《固體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

《固體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱課程編號：04310124課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課適合專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)先修課程：普通物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理開設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：考試總學(xué)時數(shù)：64-72學(xué)分：4課程教學(xué)目標(biāo)固體物理學(xué)是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、研究組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與規(guī)律、在此基礎(chǔ)上闡明固體宏觀性質(zhì)的學(xué)科。固體的宏觀性質(zhì)決定于固體的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用，不同的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子相互作用，造就了不同的固體宏觀性質(zhì)。固體物理學(xué)是在量子力學(xué)誕生之后，逐步建立和完善起來的一門現(xiàn)代物理學(xué)科；固體物理學(xué)是聯(lián)系微觀與宏觀的學(xué)科，固體物理學(xué)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，新材料和新器件的突破往往導(dǎo)致新的技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的誕生，對工業(yè)乃至人類生活產(chǎn)生重大的影響。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握固體物理學(xué)基礎(chǔ)知識，了解相關(guān)的固體物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)物理、納米科技等知識及其科學(xué)研究的發(fā)展現(xiàn)狀。使學(xué)生建立起晶體內(nèi)原子、電子等微觀粒子運(yùn)動的物理圖象及其有關(guān)模型，掌握晶體內(nèi)微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律及其與晶體宏觀性能的物理聯(lián)系，深刻理解晶體宏觀性能的微觀物理本質(zhì)。在教學(xué)過程中，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神。課程的目的與任務(wù)本課程的目的與任務(wù)是使學(xué)生了解認(rèn)識固體材料的微觀結(jié)構(gòu)、初步掌握研究分析固體物質(zhì)的微觀運(yùn)動規(guī)律、及其與宏觀現(xiàn)象之間聯(lián)系的方法和原理。通過本課程的學(xué)習(xí)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生從微觀層次分析各種固體現(xiàn)象的思維能力，逐步提高學(xué)生運(yùn)用物理學(xué)綜合知識分析問題、解決問題的能力及創(chuàng)新能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程奠定必要的理論基礎(chǔ)。課程教學(xué)的基本要求通過本課程的理論教學(xué)使生能夠運(yùn)用所學(xué)知識對晶體中晶格振動、固體的熱容量、導(dǎo)電性能進(jìn)行分析、解釋。了解一些分析研究固體能帶的模型和理論，掌握研究解決問題的出發(fā)點(diǎn)，思路和技巧，對具體問題的討論中，如何抓住主要因素，簡化其它因素，建立合理模型。會運(yùn)用固體物理學(xué)的理論和方法，計(jì)算一些簡單問題，通過討論加深對問題的理解。實(shí)踐教學(xué)要求為了保證必要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對習(xí)題討論課和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作以下要求：習(xí)題討論課：占總教學(xué)時數(shù)的15%（10學(xué)時）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：15學(xué)時（近代物理實(shí)驗(yàn)，不占教學(xué)內(nèi)課時）。教學(xué)全部采用多媒體方式，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的直觀性，增強(qiáng)教學(xué)效果。教學(xué)學(xué)時分配數(shù)章次各章名稱總學(xué)時學(xué)時分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)課外小計(jì)0緒論

1

1

1一晶體的結(jié)構(gòu)99

9二固體的結(jié)合66

6三晶格振動與晶體的熱學(xué)性質(zhì)161616四能帶理論121212五晶體中電子在電場和磁場中的運(yùn)動121212六金屬電子論888復(fù)習(xí)和習(xí)題課0-80-80-8總計(jì)64-7264-72

