本教材力求對傳統的固體物理內容，做到通俗易懂、圖像清晰和內容融會貫通，同時適當介紹前沿性的研究進展和從事相關研究所需的理論基礎，以達到“夯實基礎、撥高培養和引領前沿”的目的。本書可作為高等院校物理及相關專業本科和研究生課程貫通的固體物理教材，書中內容的適當選用也可作為本科生和研究生的固體物理教材。

●第1章原子的凝聚1
1.1原子結構1
1.2原子電負性6
1.3原子間相互作用及結合力的一般性質9
1.4金屬鍵結合12
1.5離子鍵結合14
1.5.1離子鍵結合的特點14
1.5.2離子固體的相互作用能15
1.5.3平衡時相鄰離子間距、體彈性模量和結合能17
1.6共價鍵結合18
1.6.1共價鍵18
*1.6.2共價鍵理論基礎19
1.6.3共價鍵的飽和性和方向性24
1.7氫鍵結合25
1.8範德瓦斯鍵結合26
1.8.1範德瓦斯鍵結合的特點26
1.8.2分子固體的相互作用能28
1.8.3平衡時相鄰分子間的間距、體彈性模量和結合能29
1.9軌道雜化30
1.9.1軌道雜化概念30
*1.9.2雜化軌道的理論基礎32
*1.9.3典型等性雜化的雜化態波函數及其雜化軌道構型34
*1.10典型碳同素異構體中碳原子間的結合及其性能39
1.10.1金剛石（diamond）39
1.10.2石墨（graphite）40
1.10.3富勒烯（fullerene）42
1.10.4碳納米管（carbonnanotubes）45
1.10.5石墨烯（graphene）47
思考與習題49
第2章晶體結構及其周期性描述51
2.1晶體特征51
2.1.1晶體的宏觀特征51
2.1.2晶體的微觀特征53
2.1.3晶體、非晶體和準晶體55
2.1.4原子球堆積模型56
2.2典型的晶體結構57
2.2.1單原子晶體58
2.2.2化合物晶體65
2.3空間點陣71
2.4晶體的平移對稱性及其描述74
2.4.1晶格周期性與平移對稱性74
2.4.2固體物理學原胞75
2.4.3結晶學原胞77
2.4.4WS原胞80
2.4.5格矢81
2.4.6晶體物理性質的平移對稱性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晶體宏觀對稱性及其對稱操作91
2.6.1正交變換91
2.6.2晶體的旋轉對稱性93
2.6.3晶體的基本對稱操作95
*2.6.4晶體的點對稱操作群98
*2.6.5晶體的空間對稱操作群（簡稱空間群）99
2.7七大晶繫和14種布喇菲點陣100
2.7.1七大晶繫100
2.7.214種布喇菲點陣104
*2.8鈣鈦礦結構及相關的物理性質107
2.8.1鈣鈦礦及其衍生結構107
2.8.2晶體場效應109
2.8.3楊—特勒（JahnTeller）效應110
2.8.4自旋—軌道耦合效應111
思考與習題112
第3章倒易點陣及其周期性115
3.1正點陣及其數學表述115
3.2倒易點陣及其數學表述116
3.2.1倒格子空間的基矢117
3.2.2倒易點陣的數學表述120
3.3倒易點陣的性質121
3.3.1倒格子與正格子間的關繫121
3.3.2晶面與倒易點陣123
3.3.3倒易點陣的對稱性125
3.3.4晶體物理性質的傅裡葉級數展開126
3.4布裡淵區127
3.4．1倒易點陣周期性描述127
3.4.2布裡淵區劃分的理論依據及方法128
3.4.3一維、二維和三維晶格的布裡淵區130
思考與習題136
第4章晶體衍射137
4.1晶體衍射的幾個標志性工作137
4.2勞阨衍射方程139
4.2.1正格子空間的勞阨衍射方程139
4.2.2勞阨衍射方程倒格子空間的表述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間中的表述142
4.3.2布拉格衍射方程倒格子空間中的表述143
4.4衍射加強條件的布裡淵表述144
4.5原子散射因子和幾何結構因子147
4.5.1原子散射因子147
4.5.2幾何結構因子148
4.5.3典型晶體結構衍射峰消失的條件150
*4.6固體X射線衍射分析簡介151
4.6.1XRD實驗原理151
