《固体物理》课程教学大纲

1、固体物理Solid State Physics一、课程基本情况课程类别：专业主干课程课程学分：4 学分课程总学时：64学时，其中讲课：64学时课程性质：必修开课学期：第6学期先修课程：普通物理、量子力学I适用专业：物理学、应用物理学及相关专业本科生教 材：固体物理学，高教出版社第1版，黄昆 原著、韩汝琦改编，1988年。开课单位：物理与光电工程学院二、课程性质、教学目标和任务课程的教学目标是：在大学物理、量子力学、高等数学的基础上，学习和理解物理学基本研究方法如还原论、层展论的特点，理解和掌握实验发现、理论洞见、实际应用三者间的辩证关系，深刻认识固体物理范式“周期结构中波的传播”的物理内涵，努

2、力培养学生的科学素质和科学精神，通过对固体物理学的基本概念和基本规律的学习或研究，理解或领悟科学研究方法，学会应用固体物理学理论分析和处理问题的手段和思路，培养创新意识和创新精神，为学生的进一步学习和就业打好良好基础。课程的任务是：理解固体物理的基本概念和基本规律，如晶体结构，固体的分类和结合，晶格振动与晶体的热学性质，能带理论，晶体中电子在电场和磁场中的运动，金属电子论基础等基本内容；介绍与固体物理紧密相关的金属电导理论，半导体晶体，超导电性、纳米科学与技术等领域在物质结构、相变和性能的广泛应用的现状和前景，既重视基础，重视技能训练，又尽可能地涉及学科发展的前沿和应用，真正使学生思维方式、思

3、维习惯有所改变，创新意识或创新能力有所提高。三、教学内容和要求第1章 绪论（2学时）（1）了解固体物理学的研究内容；（2）了解固体物理学的发展历史和研究方法。第2章 晶体结构（9学时）2.1 晶格 原胞 布拉菲格子 （3学时)（1）了解简立方、体心立方、面心立方、六角密堆、金钢石、复式格式等；理解晶格的周期、晶体对称性类型；（2）掌握原胞、布拉菲格子；重点：原胞，布拉菲格子；难点：周期性。2.2 晶向晶面指数（2学时）（1）掌握晶向、晶面指数的表示方法；重点：晶向、晶面指数。2.3 倒格矢(2学时)（1）掌握倒格矢的定义及求解；（2）掌握倒格矢与正格矢关系；（3）掌握晶面间距的求解方法；重点：

4、倒格矢定义；难点：倒格矢与对应的晶面垂直。2.4晶体的对称性X射线衍射 (2学时)（1）了解X射线衍射分析晶体结构的方法；（2）了解晶体周期性的基本特征和几种常见的晶体结构、晶系；（3）理解晶格的周期、晶体对称性类型；重点：晶格对称性；难点：X射线衍射。第3章 固体的结合（5学时）3.1 离子键(2学时)（1）了解马德隆常数的简单运算；（2）理解和掌握离子性结合、结合能、体变模量、势能函数；（3）掌握其结合能、体变模量研究方法；重点：离子键结合；难点：体变模量；3.2共价键(2学时)（1）理解共价性结合概念、基本特征、成键态、反键态；（2）理解解轨道杂化含义、极化率、偶极矩；（3）理解负电性、

5、亲合能、电离能。重点：共价键；难点：杂化轨道，负电性。3.4 金属键范德瓦耳斯（1学时）（1）理解金属性结合、电子共有化的概念；（2）理解范德瓦耳斯结合的概念；重点：共有化电子。第4章 晶格振动与晶体的热学性质（16学时）4.1 简正坐标(1学时)（1）了解简正坐标；（2）了解简正坐标的动能、势能表示；4.2 一维单原子链（3学时）（1）掌握一维单原子链中格式的求解方法；（2）掌握格波和声子；（3）掌握长波极限和短波极限的色散和振动特征；重点：格波的求解；难点：声子。4.3 一维双原子链(3学时)（1）理解一维双原子链的求解思路；（2）理解声学支、光学支的色散关系和振动特征；重点：声学支和光学

