新世纪的物理化学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版

作者:梁文平 编

出品人:

页数:531

译者:

出版时间:2004-1

价格:65.00元

装帧:

isbn号码:9787030130952

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《材料的结构与性能：从原子尺度到宏观应用》 图书简介 本书深入探讨了固体材料的微观结构如何决定其宏观物理和化学性能。全书围绕“结构-性能”这一核心主题展开，旨在为材料科学、化学工程、物理学及相关领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一个全面且深入的理论框架和实验视角。 第一部分：晶体结构与缺陷工程 本书的开篇聚焦于材料的原子排列，这是理解所有材料行为的基础。 第一章：晶体学的基本原理 本章详细介绍了晶体结构的基本概念，包括晶格、晶胞、布拉维格子和米勒指数。我们不仅会解析体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）等常见金属结构，还将深入探讨陶瓷和半导体中常见的复杂晶体结构，如金刚石结构、闪锌矿结构和钙钛矿结构。重点在于如何通过X射线衍射（XRD）技术确定和解析未知晶体结构，并讨论晶体学对称性的重要性。 第二章：晶体缺陷的分类与影响 理想的周期性晶体在实际中是不存在的。本章系统地阐述了晶体缺陷的类型，从零维缺陷（点缺陷：空位、间隙原子、取代原子、施特略位错）到二维缺陷（晶界、层错、孪晶界）和三维缺陷（孔隙、夹杂物）。我们将量化点缺陷的浓度与温度的关系（使用爱因斯坦-哈斯关系），并着重分析位错在塑性变形、疲劳和蠕变中的核心作用。理解缺陷的形成能和迁移率，是控制材料性能的关键所在。 第二部分：热力学与相变动力学 材料的稳定性和转变过程由热力学定律支配。 第三章：材料的热力学基础 本章建立起化学热力学在材料科学中的应用基础。内容涵盖吉布斯自由能、化学势、活度以及相图的构建原理。我们将详细解析二元和三元合金体系的相图（如Fe-C相图的深入剖析），并讨论固溶体的热力学稳定性、相分离的驱动力（Spinodal Decomposition和Nucleation-Growth机制）。相平衡条件的讨论，如柯文歇尔关系，将为理解固液、固固相变提供理论支撑。 第四章：扩散现象与动力学 扩散是材料内部物质重新分布和结构演变的主要机制。本章深入探讨了Fick定律，并区分了扩散机制——原子如何通过晶格扩散（空位机制、间隙机制）以及在晶界和表面上的快速扩散路径。重点分析了温度、浓度梯度和外部应力场对扩散速率的影响，并通过Kirkendall效应实例，展示扩散在界面反应中的重要性。 第三章：晶体生长与形核 相变动力学的另一重要方面是形核与生长。本章探讨了形核理论，包括均相形核和异相形核的激活能垒。随后，分析了生长过程中的界面控制和扩散控制机制，并讨论了退火过程中晶粒长大和再结晶的动力学行为。 第三部分：电子结构与电学性能 材料的电子结构决定了其导电性、光学和磁学特性。 第四章：能带理论与半导体物理 本书详细阐述了布洛赫定理和晶体周期性势场中电子能带的形成。内容涵盖了金属、绝缘体和半导体的区分（费米能级的位置）。在半导体部分，我们将深入分析本征半导体的载流子浓度、掺杂效应（N型和P型）、迁移率以及PN结的形成与特性，这是现代电子器件的基础。 第五章：介电与铁电材料 本章关注电场作用下材料的响应。讨论了电极化（电子极化、离子极化、取向极化）的物理机制，介电常数的频率和温度依赖性。重点介绍铁电材料的本征和非本征效应、巴里顿畴结构，以及它们在存储器和传感器中的应用。 第六章：磁性材料与磁化过程 从量子力学角度解释了电子自旋和轨道角动量如何导致磁性。详细区分了顺磁性、抗磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。着重分析了磁畴结构、磁畴壁运动，以及磁滞回线的形成机理，并介绍了磁记录介质和软/硬磁性材料的设计原则。 第四部分：机械性能与本构关系 机械性能是材料能否承受载荷和保持结构完整性的关键。 第七章：弹性与粘弹性行为 本章从连续介质力学的角度出发，定义了应力、应变张量和胡克定律。详细分析了各向异性材料（如晶体）的弹性常数矩阵。随后引入粘弹性概念，使用Voigt模型和Maxwell模型描述聚合物和沥青类材料随时间变化的蠕变和应力松弛行为。 第八章：塑性变形与强化机制 本章深入研究了材料的永久变形机制。晶体塑性主要基于位错的运动和交互作用。我们将系统地阐述加工硬化、固溶强化、晶界强化（Hall-Petch关系）、沉淀强化和第二相粒子钉扎效应。对于非晶态和高分子材料，则讨论了剪切带的形成和流变学特性。 第九章：断裂力学基础 材料的失效分析是工程安全的核心。本章引入了Griffith的能量平衡概念，发展为线性弹性断裂力学（LEFM）。详细解析了应力强度因子（$K_I, K_{II}, K_{III}$）和断裂韧性（$K_{IC}$）。随后，过渡到弹塑性断裂力学，讨论了裂纹尖端塑性区、J积分和裂纹尖端张开位移（CTOD）参数，为评估材料的抗疲劳和抗冲击能力提供定量工具。 第五部分：材料的表面与界面现象 材料的性能往往由其表面和界面所控制。 第十章：吸附、腐蚀与表面改性 本章探讨了表面能、润湿性以及气体或液体分子在固体表面的吸附过程（Langmuir和BET等温线）。腐蚀部分重点分析了电化学腐蚀的基本原理（Tafel方程），如点蚀、应力腐蚀开裂（SCC）的机理。最后，讨论了离子注入、PVD/CVD等先进的表面改性技术如何用于提高材料的耐磨性和抗腐蚀性。 总结 本书通过跨越原子结构、热力学驱动力、电子特性、机械响应以及界面化学的完整路径，构建了一个统一的材料科学知识体系。每一章的理论分析都辅以实际的材料案例（如高温合金、锂离子电池电极、半导体器件等），强调如何通过对微观结构的精确调控，实现对宏观性能的定制化设计。