4.6.2XRD分析154
4.6.3XRD的Rietveld法精修和實例157
思考與習題159
第5章原子振動及晶格動力學161
5.1原子振動161
5.2一維單原子晶體的晶格振動164
5.2.1運動方程及其嘗試解164
5.2.2格波165
5.2.3色散關繫166
5.2.4長波和短波極限168
5.2.5玻恩—卡門周期性邊界條件及波矢q的取值170
5.3一維多原子晶體的晶格振動172
5.3.1運動方程及其嘗試解172
5.3.2色散關繫173
5.3.3聲學波與光學波174
5.3.4雙原子鏈玻恩—卡門周期性邊界條件及波矢q的取值177
5.3.5推論179
5.4三維多原子晶體的晶格振動180
5.4.1三維晶體晶格振動的規律和結論180
*5.4.2三維晶體晶格振動的理論處理簡介181
5.5晶格振動的量子理論183
5.5.1描述簡諧振動的哈密頓算符184
5.5.2表像變換184
5.5.3狀態表像中的哈密頓算符表示187
5.5.4格波的能量189
5.5.5推廣到更一般情況190
5.6聲子190
5.6.1聲子的概念190
5.6.2聲子的性質191
5.6.3聲子譜193
*5.6.4聲子譜的測量原理和方法196
5.7晶格振動比熱理論197
5.7.1比熱研究的意義197
5.7.2愛因斯坦模型198
5.7.3德拜模型200
5.7.4晶格比熱量子理論204
5.8非諧效應207
5.8.1非諧效應及其理論處理思路207
5.8.2狀態方程210
5.8.3非諧效應對非平衡態性質的影響212
思考與習題215
第6章金屬電子論218
6.1金屬自由電子氣218
6.1.1特魯特模型218
6.1.2索末菲模型220
6.1.3自由電子氣量子理論221
6.2金屬自由電子氣基態的量子理論222
6.2.1單電子本征態和本征能量222
6.2.2狀態密度和能態密度224
6.2.3自由電子氣的基態及費米面226
6.2.4與自由電子氣基態相關的物理量227
6.3金屬自由電子氣激發態的量子理論229
6.3.1費米—狄拉克統計229
6.3.2激發態時量子態上的電子占據230
6.3.3激發態時的費米能231
6.3.4激發態時的總能量233
6.4電子比熱234
6.5泡利順磁性238
6.6電子發射242
6.6.1電子發射效應242
6.6.2電子熱發射效應的理論分析244
6.7電子輸運246
6.7.1自由電子氣的電子輸運理論246
6.7.2電場作用下金屬的輸運性質248
6.7.3霍爾效應和磁電阻效應250
6.7.4熱輸運性質252
6.8金屬自由電子氣模型或理論的局限性255
思考與習題256
第7章固體能帶論257
7.1原子的能級和固體的能帶257
7.2固體能帶的理論基礎259
7.2.1哈密頓算符259
7.2.2絕熱近似260
7.2.3平均場近似261
7.2.4周期性勢場262
7.3布洛赫定理263
7.3.1平移操作算符及其性質263
7.3.2單電子哈密頓算符及其性質266
7.3.3布洛赫定理267
7.3.4矢量的物理意義及其取值269
7.4固體能帶的普遍規律270
7.4.1能帶結構270
7.4.2能帶函數的對稱性273
7.5近自由電子近似274
7.5.1近自由電子近似及其理論處理思路275
7.5.2布洛赫波遠離布裡淵區邊界的情況276
7.5.3布洛赫波接近布裡淵區邊界的情況278
7.5.4結果討論279
7.6布洛赫電子的平均速度和有效質量283
7.6.1布洛赫電子的平均速度283
7.6.2布洛赫電子的有效質量286
7.7金屬、半金屬、半導體及絕緣體的能帶論的解釋288
7.7.1固體導電性的能帶理論的解釋288
7.7.2物質導電性的判斷原則289
7.7.3金屬、半金屬、半導體及絕緣體的能帶結構特征292
7.7.4空穴294
7.8能態密度和費米面295
7.8.1等能面和能態密度295
7.8.2固體費米面298
7.8.3近自由電子近似下的金屬費米面298
*7.9費米面實驗測定的理論基礎301
7.9.1磁場下電子的回旋運動302
7.9.2磁場下電子狀態的量子力學處理303