6、支特征；难点：双原子链格波求解。4.4 三维晶格的格波（2学时）（1）了解三维晶格的振动的规律；（2）了解三维晶格振动格波数、模波与纵波；（3）初步了解布里渊区；4.5 晶格热容（3学时）（1）了解晶格的热传导、热膨胀和状态方程；（2）掌握爱因斯坦模型固体比热容；（3）掌握德拜模型解释固体比热容；重点：比热容计算；难点：德拜模型。4.6 振动模型式密度（3学时）（1）理解模式密度函数含义；（2）掌握模式密度函数计算；重点：模式密度计算；难点：模式密度概念。4.7 振动谱的实验方法(1学时)（1）了解确定振动谱的实验方法；第5章 能带理论（16课时）5.1 晶体中的电子布洛赫定理 （3学时）（1

7、）了解晶体中载流子运动方程的几步近似；（2）理解布洛赫定理的证明过程；（3）掌握布洛赫定理及其应用；重点：布洛赫定理；难点：布洛赫定理的证明。5.2 近自由电子近似（4学时）（1）了解三维周期场中电子运动的近自由电子近似；（2）理解近自由电子近似的处理图像；（3）理解非简并微扰下的能级与状态；（4）理解用简并微扰法得出的计算公式； （5）理解能带的劈裂，能隙；（6）掌握简约波矢；（7）掌握布里渊区；重点：简并微扰、能带、能隙、简约波矢、波里渊区；难点：能带、简约波矢。5.3 紧束缚近似（5学时)（1）理解紧束缚近似的图像；（2）理解能带相近的多带紧束缚近似；（3）理解复式晶格中紧束缚近似方法的

8、应用；（4）掌握单原子能级状态对应的紧束缚近似及运算；（5）掌握在简单晶格中紧束缚近似能带的应用并分析；重点：紧束缚近似，能级与能带；难点：多带系统中的紧束缚近似。5.5 费米面（4学时）（1）掌握能态密度（2）掌握费米面、费米能级、费米波矢等；重点：能态密度和费米面；难点：能态密度。第6章 晶体中电子在电场和磁场中的运动 （10课时）6.1 准经典运动（2学时）（1）理解晶体中电子准经典运动；（2）理解波包；（3）掌握准动量、加速度和有效质量；重点：准动量、有效质量；难点：有效质量。6.2 恒定电场下的电子运动（3学时）（1）了解电场下电子在实空间的运动；（2）了解电子在实空间的振荡；（3）

9、理解恒定电场作用下的电子的运动；重点：电子在外场下的运动；难点：外场下电子在实空间的振荡。6.3 导体、绝缘体和半导体的能带解释（2学时）（1）理解空穴；（2）掌握禁带、导带、价带；（3）掌握导体、半导体和绝缘体的能带论解释；重点：能带论解释导电性；难点：空穴。6.4 恒定磁场下的电子运动（3学时）（1）了解德哈斯-范阿尔芬效应；（2）理解在恒定磁场中电子的运动、回旋共振；重点：电子在恒定磁场下的运动规律、回旋共振；难点：回旋共振。第7章 金属电子论（6课时）7.1 费米统计与电子热容（3学时）（1）理解电子的热容量；（2）掌握半导体中电子的费米统计分布；（3）掌握费米分布函数、费米面、费米能

10、级；重点：费米分布函数；难点：有限温下费米能级的确定。7.2 功函数 接触电势 （2学时）（1）理解热电子发射和功函数；（2）理解接触电势差；（3）掌握接触电势差的计算；重点：接触电势差；难点：接触电势差的产生机理。7.3 玻尔兹曼方程 （1学时）（1）了解玻尔兹曼方程方法及其处理对象；（2）理解驰豫时间；（3）理解电导率与碰撞的关系；重点：驰豫时间；难点：电导率与碰撞的关系。四、课程考核（1）作业等：作业：6 次；（2）考核方式：（闭卷考试）（3）总评成绩计算方式：（平时成绩、实验成绩、期中考试成绩和期末考试成绩等综合计算）五、参考书目1.固体物理学（上册），上海科学技术出版社，方俊鑫 陆栋，1980；2.固体物理学习题解答，高等教育出版社，李延龄、吕