内容 形式内容 形式 每章选编一个例题 包括解和分析 每章选编一个例题 包括解和分析 提倡小题大做 为何选该例题 涉及哪些重要概 念 知识要点和解题技巧 等等 必要的分析 提倡小题大做 为何选该例题 涉及哪些重要概 念 知识要点和解题技巧 等等 必要的分析 一个好的例题不一定是难题 但最好要综合性地涵 盖所涉及的概念和知识 一个好的例题不一定是难题 但最好要综合性地涵 盖所涉及的概念和知识 每章结束后二周内每章结束后二周内email寄给我寄给我 我会作出简单评论 贴出供大家参考 署名听便我会作出简单评论 贴出供大家参考 署名听便 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 8 开讲寄语 不抛弃 不放弃 开讲寄语 不抛弃 不放弃 预备知识 主要是量子和热统初步预备知识 主要是量子和热统初步 也包括力学 电磁学 也包括力学 电磁学 但都只涉及最基本的 但都只涉及最基本的 讲授特点 先将复杂还原为简单 再从简单重 建复杂 讲授特点 先将复杂还原为简单 再从简单重 建复杂 与以前有很大的不同与以前有很大的不同 把一个复杂的研究对象合 理地在不同层次进行简化 建立模型 引入新概 念 运用已有知识 得到新的规律 再对照实验结 果 修改模型 把一个复杂的研究对象合 理地在不同层次进行简化 建立模型 引入新概 念 运用已有知识 得到新的规律 再对照实验结 果 修改模型 这样螺旋地循环上升 一步步 接近实际 这样螺旋地循环上升 一步步 接近实际 因此 从上面这两点来说因此 从上面这两点来说 都站在同一起跑线 都站在同一起跑线 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 9 本讲目的本讲目的 1 由固体研究特点 介绍贯穿课程的内容线索 由固体研究特点 介绍贯穿课程的内容线索 研究周期性结构下波的运动研究周期性结构下波的运动 内容重点 周期结构 晶体 中的各种波内容重点 周期结构 晶体 中的各种波 2 由教材编排特点 介绍讲解课程的逻辑线索 由教材编排特点 介绍讲解课程的逻辑线索 研究金属电导率研究金属电导率 逻辑特点 围绕着金属电导率演绎固体物理学逻辑特点 围绕着金属电导率演绎固体物理学 3 同时也将说明 同时也将说明 如何讲解如何讲解 将复杂还原为简单 再从简单重建复杂 将复杂还原为简单 再从简单重建复杂 为何如此为何如此 学习固体概念和规律的同时 学习方法 学习固体概念和规律的同时 学习方法 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 10 第第1讲 前言讲 前言 固体物理的成就与辉煌固体物理的成就与辉煌 1 贯穿固体物理学课程的主线 周期性贯穿固体物理学课程的主线 周期性 2 固体物理学课程的特点 逻辑线索固体物理学课程的特点 逻辑线索 3 参考教材选择 阎守胜教材 或其他教材 参考教材选择 阎守胜教材 或其他教材 4 课程内容的简单介绍 围绕电导展开课程内容的简单介绍 围绕电导展开 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 11 1 贯穿固体物理学的主线 贯穿固体物理学的主线 固体物理学是一门涉及物理学很多领域的学科固体物理学是一门涉及物理学很多领域的学科 诸如 力学 原子物理 电磁学 光学和磁学等 等 需要 诸如 力学 原子物理 电磁学 光学和磁学等 等 需要量子力学量子力学 热力学统计力学热力学统计力学等的基本知识等的基本知识 固体物理学内容非常繁复 能不能抓住要点成 为关键 所谓纲举目张 固体物理学内容非常繁复 能不能抓住要点成 为关键 所谓纲举目张 因此 在开始讲解课程主要内容前 我对贯穿固体 物理学的主线 对课程内容的 因此 在开始讲解课程主要内容前 我对贯穿固体 物理学的主线 对课程内容的内在联系内在联系给出个大致 的介绍 给出个大致 的介绍 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 12 什么内在联系 什么内在联系 固体物理学课程的各章之间有什么互相关系 固体物理学课程的各章之间有什么互相关系 除了讲解基本概念 规律 定理外 还要学方法 学习固体物理研究 思考问题的方法 因为 固体 是我们到目前为止第一个将要面对的具体的 复杂 的对象 运用已学知识 面对复杂对象 除了讲解基本概念 规律 定理外 还要学方法 学习固体物理研究 思考问题的方法 因为 固体 是我们到目前为止第一个将要面对的具体的 复杂 的对象 运用已学知识 面对复杂对象 因此 