64-72大綱內(nèi)容固體物理學(xué)涉及較廣泛的知識面，其主要內(nèi)容包括三部分：晶格理論、固體的電子理論和專題描述。前兩部分是基礎(chǔ)，其中晶格理論包括:晶體的基本結(jié)構(gòu)、晶體中原子間的結(jié)合力和晶體的結(jié)合類型、晶格的熱振動及熱容理論。固體電子論包括:固體中電子的能帶理論;金屬中自由電子理論和電子的輸運(yùn)性質(zhì)。具體教學(xué)內(nèi)容和要求如下：第一章晶體的結(jié)構(gòu)教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解晶格的幾何描述,掌握一些晶格的實(shí)例及其構(gòu)成方式。達(dá)到對晶體結(jié)構(gòu)及其周期性有較清晰的認(rèn)識，能應(yīng)用固體中原子排列的形式，研究固體材料的宏觀性質(zhì)和各種微觀過程。教學(xué)內(nèi)容：簡單晶體的結(jié)構(gòu)和描述方法，晶格的空間點(diǎn)陣、晶格基矢的表達(dá)，分析晶體結(jié)構(gòu)常用的概念：布喇菲格子、原胞、晶面、晶向、正格子和到格子，以及正格點(diǎn)陣和倒易點(diǎn)陣的關(guān)系。教學(xué)提示：晶體結(jié)構(gòu)是固體物理的基礎(chǔ)，要求學(xué)生能較好地掌握，充分發(fā)揮晶體結(jié)構(gòu)動畫的多媒體效果，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。教學(xué)重點(diǎn)：晶格的周期性、宏觀對稱性、倒格子等概念和應(yīng)用它們對晶格進(jìn)行分類。教學(xué)難點(diǎn)：倒格子概念、應(yīng)用群理論描述晶格的對稱性。學(xué)法指導(dǎo)：需要空間直觀想象力；理論和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合。倒易點(diǎn)陣的的理解：從數(shù)學(xué)上講,倒易點(diǎn)陣和Bravais點(diǎn)陣互相是對應(yīng)的傅里葉空間。聯(lián)系量子力學(xué)，倒易空間就是定義在晶格上的波的波矢的空間。第二章固體的結(jié)合教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解原子依靠怎樣的相互作用結(jié)合成固體的。掌握固體結(jié)合的四種基本形式：離子結(jié)合、共價結(jié)合、金屬結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合與結(jié)合性質(zhì)。了解晶體的結(jié)合能。達(dá)到能運(yùn)用固體結(jié)合的基本理論去研究固體材料的性質(zhì)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容：晶體的結(jié)合類型，互作用力和互作用勢能，結(jié)合力的性質(zhì)，離子晶體和離子晶體結(jié)合能，原子晶體的結(jié)合，非極性分子晶體的結(jié)合能，離子半徑，晶體的彈性模量。教學(xué)提示：本章與“晶體結(jié)構(gòu)”部分的內(nèi)容結(jié)合緊密，能夠根據(jù)原子負(fù)電性和原子半徑的差異解釋晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是這兩部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的目的。教學(xué)重點(diǎn)：晶體的結(jié)合類型，互作用力和互作用勢能，結(jié)合力的性質(zhì)，離子晶體和離子晶體結(jié)合能，原子晶體的結(jié)合，非極性分子晶體的結(jié)合能，元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性。教學(xué)難點(diǎn)：共價結(jié)合、共價鍵。學(xué)法指導(dǎo)：共價鍵本質(zhì)上只能由量子力學(xué)解釋。在共價晶體中,原子之間無電子轉(zhuǎn)移,但是晶體中每個原子的價電子的空間幾率分布與孤立的單個原子不同。如碳原子有四個價電子.碳的兩個2s電子與兩個2p電子混合，形成四個互夾約度角的電子軌道（雜化--hybridorbital）。每個雜化軌道上只有一個電子，正好與相鄰原子的某一個雜化軌道提供的一個電子共享，形成一個新的包含兩個電子的共用軌道,這種共用雙電子軌道就是共價鍵。第三章晶格振動與晶體的熱學(xué)性質(zhì)教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解晶格振動的主要特點(diǎn)及研究晶格振動的意義，掌握一些晶格振動的結(jié)論，能應(yīng)用晶格簡諧振動理論解釋固體熱容量、應(yīng)用晶格非簡諧振動理論解釋固體電導(dǎo)、熱傳導(dǎo)、熱膨脹等輸運(yùn)性質(zhì)，能解決離子晶體等紅外吸收以及各種輻射與晶體的相互作用的過程問題。