《凝聚态物理》课程教学大纲

凝聚态物理一、课程介绍凝聚态物理主要从经典物理和量子模型描述了具有周期结构的固体中晶格振动和电子运动规律，特别是弹性性质、热容和电子传输的物理模型，学会理解如何处理多体问题、基态和激发态问题。IntroductionThiscourseexaminesclassicalandquantummodelsofelectronsandlatticevibrationsinsolidswithperiodicstructure,emphasizingphysicalmodelsforelasticproperties,heatcapacity,andelectronictransport,andunderstandinghowtodealwithmany-bodyproblem,groundstateandexcitationstate.课程基本信息课程名称凝聚态物理课程编码431116英文名称AgglomerateStatePhysics课程学时64课程学分4课程类别专业教育课程课程性质必修课开课学期第6学期课内实验学时适用专业材料物理专业开课单位材料科学与工程学院材料科学系选用教材《固体物理基础》.高等教育出版社.吴代鸣主编.主要参考书1.固体物理学.高等教育出版社.黄昆主编.2.固体物理学导论.科学出版社.基特尔主编.3.固体物理学.清华大学出版社.顾秉林主编.二、教学大纲1、教学目的“凝聚态物理”是材料物理专业本科生的一门重要的专业必必修课，旨在揭示各种凝聚态材料的力、热、光、电、磁等性能的物理起源，建立各种材料的宏观性能与微观粒子（电子、原子等）属性及运动规律关系的基础，为深入理解凝聚态材料性能及指导从源头上进行材料设计提供物理基础，同时也为进一步学习凝聚态物理及材料物理专业提供必要的基础，通过本课程的学习，同学们能够对凝聚态物理有一个系统的完整的理解，熟悉和掌握抽象的思维方法和处理问题的方法。“凝聚态物理”课程的主要教学目的是使学生掌握凝聚态物理的基本概念和理论，树立科学的思考方法，培养学生运用学到的理论知识独立处理问题和解决问题的能力，为进一步学习好材料物理专业后续课程打下坚实的基础。2、教学要求按照习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上的指示，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。结合思想政治教育，帮助大学生形成正确的世界观、人生观和价值观，一方面要增强学生的专业自豪感，另一方面要培养学生的“工匠精神”。教师要积极备课，对课程内容要融会贯通，采用多媒体与板书相结合的教学方式。教学过程中要注重培养学生的思维能力，采用理论与实践相结合的方法进行教学；培养学生针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素，建立模型；培养和提高学生的综合能力，注重凝聚态物理领域及与材料交叉领域的新进展。3、预备知识或先修课程要求先修课程：《应具有普通物理学》、《材料科学基础》、《高等数学》、《线性代数》、《原子物理》和《量子力学》。4、教学方式采用多媒体和板书相结合的形式来课堂讲授，通过提问和讨论的形式实现互动。课内外学时比为3:1，每章课外作业3-4题。大纲及教材中部分内容涉及科学前沿，教师可根据专业要求进行辅导把所学内容灵活应用到前沿研究中，不包括在规定学时内。