7.9.3朗道能級和朗道環304
7.9.4金屬中的電子307
7.9.5沿朗道環的電子回旋運動及其共振吸收307
7.9.6量子振蕩效應309
思考與習題311
第8章固體能帶計算313
8.1基於布洛赫理論的能帶計算313
8.1.1基於布洛赫理論的能帶計算的基本思路313
*8.1.2基於布洛赫理論的能帶計算的典型方法簡介314
8.2能帶計算的平面波方法318
8.2.1平面波方法318
8.2.2基於平面波方法的金屬能帶分析321
8.3能帶計算的緊束縛方法328
8.3.1緊束縛方法中的電子嘗試波函數及其性質328
8.3.2電子能量和能帶333
8.3.3實際晶體的能帶分析335
8.3.4電子有效質量340
*8.4單電子近似的理論基礎及密度泛函理論342
8.4.1哈特裡近似342
8.4.2哈特裡—福克近似345
8.4.3密度泛函理論及局域密度近似348
思考與習題354
第9章固體電子輸運理論356
9.1布洛赫電子運動的半經典模型356
9.2玻爾茲曼方程357
9.3外場和踫撞作用359
9.3.1溫度梯度效應359
9.3.2外加電場效應360
9.3.3外加磁場效應360
9.3.4踫撞效應361
9.3.5溫度梯度、電場、磁場和踫撞同時存在361
9.4電子—聲子相互作用及弛豫時間362
9.4.1電子—聲子相互作用362
9.4.2弛豫時間364
9.5外加電場下的輸運性質365
9.5.1電流密度365
9.5.2固體電導率367
9.5.3馬西森規則369
9.5.4聲子散射引起的電阻率與溫度的關繫371
9.6磁場下的輸運性質373
9.6.1電場和磁場同時存在時的方程及其解373
9.6.2霍爾效應375
9.6.3磁電阻效應375
9.7熱輸運性質379
9.7.1描述熱電效應的基本方程379
9.7.2金屬的熱導率382
9.7.3熱電勢384
思考與習題386
第10章固體的介電性387
10.1固體對外加電場響應的理論基礎387
10.2局域場理論391
10.3固體電極化的微觀機理393
10.3.1電子雲位移極化394
10.3.2離子位移極化395
10.3.3固有電偶極矩的轉向極化396
10.3.4極性分子晶體中的電極化機制398
10.4交變電場下的介電響應398
10.4.1介電常數398
10.4.2介電損耗402
10.4.3德拜弛豫403
10.4.4阻抗頻譜及其等效電路分析406
10.5固體的鐵電性407
10.5.1鐵電體407
10.5.2鐵電體的一般性質408
10.5.3與鐵電性相關的典型物理效應410
思考與習題411
第11章半導體電子論基礎412
11.1半導體的種類412
11.素半導體與化合物半導體412
11.1.2本征半導體與非本征半導體413
11.1.3晶態半導體與非晶態半導體414
11.2本征半導體的能帶結構及其性質414
11.2.1能帶結構414
11.2.2本征光吸收和光發射416
11.2.3本征半導體的載流子濃度418
11.2.4本征半導體的電導率420
11.2.5本征半導體的帶隙421
11.3非本征半導體及其性質423
11.3.1非本征半導體能帶結構特征及其載流子類型424
11.3.2非本征半導體中的載流子濃度429
11.3.3摻雜半導體的費米能級432
11.3.4載流子濃度和電導率隨溫度的變化特征434
11.4非平衡載流子436
11.4.1平衡載流子和非平衡載流子436
11.4.2非平衡載流子的復合和壽命437
11.4.3非平衡載流子的擴散439
11.5PN結440
11.5.1PN結形成過程與機理440
11.5.2PN結的單向導電性及其物理起因443
11.6“金屬/絕緣層/半導體”型異質結446
11.6.1MOS型異質結的結構446
11.6.2外加電場下MOS異質結中的半導體表面效應446
11.6.3MOS反型層448
11.6.4MOS晶體管449
思考與習題450
第12章固體磁性452
12.1原子（離子）磁性452
12.1.1原子磁矩452
12.1.2洪德規則及原子（離子）磁矩456
