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| 編輯推薦： |
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本教材力求对传统的固体物理内容，做到通俗易懂、图像清晰和内容融会贯通，同时适当介绍前沿性的研究进展和从事相关研究所需的理论基础，以达到“夯实基础、拔高培养和引领前沿”的目的。本书可作为高等院校物理及相关专业本科和研究生课程贯通的固体物理教材，书中内容的适当选用也可作为本科生和研究生的固体物理教材。
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| 內容簡介： |
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本书是基于物理类本科和研究生课程的贯通而编写的教材。从固体的原子论、电子论和专题三方面阐述固体物理的理论框架和内容。首先从固体中原子的角度，介绍固体中的原子凝聚、晶体结构以及晶格振动等固体原子论内容；然后从固体中（价）电子的角度，介绍金属电子论、固体能带论、能带计算等固体电子论方面的内容；*后介绍固体的介电性、半导体性、磁性和超导电性等专题。本教材力求对传统的固体物理内容，做到通俗易懂、图像清晰和内容融会贯通，同时适当介绍前沿性的研究进展和从事相关研究所需的理论基础，以达到“夯实基础、拔高培养和引领前沿”的目的。本书可作为高等院校物理及相关专业本科和研究生课程贯通的固体物理教材，书中内容的适当选用也可作为本科生和研究生的固体物理教材。
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| 關於作者： |
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袁松柳，华中科技大学物理学院二级教授、博士生导师、华中卓越学者特聘教授、首届全国高等学校固体物理研究会常务理事。主要从事高温超导、庞磁电阻、自旋电子学、多铁效应、负磁化效应等研究，先后主持国家973项目一项（课题组长）、多项国家自然科学基金项目以及*重大项目、跨世纪人才基金、985专项、211工程等科研项目，获得过*自然科学二等奖和湖北省自然科学二等奖以及九项授权专利。在国际刊物上发表SCI论文300余篇，论文被他人多次以“袁等报道”、“袁等提出”、“根据袁等模型”等表述形式正面引用，入选2021年“中国高被引学者”榜单。培养了3名博士后、48名博士以及上百名硕士。主要主讲本科生的“量子力学”和“固体物理”课程以及研究生的“高度固体物理”和“材料物理”课程，获“最满意课堂”、“立德树人”、“三育人”、“育人伯乐”、“本科教学年度贡献”、华中科技大学教学名师等荣誉和称号。
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| 目錄：
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第1章原子的凝聚1
1.1原子结构1
1.2原子电负性6
1.3原子间相互作用及结合力的一般性质9
1.4金属键结合12
1.5离子键结合14
1.5.1离子键结合的特点14
1.5.2离子固体的相互作用能15
1.5.3平衡时相邻离子间距、体弹性模量和结合能17
1.6共价键结合18
1.6.1共价键18
*1.6.2共价键理论基础19
1.6.3共价键的饱和性和方向性24
1.7氢键结合25
1.8范德瓦斯键结合26
1.8.1范德瓦斯键结合的特点26
1.8.2分子固体的相互作用能28
1.8.3平衡时相邻分子间的间距、体弹性模量和结合能29
1.9轨道杂化30
1.9.1轨道杂化概念30
*1.9.2杂化轨道的理论基础32
*1.9.3典型等性杂化的杂化态波函数及其杂化轨道构型34