前两讲将给出课程内容的内在联系 使大家 能够在繁复的内容出现时 不会感到措手不及和举 足无措 帮助大家容易地抓住课程要点 因此 前两讲将给出课程内容的内在联系 使大家 能够在繁复的内容出现时 不会感到措手不及和举 足无措 帮助大家容易地抓住课程要点 这个要点是什么呢 我们先看固体物理学的研 究对象 这个要点是什么呢 我们先看固体物理学的研 究对象 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 13 什么是固体 什么是固体 固体物理学的研究对象 固体物理学的研究对象 当然是固体 那么 什么是固体 当然是固体 那么 什么是固体 从初中开始我们就已经知道从初中开始我们就已经知道 现在当然不够 研究固体的物理性质和规律现在当然不够 研究固体的物理性质和规律 那么 固体的物理性质和规律由什么决定 那么 固体的物理性质和规律由什么决定 仅仅是由组成固体的原子成分 仅仅是由组成固体的原子成分 比如 金刚石 石墨 比如 金刚石 石墨 C60固体都由碳原子组 成 但它们物理性质完全不同 固体都由碳原子组 成 但它们物理性质完全不同 那么 细究金刚石 石墨 那么 细究金刚石 石墨 C60固体有何不同 固体有何不同 显然 这就需要在微观上来研究固体 固体 中原子的分布 显然 这就需要在微观上来研究固体 固体 中原子的分布 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 14 固体的微观定义固体的微观定义 如何定义固体 取决于我们的研究层次如何定义固体 取决于我们的研究层次 在原子 电子层次 研究固体的宏观物理性质 在原子 电子层次 研究固体的宏观物理性质 原子分布原子分布 如何区别于气态和液态如何区别于气态和液态 固体的微观定义固体的微观定义 固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动 原子平衡位置的排列形成固体的微观结构原子平衡位置的排列形成固体的微观结构 回到前面问题回到前面问题 金刚石 石墨 金刚石 石墨 C60固体中固体中C原子的排列结构不同原子的排列结构不同 固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其 它们排列的结构共同决定 固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其 它们排列的结构共同决定 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 15 微观层次研究固体的三个关键问题微观层次研究固体的三个关键问题 固体性质既然涉及到原子 电子层次 那么 我们首先必须面对如下的三个重要的问题 固体性质既然涉及到原子 电子层次 那么 我们首先必须面对如下的三个重要的问题 用经典还是量子方法 用经典还是量子方法 判据 判据 如何描写原子 电子之间的相互作用 如何描写原子 电子之间的相互作用 多体问题 多体问题 如何处理如何处理1029 m3量级的粒子数 量级的粒子数 周期结构 周期结构 固体物理学的繁复就在这里 就是以前学过 与原子电子相互作用有关的物理理论 在这 样对象上的运用 固体物理学的繁复就在这里 就是以前学过 与原子电子相互作用有关的物理理论 在这 样对象上的运用 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 16 经典还是量子 经典还是量子 用经典还是量子方法来处理 这基本上这取决 于研究固体的何种物理性质 用经典还是量子方法来处理 这基本上这取决 于研究固体的何种物理性质 以后会看到 有判据以后会看到 有判据 什么时候该用量子什么时候该用量子 什么时候经典也可以什么时候经典也可以 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 17 多体相互作用如何处理 多体相互作用如何处理 不管经典还是量子都还有如何具体描写它们之 间的相互作用问题 多体问题 不管经典还是量子都还有如何具体描写它们之 间的相互作用问题 多体问题 固体物理学 也是凝聚态物理 中最困难的问题固体物理学 也是凝聚态物理 中最困难的问题 非常困难 三体以上至今仍未解决 非常困难 三体以上至今仍未解决 课程中对多电子的作用采平均方法课程中对多电子的作用采平均方法 在在密度泛函 理论 密度泛函 理论这个专题中会介绍其解决的可能途径这个专题中会介绍其解决的可能途径 我个人认为我个人认为 这个问题的这个问题的关键在于数学工具 关键在于数学工具 