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| 編輯推薦： |
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《材料物理基础》是为了材料科学与工程相关工科本科生编写的专业基础教学用书。根据学科特点，编者在反复实践教学的基础上，将热力学、统计物理、量子力学与固体物理的基本概念与基本原理等内容进行条理性、系统化编排。本书希望帮助读者建立起与材料物理相关的一个基础知识体系，更好地运用其中的逻辑思维方式理解这几门学科的发展，为后续进一步了解材料的组成与性能的关系打下基础,知其然知其所以然。
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| 內容簡介： |
本教材是应工科专业物理基础理论教学的要求，整理当前国内高校普遍使用的相关专业教材，并结合编者多年的教学实践编撰而成。全书共分12章。第1章简述热力学基本规律与基础应用； 第2章到第4章介绍统计物理，建立起宏观物理量与微观状态的桥梁，并主要介绍近独立粒子系统的统计规律及其应用； 第5章到第8章介绍微观粒子的性质和运动规律，包括薛定谔方程、力学量的算符理论、定态问题的近似方法； 第9章到第12章在量子力学基础上应用热力学统计物理方法从微观或宏观角度分析研究固体材料微观结构与其性质的联系。为配合教学需要，每章附有若干习题。
本教材可供材料科学及相关的工科专业学生学习使用，也可供相关教学和科研人员参考。
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| 關於作者： |
工作经历：现为深圳大学材料学院教授、硕士研究生导师。2000年7月起在深圳大学理学院材料科学与工程系承担教学科研工作，主要讲授《材料物理基础》、《计算机在材料科学与工程中的应用》、《非线性动力学》、《数值分析》等课程。在科研方面，主要从事非线性科学方面的基础与应用研究，承担及合作完成国家自然科学基金三项。发表中英文科研教学文章四十余篇，已完成的科研工作主要集中于非线性科学中的系统复杂性研究，提出巡游反馈注入（Itinerant feedback injections）方法，并成功用该方法进行了用低维信号控制与同步高维时空混沌系统的数值模拟实验。目前的科研兴趣集中于时空混沌的控制与同步和时空斑图控制等问题。
教育背景：2000年在北京师范大学物理系获得理论物理专业博士学位；
1997年在西北大学物理系获得理论物理专业硕士学位；
1993年在陕西师范大学物理系获得物理教育专业学士学位。
出版著作情况：《复金兹堡-朗道方程系统的混沌与斑图控制》2018年5月出版，获得2017年度国家科学技术学术著作出版基金资助；
《系统理论及应用》待出版
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| 目錄：
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目录
第1章热力学基础知识
1.1热平衡定律与温度
1.1.1热力学基本概念
1.1.2热平衡定律，温度的定义
1.2热力学第一定律
1.2.1热力学第一定律的表述
1.2.2功的表达式
1.2.3热量的表示式
1.3热力学第二定律
1.3.1热力学第二定律的两种表述
1.3.2熵
1.3.3热力学基本方程
1.3.4理想气体的熵
1.4热力学函数与特性函数
1.4.1热力学函数
1.4.2特性函数
1.4.3其他简单系统的情形
1.5麦克斯韦关系及其应用
1.5.1麦克斯韦关系
1.5.2麦克斯韦关系的应用举例
1.6磁介质的热力学性质
1.6.1简单磁介质系统的热力学性质
1.6.2复杂磁介质系统
1.7热力学第三定律
1.7.1热力学第三定律的表述
1.7.2绝热去磁降温
1.7.3绝对熵
1.8开放系统的热力学基本方程及化学势
1.8.1开放系统的热力学基本方程
1.8.2化学势
1.8.3相平衡
本章思维导图
思考题
习题
第2章近独立粒子的最概然分布
2.1粒子运动状态的经典描述
2.1.1相空间空间
2.1.2自由粒子在相空间的运动状态
