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| 內容簡介： |
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《固体物理导论》是高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材。本书主要围绕固体的微观结构，微观粒子的存在状态、相互作用及运动变化规律，固体的宏观物理性质及用途展开，蕴含了近似、假设、抽象、简化等研究方法，渗透了晶体结构决定性质、性质体现结构的辩证观点。教材绪论部分介绍了固体物理学的研究对象、发展历史及其涵盖的内容，并补充了量子力学的基本知识作为铺垫。其后包含6章内容，前3章均围绕固体内部原子的相互作用和运动变化规律展开，如晶体的结构及表征、晶体的结合类型及键合性质、晶格振动理论及热学性质。第4章和第5章围绕电子的相互作用和运动变化规律展开，包括金属自由电子气体模型及考虑晶体周期性势场时电子的能带理论。第6章介绍理想晶体中的缺陷结构及理论。本书内容体系完整，便于学生建立起晶体内原子、电子、声子等微观粒子存在状态、运动变化的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒子的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系。本书适用于材料类各专业和物理学、应用物理学、工程物理、光学等专业的本科生和研究生，对需要固体物理背景知识的其他专业亦可作为教材使用。
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| 關於作者： |
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马飞，西安交通大学材料学院教授，博士生导师，入选新世纪优秀人才支持计划，陕西省科技创新团队负责人，陕西省杰出青年基金获得者。现任西安交通大学材料学院副院长，兼任陕西省纳米学会理事长等职务。长期工作在教学科研第*一线，已培养研究生50余名，获西安交通大学教师授课竞赛一等奖1项，获西安交通大学“研究生教育优秀导师”、“优秀共产党员”等称号。指导本科生获第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖1项，获第三十一届“腾飞杯”创新创业大赛一等奖1项；指导学生获校级硕士研究生优秀学位论文1篇和校级优秀本科毕业设计2人次。主持国家自然科学基金等重要项目20余项，发表论文250余篇，授权发明专利15件。获省部级科学技术奖4项，获第十二届陕西省青年科技奖。
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| 目錄：
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绪论
0.1固体物理学的研究对象 001
0.2固体物理学的发展历史 002
0.2.1晶体学的研究 002
0.2.2固体比热理论的建立 003
0.2.3晶体结构的实验发展 003
0.2.4自由电子理论的建立 003
0.2.5固体能带理论的建立 003
0.2.6固体磁学的发展 004
0.3固体物理学的研究内容 004
0.3.1固体中原子的排列——结构问题 004
0.3.2固体结构的形成——结合力问题 005
0.3.3固体中原子的相互作用和运动规律——晶格动力学 005
0.3.4固体中自由电子的运动规律——金属自由电子理论 006
0.3.5固体中电子的相互作用和运动规律——能带理论 006
0.3.6固体中缺陷的形成与性质——缺陷问题 006
0.3.7具体实例——固体理论和实验知识的应用 007
0.4预备知识——量子力学基础 007
0.4.1经典物理学的困难以及光的波粒二象性 007
0.4.2微粒的波粒二象性 009
0.4.3波函数及薛定谔方程 009
第1章晶体结构及X射线衍射
1.1晶体的特征以及空间点阵 012
1.1.1晶体及其特征 012
1.1.2空间点阵 013
1.2晶体的周期性 014
1.2.1一维布拉菲晶格 014
1.2.2一维复式晶格 014
1.2.3三维布拉菲晶格 015
1.3晶体晶列与晶面的表示方法 019
1.3.1晶列与晶面 019
1.3.2晶向指数和晶面指数 019
1.4倒易空间和倒格子 022
1.4.1倒格子与晶格的关系 023
1.4.2倒格矢 025
1.4.3倒格子的性质 026
1.5晶体的对称性 028
1.5.1线性变换 028
1.5.2基本的对称操作 029
1.6晶系和布拉菲原胞的分类 032
1.7晶体的衍射 033
1.7.1概述 033
1.7.2X射线衍射 034
1.7.3电子衍射和中子衍射 034
1.8X射线衍射方程、反射公式和反射球 035
1.8.1X射线衍射方程 035
1.8.2反射公式 036
1.8.3反射球 037
1.8.4晶体衍射方法 037
1.9几何结构因子 039
1.9.1复式晶格的衍射 039
1.9.2几何结构因子 040
习题 042
【拓展阅读】 043
奥古斯特·布拉菲（Auguste Bravais，1811—1863） 043
威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Rntgen，1845—1923） 044
威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，1862—1942） 044