在没有找到合适的数学工具前 别去碰它在没有找到合适的数学工具前 别去碰它 在现有的数学工具下 别试图在理论上有 效地描写多体相互作用 在现有的数学工具下 别试图在理论上有 效地描写多体相互作用 当然这只是我个人的观点 当然这只是我个人的观点 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 18 如何处理如何处理1029 m3的粒子 的粒子 这是我们以前学过的物理所不曾遇到过的问题这是我们以前学过的物理所不曾遇到过的问题 这个问题找到了解决之道后 才形成了固体物理学 这门学科 这个问题找到了解决之道后 才形成了固体物理学 这门学科 那么 如何化解这个困难 那么 如何化解这个困难 统计 处理统计 处理1029个联立方程 或者其他什么方法 个联立方程 或者其他什么方法 线索和根据 衍射实验 以后会讲 线索和根据 衍射实验 以后会讲 有一类固体有一类固体 晶体中原子呈有规律性的排列晶体中原子呈有规律性的排列 周期性 周期性 数学 后面会看到 数学上处理这样的周期性结 构 数学 后面会看到 数学上处理这样的周期性结 构 只需在几个或有限数量的原子 电子范围只需在几个或有限数量的原子 电子范围 固体物理要点或固体物理要点或贯穿固体物理学的主线就是贯穿固体物理学的主线就是 周期性 各种波在周期性结构中的运动 周期性 各种波在周期性结构中的运动 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 19 2 研究特点 看逻辑线索 研究特点 看逻辑线索 固体物理学发展至今 内容一般包含固体物理学发展至今 内容一般包含 固体的结构性质固体的结构性质 固体的力学性质固体的力学性质 固体的电子性质固体的电子性质 固体的输运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 固体的光学性质 另有专门的课程 两种体系的教材 两种体系的教材 加州大学伯克利分校的加州大学伯克利分校的Kittel 1953年出版 年出版 2004年 已出到第 年 已出到第8版 不断地增 删 重印版 不断地增 删 重印 康奈尔大学的康奈尔大学的Ashcroft 1976年出版 未再版 不断 地重印 年出版 未再版 不断 地重印 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 20 物理研究方式的优点物理研究方式的优点 什么是物理研究的方式 什么是物理研究的方式 普通物理 四大力学的方式 普通物理 四大力学的方式 根据所研究物理现象 用都能够接受和理解的假设 和前提 建立 抽象出 近似模型 解释物理现象 根据所研究物理现象 用都能够接受和理解的假设 和前提 建立 抽象出 近似模型 解释物理现象 对比 验证实验结果 修正 再演绎 再验证 对比 验证实验结果 修正 再演绎 再验证 结论和规律有适用范围 因为有近似 所以得 到的结果可能是不那么完善的规律 结论和规律有适用范围 因为有近似 所以得 到的结果可能是不那么完善的规律 这样方式的优点这样方式的优点 最关键 假设和前提都非常简单 明晰 容易接受最关键 假设和前提都非常简单 明晰 容易接受 当然这样的前提和假定仅仅是某种程度上的近似 这个近似在某些条件下不再正确 所以它可能是错 的 需要修正 当然这样的前提和假定仅仅是某种程度上的近似 这个近似在某些条件下不再正确 所以它可能是错 的 需要修正 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 21 物理研究方式的特点物理研究方式的特点 近似模型 近似规律 修正模型 螺旋上升近似模型 近似规律 修正模型 螺旋上升 失败是成功之母失败是成功之母 有问题的模型是理解正确 概念 得到正确物理规律的第一步 有问题的模型是理解正确 概念 得到正确物理规律的第一步 合适的近似在合适的近似在 给出这些物理定律的适用条件的同时给出这些物理定律的适用条件的同时 告诉我们所描述问题的准确性和精度有多高告诉我们所描述问题的准确性和精度有多高 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 22 3 参考教材 国内教材情况 参考教材 国内教材情况 国内出的固体物理学教材几乎都是国内出的固体物理学教材几乎都是Kittel系列 的教材 系列 的教材 唯有两本教材可以归于唯有两本教材可以归于Ashcroft系列系列 清华大学 顾秉林 清华大学 顾秉林 1989年第一版 未再版和重印年第一版 未再版和重印 北京大学 