2.1.3线性谐振子在相空间的运动状态
2.2粒子运动状态的量子描述
2.2.1线性谐振子
2.2.2外磁场中的电子自旋
2.2.3转子
2.2.4经典描述与量子描述的差别
2.3粒子运动状态的半经典近似
2.3.1半经典近似
2.3.2自由粒子的量子态
2.3.3自由粒子的态密度
2.4系统微观运动状态的描述
2.4.1近独立的全同粒子系统
2.4.2费米子和玻色子
2.4.3全同性原理与定域系统
2.4.4定域系统、玻色系统和费米系统量子态的区别
2.5等概率原理
2.6能级的分布与系统的微观状态
2.6.1能级的分布
2.6.2分布对应的系统微观状态
2.6.3玻尔兹曼系统（定域系情形）的微观状态数
2.6.4玻色系统的微观状态数
2.6.5费米系统的微观状态数
2.6.6非简并性条件
2.7玻尔兹曼分布
2.7.1玻尔兹曼分布的导出
2.7.2单粒子量子态上的平均粒子数
2.7.3平衡状态下的分布
2.8玻色分布与费米分布
2.8.1玻色分布
2.8.2费米分布
2.9三种最概然分布的关系
本章思维导图
思考题
习题
第3章玻尔兹曼统计
3.1热力学量的统计表达式
3.1.1配分函数Z
3.1.2的物理意义
3.1.3热力学公式
3.1.4其他简单系统
3.2单原子分子理想气体的状态方程
3.2.1配分函数
3.2.2内能
3.2.3压强
3.3麦克斯韦速度分布律
3.3.1速度分布
3.3.2速率分布
3.4能量均分定理
3.4.1能量均分定理的导出
3.4.2能量均分定理的应用
3.5理想气体的混合熵
3.5.1两种气体的混合
3.5.2吉布斯佯谬
3.5.3对熵公式的修正
3.6顺磁性固体
3.6.1顺磁固体模型
3.6.2磁偶极子的分布
3.6.3总磁矩
3.6.4内能
3.6.5熵
本章思维导图
思考题
习题
第4章玻色统计与费米统计
4.1热力学量的统计表达式
4.1.1巨配分函数与内能U
4.1.2平均粒子数和广义力Y
4.1.3熵和玻尔兹曼因子
4.2弱简并的玻色气体和费米气体
4.3光子气体
4.3.1光子气体的分布函数，普朗克公式
4.3.2光子气体的热力学量
4.4玻色爱因斯坦凝聚
4.4.1玻色爱因斯坦凝聚理论描述
4.4.2玻色爱因斯坦凝聚的实验研究
4.5强简并费米理想气体
4.5.1T=0 K时的基态
4.5.2T0 K时的情形
4.5.3费米气体的热力学量
4.5.4金属中的自由电子模型
4.5.5自由电子气体的费米能与费米温度
4.5.6金属中自由电子的热容
本章思维导图
思考题
习题
第5章量子力学基本概念
5.1简述量子力学的建立
5.2光的波粒二象性
5.2.1黑体辐射
5.2.2光电效应
5.2.3康普顿散射
5.3原子结构的玻尔理论
5.4德布罗意波
本章思维导图
思考题
习题
第6章波函数和薛定谔方程
6.1波函数与算符
6.2波函数的统计解释
6.2.1概率波
6.2.2波函数的归一化
6.2.3对波函数的说明
6.3态的叠加原理
6.4薛定谔方程
6.4.1不同体系的薛定谔方程
6.4.2薛定谔方程的讨论
6.5定态薛定谔方程
6.5.1定态薛定谔方程的形式
6.5.2能量本征值与能量本征方程
6.6一维无限深势阱
6.7线性谐振子
本章思维导图
思考题
习题
第7章力学量与粒子运动
7.1力学量的算符理论
7.1.1表示力学量的算符
7.1.2算符的运算规则
7.2厄米算符
7.2.1厄米算符与本征值
7.2.2厄米算符本征函数的正交性
7.3动量算符和角动量算符的本征方程
7.3.1动量算符
7.3.2角动量算符
7.4单个电子在库仑场中的运动
7.5氢原子
7.5.1能级
7.5.2电子的空间概率分布
7.5.3径向概率分布
7.6自旋
7.6.1电子自旋算符与自旋波函数
7.6.2总角动量
7.7算符与力学量的关系
7.7.1力学量与算符关系的假定
7.7.2平均值
7.8力学量的对易关系与测不准关系
7.8.1坐标与动量算符的对易关系
7.8.2角动量算符的对易关系
7.8.3两力学量算符同时具有确定值的条件
7.8.4测不准关系（不对易的情形）
本章思维导图
思考题
习题
第8章定态问题的近似方法
8.1非简并定态微扰理论
8.2简并情况的定态微扰理论
8.3变分法
本章思维导图
