固体物理学(黄昆 着).pdf

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固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。固体物理是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础,固体物理的研究论文占物理学中研究论文的三分之一以上。固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长,正在形成新的交叉领域。固体物理学所面对的实际上是多体问题。在固体中,粒子之间种种各具特点的耦合方式,导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式,造成不同的固体有千差万别的物理性质。

固体物理学固体物理学(英文solid-state physics)是研究固体的性质、它的微观结构及各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简单,而且具有明显的规律性,较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态,及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质,包括晶体和非晶态固体。简单说,固体物理学的基本问题有:固体是由什么原子组成?它们是怎样排列和结合的?这种结构是如何形成的?在特定的固体中,电子和原子取什么样的具体的运动形态?它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系?各种固体有哪些可能的应用?探索设计和制备新的固体,研究其特性,开发其应用。固体物理学新的实验条件和技术日新月异,为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段,使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。

固体物理对于技术的发展有很多重要的应用,晶体管发明以后,集成电路技术迅速发展,电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。

在相当长的时间里,人们研究的固体主要是晶体。早在18世纪,阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。后来,布喇格在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年,各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具,影响深远。

在晶体中,原子(离子、分子)有规则地排列,形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了X射线衍射法,用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后,又发展了中子衍射法,使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。

1912年劳厄等发现 X射线通过晶体的衍射现象,证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作,建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体,增加了自旋磁矩有序排列的对称性,直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。

第二次世界大战后发展的中子衍射技术,是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术,在于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起,人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善,成为研究晶体表面的有力工具。比方说,扫描隧道显微镜,可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

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