威廉·劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg，1890—1971） 044
第2章晶体的结构
2.1原子的电负性 046
2.1.1原子的电子分布 046
2.1.2原子的电离能 047
2.1.3电子亲和能 047
2.1.4原子的电负性 047
2.2晶体的结合类型 048
2.2.1离子晶体 049
2.2.2原子晶体（共价晶体） 049
2.2.3金属晶体 050
2.2.4分子晶体 051
2.2.5氢键晶体 051
2.3结合力的一般性质 052
2.3.1晶体内粒子之间的相互作用 052
2.3.2晶体的势能 053
2.3.3晶体结构及性能与结合能的关系 054
2.4非极性分子晶体的结合能 055
2.4.1非极性分子晶体的原子间作用势 055
2.4.2非极性分子晶体的势能及有关参量 057
2.5离子晶体的结合 059
2.5.1离子晶体的结合能及性质 059
2.5.2马德隆常数的计算 061
2.5.3离子半径 061
2.6原子晶体的结合 063
2.6.1共价键的形成机理 063
2.6.2共价键的特征 063
习题 064
【拓展阅读】 065
莱纳斯·卡尔·鲍林（Linus Carl Pauling，1901—1994） 065
沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E.Pauli，1900—1958) 065
第3章晶格振动和晶体的热学性质
3.1一维原子链的振动 067
3.1.1一维简单晶格的情形 067
3.1.2一维复式晶格的情形 069
3.1.3声学波和光学波的色散关系 070
3.1.4周期性边界条件（玻恩-卡门边界条件） 073
3.2晶格振动的能量量子化——声子 074
3.2.1晶格振动模式及声子的概念 074
3.2.2声子的性质 074
3.2.3声子的动量 075
3.2.4声子与微观粒子的相互作用 075
3.3晶格振动的长波近似 076
3.3.1长声学波 076
3.3.2长光学波 078
3.4固体的比热 081
3.4.1经典热容理论 081
3.4.2热容的量子理论 082
3.4.3模式密度（态密度）的求法 083
3.4.4爱因斯坦模型 084
3.4.5德拜模型 085
3.5晶格振动声子谱的实验测定 088
3.5.1光子与声子的相互作用 088
3.5.2中子与声子的相互作用 089
3.6晶格振动的非简谐效应 090
3.6.1非简谐效应及其本质 090
3.6.2热传导与非简谐效应 091
3.6.3热膨胀与非简谐效应 092
习题 093
【拓展阅读】 094
马克斯·玻恩（Max Born，1882—1970） 094
黄昆(1919—2005) 095
第4章金属自由电子费米气体
4.1金属自由电子的物理模型 096
4.1.1经典金属自由电子论及其局限性 096
4.1.2金属自由电子费米气体模型 098
4.2金属自由电子气体的费米参数 099
4.2.1一维自由电子费米气体 099
4.2.2三维自由电子费米气体 101
4.3金属自由电子气体的热学性质 104
4.3.1电子能态密度 104
4.3.2电子气体热容的定性解释 105
4.3.3电子气体热容的定量解释 106
4.3.4金属的实验热容 107
4.4电导率和欧姆定律 107
4.4.1基本理论 107
4.4.2散射机制与电阻率 109
4.5功函数和接触势差 109
4.5.1功函数的产生 109
4.5.2金属间的接触势差 110
习题 111
【拓展阅读】 112
亨德里克·安东·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928） 112
阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld，1868—1951） 112
第5章固体电子能理论
5.1近自由电子气体模型和能隙的起源 114
5.2布里渊区与电子能带结构 116
5.2.1二维简单正方晶格的布里渊区 116
5.2.2布里渊区与能带结构的关系 117
5.2.3立方晶格的第一布里渊区 118
5.2.4三维晶体的能带结构图 119
5.3布洛赫定理 121
5.4克龙尼克-潘纳模型 122
5.5紧束缚近似——原子轨道线性组合法 124
5.5.1紧束缚近似模型与微扰理论计算 124
5.5.2周期场中电子运动的本征态和本征能量 126
5.5.3紧束缚近似计算的两个简单例子 127
5.6晶体中电子的准经典运动 129
5.6.1波包和电子速度 129
5.6.2外力作用下电子状态的变化和准动量 130
5.6.3电子的加速度和有效质量 130
5.7恒定电场作用下电子的运动 132
5.7.1电子运动速度和有效质量 132
5.7.2恒定电场作用下电子的运动特性 133
5.8导体、绝缘体和半导体的能带论解释 133
5.8.1满带电子不导电 134
5.8.2导体和非导体的模型 134
5.8.3空穴 135
习题 136
【拓展阅读】 137
布洛赫（Felix Bloch， 1905—1983） 137
莱昂·布里渊（Léon Nicolas Brillouin，1889—1969） 137
第6章晶体的缺陷理论
6.1晶体缺陷的基本类型 138
6.1.1点缺陷 138
6.1.2线缺陷 140
6.1.3柏氏矢量 142
6.1.4面缺陷和体缺陷 143
6.2点缺陷的性质 146
6.2.1缺陷运动与统计平衡 146
6.2.2缺陷的扩散 148
6.2.3离子晶体中的点缺陷扩散 152