*1.10典型碳同素异构体中碳原子间的结合及其性能39
1.10.1金刚石（diamond）39
1.10.2石墨（graphite）40
1.10.3富勒烯（fullerene）42
1.10.4碳纳米管（carbonnanotubes）45
1.10.5石墨烯（graphene）47
思考与习题49
第2章晶体结构及其周期性描述51
2.1晶体特征51
2.1.1晶体的宏观特征51
2.1.2晶体的微观特征53
2.1.3晶体、非晶体和准晶体55
2.1.4原子球堆积模型56
2.2典型的晶体结构57
2.2.1单原子晶体58
2.2.2化合物晶体65
2.3空间点阵71
2.4晶体的平移对称性及其描述74
2.4.1晶格周期性与平移对称性74
2.4.2固体物理学原胞75
2.4.3结晶学原胞77
2.4.4WS原胞80
2.4.5格矢81
2.4.6晶体物理性质的平移对称性83
2.5晶列、晶面及其表示84
2.5.1晶列及其表示84
2.5.2晶面及其表示87
2.6晶体宏观对称性及其对称操作91
2.6.1正交变换91
2.6.2晶体的旋转对称性93
2.6.3晶体的基本对称操作95
*2.6.4晶体的点对称操作群98
*2.6.5晶体的空间对称操作群（简称空间群）99
2.7七大晶系和14种布喇菲点阵100
2.7.1七大晶系100
2.7.214种布喇菲点阵104
*2.8钙钛矿结构及相关的物理性质107
2.8.1钙钛矿及其衍生结构107
2.8.2晶体场效应109
2.8.3杨—特勒（JahnTeller）效应110
2.8.4自旋—轨道耦合效应111
思考与习题112
第3章倒易点阵及其周期性115
3.1正点阵及其数学表述115
3.2倒易点阵及其数学表述116
3.2.1倒格子空间的基矢117
3.2.2倒易点阵的数学表述120
3.3倒易点阵的性质121
3.3.1倒格子与正格子间的关系121
3.3.2晶面与倒易点阵123
3.3.3倒易点阵的对称性125
3.3.4晶体物理性质的傅里叶级数展开126
3.4布里渊区127
3.4．1倒易点阵周期性描述127
3.4.2布里渊区划分的理论依据及方法128
3.4.3一维、二维和三维晶格的布里渊区130
思考与习题136
第4章晶体衍射137
4.1晶体衍射的几个标志性工作137
4.2劳厄衍射方程139
4.2.1正格子空间的劳厄衍射方程139
4.2.2劳厄衍射方程倒格子空间的表述141
4.3布拉格衍射方程142
4.3.1布拉格衍射方程正格子空间中的表述142
4.3.2布拉格衍射方程倒格子空间中的表述143
4.4衍射加强条件的布里渊表述144
4.5原子散射因子和几何结构因子147
4.5.1原子散射因子147
4.5.2几何结构因子148
4.5.3典型晶体结构衍射峰消失的条件150
*4.6固体X射线衍射分析简介151
4.6.1XRD实验原理151
4.6.2XRD分析154
4.6.3XRD的Rietveld法精修和实例157
思考与习题159
第5章原子振动及晶格动力学161
5.1原子振动161
5.2一维单原子晶体的晶格振动164
5.2.1运动方程及其尝试解164
5.2.2格波165
5.2.3色散关系166
5.2.4长波和短波极限168
5.2.5玻恩—卡门周期性边界条件及波矢q的取值170
5.3一维多原子晶体的晶格振动172
5.3.1运动方程及其尝试解172
5.3.2色散关系173
5.3.3声学波与光学波174
5.3.4双原子链玻恩—卡门周期性边界条件及波矢q的取值177
5.3.5推论179
5.4三维多原子晶体的晶格振动180
5.4.1三维晶体晶格振动的规律和结论180
*5.4.2三维晶体晶格振动的理论处理简介181
5.5晶格振动的量子理论183
5.5.1描述简谐振动的哈密顿算符184
5.5.2表象变换184
5.5.3状态表象中的哈密顿算符表示187