思考题
习题
第9章晶体结构
9.1固体、晶体和非晶体
9.2晶体的周期性结构及描述
9.2.1基元、格点
9.2.2格点和空间点阵理论
9.2.3晶格结构的代表单元原胞和晶胞
9.2.4简单格子与复式格子
9.2.5晶向、晶面和指数
9.3晶体结合与常见的实际晶体结构
9.3.1原子的负电性
9.3.2晶体的结合能
9.3.3晶体的结合类型与常见的实际晶体结构
9.4晶体结构的对称性与晶系
9.4.1晶体对称性定律
9.4.2晶体的宏观对称性与基本的点对称操作
9.4.3晶体宏观对称性的描述与点群
9.4.4晶体微观对称性的描述与空间群
9.4.5晶系与布拉维晶胞
9.5倒格子与布里渊区
9.5.1倒格子概念的引入
9.5.2倒格子的基本性质与倒易空间
9.5.3布里渊区
9.6晶体X射线衍射初步
9.6.1衍射极大条件
9.6.2X射线衍射强度
9.6.3X射线的主要实验方法
本章思维导图
思考题
习题
第10章晶格振动与固体的热学性质
10.1原子间作用力与原子振动
10.1.1原子间相互作用力的一般性描述
10.1.2原子在平衡位置附近的振动与简谐近似
10.2一维单原子链的振动
10.2.1模型与动力学方程
10.2.2周期性边界条件
10.2.3格波
10.3一维双原子链的振动
10.3.1模型与动力学方程
10.3.2色散关系
10.3.3色散关系分析
10.3.4格波波矢q的个数、振动模式及模式数
10.3.5推广至三维晶格振动
10.3.6声学波与光学波的深入分析
10.4正则坐标与声子
10.4.1正则坐标
10.4.2从经典力学到量子力学
10.4.3声子
10.5晶格振动谱的实验测定
10.6固体的热性质及热容
10.6.1固体热容的经典模型
10.6.2晶格振动的热力学函数
10.6.3模式密度
10.6.4固体热容的量子模型
10.7晶格振动的非谐效应
10.7.1晶体的自由能和状态方程
10.7.2晶体的热膨胀与非谐效应
10.7.3晶体的热传导与非谐效应
本章思维导图
思考题
习题
第11章固体能带理论
11.1固体能带理论的基本假设
11.2周期场中单电子状态的一般属性
11.2.1布洛赫定理
11.2.2布洛赫定理的证明
11.2.3波矢k的意义及取值
11.2.4能带
11.2.5晶体电子能带结构的一般特征
11.2.6晶体电子的能带图像及表示法
11.3能带的计算
11.3.1近自由电子近似
11.3.2紧束缚近似
11.4晶体中电子的准经典运动
11.4.1晶体中电子的准经典运动与平均速度
11.4.2准经典运动的基本方程
11.4.3晶体电子的有效质量
11.5固体导电性能的能带论解释
11.5.1电子填充情况与导电性
11.5.2导体、绝缘体和半导体
11.5.3空穴
11.6能态密度
11.6.1能态密度的定义
11.6.2能态密度的实验测定
11.7金属电子的统计分布与电子热容
11.7.1金属电子论的经典模型
11.7.2金属电子论的量子模型
11.7.3金属电子的费米分布
11.7.4费米面的确定
11.7.5金属电子的热容
本章思维导图
思考题
习题
第12章半导体
12.1半导体的能带结构与类型
12.1.1本征半导体与杂质半导体
12.1.2n型半导体与p型半导体
12.1.3直接带隙半导体与间接带隙半导体
12.1.4带边有效质量及测量
12.2半导体中载流子的统计分布
12.2.1半导体载流子近似玻尔兹曼统计
12.2.2载流子浓度与费米能
12.2.3杂质激发
12.2.4本征激发
12.3半导体的电导率、迁移率与霍尔效应
12.3.1迁移率与电导率
12.3.2霍尔效应
12.4非平衡载流子
12.4.1非平衡载流子的复合和寿命
12.4.2非平衡载流子的扩散
12.4.3太阳能电池中的光生非平衡载流子
本章思维导图
思考题
习题
参考文献
附录
附录A常用的基本物理常数
附录B证明达到热平衡的两系统相同
附录C斯特林近似公式
附录D统计物理学常用的几个积分公式
附录E球谐函数Ylm
附录F拉盖尔多项式
附录G约化质量
附录H量子力学的五个基本假设
附录I晶体中电子平均速度的推导
附录J本书主要符号
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前言