6.3局域态 154
6.3.1局域振动 154
6.3.2色心 155
6.3.3杂质能级 157
习题 159
【拓展阅读】 160
华特·肖特基（Walter Hermann Schottky，1886—1976） 160
冯端（1923—2020） 161
参考文献
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| 內容試閱：
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“固体物理”是材料科学与工程专业必修的核心课程之一，也是材料科学与工程、材料物理、功能材料、金属材料工程、纳米材料与器件等专业的基础课程。本课程讲述固体的微观结构、微观粒子相互作用及运动变化规律，基于此，阐明固体的物理性质及用途，涉及力、热、光、电、磁、声等诸多领域。当今社会取得重大进展的纳米、超导、半导体、信息技术等均以固体物理理论为基础。它不仅是一门重要的知识性学科，且其中许多研究方法具有普遍的指导和借鉴意义。通过对该课程的学习，学生可建立起晶体内原子、电子、声子等微观粒子存在状态、运动变化的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒子的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系。
“固体物理”涉及的对象为复杂的多体系统，相关内容涉及线性代数、量子力学、波与振动、电磁学、傅里叶变换、热学、热力学与统计物理学等基础理论，又不乏新科技、新技术的应用。以往出版的同类教材多聚焦于固体物理理论，对数学物理方法和量子力学等先修课要求很高，适合于物理学及凝聚态专业高年级学生选用。然而，对于材料类等专业的学生来说，其培养方案所规定的基础知识理论体系很难达到这个要求，学生使用同类教材，难度非常大，教师在讲授时也只能简化了再简化。本教材主要面向非物理学及凝聚态专业的本科生和研究生，有针对性地选择相关内容，并加入适当的工程应用实例，加深学生对材料宏观属性及其物理本质的直观认识。本教材对于物理学、应用物理等专业的本科生和研究生也有参考价值，有助于为后续专业学习和从事相关领域的研究工作打下坚实的基础。一方面，通过该课程的学习，学生可以掌握处理复杂问题时抽象、近似、简化的思维方法，深刻体会从材料结构到材料性质，从简单到复杂，从特殊到一般，层层递进、逐步深入的物理学研究思想，理解晶体结构决定性质、性质体现结构的辩证唯物主义观点，了解运用专业科学软件进行晶体模型构建、实验结果表征。另一方面，可以培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力；培养学生对同一问题采用不同方法进行描述、表征并解决的思维能力；提高学生对同一问题的不同方法之间的逻辑推理、分析比较、综合分析的能力。该课程还能培养学生综合运用固体物理理论知识理解材料宏观特性并提出恰当机理性解释的逻辑思维能力和创新思维能力。
本教材绪论部分开门见山地指出固体物理学涵盖的内容，即，研究固体内部结构、组成及微观粒子的存在状态、相互作用及运动变化规律，基于此，阐明固体的性能和用途。物理学研究往往从最简单、最理想的抽象模型开始，并逐渐引入更复杂的因素。固体物理学也不例外，其研究对象首先落在理想单晶体上。绪论部分同时概要介绍了固体物理学的研究内容、发展历史以及学习本门课程需掌握的量子力学基础知识。其后共包含6章内容。前3章均围绕固体内部原子的相互作用和运动变化规律展开。第1章重点阐述理想晶体内部原子排列的周期性和几何结构特征，回答晶体内原子是如何排列的问题，并介绍晶体结构表征的实验方法和理论。第2章通过对原子相互作用行为的认识，回答晶体内部原子是如何进行结合的问题。第3章是在第1章和第2章的基础上，说明在给定温度条件下，原子并不是固定在其平衡位置，而是绕着其平衡位置作振动；又由于原子之间存在着相互作用，一个原子的运动要带动周围原子的运动，由此在晶体内部形成格波，这与晶体的热学特性、电学特性紧密相关。第4章和第5章阐述晶体内部的电子运动变化规律，从而深入系统地认识固体的宏观性质。其中第4章围绕金属自由电子气体展开，即在不考虑晶体周期势场的情况下，电子运动呈现完全自由、完全独立的状态，电子可以被看成自由电子气体，由此，可用理想气体模型理解金属导电性等宏观特性。第5章则是在第4章的基础上，考虑晶体内周期性势场存在时，电子的运动状态及变化规律，由此产生了电子能带理论，用该理论能够解释固体为什么能分成导体、半导体、绝缘体等。第6章在理想晶体基础上引入缺陷结构，研究实际晶体。
本教材引入在固体物理相关领域研究和发展过程中做出突出贡献的科学家的介绍，以此鼓励学生加强个人修身、心怀天下，努力为科技事业而奋斗。此外，教材的每一节还提供了课堂教学视频的二维码，可通过微信扫描二维码，观看教学视频学习相关内容，可极大方便学习者，有效提升学习效率。
本教材由具有相似培养方案和应用需求的五所高校的任课教师共同编写，其中，第1章由陕西师范大学黄育红编写；第2章由西安交通大学李燕编写；第3章由西安交通大学马飞编写；第4章由西安石油大学刘帅编写；第5章由西安工程大学方青龙编写；第6章由西安文理学院畅庚榕编写。部分图片由西安交通大学研究生王琛、李丹阳、武文硕绘制，部分习题由陕西师范大学研究生侯朋飞修改，马飞、黄育红对全文进行了多次审读和修订，全书由马飞统稿。在此对所有参与编写的老师和同学们表示衷心的感谢。
由于编者时间和精力有限，编撰中难免存在疏漏和不足之处，热切盼望各位老师和同学提出宝贵建议。
编者
2022年6月
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