12.2固體磁性的分類459
12.2.1固體的磁化率460
12.2.2固體磁性的分類461
12.3固體的抗磁性464
12.4固體的順磁性465
12.4.1簡單金屬中的泡利順磁性466
12.4.2含未滿d或f殼層電子的固體中的居裡順磁性466
12.4.3磁場下誘導的範弗萊克順磁性472
12.5固體的鐵磁性474
12.5.1鐵磁體實驗特征474
12.5.2外斯分子場理論477
12.6固體的反鐵磁性484
12.6.1反鐵磁體實驗特征484
12.6.2反鐵磁性的奈爾理論487
12.7固體中磁矩間的交換作用490
12.7.1磁偶極相互作用490
*12.7.2自旋交換的量子理論491
12.7.3直接交換494
12.7.4超交換495
12.7.5雙交換496
12.7.6RKKY交換499
12.7.7D—M交換501
12.8自旋波502
12.8.1分子場理論預言的低溫磁化502
12.8.2自旋波及其色散關繫502
12.8.3自旋波量子化505
12.8.4布洛赫T3/2規律505
12.9自旋玻璃506
12.9.1自旋受挫507
12.9.2自旋無序508
12.9.3自旋玻璃介紹510
12.9.4自旋玻璃與其他磁體的本質區別511
12.9.5如何從實驗上判斷自旋玻璃513
思考與習題514
第13章超導體及其超導電性515
13.1超導現像516
13.1.1理想導體低溫下的電阻516
13.1.2超導體的零電阻517
13.1.3超導態電阻上限517
13.1.4邁斯納效應518
13.1.5超導體的種類521
13.2超導相變及其熱力學性質522
13.2.1磁場下的超導轉變522
13.2.2超導體的熱力學性質523
13.2.3超導相變的特征527
13.3超導電性的倫敦唯像理論528
13.3.1二流體模型528
13.3.2倫敦唯像理論530
13.3.3倫敦唯像理論預言的抗磁性531
13.4金茲堡—朗道理論533
13.4.1G—L理論的理論基礎533
13.4.2超導序參量均勻分布下的G—L理論534
13.4.3一般情況下的G—L理論535
13.4.4穿透深度和相干長度536
13.4.5GL參數537
13.5兩類超導體538
13.5.1界面能538
13.5.2Ⅰ類和Ⅱ類超導體540
13.5.3Ⅱ類超導體的性質541
13.6超導電性的微觀機理及BCS理論簡介543
13.6.1從早期實驗或理論分析中獲得的信息544
13.6.2電子間吸引力的根源545
13.6.3庫珀對546
13.6.4BCS理論簡介548
13.7單電子隧穿效應550
13.7.1“N—I—N”結中的隧穿電流效應550
13.7.2“N—I—S”結中的隧穿電流效應551
13.7.3“S—I—S”結中的隧穿電流效應552
13.7.4“S1—I—S2”結中的隧穿電流效應553
13.8Josephson效應555
13.8.1庫珀對有效波函數和約瑟夫森結556
13.8.2Josephson方程557
13.8.3直流約瑟夫森效應558
13.8.4直流偏壓下的交流約瑟夫森效應559
13.8.5微波感應的臺階效應560
13.9宏觀量子化效應562
13.9.1磁通量子化562
13.9.2超導量子衍射564
13.9.3超導量子干涉566
思考與習題567
主要參考資料568

本書是基於物理類本科和研究生課程的貫通而編寫的教材。從固體的原子論、電子論和專題三方面闡述固體物理的理論框架和內容。首先從固體中原子的角度，介紹固體中的原子凝聚、晶體結構以及晶格振動等固體原子論內容；然後從固體中（價）電子的角度，介紹金屬電子論、固體能帶論、能帶計算等固體電子論方面的內容；最後介紹固體的介電性、半導體性、磁性和超導電性等專題。本教材力求對傳統的固體物理內容，做到通俗易懂、圖像清晰和內容融會貫通，同時適當介紹前沿性的研究進展和從事相關研究所需的理論基礎，以達到“夯實基礎、撥高培養和引領前沿”的目的。本書可作為高等院校物理及相關專業本科和研究生課程貫通的固體物理教材，書中內容的適當選用也可作為本科生和研究生的固體物理教材。

袁松柳 編