固体物理的研究内容.pptx

绪论固体物理的发展历史固体物理的研究对象固体物理的研究内容固体物理课程的章节安排教材和参考书目钻石钻石：非洲之星二号：非洲之星二号自然状态的水晶自然状态的水晶规则的几何外形?自然界中的晶体自然界中的晶体“凡草木花多五出凡草木花多五出,雪花独六出雪花独六出”-韩诗外传韩诗外传西汉西汉雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 -六角雪花论六角雪花论J.Kepler （16111611）世界上没有两朵一样的雪花世界上没有两朵一样的雪花自然界中有没自然界中有没有有5瓣的雪花？瓣的雪花？17841784年年 法国学者阿羽依法国学者阿羽依晶体是由无数个具有晶体是由无数个具有多面体形状多面体形状的原始的原始“组成单元组成单元”在三维空间在三维空间无间无间隙隙地平行堆砌而成地平行堆砌而成 二十世纪以前，人们仅仅从材料二十世纪以前，人们仅仅从材料规则的规则的外形外形来推测材料来推测材料内部的内部的微观结构微观结构！五方五方对称性的雪花称性的雪花雪花雪花晶体晶体五方五方对称性的称性的“组成成单元元”无无间隙隙 平行堆砌平行堆砌有没有办法看到晶有没有办法看到晶体内部的结构呢？体内部的结构呢？X射射线衍射衍射！18951895年：伦琴发现年：伦琴发现 X X 射线射线。1912年：年：劳厄劳厄(M.von Laue)，弗里德里希弗里德里希(W.Feriederich)，克尼平克尼平(P.Knipping)晶体晶体X射线实验，验证了晶体结构的周期性。射线实验，验证了晶体结构的周期性。NaClX射线衍射图样射线衍射图样如何描述晶体内电子的运动呢？量子力学：描述晶体内微观粒子的运动规律量子力学：描述晶体内微观粒子的运动规律晶体由大量的原子组成，晶体由大量的原子组成，1cm3含有含有1023个原子个原子单个原子单个原子 单电子薛定鄂方程描述单电子薛定鄂方程描述原子之间、原子与电子之间、电子与电子之间原子之间、原子与电子之间、电子与电子之间都存在相互作用，都存在相互作用，多体问题多体问题严格求解不可能严格求解不可能采取采取 近似近似总结规律总结规律绪论固体物理的发展历史固体物理的研究对象固体物理的研究内容固体物理课程的章节安排教材和参考书目固体物理固体物理的研究对象的研究对象物物质质的的状状态态固态固态(晶体和非晶体晶体和非晶体)液态液态(液晶体和液晶体和非液晶体非液晶体)气态气态等离子等离子态（态（是一种电离电离的气体，电离出来的自由电子自由电子和带电离子带电离子）玻色玻色-爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态(BEC）凝聚态物理凝聚态物理晶体的特点晶体的特点结构结构 长程有序（周期性）长程有序（周期性）性能性能 各向异性各向异性绪论固体物理的发展历史固体物理的研究对象固体物理的研究内容固体物理课程的章节安排教材和参考书目固体物理固体物理的研究内容的研究内容晶体的晶体的结构结构和和功能功能的关系的关系力学、热学、电学、磁学、光学等力学、热学、电学、磁学、光学等（1 1）不同原子不同原子组成的晶体具有不同的性质。组成的晶体具有不同的性质。（同质异构体）（同质异构体）（2 2）同种原子同种原子按按不同的排列方式不同的排列方式组成的晶体具有不同的性质。组成的晶体具有不同的性质。如如硅硅和和铜铜，都是面心立方结构，但性能上差别很大，都是面心立方结构，但性能上差别很大碳碳 -奇妙的家族奇妙的家族Carbon:1s22s22p2石墨石墨(Graphite)金刚石金刚石(Diamond)导电疏松绝缘体硬度高贵重SP2杂化杂化SP3杂化杂化Robert F.CurlH.W.KrotoR.E.Smalley 富勒烯富勒烯(Fullerenes)1996年年R.Buckminster Fuller(1895-1983)C60C70超导、强磁性、耐高超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀压、抗化学腐蚀布里渊布里渊(L.Brillouin)“固体物理固体物理主要是探讨具有周期结构特征的晶态物质主要是探讨具有周期结构特征的晶态物质的结构和性质的关系的结构和性质的关系。”周期结构中波的传播周期结构中波的传播-布里渊布里渊绪论固体物理的发展历史固体物理的研究对象固体物理的研究内容固体物理课程的章节安排教材和参考书目 周期性介质周期性介质-晶体的结构晶体的结构（第一章）（第一章）晶体中晶体中电磁波电磁波（X射线）的传播射线）的传播（第一章）（第一章）晶体中的缺陷及其运动晶体中的缺陷及其运动（第四章）（第四章）晶体的结合方式（第二章）晶体的结合方式（第二章）晶体中晶体中格波格波的传播的传播(第三章第三章)晶体中电子的晶体中电子的德布洛意波德布洛意波的传播的传播(第第五章五章)自由电子论和电子的输运性质（第六章）自由电子论和电子的输运性质（第六章）绪论固体物理的发展历史固体物理的研究对象固体物理的研究内容固体物理课程的章节安排教材和参考书目参考书目参考书目1.