《固体物理》教学大纲

课程编号：MA3005

课程名称：固体物理                                    英文名称：Solid State Physics

学分/学时：3/48                                        课程性质：必修

适用专业：材料科学与工程                         建议开设学期：5

先修课程：量子力学、热力学与统计物理     开课单位：先进材料与纳米科技学院

一、课程的教学目标与任务

《固体物理》是近代物理学的一个重要分支，是材料科学与工程专业的重要专业基础课，其教学目标和任务是让学生掌握固体物理的基本规律、基本概念和处理固体物理学问题的特有方法，为后续课程的学习奠定必要的理论基础。通过本课程的学习，使学生具备自主学习和终身学习的意识，拥有不断学习和适应社会发展的能力，同时培养他们独立思考、分析问题和解决问题的能力和创新意识，以及未来从事科学研究和解决复杂工程问题的能力。

二、课程具体内容及基本要求

（一）晶体结构 (12+4学时)

核心是讨论晶体结构的周期性和对称性。从晶体的宏观特征出发，揭示晶体微观结构的几何特征，阐明晶体结构的周期性和对称性两大特点。介绍空间点阵、布拉菲格子、基元、原胞、晶格、对称操作、晶向（面）指数等重要概念，并列举常见的、典型的晶体结构。简要介绍晶体X射线衍射的原理和方法，以及分析晶体衍射的倒格子和布里渊区等概念。

1. 基本要求

(1) 了解晶体的宏观特性；

(2) 熟悉空间点阵、布拉菲格子、基元、原胞、晶格、对称操作、晶向和晶面指数等重要概念，以及常见的晶体结构；

(3) 掌握倒格子与布里渊区、晶体X射线衍射的概念，能利用反射球得出衍射的方向，掌握原子散射因子、几何结构因子和衍射极大条件并能进行必要的计算。

2. 重点、难点

重点：常见的晶体结构，倒格子与布里渊区，原子散射因子、几何结构因子和晶体X射线衍射的极大条件；

难点：倒格子与布里渊区、晶体X射线衍射的极大条件。

3. 作业及课外学习要求

完成本章课后作业，复习和巩固课堂所讲内容，参考相关书目和资料，了解所学知识在实际中的应用。

4. 实践形式

结合学科前沿知识，通过讨论式和案例式研究型教学，阐述晶体X射线衍射在实际中的应用。

（二）晶体的结合（2+4学时）

阐明原子（分子、离子和电子）是依靠怎样的相互作用结合成为晶体的，以及这些相互作用所决定的各种结合力的来源、物理本质和晶体结合的基本形式，引入电负性、互作用势函数、内聚能等概念，讨论各类晶体的基本结构和特性。

1. 基本要求

(1) 了解晶体结合的普遍特性；

(2) 熟悉微观粒子之间的相互作用的本质；

(3) 掌握离子键、共价键、金属键、分子键、氢键和混合晶体。

2. 重点、难点

重点：离子键和共价键的形成和特性，轨道杂化的概念及其分析方法；

难点：微观粒子的互作用势能产生的本质。

3. 作业及课外学习要求

完成本章课后作业，复习和巩固课堂所讲内容，自主学习晶体结合的基本形式及其特点。

4. 实践形式

通过自主学习和课堂讨论，阐明晶体的结合在实际应用中的重要性。

（三）晶格振动（10+4学时）

以一维晶格为例，采用经典牛顿力学分析组成晶体的原子之间的相互作用，列出原子的运动方程，采用周期性边界条件解运动方程，引进格波、色散关系等重要概念，并将这些概念推广至三维晶体。对晶格振动作量子力学修正，引入声子的概念，讨论晶体的热容、热膨胀和热传导等热学性能。