教學(xué)內(nèi)容：一維原子鏈的振動，晶格振動的量子化，光學(xué)波，聲學(xué)波，聲子，固體比熱的量子理論，固體比熱的德拜模型與愛因斯坦模型，非簡諧效應(yīng)。教學(xué)提示：晶格振動理論是固體物理學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容之一，通過本章的學(xué)習(xí)可以從原子級的角度加深對晶體熱學(xué)性質(zhì)的理解。教學(xué)重點(diǎn)：晶格振動理論，格波、聲子等概念，格波能量量子化原理，固體熱容量子理論的應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：格波的理解與意義。學(xué)法指導(dǎo)：以量子力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，解決晶格振動量子化問題、導(dǎo)出愛因斯坦熱容模型、德拜熱容模型。用晶格狀態(tài)方程解釋熱膨脹現(xiàn)象。第四章能帶理論教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解在周期晶格勢場中運(yùn)動電子的波函數(shù)及能級分布的基本特點(diǎn)。掌握一維周期場中電子運(yùn)動的近自由電子近似處理方法：近自由近似和緊束縛近似方法。應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容能夠進(jìn)行簡單能帶的計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：布洛赫定理，一維周期場中電子的近自由電子模型，緊束縛近似，能帶理論中的幾個重要概念：布里淵區(qū)，簡約布里淵區(qū)，能態(tài)密度，能帶論的緊束縛計(jì)算方法，用布里淵區(qū)來描述能帶，與關(guān)系的三種圖式。教學(xué)提示：能帶論部分要用到量子力學(xué)的知識，學(xué)生會感覺比較困難，因此這部分內(nèi)容在講課前需把相關(guān)的量子力學(xué)的內(nèi)容加以復(fù)習(xí)，把模型建立交待清楚。由于這部分內(nèi)容主要是理論推導(dǎo)，所以用黑板講授效果會更好。教學(xué)重點(diǎn)：固體的能帶理論，理解掌握布洛赫定理的意義和應(yīng)用，能帶理論中的幾個重要概念：布里淵區(qū)，簡約布里淵區(qū)，態(tài)密度，費(fèi)米面等，一維周期場中電子運(yùn)動的近自由電子近似處理方法的的運(yùn)用。與關(guān)系的三種圖式。教學(xué)難點(diǎn)：布洛赫函數(shù)及其物理意義,用布里淵區(qū)描述能帶。學(xué)法指導(dǎo)：讓學(xué)生學(xué)習(xí)用量子力學(xué)的知識來解決固體物理的具體問題。第五章晶體中電子在電場和磁場中的運(yùn)動教學(xué)目的與基本要求：從能帶理論出發(fā)，理解晶體中電子在電場和磁場中的運(yùn)動，晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動理論，了解晶體中有關(guān)電子的輸運(yùn)過程問題，了解固體物質(zhì)的導(dǎo)電行為。掌握導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)，掌握電子有效質(zhì)量、空穴、導(dǎo)帶、價帶等概念。教學(xué)內(nèi)容：晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動理論，電子在周期場中運(yùn)動的速度與加速度，在恒定電場作用下晶體電子的運(yùn)動，波包，有效質(zhì)量，空穴等概念的理解，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶論解釋。教學(xué)提示：本章內(nèi)容是能帶理論的重要組成部分，也是后續(xù)專業(yè)課程的必備基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)：晶體電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)。有效質(zhì)量、空穴、導(dǎo)帶、價帶等概念。教學(xué)難點(diǎn)：晶體中電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動的理解，有效質(zhì)量的理解。學(xué)法指導(dǎo)：在本章學(xué)習(xí)中，以簡單立方晶體為例，來加以對照、詮釋。第六章金屬電子論教學(xué)目的與基本要求：要求學(xué)生了解用自由電子費(fèi)米氣體模型解釋電子比熱、金屬的電流、金屬熱電子發(fā)射的功函數(shù)、接觸電勢差等性質(zhì)，金屬中電子輸運(yùn)過程的一些基本概念和理論方法。