固体物理教程固体物理教程 王矜奉王矜奉 编著编著 （山东大学出版社）（山东大学出版社）2.固体物理导论固体物理导论 基泰尔基泰尔（C.Kittel)(化学工业出版社）化学工业出版社）3.固体物理学固体物理学 黄昆、韩汝琦黄昆、韩汝琦（高等教育出版社）（高等教育出版社）4.凝聚态物理学凝聚态物理学上卷上卷 冯端、金国钧冯端、金国钧 高等教育出版社）高等教育出版社）5.Solid State Physics G.Grosso、G.P.Parravicini (Elsevier)6.固体物理学固体物理学（上），方俊鑫（上），方俊鑫 陆栋着，上海科学技术出版社，陆栋着，上海科学技术出版社，19807.固体物理基础固体物理基础闫守胜编著，北京大学出版社，闫守胜编著，北京大学出版社，2001；第一章 晶体结构1.1 晶体的共性1.2 密堆积原子以怎样的排列方式堆积成晶体1.1 晶体的共性长程有序-晶体最突出的特点至少在至少在微米量级微米量级范围内原子排列具有范围内原子排列具有周期性。周期性。单晶体单晶体 (整体范围内原子都是规格排列整体范围内原子都是规格排列)多晶体多晶体 （由许多小单晶组成，在（由许多小单晶组成，在各晶粒范围各晶粒范围内原子是有序排列的）内原子是有序排列的）1.1 晶体的共性自限性晶体所具有的晶体所具有的自发自发地形成地形成封闭凸多面体封闭凸多面体的能的能力称为自限性。力称为自限性。这是晶体这是晶体内部原子的规则排列内部原子的规则排列在晶体在晶体宏观形态上的反映。宏观形态上的反映。1.1 晶体的共性晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。石英晶体：石英晶体：a、b 间夹角总是间夹角总是14147；a、c 间夹角总是间夹角总是11308；b、c 间夹角总是间夹角总是12000。生长条件不同，同一种晶体的外形会有差异生长条件不同，同一种晶体的外形会有差异1.1 晶体的共性各向异性在在不同方向不同方向上，晶体的物理性上，晶体的物理性质不同。质不同。由右图可以看出，在由右图可以看出，在不同的不同的方向上晶体中原子排列情况不同方向上晶体中原子排列情况不同，故其性质不同。故其性质不同。这时候晶体的有些物理常数不能用一个数值来这时候晶体的有些物理常数不能用一个数值来表示，如弹性常数、压电常数，而要用表示，如弹性常数、压电常数，而要用张量张量来描述。来描述。1.2 密堆积 小球如何堆积成晶体？原子以怎样的排列方式堆积成晶体晶体有规晶体有规则的外形则的外形原子内部原子内部规则排列规则排列将原子视为刚性的小球若晶体由同一种原子组成有哪些排列的方式有哪些排列的方式？简单立方如食盐晶体，立方结构在一个平面内最简单的规则排列是正方排列层层重合堆积起来红点代表球心8个原子位于立方体的8个顶点上如何描述原子排列的紧密程度？配位数:一个原子周围最近邻的原子数是否有更密的排列方式？6简单立方的配位数是几？体心立方在体心再放入一个原子体心处的原子跟顶角上的8个原子相切配位数是：8是否还有更密的排列方式？BA一个层内先密排-层与层再密排原子要构成最紧密的堆积方式，原子球必须与同一平面内相邻的6个原子相切C再放一层原子：原子球心必须与相邻原子层的空隙相重合六角密积六角密积AB 第一层：每个球与第一层：每个球与6个球相切，有个球相切，有6个空隙，如编号个空隙，如编号1,2,3,4,5,6。第二层：占据第二层：占据1,3,5空位中心。空位中心。第三层：在第一第三层：在第一层球的正上方形成层球的正上方形成ABABAB排列排列方式。方式。配位数配位数-12-12（最（最紧密的排列）紧密的排列）第一种排列方式第一种排列方式立方密积BA 第一层：每个球与第一层：每个球与6个球相切，有个球相切，有6个个空隙，如编号为空隙，如编号为1,2,3,4,5,6。第二层：占据第二层：占据1，3，5空位中空位中心。心。C 第三层：占据第三层：占据2，4，6空位中心，空位中心，按按ABCABCABC方式排列，形方式排列，形成面心立方结构，称为成面心立方结构，称为立方密积立方密积。配位数配位数-12-12（最（最紧密的排列）紧密的排列）另一种排列方式最紧密的堆积方式密堆积六角六角密密积立方密立方密积（面心立方）（面心立方）总结晶体的共性：长程有序，自限性，各向异性密堆积：最紧密的排列方式配位数：一个原子周围最近邻的原子数立方密积和六角密积作业1 1、晶体有哪些特点？单晶和多晶的区、晶体有哪些特点？单晶和多晶的区别？别？2 2、晶体密堆积有哪几种？分别画出其、晶体密堆积有哪几种？分别画出其密堆积方式，指出其配位数。密堆积方式，指出其配位数。