1.基本要求

(1) 了解晶格振动的模型建立及原子受力分析；

(2) 掌握一维单原子链、双原子链和三维晶体的晶格振动及色散关系，周期性边界条件，晶格振动的量子化与声子，晶体的比热、热膨胀和热传导与温度的关系。

2. 重点、难点：

重点：晶格振动及色散关系，周期性边界条件，比热、热膨胀和热传导与温度的关系。

难点：简正坐标，晶格振动的量子化与声子，比热模型与实验结果的比较分析。

3. 作业及课外学习要求

完成本章课后作业，复习和巩固课堂所讲内容，参考相关书目和资料，了解所学知识在实际中的应用，培养创新意识和创新能力。

4. 实践形式

通过热学性能实验，理论联系实际，明确晶体的微观结构与其热学性能的关系，培养学生的创新意识和创新能力。

（四）固体能带论（13+4学时）

固体中电子的共有化运动是固体出现能带的关键，采用近自由电子模型、紧束缚模型和克隆尼克-潘纳模型计算能带结构，解释能带的成因，并引入状态密度、准动量、有效质量张量、空穴等重要物理概念，分析固体中电流的产生和电阻的来源。

1. 基本要求：

(1) 熟悉固体中电子的共有化运动和能带的形成；

(2) 掌握布洛赫 (Bloch) 定理、状态密度、费米分布函数等概念；掌握近自由电子模型、紧束缚模型和克隆尼克-潘纳模型，分析能带结构；掌握电子的运动和有效质量张量，以及固体的导电机制和空穴的产生。

2. 重点、难点

重点：布洛赫(Bloch)定理的意义，费米分布函数、费米能级、有效质量张量和空穴等物理概念，近自由电子模型、紧束缚模型和克隆尼克-潘纳模型，能带结构及固体的导电机制。

难点：布洛赫(Bloch)定理的证明，近自由电子近似、紧束缚近似和克隆尼克-潘纳模型的建立及其计算；禁带产生的物理解释和有效质量张量。

3. 作业及课外学习要求

完成本章课后作业，复习和巩固课堂所讲内容，参考相关书目和资料，了解所学知识在实际中的应用，培养创新意识和创新能力。

4. 实践形式

通过材料计算软件，理论联系实际，计算晶体的能带结构和电学性能，培养学生的创新意识和创新能力。

（五）晶体中的缺陷（3学时）

零维、一维、二维和三维缺陷的形成及基本特征。

1. 基本要求：

(1) 了解和熟悉零维、一维、二维和三维缺陷的定义；

(2) 掌握点缺陷、位错、面缺陷与体缺陷的形成及特征。

2. 重点、难点

重点：缺陷产生的物理原因，及其缺陷对材料性能的影响；

难点：判断和分析晶体中缺陷的类型。

3. 作业及课外学习要求

参考教材和相关书目，复习和巩固课堂所讲内容，掌握缺陷的形成、特征及其对材料性能的影响。

三、教学安排及方式

总学时40+16学时，其中：讲授40学时，实验（综合练习或多种形式）16学时。

四、本课程对培养学生能力和素质的贡献点

本课程是材料科学与工程专业的专业基础课，在先期学习《量子力学》和《热力学与统计物理》课程的基础上，通过该课程的学习，使学生对固体物理的基础知识有明确的认识，并通过该课程的学习，加强学生的专业基础知识，为后续专业课的学习奠定良好的基础，同时对培养学生独立思考能力，分析问题和解决问题的能力，以及培养和提高学生的创新意识及科研素养等有较大的贡献。

五、考核及成绩评定方式

最终成绩由平时作业成绩、平时考核成绩、平时实践成绩和期末成绩组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：10%。主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度。

平时考核成绩：10%。主要考核对所学基本知识的理解和掌握程度。以课堂考核形式。

平时实践成绩：10%。主要考核学生对所学知识的基本运用。以大作业或小论文的形式。

期末考试成绩：70%。主要考核对固体物理中基本概念、基本原理、各种物理模型建立的基础及结果等基本知识的掌握程度。书面考试形式。题型为：问答题、判断题和计算题等。

六、教材及参考书目

教材：《固体物理基础》，曹全喜、雷天民、黄云霞、李桂芳编著，西安电子科技大学出版社。

参考书目：

1．《固体物理学》，方俊鑫陆栋编，上海科学技术出版社。

2．《固体物理学》，黄昆韩汝琦著，高等教育出版社。

3．《固体物理基础》，闫守胜编著，北京大学出版社。

4．《固体物理学大词典》，冯端主编，高等教育出版社。

七、说明

（一）与相关课程的分工衔接

本课程的前期课程是《量子力学》，而后续课程是《半导体物理》，《固体物理》课程是衔接这两门课程的桥梁。

（二）其他说明

无。