5.5.4格波的能量189
5.5.5推广到更一般情况190
5.6声子190
5.6.1声子的概念190
5.6.2声子的性质191
5.6.3声子谱193
*5.6.4声子谱的测量原理和方法196
5.7晶格振动比热理论197
5.7.1比热研究的意义197
5.7.2爱因斯坦模型198
5.7.3德拜模型200
5.7.4晶格比热量子理论204
5.8非谐效应207
5.8.1非谐效应及其理论处理思路207
5.8.2状态方程210
5.8.3非谐效应对非平衡态性质的影响212
思考与习题215
第6章金属电子论218
6.1金属自由电子气218
6.1.1特鲁特模型218
6.1.2索末菲模型220
6.1.3自由电子气量子理论221
6.2金属自由电子气基态的量子理论222
6.2.1单电子本征态和本征能量222
6.2.2状态密度和能态密度224
6.2.3自由电子气的基态及费米面226
6.2.4与自由电子气基态相关的物理量227
6.3金属自由电子气激发态的量子理论229
6.3.1费米—狄拉克统计229
6.3.2激发态时量子态上的电子占据230
6.3.3激发态时的费米能231
6.3.4激发态时的总能量233
6.4电子比热234
6.5泡利顺磁性238
6.6电子发射242
6.6.1电子发射效应242
6.6.2电子热发射效应的理论分析244
6.7电子输运246
6.7.1自由电子气的电子输运理论246
6.7.2电场作用下金属的输运性质248
6.7.3霍尔效应和磁电阻效应250
6.7.4热输运性质252
6.8金属自由电子气模型或理论的局限性255
思考与习题256
第7章固体能带论257
7.1原子的能级和固体的能带257
7.2固体能带的理论基础259
7.2.1哈密顿算符259
7.2.2绝热近似260
7.2.3平均场近似261
7.2.4周期性势场262
7.3布洛赫定理263
7.3.1平移操作算符及其性质263
7.3.2单电子哈密顿算符及其性质266
7.3.3布洛赫定理267
7.3.4矢量的物理意义及其取值269
7.4固体能带的普遍规律270
7.4.1能带结构270
7.4.2能带函数的对称性273
7.5近自由电子近似274
7.5.1近自由电子近似及其理论处理思路275
7.5.2布洛赫波远离布里渊区边界的情况276
7.5.3布洛赫波接近布里渊区边界的情况278
7.5.4结果讨论279
7.6布洛赫电子的平均速度和有效质量283
7.6.1布洛赫电子的平均速度283
7.6.2布洛赫电子的有效质量286
7.7金属、半金属、半导体及绝缘体的能带论的解释288
7.7.1固体导电性的能带理论的解释288
7.7.2物质导电性的判断原则289
7.7.3金属、半金属、半导体及绝缘体的能带结构特征292
7.7.4空穴294
7.8能态密度和费米面295
7.8.1等能面和能态密度295
7.8.2固体费米面298
7.8.3近自由电子近似下的金属费米面298
*7.9费米面实验测定的理论基础301
7.9.1磁场下电子的回旋运动302
7.9.2磁场下电子状态的量子力学处理303
7.9.3朗道能级和朗道环304
7.9.4金属中的电子307
7.9.5沿朗道环的电子回旋运动及其共振吸收307
7.9.6量子振荡效应309
思考与习题311
第8章固体能带计算313
8.1基于布洛赫理论的能带计算313
8.1.1基于布洛赫理论的能带计算的基本思路313
*8.1.2基于布洛赫理论的能带计算的典型方法简介314
8.2能带计算的平面波方法318
8.2.1平面波方法318
8.2.2基于平面波方法的金属能带分析321
8.3能带计算的紧束缚方法328
8.3.1紧束缚方法中的电子尝试波函数及其性质328
8.3.2电子能量和能带333
8.3.3实际晶体的能带分析335
8.3.4电子有效质量340
*8.4单电子近似的理论基础及密度泛函理论342
