固体物理学的研究对象.PPT

绪论：固体物理的昨天和今天 0.1 固体物理的研究对象 0.2 固体物理的发展历程 0.3 固体物理的研究方法 0.4 固体物理的相关教材 主要回答：什么是固体物理学？ 如何学习固体物理学？  GMR TMR * 0.1 固体物理学的研究对象 固体物理学是研究固态物质物理性质的学科。 与普通物理不同，它的重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去阐明和理解固体的宏观性质。解释形成这些性质的原因，从而找出控制、利用、改善这些性质的方法。 例如：普通物理使我们知道了欧姆定律，固体物理将说明固体电阻的来源并从理论上推导出欧姆定律，分析出不同固体导电性能不同的原因。 固体物理研究的不是单个原子的性质，而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质。 固体是由大量原子和分子组成的。 “More is different”----P. W. Anderson 固体的性质虽然也和组成固体的原子、分子种类有关，但更主要的是和这些原子采用什么方式结合在一起 ，他们的空间排列方式、相互作用力类型，特别是和原子形成固体后其价电子的运动状态有关。 例如：性质完全不同的无定形碳、石墨和金刚石都是由相同的碳原子组成的，是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。 因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质。 巴丁(J.Bardeen)说： 固体物理学依据物质的电子结构和原子结构来了解固体的各种性质。 自然界中的固体，按其构成原子空间排列的特点大致可以分为晶体和非晶体。 固体物理的研究首先是从晶体开始的： 1. 在自然界的矿物中，晶态物质占到98％以上，人类最早研究和使用的材料也大都是晶态物质，是各类晶态物质特有的性质引起了研究兴趣和开发利用。 2. 晶态物质原子排列的周期性使的固体理论得以顺利进行，如今已经成熟并获得巨大成功的固体理论只是建立在对晶体研究的基础上。严格说来应该叫做晶体物理学。但基于上述原因，过去很长一段时间里，人们把“固体”与“晶体”看成同义词，并不区别它们间的差别，所以早期Kittel说：固体物理研究 晶体和晶体中的电子。 固体物理和四大力学也不同，后者分别研究物质特定的运动形态，研究对象是理想条件下的特定运动的规律，如理论力学研究物体的机械运动等，固体物理则不同，它研究的对象是一类物质——固体，它既是力学系统、又是热学系统和电磁系统，而组成固体的微观粒子又必须服从量子力学规律，所以固体物理是一门综合科学，需要我们综合运用各种理论工具，从不同角度、不同侧面去研究实际固体的各种运动形态，从而全面地解释固体的各种性质，所以四大力学都是固体物理的理论基础课。 0.2 固体物理学的发展历程 固体物理学作为一门近代科学始于20世纪初，虽然晶体学的研究有着悠久的历史，19世纪末就已经建立起了完整的对称性理论，但只是在1912年Laue发现了晶体的X射线衍射现象后，晶体结构的研究才得以证实，并从此具备了实验研究固体微观结构的条件。 20世纪初量子论，特别是量子力学的逐步建立使正确解释已经发现的关于固体性质的规律成为可能。 自此之后的几十年是创立固体理论的辉煌时期： Einstein 1907 和Debye 1912,建立了固体比热的量子理论，解释了低温比热为什么低于Doulong-Petit 值。 Born和Karman 1912首次采用周期性边界条件处理了三维晶格振动问题，建立了晶格动力学理论。 Sommerfeld 1928 采用Fermi统计，用量子论的观点修正了经典电子论。 Bloch 1928 近似求解周期势场中的Schodiger方程，引入了能带的概念。Wilson 1931利用能带观点解释了半导体的导电现象，提出了空穴的概念。Brillouin , Seitz, Slater等人相继进行研究，从而逐步完善了能带论。 与此同时，Heisenberg, Wigner, Mott, 朗道，夫伦克尔，佩尔斯，肖特基，范弗莱克等当时一流的理论物理学家都曾投入到固体理论的研究中并取得了丰富的成果。 赛兹1940年出版的《现代固体理论》一书,标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论的第一个范式