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，是其他自然科学学科的研究基础，也是几乎所有工程技术的理论基础，在科技发展和进步的过程中具有举足轻重的作用。从中小学的自然常识和基础物理教学，到高等院校的物理课程设置，有关物理学的教学活动贯穿了我们目前的整个理工科教学体系。在这些物理学课程教学中，材料物理基础方面的课程则提供了从物理学的基本原理出发来探讨材料结构与性能的基本理论和方法，是材料科学与工程本科专业的必修课程，同时也是相关理工学科在完成高等数学和大学物理学习之后的物理学进阶内容。
在目前的工科专业课程设置中，材料物理基础作为一门必修课程，其所包含的内容大致可分为以下三个方面： 对于大量微观粒子所组成热力学系统的宏观性质进行理论解释，是为统计物理； 关于微观粒子运动规律的内容，是为量子力学； 固体微观结构与物理性能之间的联系，是为固体物理。材料物理基础课程是上述三个部分的有机组成。从科学发展的历史过程来看，材料物理基础三部分内容的发展与突破是相互交叉、相辅相成的。例如： 经典统计物理中对空腔电磁辐射能量分布的研究困难，导致科学家们对微观世界所遵循的物理规律重新进行理解，并直接促成了量子力学的诞生； 固体热容实验定律的理论解释，则同时得益于经典和量子统计物理的发展； 量子力学中定态薛定谔方程在中心力场体系的计算，则对固体分子之间相互作用模式的理论突破打下了基础； 等等。
本教材编者自2000年起在深圳大学理学院材料科学与工程系（2006年成立深圳大学材料学院）进行统计与量子力学方面的本科教学工作，根据学校及学院对于工程类物理必修课程的学分要求，经过多次课程改革，针对工科专业的课程设置特点对所讲授的内容进行梳理，并与固体物理课程进行合并，在多年的教学实践中逐步形成了较为完备的工程类材料物理基础课程体系，最终将课程的名称确定为材料物理基础，并使之成为深圳大学材料科学与工程专业的必修课程。我们在讲授这门课程的过程中，考虑到课程内容是材料工程类物理基础知识中的经典内容，先后采用了许崇桂、余加莉的《统计与量子力学基础》、汪志诚的《热力学统计物理》、马本堃等的《热力学与统计物理学》、周世勋的《量子力学教程》、曾谨言的《量子力学》、陈长乐的《固体物理学》等优秀教科书，并根据课程的内容要求突出重点、有所侧重，在编排上符合工科专业对于物理基础知识体系的需求。同时，根据教学要求编写了相关的学生课程讲义、教师参考资料，并在实际教学和使用的过程中不断进行修改，使之日臻完善。近年来，深圳大学不断对各理工学科的主干课程提出要求，大力建设符合现代教学要求和高科技发展趋势的课程体系。我们之前所用的材料物理基础讲义和教材的来源较多，所使用教材的版本较为陈旧，其中有些教材虽然内容经典、编写严谨，但已长期没有出修订版本。随着新的课程建设计划要求，需要我们将现有的教材进行梳理和合并，并根据新的学分要求对相关章节重新进行编排和修改，选编适合学生水平和学习要求的课后练习题，并整理出版新的材料物理基础教材。因此，本教材能够顺利出版，不仅满足了本教材编者长期以来希望将教学讲义进行正式出版的愿望，而且是编者对本课程所使用经典教材作者们的最好致敬。本教材的出版得到深圳大学本科教材出版资助项目的支持，在此表示感谢。
针对材料类学生的材料物理基础教学，从课程设置而言，分配的总课时是72学时，由于学时的限制，课程的特点是注重梳理各知识点间的逻辑关系与连贯性，以及对概念的初步理解，使学生真正掌握统计力学、量子力学与固体物理的基本理论和方法，应用到后续的学习和使用中自然水到渠成，不至于出现理解上的障碍。对这几部分内容更加深入的学习需要留待后续课程进行。
虽然本教材名为《材料物理基础》，但是从所涉及的内容上看，针对的是理工本科学生在学习高等数学和大学物理之后的物理类提高课程，因此不仅限于材料科学与工程本科专业的学生使用，也可以作为相关工科专业的物理基础课程教材和参考书。由于编者的水平所限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
编者
2019年4月
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