8.4.1哈特里近似342
8.4.2哈特里—福克近似345
8.4.3密度泛函理论及局域密度近似348
思考与习题354
第9章固体电子输运理论356
9.1布洛赫电子运动的半经典模型356
9.2玻尔兹曼方程357
9.3外场和碰撞作用359
9.3.1温度梯度效应359
9.3.2外加电场效应360
9.3.3外加磁场效应360
9.3.4碰撞效应361
9.3.5温度梯度、电场、磁场和碰撞同时存在361
9.4电子—声子相互作用及弛豫时间362
9.4.1电子—声子相互作用362
9.4.2弛豫时间364
9.5外加电场下的输运性质365
9.5.1电流密度365
9.5.2固体电导率367
9.5.3马西森规则369
9.5.4声子散射引起的电阻率与温度的关系371
9.6磁场下的输运性质373
9.6.1电场和磁场同时存在时的方程及其解373
9.6.2霍尔效应375
9.6.3磁电阻效应375
9.7热输运性质379
9.7.1描述热电效应的基本方程379
9.7.2金属的热导率382
9.7.3热电势384
思考与习题386
第10章固体的介电性387
10.1固体对外加电场响应的理论基础387
10.2局域场理论391
10.3固体电极化的微观机理393
10.3.1电子云位移极化394
10.3.2离子位移极化395
10.3.3固有电偶极矩的转向极化396
10.3.4极性分子晶体中的电极化机制398
10.4交变电场下的介电响应398
10.4.1介电常数398
10.4.2介电损耗402
10.4.3德拜弛豫403
10.4.4阻抗频谱及其等效电路分析406
10.5固体的铁电性407
10.5.1铁电体407
10.5.2铁电体的一般性质408
10.5.3与铁电性相关的典型物理效应410
思考与习题411
第11章半导体电子论基础412
11.1半导体的种类412
11.1.1元素半导体与化合物半导体412
11.1.2本征半导体与非本征半导体413
11.1.3晶态半导体与非晶态半导体414
11.2本征半导体的能带结构及其性质414
11.2.1能带结构414
11.2.2本征光吸收和光发射416
11.2.3本征半导体的载流子浓度418
11.2.4本征半导体的电导率420
11.2.5本征半导体的带隙421
11.3非本征半导体及其性质423
11.3.1非本征半导体能带结构特征及其载流子类型424
11.3.2非本征半导体中的载流子浓度429
11.3.3掺杂半导体的费米能级432
11.3.4载流子浓度和电导率随温度的变化特征434
11.4非平衡载流子436
11.4.1平衡载流子和非平衡载流子436
11.4.2非平衡载流子的复合和寿命437
11.4.3非平衡载流子的扩散439
11.5PN结440
11.5.1PN结形成过程与机理440
11.5.2PN结的单向导电性及其物理起因443
11.6“金属/绝缘层/半导体”型异质结446
11.6.1MOS型异质结的结构446
11.6.2外加电场下MOS异质结中的半导体表面效应446
11.6.3MOS反型层448
11.6.4MOS晶体管449
思考与习题450
第12章固体磁性452
12.1原子（离子）磁性452
12.1.1原子磁矩452
12.1.2洪德规则及原子（离子）磁矩456
12.2固体磁性的分类459
12.2.1固体的磁化率460
12.2.2固体磁性的分类461
12.3固体的抗磁性464
12.4固体的顺磁性465
12.4.1简单金属中的泡利顺磁性466
12.4.2含未满d或f壳层电子的固体中的居里顺磁性466
12.4.3磁场下诱导的范弗莱克顺磁性472
12.5固体的铁磁性474
12.5.1铁磁体实验特征474
12.5.2外斯分子场理论477
12.6固体的反铁磁性484
12.6.1反铁磁体实验特征484
12.6.2反铁磁性的奈尔理论487