阎守胜 北京大学 阎守胜 2000年第一版 年第一版 2004第二版 修改主要在第二部分 第二版 修改主要在第二部分 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 23 国内参考书的简评和建议国内参考书的简评和建议 固体物理基础固体物理基础 阎守胜编著 北京大学出版社 阎守胜编著 北京大学出版社 属属Ashcroft系列 系列 讲课顺序基本按该书编排讲课顺序基本按该书编排 固体物理学固体物理学 黄昆原著 韩汝琦改编 高等教 育出版社 黄昆原著 韩汝琦改编 高等教 育出版社 属属Kittel系列 善于自学的可选 经典内容很全 但 由于出版早 新近发展缺 系列 善于自学的可选 经典内容很全 但 由于出版早 新近发展缺 固体物理学固体物理学 上册 上册 方俊鑫 陆栋编著 上 海科学技术出版社 方俊鑫 陆栋编著 上 海科学技术出版社 属属Kittel系列 善于自学的可选 将要讲解的主干内 容都已经包含 但由于出版早 新近发展缺 系列 善于自学的可选 将要讲解的主干内 容都已经包含 但由于出版早 新近发展缺 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 24 有版权的国外参考书的简评和建议有版权的国外参考书的简评和建议 Solid State Physics by N W Ashcroft and N D Mermin 世界图书出版公司影印 世界图书出版公司影印 美国多数大学的研究生教材 美国多数大学的研究生教材 1976年出版后未更 新 新近发展缺 年出版后未更 新 新近发展缺 影印版也很贵 但将去美国求学的可选影印版也很贵 但将去美国求学的可选 Introduction to Solid State Physics by C Kittel 化学工业出版社 化学工业出版社 第第8版有中文版 第版有中文版 第5版也有中文版版也有中文版 用简单物理讲解是其特色用简单物理讲解是其特色 避免使用量子和统 计 避免使用量子和统 计 无奈之举 与美国大学本科生的基础相适应无奈之举 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 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 未涉及金属电导论因此 未涉及金属电导论 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 25 4 课程内容简单介绍 主干 课程内容简单介绍 主干 专题专题 一部分是固体物理的主干内容一部分是固体物理的主干内容 已经有定论的概念 定律 要求掌握已经有定论的概念 定律 要求掌握 理解理论的主要框架 知道解决问题的关键理解理论的主要框架 知道解决问题的关键 另一部分属于前沿热点专题的入门导读 为何 有 另一部分属于前沿热点专题的入门导读 为何 有 没有必要准备好所有的知识 实际上也做不到没有必要准备好所有的知识 实际上也做不到 把一些深入的 较新的 拓展的和应用的内容把一些深入的 较新的 拓展的和应用的内容 作专题的入门导读作专题的入门导读 能够用学到的知识处理实际问题能够用学到的知识处理实际问题 这部分内容穿插着讲解这部分内容穿插着讲解 看预备知识是否够用看预备知识是否够用 即以能够接受和理解为原则选择 不贪多求全即以能够接受和理解为原则选择 不贪多求全 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 26 围绕着金属电导演绎固体物理学围绕着金属电导演绎固体物理学 近似模型 近似规律 修正模型 螺旋上升近似模型 近似规律 修正模型 螺旋上升 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 27 围绕电导的逻辑关系 阎守胜教材 围绕电导的逻辑关系 阎守胜教材 第第1章 粗糙模型 金属电子气章 粗糙模型 金属电子气 电子电子 原子间无作用原子间无作用 无法显示各向异性 第 无法显示各向异性 第2章 修正 引入原子排列结构 周期排列 含第 章 修正 引入原子排列结构 周期排列 含第7章 晶体结合 另类观点 第 章 晶体结合 另类观点 第3 4章 周期结构中电子运动 结果导致零电阻 第 章 周期结构中电子运动 结果导致零电阻 第5章 再修正 原子振动致周期性破缺 声子 第 章 再修正 原子振动致周期性破缺 声子 第6章 修成正果 电子受声子作用产生电阻 得到与实验符合的金属电导 第 章 修成正果 电子受声子作用产生电阻 