西安交通大学固体物理导论课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 固体物理导论 Introduction to Solid State Physics 课程编号 MATL400702 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论: 32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 数学物理方法，量子力学 教材、参考 书及其他 资料 使用教材： [1] 方俊鑫，陆栋.固体物理学.上海：上海科技出版社，2005. 参考教材： [1] 黄昆，韩汝琦. 固体物理学.北京：高等教育出版社，2004. [2] 基泰尔. 固体物理导论. 北京：化学工业出版社，2005. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 该课程是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的专业核 心基础课，尤其以固态电子理论和能带理论为主要内容，阐明固体的性能与用途。 通过固体物理学的整个教学过程，要求学生理解晶体结构的几何特征及基本描述、 晶体内原子间的相互作用及晶格振动特征、固体电子论和能带理论，以及实际晶 体中的缺陷、杂质、表面和界面对材料性质的影响等，掌握周期性结构的固体材 料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的研究新进展，要求学生深入理解 其基本概念，有清楚的物理图像，能够熟练掌握基本的物理方法，具有综合运用 所学知识分析问题和解决问题的能力
2.2 课程的目标及学生应达到的能力 1. 工程知识 针对工程实践特别是力、热、光、电、磁学等领域涉及的材料性能及功能器 件设计、制造及应用领域中涉及的材料物理、化学过程及其工作原理和机理，能 够运用固体物理学基础知识进行理解和分析。 支撑毕业要求指标点 1-2：系统掌握数学、自然科学、工程基础和材料科学 与工程专业的基础理论及专门知识，并能够将材料科学基础、材料工程基础、材 料研究方法、材料性能等专业基础知识用于分析材料领域的复杂工程问题。 2. 工程问题分析能力 能够应用高等数学、数理方程、量子力学及工程科学的基本原理，对功能材 料及功能器件设计、制备和使用过程中的力、热、光、电、磁及其耦合交叉领域 的复杂工程问题进行识别和分析，判断影响功能材及器件领域复杂工程问题的关 键制约因素和物理机制，能提出或优化解决方案。 支撑毕业要求指标点 2-1：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理， 对材料设计、制备和使用过程中的复杂工程问题进行识别，判断影响材料领域复 杂工程问题的关键因素。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 L 课程目标 2 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考 学时
1 1. 晶体结构及 X 射线衍射 1.1 固体物理的研究对象及研究内容 1.2 晶体的基本特征及布喇菲空间点阵 1.3 晶体的周期性 1.4 晶向和晶面的表示方法 1.5 倒格子空间及其与正格子空间的关联性 1.6 晶体的对称性及对称操作 1.7 晶体结构表征的 X 射线衍射方法 1.8 晶格结构的几何结构因子 晶体基本几何特 征、晶体的周期 性和对称性、倒 易空间及与正格 子空间的关系、 晶体结构表征的 X 射线衍射方法 8 2 2. 晶体的结合及晶体类型 2.1 晶体的结合类型 2.2 晶体结合力的一般性质及晶格参量 2.3 非极性分子晶体结合能的物理本质 2.4 离子晶体的结合及马德隆常数 2.5 原子晶体结合的方向性和饱和性 晶体结合力的一 般性质、晶格参 量、晶体的结合 类型及 物理本 质、马德隆常数、 非极性分子晶体 结合的物理参量 5 3 3. 晶体振动和晶体的热学性质 3.1 一维晶格振动及原子运动方程 3.2 声学波和光学波的色散关系 3.3 声子的基本性质 3.4 模式密度及固体比热的声子模型 3.5 晶格振动非简谐效应 3.6 晶格振动谱测定的基本方法 晶体内原子运动 方程、声子色散 关系、声学支和 光学支、声子的 基本性质、模式 密度、固体比热 的声子模型、晶 格振动谱的测定 7 4 4. 金属自由电子费米气体 4.1 金属自由电子的物理模型 4.2 自由电子费米气体模型 4.3 自由电子费米参数的计算 4.4 自由电子气体的能态密度 4.5 自由电子气体的热容 4.6 费米球及电导和欧姆定律 金属自由气体电 子的物理模型、 金属自由电子费 米气体模型、费 米参数 计算方 法、能态密度、 自由电子气体的 热容、电场与费 米球的移动、电 导与欧姆定律 6
5 5. 固体电子能带理论 5.1 布洛赫定理及近自由电子模型 5.2 布里渊区和能带的产生 5.3 电子能带的紧束缚近似计算 5.4 晶体中电子的准经典运动规律 5.5 恒定电场中电子的运动及电子有效质量 5.6 导体、绝缘体和半导体 布洛赫定理、近 自由电子模型、 布里渊区和能带 结构、电子能带 结构的紧束缚近 似计算、晶体中 电子的准经典运 动、恒定电场作 用下电子的运动 及 电 子 有 效 质 量、固体分类的 能带理论基础 6
四、教学安排详表 章节顺序 教学内容 学时 分配 教学 方式 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标 的支撑关系 第一章 主要讲述晶体的基本几何结构特 征及布喇菲空间点阵、晶体的周期 性、晶向和晶面的表示方法、倒易 空间及其与正格子空间的关联性、 晶体的对称性及对称操作、晶体结 构表征的 X 射线衍射方法、晶格 结构几何结构因子的计算 8 授课、 课堂 讨论 掌握晶体的基本几何结构特征，理解并掌握倒易空 间及其与正格子空间的关系，掌握晶体结构表征的 X 射线衍射方法；针对固体材料几何结构，具有非 常强的分析表征能力 课程目标 1 课程目标 2 第二章 介绍晶体的结合及晶体类型，讲解 晶体内结合力的一般性质及平衡 晶格参量、非极性分子晶体结合能 的物理本质、离子晶体的结合及马 德隆常数、原子晶体结合的方向性 和饱和性 5 授课、 课堂 讨论 掌握晶体结合类型及其其物理本质，理解固体结合 力的一般性质，能计算马德隆常数以及非极性分子 晶体势能参量，利用原子间相互作用势能计算平衡 晶格参量、了解原子晶体的特征，利用相关知识分 析固体材料力学特性及其变化机制 课程目标 1 课程目标 2 第三章 讲解一维晶格振动及原子运动方 程、声学支和光学支的色散关系、 声子的基本性质、模式密度及固体 比热的声子模型、晶格振动非简谐 7 授课、 课堂 讨论 掌握一维简单和复式晶格振动分析的基本思路，掌 握声学支和光学支晶格振动的物理本质，理解声子 的基本性质，掌握模式密度的概念并能熟练计算晶 格振动的模式密度，理解固体比热的声子模型并基 课程目标 1 课程目标 2