12.7固体中磁矩间的交换作用490
12.7.1磁偶极相互作用490
*12.7.2自旋交换的量子理论491
12.7.3直接交换494
12.7.4超交换495
12.7.5双交换496
12.7.6RKKY交换499
12.7.7D—M交换501
12.8自旋波502
12.8.1分子场理论预言的低温磁化502
12.8.2自旋波及其色散关系502
12.8.3自旋波量子化505
12.8.4布洛赫T3/2规律505
12.9自旋玻璃506
12.9.1自旋受挫507
12.9.2自旋无序508
12.9.3自旋玻璃介绍510
12.9.4自旋玻璃与其他磁体的本质区别511
12.9.5如何从实验上判断自旋玻璃513
思考与习题514
第13章超导体及其超导电性515
13.1超导现象516
13.1.1理想导体低温下的电阻516
13.1.2超导体的零电阻517
13.1.3超导态电阻上限517
13.1.4迈斯纳效应518
13.1.5超导体的种类521
13.2超导相变及其热力学性质522
13.2.1磁场下的超导转变522
13.2.2超导体的热力学性质523
13.2.3超导相变的特征527
13.3超导电性的伦敦唯象理论528
13.3.1二流体模型528
13.3.2伦敦唯象理论530
13.3.3伦敦唯象理论预言的抗磁性531
13.4金兹堡—朗道理论533
13.4.1G—L理论的理论基础533
13.4.2超导序参量均匀分布下的G—L理论534
13.4.3一般情况下的G—L理论535
13.4.4穿透深度和相干长度536
13.4.5GL参数537
13.5两类超导体538
13.5.1界面能538
13.5.2Ⅰ类和Ⅱ类超导体540
13.5.3Ⅱ类超导体的性质541
13.6超导电性的微观机理及BCS理论简介543
13.6.1从早期实验或理论分析中获得的信息544
13.6.2电子间吸引力的根源545
13.6.3库珀对546
13.6.4BCS理论简介548
13.7单电子隧穿效应550
13.7.1“N—I—N”结中的隧穿电流效应550
13.7.2“N—I—S”结中的隧穿电流效应551
13.7.3“S—I—S”结中的隧穿电流效应552
13.7.4“S1—I—S2”结中的隧穿电流效应553
13.8Josephson效应555
13.8.1库珀对有效波函数和约瑟夫森结556
13.8.2Josephson方程557
13.8.3直流约瑟夫森效应558
13.8.4直流偏压下的交流约瑟夫森效应559
13.8.5微波感应的台阶效应560
13.9宏观量子化效应562
13.9.1磁通量子化562
13.9.2超导量子衍射564
13.9.3超导量子干涉566
思考与习题567
主要参考资料568
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由大量原子按适当结合方式凝聚到一起而形成的固态物质，根据其中的原子排列分布是否具有周期性，通常分为晶体和非晶体两大类。晶体中的原子按一定规则周期有序排列，而非晶体中原子的排列不具有周期性。尽管目前对非晶的研究日趋活跃且成果丰富，但迄今为止，人们对固体的了解以及很多概念的提出大多来自对晶体的研究，由于这一原因，如无特别交代，本书所提到的固体均是指由大量原子周期性排布而形成的固体，即晶体。固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）间的相互作用与运动规律以从微观上解释或预测固体宏观性质的学科。除了研究因原子间不同的相互作用而导致固体具有不同的结构（因此具有不同的物理性质）外，固体物理重要的内容涉及的是对各种波在周期性结构的固体中的传播问题的研究，如格波、电磁波、德布罗意波、布洛赫波、自旋波等在周期性结构的固体中的传播。