复旦大学车静光教授固体物理课件sec01

~jgche/前言1固体物理学~jgche/前言2有关信息•讲课/讨论*车静光办公室：光华楼东主楼2422室电话：65643427Email：[e-mail]主页：~jgche/•作业/讨论*韩晗(email:[e-mail])*孔令尧(email:[e-mail])办公室：光华楼东主楼24楼电梯后面办公室~jgche/前言3~jgche/~jgche/前言4~jgche/前言5关于记忆的统计•24小时后还能记住的内容*听课，~5%；*阅读，~10%*练习，~30%；*备课，~90%~jgche/前言6最后成绩•期未考试占80%•平时作业占20%*按时交：每周四上交，周四后请交辅导老师办公室，光华楼东主楼24楼•注意*当次作业批改完退还后将不再登记该次作业的成绩*补考卷100%，不再计入平时作业成绩*不愿交作业，两周之内交一申请，考试成绩按100%计*建议还是交作业，特别是免听的学生。这个20%可能就决定能否通过~jgche/前言7自编例题（酌情加分）•目的*复习、归纳、总结、记忆的有效手段需要思考、分析所学的内容；同时，也是科学表达（文字和逻辑）方面的一个训练•内容、形式*每章选编一个例题，包括解和分析提倡小题大做：为何选该例题，涉及哪些重要概念，知识要点和解题技巧，等等必要的分析*一个好的例题不一定是难题，但最好要综合性地涵盖所涉及的概念和知识•每章结束后二周内email寄给我*我会作出简单评论，贴出供大家参考。署名听便~jgche/前言8开讲寄语：不抛弃！不放弃！•预备知识：主要是量子和热统初步*也包括力学、电磁学、…，但都只涉及最基本的•讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂*与以前有很大的不同——把一个复杂的研究对象合理地在不同层次进行简化，建立模型，引入新概念，运用已有知识，得到新的规律，再对照实验结果，修改模型，…，这样螺旋地循环上升，一步步接近实际•因此，从上面这两点来说★都站在同一起跑线★~jgche/前言9本讲目的1.由固体研究特点，介绍贯穿课程的内容线索研究周期性结构下波的运动*内容重点：周期结构（晶体）中的各种波2.由教材编排特点，介绍讲解课程的逻辑线索研究金属电导率*逻辑特点：围绕着金属电导率演绎固体物理学3.同时也将说明：如何讲解将复杂还原为简单，再从简单重建复杂为何如此学习固体概念和规律的同时，学习方法~jgche/前言10第1讲、前言•固体物理的成就与辉煌1.贯穿固体物理学课程的主线周期性2.固体物理学课程的特点逻辑线索3.参考教材选择阎守胜教材？或其他教材？4.课程内容的简单介绍围绕电导展开~jgche/前言111、贯穿固体物理学的主线•固体物理学是一门涉及物理学很多领域的学科*诸如，力学、原子物理、电磁学、光学和磁学等等，需要量子力学、热力学统计力学等的基本知识•固体物理学内容非常繁复，能不能抓住要点成为关键，所谓纲举目张*因此，在开始讲解课程主要内容前，我对贯穿固体物理学的主线，对课程内容的内在联系给出个大致的介绍~jgche/前言12什么内在联系？•固体物理学课程的各章之间有什么互相关系？*除了讲解基本概念、规律、定理外，还要学方法，学习固体物理研究、思考问题的方法，因为，固体是我们到目前为止第一个将要面对的具体的、复杂的对象，运用已学知识，面对复杂对象*因此，前两讲将给出课程内容的内在联系，使大家能够在繁复的内容出现时，不会感到措手不及和举足无措，帮助大家容易地抓住课程要点•这个要点是什么呢？我们先看固体物理学的研究对象~jgche/前言13什么是固体？•固体物理学的研究对象？*当然是固体！那么，什么是固体？*从初中开始我们就已经知道*现在当然不够！研究固体的物理性质和规律•那么，固体的物理性质和规律由什么决定？*仅仅是由组成固体的原子成分？比如，金刚石、石墨、C60固体都由碳原子组成，但它们物理性质完全不同！*那么，细究金刚石、石墨、C60固体有何不同？•显然，这就需要在微观上来研究固体固体中原子的分布~jgche/前言14固体的微观定义•如何定义固体，取决于我们的研究层次*在原子、电子层次，研究固体的宏观物理性质•原子分布?如何区别于气态和液态•固体的微观定义*固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动•原子平衡位置的排列形成固体的微观结构•回到前面问题*金刚石、石墨、C60固体中C原子的排列结构不同*固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其它们排列的结构共同决定~jgche/前言15微观层次研究固体的三个关键问题•固体性质既然涉及到原子、电子层次，那么我们首先必须面对如下的三个重要的问题——用经典还是量子方法？判据？——如何描写原子、电子之间的相互作用？多体问题——如何处理1029/m3量级的粒子数？周期结构•固体物理学的繁复就在这里，就是以前学过与原子电子相互作用有关的物理理论，在这样对象上的运用~jgche/前言16经典还是量子？•用经典还是量子方法来处理，这基本上这取决于研究固体的何种物理性质•以后会看到，有判据*什么时候该用量子*什么时候经典也可以~jgche/前言17多体相互作用如何处理？