掌握金屬電子的量子理論，費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和熱容量，了解這些理論在某些平衡問題和非平衡問題中的應(yīng)用。理解費(fèi)米面概念等。能夠計(jì)算在動量和能量標(biāo)度下的態(tài)密度，金屬的熱容量。教學(xué)內(nèi)容：電子氣的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，費(fèi)米分布函數(shù)，費(fèi)米面概念，金屬電子的量子理論，費(fèi)米能量，金屬中電子氣的熱容量，功函數(shù)和接觸勢差。教學(xué)提示：通過Drude對金屬自由電子氣的物理性質(zhì)所做的幾個簡化假設(shè)來闡明費(fèi)米分布及費(fèi)米面概念。忽略電子-電子相互作用。除了碰撞以外，忽略電子-離子相互作用。電子和離子的碰撞是瞬時的，電子的速度被突然改變。碰撞后的電子速度只與溫度有關(guān)而與碰撞前的速度無關(guān),電子的動能等于。兩次碰撞之間的平均時間間隔為,稱為馳豫時間。不依賴于電子的位置與速度(依賴于晶體結(jié)構(gòu))。教學(xué)重點(diǎn)：金屬電子的量子理論：費(fèi)米分布函數(shù)、費(fèi)米面概念；電子的能態(tài)密度、費(fèi)米能及計(jì)算；電子氣的熱容量的計(jì)算。掌握功函數(shù)和接觸電勢及計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：費(fèi)米分布函數(shù)、費(fèi)米面概念；電子的能態(tài)密度、費(fèi)米能及計(jì)算；電子氣的熱容量的計(jì)算。學(xué)法指導(dǎo)：要明白本章討論的理論基礎(chǔ)是金屬自由電子氣模型。金屬自由電子氣模型主要是三個基本假設(shè)：自由電子近似：忽略電子與離子實(shí)間相互作用獨(dú)立電子近似：忽略電子與電子間相互作用馳豫時間近似：討論輸運(yùn)現(xiàn)象時引入課程有關(guān)說明按照信陽師范學(xué)院教務(wù)處關(guān)于修訂本科課程教學(xué)大綱的指導(dǎo)意見，根據(jù)人才培養(yǎng)計(jì)劃與培養(yǎng)目標(biāo)相統(tǒng)一、科學(xué)性與先進(jìn)性相統(tǒng)一、系統(tǒng)性與適應(yīng)性相結(jié)合、理論教學(xué)與能力相統(tǒng)一的基本原則，特修訂本大綱。固體物理是半導(dǎo)體物理、材料物理、固態(tài)電子器件等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)固體物理又要求學(xué)生已較好地掌握了大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的知識。固體物理課程宜安排在普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué)等課程結(jié)束后進(jìn)行講授。教學(xué)方式以課堂講授為主，采用多媒體電子教案，配合專題講座、調(diào)研、討論會等多種輔助教學(xué)形式。主要教學(xué)方法與媒體要求主要教學(xué)方法本課程采取以課堂講授為主，運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)、課堂討論、研究性教學(xué)、師生互動等形式，精講多練。教學(xué)過程中充分利用現(xiàn)有的演示、掛圖、多媒體技術(shù)等形象化教學(xué)手段，以提高教學(xué)效果。通過課后布置適量思考題、練習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，使學(xué)生深入理解基本原理和概念，提高分析和解決問題的能力。媒體要求多媒體教室。使用教材及主要參考書[1]黃昆，韓汝琦，固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.[2]JohnWiley、Sons.IntroductiontoSolidStatePhysics，[M].CHARLESKITTEL,SeventhEdition，2006.[3]陸棟蔣平，固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011年1月.[4]方俊鑫，陸棟，固體物理學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002.[５]李延齡，呂華平，固體物理學(xué)習(xí)題解答[M].北京：高等教育出版社，2012年1月.[6]閻守勝，固體物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.[７]王矜奉，固體物理教程[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2010年10月.[８]謝希德，陸棟，固體能帶理論[M].上海:復(fù)