上世纪初，晶体衍射技术的发展以及晶体衍射理论的提出，使得人们可以从微观层次上研究晶体中的原子周期性排布；随后，将量子力学、统计物理等应用于对周期性结构固体的分析，由此发展了一系列理论，如晶格动力学理论、金属自由电子气量子理论、固体能带理论等。在此基础上，于上世纪20到50年代期间正式形成了一门独立的学科——固体物理学。到上世纪50到70年代，固体物理学逐渐进入到大发展时期，其重要标志体现在，一是为各种功能材料的预测和研制提供了理论基础，另一是导致以固体物理学为基础的各分支学科的相继建立，如金属物理、半导体物理、超导物理、电介质物理、磁性物理等。当代的固体物理学，其发展的特点是，研究对象的多样化和复杂化，多种现代和极端条件应用于材料制备和性能研究，重正化群、自相似、自组织、混沌、密度泛函等方法的引入使得理论研究更加深入，与其它学科相互交叉、渗透、互相促进并共同发展，等等。自上世纪80年代以来，固体物理学科日新月异，新效应、新概念、新理论不断涌现，使得固体物理进入到崭新的研究阶段，因准晶、整数量子霍尔效应、高温超导、富勒烯、分数量子霍尔效应、巨磁电阻效应、石墨烯、白光LED、拓扑相变等的发现而先后获得诺贝尔奖，足见固体物理学科在现今基础学科中的重要地位。本书是出于华中科技大学物理学院本硕课程贯通的目的、基于多年的本科生和研究生课程的讲稿整理而成的。作者有从事本科生量子力学和固体物理教学的二十多年的经历以及先后给研究生上过高等固体物理、低温物理、材料物理等课程，同时，基于超导、磁电子、量子态调控、稀磁半导体、负磁化效应、多铁效应等研究，培养了近50名博士和上百名硕士。虽然如此，但真的准备写教材特别是有特色的教材时，作者深深感觉到非常的不易，这一是因为作者的知识浅薄和水平有限，另一是因为国内已出版了很多版本的固体物理类的教材。本书从固体原子论、固体电子论和固体物理专题三方面阐述固体物理的理论框架和内容。首先，从固体中原子的角度，介绍固体原子论内容，由原子凝聚、晶体结构及其周期性描述、倒易点阵及其周期性、晶体衍射以及原子振动及晶格动力学五章构成。相对于已出版的固体物理教材，在第一章中除了介绍五种基本结合类型外，比较详细地介绍了轨道杂化内容，这是因为轨道杂化是导致复杂晶体结构的主要原因，同时介绍了富勒烯、碳纳米管和石墨烯等这些当前热点的研究内容。由于倒格子空间的描述在固体理论中非常重要，因此，把相关内容单独作为一章而给以较详细的描述。在第四章中，除了一般教科书中介绍的晶体衍射内容外，基于作者在研究生培养过程中的体会，有意添加了如何基于X射线衍射获得晶体结构信息的内容。然后，从固体中（价）电子的角度，介绍固体电子论内容，由金属电子论、固体能带论、固体能带计算和固体电子输运理论四章构成。考虑到在实际研究中的能带计算很少是基于布洛赫理论的，在第8章中比较详细地介绍了基于密度泛函理论的能带计算的基本思路。*后，在第10-13章中，分别介绍了固体的介电性、半导体性、磁性和超导电性等固体物理专题。由于固体物理更多强调的是固体中的物理问题，因此，在每章的*后附有思考与习题，从思考与练习的角度，加深对每章内容的理解。本教材力求对传统的固体物理内容，做到通俗易懂、图像清晰和内容融会贯通，同时适当介绍前沿性的研究进展和从事相关研究所需的理论基础，以达到“夯实基础、拔高培养和引领前沿”的目的。作者曾有幸邀请到北京大学阎守胜教授来华中科技大学作为期两周的固体物理讲座，和武汉大学石兢教授多年来一直保持往来并就固体物理问题经常在一起讨论，华中科技大学田召明教授对部分内容进行了认真的审阅并提出修改意见，华中科技大学刘鑫教授、付英双教授、陆成亮教授、钱立华教授和田召明教授在教学中采用了本教材的前期讲义，华中科技大学物理学院院长陈相松教授对编写本教材一直给以鼓励和支持，作者在此向他们表示由衷地感谢。由于作者学识浅薄，水平有限，书中错误和不妥之处难免，敬请各位专家学者及广大读者给以批评指正。
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