•不管经典还是量子都还有如何具体描写它们之间的相互作用问题多体问题*固体物理学（也是凝聚态物理）中最困难的问题*非常困难！三体以上至今仍未解决！*课程中对多电子的作用采平均方法——在密度泛函理论这个专题中会介绍其解决的可能途径我个人认为——这个问题的关键在于数学工具！†在没有找到合适的数学工具前，别去碰它——在现有的数学工具下，别试图在理论上有效地描写多体相互作用！†当然这只是我个人的观点。~jgche/前言18如何处理1029/m3的粒子？•这是我们以前学过的物理所不曾遇到过的问题*这个问题找到了解决之道后，才形成了固体物理学这门学科•那么，如何化解这个困难？*统计？处理1029个联立方程？或者其他什么方法？•——线索和根据（衍射实验，以后会讲）？*有一类固体——晶体中原子呈有规律性的排列——周期性！*数学！后面会看到，数学上处理这样的周期性结构——只需在几个或有限数量的原子、电子范围•固体物理要点或贯穿固体物理学的主线就是周期性（各种波在周期性结构中的运动）~jgche/前言192、研究特点看逻辑线索•固体物理学发展至今，内容一般包含*固体的结构性质*固体的力学性质*固体的电子性质*固体的输运性质*固体的磁学性质（另有专门的课程）*固体的光学性质（另有专门的课程）•两种体系的教材：*加州大学伯克利分校的Kittel(1953年出版，2004年已出到第8版，不断地增、删，重印)*康奈尔大学的Ashcroft(1976年出版，未再版，不断地重印)~jgche/前言20物理研究方式的优点•什么是物理研究的方式？*普通物理、四大力学的方式？*根据所研究物理现象，用都能够接受和理解的假设和前提，建立（抽象出）近似模型，解释物理现象*对比、验证实验结果，修正，再演绎，再验证，…•结论和规律有适用范围：因为有近似，所以得到的结果可能是不那么完善的规律•这样方式的优点*最关键：假设和前提都非常简单、明晰，容易接受*当然这样的前提和假定仅仅是某种程度上的近似，这个近似在某些条件下不再正确，所以它可能是错的，需要修正~jgche/前言21物理研究方式的特点•近似模型近似规律修正模型螺旋上升•失败是成功之母——有问题的模型是理解正确概念、得到正确物理规律的第一步•合适的近似在*给出这些物理定律的适用条件的同时*告诉我们所描述问题的准确性和精度有多高~jgche/前言223、参考教材国内教材情况•国内出的固体物理学教材几乎都是Kittel系列的教材•唯有两本教材可以归于Ashcroft系列*清华大学，顾秉林，1989年第一版，未再版和重印*北京大学，阎守胜，2000年第一版，2004第二版（修改主要在第二部分）~jgche/前言23国内参考书的简评和建议•固体物理基础，阎守胜编著，北京大学出版社*属Ashcroft系列。讲课顺序基本按该书编排•固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社*属Kittel系列。善于自学的可选。经典内容很全，但由于出版早，新近发展缺•固体物理学（上册），方俊鑫、陆栋编著，上海科学技术出版社*属Kittel系列。善于自学的可选。将要讲解的主干内容都已经包含，但由于出版早，新近发展缺~jgche/前言24有版权的国外参考书的简评和建议•SolidStatePhysics,byN.W.AshcroftandN.D.Mermin，世界图书出版公司影印*美国多数大学的研究生教材。1976年出版后未更新，新近发展缺*影印版也很贵，但将去美国求学的可选•IntroductiontoSolidStatePhysics,byC.Kittel，化学工业出版社*第8版有中文版，第5版也有中文版*用简单物理讲解是其特色——避免使用量子和统计——无奈之举，与美国大学本科生的基础相适应比如，晶格振动量子化没有涉及引出声子、讨论输运的关键——因此，未涉及金属电导论~jgche/前言254、课程内容简单介绍：主干+专题•一部分是固体物理的主干内容*已经有定论的概念、定律，要求掌握*理解理论的主要框架，知道解决问题的关键•另一部分属于前沿热点专题的入门导读。为何有？*没有必要准备好所有的知识，实际上也做不到*把一些深入的、较新的、拓展的和应用的内容——作专题的入门导读能够用学到的知识处理实际问题*这部分内容穿插着讲解——看预备知识是否够用即以能够接受和理解为原则选择，不贪多求全~jgche/前言26围绕着金属电导演绎固体物理学近似模型近似规律修正模型螺旋上升~jgche/前言27围绕电导的逻辑关系（阎守胜教材）第1章、粗糙模型：金属电子气(电子-原子间无作用)无法显示各向异性？第2章、修正：引入原子排列结构周期排列。含第7章、晶体结合，另类观点第3、4章、周期结构中电子运动结果导致零电阻？第5章、再修正：原子振动致周期性破缺声子第6章、修成正果：电子受声子作用产生电阻得到与实验符合的金属电导第8章、再修正：当周期性结构存在其他破缺~jgche/前言28专题的目的和出现位置1.前言第一章、金属自由电子气体模型2.金属自由电子气的Drude模型3.金属自由电子气的Sommerfeld模型4.金属自由电子气的其他性质5.金属自由电子气模型的局限及修正6.专题一：整数和分数量子霍尔效应(11.1.2)主题：空间限制、极限条件引入的物理现象内容：二维电子气(整数)，超流(分数)，着重图象