5、实验环境和设备硬件环境：多媒体教室6、课程教学内容及学时分配(*部分是简要介绍）第1章晶体结构（10学时）1.1凝聚态物理的历史及研究对象1.2几种常见的晶体结构1.2.1和的晶体结构1.2.2六方密积结构1.2.3金钢石结构1.2.4闪锌矿结构1.2.5结构1.2.6结构1.2.7钙钛矿结构1.3晶体结构的周期性1.3.1晶体1.3.2基元1.3.3空间点阵1.3.4布拉维基矢和布拉维格子1.3.5晶胞与原胞基矢变换1.4晶面、晶向与密勒指数1.5晶体结构的对称性与晶系1.6倒易空间1.6.1倒格定义1.6.2倒格与正格关系1.6.3布里渊区1.7晶体的X射线衍射1.7.1晶体衍射的基本方法1.7.2X射线衍射方程1.7.3晶体X射线衍射的几种方法1.7.4原子散射因子和几何结构因子第2章晶体的结合（6学时）2.1结合力与结合能的一般性质2.1.1结合力2.1.2结合能2.1.3结合能与晶体几个常量的关系2.2结合力的类型与晶体分类2.2.1离子键与离子晶体2.2.2共价键与共价晶体2.2.3金属键与金属晶体2.2.4分子键与分子晶体2.2.5氢键与氢键晶体2.2.6混合建2.2.7结合力的性质和原子结构的关系2.3离子晶体的结合能 2.4分子晶体的结合能第3章晶格振动（16学时）3.1一维单原子晶格的振动3.1.1构建模型3.1.2运动方程3.1.3简谐近似3.1.4最近邻近似3.1.5周期性边界条件3.1.6色散关系3.1.7长波近似3.2一维双原子晶格的振动3.2.1运动方程及其解3.2.2色散关系(振动频谱)3.2.3声学波和光学波的物理意义3.3三维晶格的振动3.3.1色散关系3.3.2波矢q的取值和范围3.4能量量子化、声子3.4.1能量量子化3.4.2声子3.5确定晶格振动谱的实验方法3.5.1光子的非弹性散射3.5.2X射线和中子的非弹性散射3.6离子晶体中光学波与电磁波的藕合3.6.1离子晶体中的长光学波3.6.2黄昆方程3.6.3介电常数3.6.4极化激元3.7晶格比热3.7.1晶体比热的一般理论3.7.2晶格振动的量子理论3.7.3频率分布函数(模式密度)3.7.4爱因斯坦近似模型3.7.5德拜近似模型3.8晶体振动的非简谐效应3.8.1热膨胀3.8.2热传导3.8.3晶体的状态方程和热膨胀第4章晶体中的缺陷（4学时）4.1晶体缺陷的基本类型4.1.1点缺陷4.1.2线缺陷4.1.3面缺陷4.2热缺陷的统计理论4.2.1热缺陷的数目4.2.2热缺陷的运动、产生和复合4.3晶体中的扩散4.3.1扩散的宏观规律4.3.2扩散的微观机构4.4离子晶体的点缺陷及导电性4.4.1离子晶体的点缺陷4.4.2离子晶体的导电性第5章金属自由电子理论（12学时）5.1特鲁德经典电子气模型5.1.1特鲁德模型的假设5.1.2特鲁德模型的成功与失败5.2索末菲自由电子气模型5.2.1索末菲模型的假设5.2.2薛定谔方程及其解5.2.3波矢空间和能态密度5.3费米-狄拉克统计与电子气的费米能量(基态与激发态)5.3.1费米-狄拉克统计5.3.2费米能级和费米面5.3.3电子气的费米能量5.4自由电子气体的比热5.4.1特鲁德模型5.4.2索末菲模型5.5金属的电导率5.5.1自由电子气的动力学5.5.2电场中电子的运动5.6霍尔效应5.7功函数和接触电势差5.8等离子体振荡5.8.1等离子体振荡频率5.8.2等离激元5.8.3屏蔽效应第6章能带（16学时）6.1能带的近似理论6.1.1绝热近似6.1.2单电子近似6.1.3周期场近似6.2布洛赫定理6.2.1布洛赫定理的证明6.2.2波矢的意义6.2.2波矢的取值和范围6.3能带及其一般性质6.3.1能带6.3.2能带的表示图式6.4一维周期场中电子运动的近自由电子近似6.4.1近自由电子模型6.4.2无简并情况6.4.3有简并情况6.4.4能隙6.5三维周期场中电子运动的近自由电子近似6.5.1方程与微扰计算6.5.2布里渊区与能带6.6紧束缚近似6.6.1紧束缚近似模型6.6.2模型与微扰计算6.6.3原子能级与能带的对应6.7法费米面的构造法6.7.1自由电子费米面6.7.2近自由电子费米