《固體物理學》教學大綱

第頁《固體物理學》教學大綱課程編號：10140108英文名稱：SolidStatePhysics學分：3學時：總學時48學時，其中理論48學時先修課程：普通物理、熱力學與統(tǒng)計物理、量子力學課程類別：專業(yè)必修課程授課對象：物理學專業(yè)學生教學單位：數(shù)理信息學院修讀學期：第6學期課程描述和目標本課程是物理學專業(yè)一門重要的專業(yè)平臺課程。只要研究固體的結(jié)構(gòu)及組成粒子之間的相互作用與運動規(guī)律，闡明固體的性能和用途。通過整個教學過程，使學生理解晶體結(jié)構(gòu)的基本描述，晶格聲子及固體電子理論，掌握周期性結(jié)構(gòu)的固體材料的常規(guī)性質(zhì)和研究方法，了解固體物理領(lǐng)域的一些新進展。能夠熟練掌握基本的物理方法，并具有綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力。本課程擬達到的課程目標:課程目標1：培養(yǎng)學生運用辯證唯物主義和歷史唯物主義的立場、觀點和方法分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)愛國情懷及科學創(chuàng)新精神。課程目標2：使學生理解晶體結(jié)構(gòu)的基本描述：原胞、晶胞、布拉伐格子、晶向、晶面指數(shù)系統(tǒng)、倒易點陣、布里淵區(qū)等。課程目標3：掌握晶體結(jié)合的基本類型：分子晶體、共價晶體、金屬晶體、氫鍵晶體、離子晶體。課程目標4：掌握晶格振動理論：理解晶格振動的量子化，理解比較抽象的晶格振動的元激發(fā)“聲子”的概念，掌握晶格熱容量的量子理論，理解晶格振動對晶體熱學性質(zhì)的影響。課程目標5：掌握固體電子理論，掌握周期性結(jié)構(gòu)的固體材料的常規(guī)性質(zhì)和研究方法，了解固體物理領(lǐng)域的一些新進展。課程目標6：掌握物理學的科學思維與研究方法，具有綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力。課程目標7：培養(yǎng)學生實事求是，進行觀察、實驗、探索、猜想等合情推理及科學發(fā)現(xiàn)的能力。課程目標8：培養(yǎng)學生自覺學習、自主創(chuàng)新的能力。二、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標權(quán)重指標點1-1.具有嚴謹治學、艱苦奮斗、求真務實的精神和熱愛勞動、遵紀守法、自律謙讓、團結(jié)合作的品質(zhì)。指標點11-1.具備求實、求真的精神和創(chuàng)新意識。課程目標10.3課程目標70.3課程目標80.4指標點2-1.具有創(chuàng)新精神，了解創(chuàng)新是科技和社會經(jīng)濟發(fā)展的第一動力課程目標10.5課程目標80.5指標點3-1.有一定的文學修養(yǎng)；初步掌握唯物辯證法，能從哲學的角度看待世界、分析問題；有較系統(tǒng)的法律知識和初步的社會學知識；了解世界科技史。課程目標11指標點5-1.系統(tǒng)地掌握物理學的基本理論、基本知識、基本實驗方法和技能，具有基礎(chǔ)扎實、適應性強的特點和自學新知識、新技術(shù)的能力；掌握材料物理基本理論和應用基本理論和應用知識能力。課程目標20.25課程目標30.25課程目標40.25課程目標50.25指標點5-3.掌握材料物理基本理論和應用基本理論和應用知識能力。指標點11-2.掌握物理學的科學思維與研究方法；有較強的邏輯思維能力和辯證思維能力；能綜合分析和解決實際的科學技術(shù)問題。課程目標20.2課程目標30.2課程目標40.2課程目標50.2課程目標60.2三、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配序號教學內(nèi)容基本要求學時教學方式對應課程目標1晶體結(jié)構(gòu)教學內(nèi)容：原子的周期性排列；晶向和晶面；晶格的基本類型。