得到与实验符合的金属电导 第8章 再修正 当周期性结构存在其他破缺章 再修正 当周期性结构存在其他破缺 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 28 专题的目的和出现位置专题的目的和出现位置 1 前言前言 第一章 金属自由电子气体模型第一章 金属自由电子气体模型 2 金属自由电子气的金属自由电子气的Drude模型模型 3 金属自由电子气的金属自由电子气的Sommerfeld模型模型 4 金属自由电子气的其他性质金属自由电子气的其他性质 5 金属自由电子气模型的局限及修正金属自由电子气模型的局限及修正 6 专题一 整数和分数量子霍尔效应专题一 整数和分数量子霍尔效应 11 1 2 主题 空间限制 极限条件引入的物理现象 内容 二维电子气 主题 空间限制 极限条件引入的物理现象 内容 二维电子气 整数整数 超流 超流 分数分数 着重图象 着重图象 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 29 第二章 晶体的结构第二章 晶体的结构 7 晶格和原胞 带芯 晶格和原胞 带芯 8 密堆积 晶面和晶体对称性密堆积 晶面和晶体对称性 9 倒格子和晶体散射理论倒格子和晶体散射理论 10 晶体结构的实验方法晶体结构的实验方法 11 固体结合固体结合 第七章第七章 轨道物理学的观点轨道物理学的观点 12 专题二 单电子近似专题二 单电子近似 局域密度泛函理论局域密度泛函理论 12 1 主题 能带论基础 引入新观念带来物理问题的 简化 内容 密度作为一个物理量的来研究多体问题 而不是一个个电子 观念改变引入物理革命 主题 能带论基础 引入新观念带来物理问题的 简化 内容 密度作为一个物理量的来研究多体问题 而不是一个个电子 观念改变引入物理革命 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 30 第三章 能带论第三章 能带论I 13 Bloch定理和能带概念定理和能带概念 14 金属 绝缘体和半导体金属 绝缘体和半导体 15 近自由电子近似近自由电子近似 16 紧束缚近似紧束缚近似 17 专题三 固体磁性专题三 固体磁性 固体中很重要的一个方面固体中很重要的一个方面 主题 电子主题 电子 电子交换相互作用 内容 电子 电子交换相互作用 内容 电子 电子交换作用引入的新现象电子交换作用引入的新现象 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 31 第四章 能带论第四章 能带论II 18 Bloch电子动力学电子动力学 19 费米面和实验测量费米面和实验测量 20 解读能带 能带结构的实验测量解读能带 能带结构的实验测量 21 专题四 金属专题四 金属 绝缘体相变绝缘体相变 12 3 2 主题 能带论局限 内容 介绍一个固体物理中重要的 非常困难的 领域 主题 能带论局限 内容 介绍一个固体物理中重要的 非常困难的 领域 多体问题 强关联多体问题 强关联 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 32 第五章 晶格振动第五章 晶格振动 22 晶格振动的经典理论晶格振动的经典理论 23 晶格振动的理论量子晶格振动的理论量子 24 晶体热力学性质晶体热力学性质 25 晶格振动谱的实验测量晶格振动谱的实验测量 26 晶体的热传导晶体的热传导 非简谐效应非简谐效应 27 专题五 超导电性 主题 电子关联相互作用 内容 电子关联相互作用引入的新现象 专题五 超导电性 主题 电子关联相互作用 内容 电子关联相互作用引入的新现象 http 10 107 0 68 jgche 前言前言 33 第六章 输运现象第六章 输运现象 28 输运理论输运理论 Boltzmann方程方程 29 热传导 热电现象热传导 热电现象 30 Hall系数 巨磁阻系数 巨磁阻 专题 量子输运 主题 量子弹道输运引发的新现象 内容 电子器件越来越小 很快将超出极限 这 套输运理论将不再适用 将出现有一些新的规 律 还在探索中 实验非常困难 据说是 专题 量子输运 主题 量子弹道输运引发的新现象 内容 电子器件越来越小 很快将超出极限 这 套输运理论将不再适用 将出现有一些新的规 律 还在探索中 实验非常困难 据说是20年 后所需要考虑的 该领域现状 年 后所需要考虑的 该领域现状 45纳米技术已经在使用 纳米技术已经在使用 32纳米 技术也已经准备就绪 半导体技术发展线路图 纳米 技术也已经准备就绪 半导体技术发