自主學習：幾種簡單晶體結(jié)構(gòu)類型了解非晶態(tài)、準晶態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)測定，掌握晶體的構(gòu)成要素、原胞的基本概念及其選取方法；理解晶格的對稱性及布拉伐格子，掌握晶格的基本類型；掌握晶向、晶面指數(shù)系統(tǒng)。6集中授課、小組討論課程目標1、2、6、7、82晶體衍射和倒易點陣教學內(nèi)容：倒格子空間的引入；倒易點陣；布里淵區(qū)。自主學習：原子散射因子和幾何結(jié)構(gòu)因子理解倒格子空間；掌握布里淵區(qū)的定義及其選取方法；理解晶體衍射原理；理解原子散射因子和幾何結(jié)構(gòu)因子對衍射強度的影響規(guī)律。4集中授課、小組討論課程目標1、2、6、7、83晶體結(jié)合教學內(nèi)容：晶體結(jié)合的基本類型，結(jié)合力的一般性質(zhì)，范德瓦爾斯結(jié)合，離子晶體的結(jié)合能。自主學習：共價結(jié)合；金屬性結(jié)合；氫鍵結(jié)合。掌握范德瓦爾斯結(jié)合的本質(zhì)，會推導倫納德-瓊斯勢；掌握馬德隆能，能計算一維單離子鏈的馬德隆常數(shù)，會推導離子晶體的結(jié)合能；了解共價結(jié)合的相關(guān)特性；了解金屬性結(jié)合的相關(guān)特性；了解氫鍵結(jié)合的相關(guān)特性。6集中授課、小組討論課程目標1、3、6、7、84聲子I教學內(nèi)容：簡諧近似；一維原子鏈的振動；聲學波和光學波；晶格振動的量子化。自主學習：聲子引起的非彈性散射理解簡諧近似的合理性；掌握一維單原子鏈和一維雙原子鏈的振動特性及色散關(guān)系；掌握聲學波和光學波各自的物理特性；理解晶格振動的量子化，理解比較抽象的晶格振動的元激發(fā)“聲子”的概念。7集中授課、小組討論課程目標1、4、6、7、85聲子II教學內(nèi)容：比熱的量子理論；晶格狀態(tài)方程；晶格熱傳導；晶格熱膨脹。自主學習：非理想晶格的情況了解比熱的經(jīng)典理論，掌握比熱量子理論的愛因斯坦模型和德拜模型；掌握晶格狀態(tài)方程；理解影響晶格熱傳導的各個因素，掌握聲子碰撞的正則過程和倒逆過程；理解晶格熱膨脹為非簡諧效應導致的結(jié)果，能定性解釋晶格熱膨脹。7集中授課、小組討論課程目標1、4、6、7、86自由電子費米氣體教學內(nèi)容：金屬自由電子氣模型；費米-狄拉克分布；費米能；電子比熱；電導率和歐姆定律；金屬的導熱性；在磁場中的運動。自主學習：重費米子掌握一維情況下的能級和軌道密度；掌握費密能的概念；掌握電子比熱的量子理論。通過本章的學習，使學生了解經(jīng)典電子氣理論；了解電子氣的基態(tài)性質(zhì)；理解電子氣的費米能量和熱容量的概念；了解在準經(jīng)典近似下晶體中的電子在均勻外電場中的運動規(guī)律。6集中授課、小組討論課程目標1、5、6、7、87能帶理論教學內(nèi)容：晶體的周期性等效勢；布洛赫函數(shù)；能帶和能隙；克勒尼希-彭尼模型；導體、半導體和絕緣體的能帶論解釋。自主學習：倒易空間的克勒尼希-彭尼模型；空格點近似。通過本章的教學，使學生能夠了解晶體能帶理論的基本假設(shè)和處理問題的基本思路；理解布洛赫定理及其推論的證明，掌握晶體能帶的基本特征；掌握能態(tài)密度的計算方法；掌握能帶理論的近自由電子近似方法及其結(jié)論，了解平面波方法；理解導體、半導體、絕緣體的能帶論解釋。12集中授課、小組討論課程目標1、5、6、7、8合計48四、課程教學方法集中講授、小組討論。五、學業(yè)評價和課程考核考核依據(jù)建議分值考核/評價細則對應課程目標平時成績40%出勤0%每曠課一次扣2分課程目標1、6、8作業(yè)10%共10分，根據(jù)作業(yè)完成情況酌情量分課程目標1、7、8過程性考核10%階段性測驗，根據(jù)測驗情況酌情量分課程目標1、2、3、4、5、6、7、8期中考試20%卷面成績課程目標1、2、3、4、5、6、7、8期末考試60%卷面成績課程目標1、2、3、4、5、6、7、8六、教材與參考書（一）推薦教材1．《固體物理學導論》，[美]基泰爾主編，北京