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这本书的独特之处在于其对“新世纪”概念的把握和贯彻，它不仅仅是对经典物理化学内容的复述，而是着重强调了与现代科技前沿的融合。比如，在电化学部分，它详细剖析了纳米材料在能源存储设备（如锂离子电池和超级电容器）中的界面行为和电荷转移动力学。作者并未止步于经典的法拉第定律，而是将电化学热力学与表面科学、材料工程紧密结合，讨论了表面修饰对电极性能的调控机制，这对于从事新能源技术研发的工程师们来说，简直是宝典级别的参考资料。更令人眼前一亮的是，书中对计算化学在材料设计中的地位给予了极高的评价和详尽的案例分析。它展示了如何利用密度泛函理论（DFT）来预测新型催化剂的活性位点，或者计算有机半导体材料的能带结构。这种前瞻性的内容安排，使得整本书充满了面向未来的活力，让人感觉手中捧着的不是一本沉重的教科书，而是一张通往未来化学实验室的路线图。内容的前沿性，无疑是其最大的亮点。

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这本书的排版和图示设计，也值得称赞，它们极大地缓解了阅读高深理论时的视觉疲劳。不同于一些老旧教材充斥着密密麻麻的黑白线条图，这部作品在关键概念的图解上投入了大量的精力。例如，对分子轨道理论中对称性守恒原理的解释，采用了多角度的三维动态示意图，这对于初学者理解芳香族性或反应选择性至关重要。再者，书中选取的案例研究都极具时代感和应用价值，从环境化学中的污染物降解动力学，到生物物理中的蛋白质折叠热力学，无不体现了跨学科的视野。它成功地将物理化学这门“基础学科”提升到了一个更具实践指导意义的层面。总而言之，这本书成功地在学术深度、前沿广度和可读性之间找到了一个近乎完美的平衡点，是这个领域内一本不可多得的里程碑式著作。

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我必须坦白，这本书的难度是相当高的，它要求读者具备扎实的数学和无机背景，但回报也是巨大的。阅读体验中，最让我感到震撼的是其对统计力学在复杂系统应用上的突破性阐述。作者没有将统计力学束之高阁，而是将其无缝地引入到高分子溶液的热力学和胶体分散体系的稳定性分析中。特别是对布朗运动在溶液粘度和扩散系数测定中的应用，描述得极为精细，甚至涉及到非理想溶液中粒子间相互作用的佩尔斯（Perrin）模型修正。我曾经花了好几天时间，对着书中关于自由体积理论解释玻璃化转变温度的推导，每一步都充满了逻辑上的严谨和物理图像的清晰。这本书的结构设计极为巧妙，它似乎在不断地挑战读者的认知边界，每当你以为掌握了一个概念时，作者总能通过引入一个新的视角（比如信息论在熵的解释中的应用），让你发现新的深度。这是一种良性的、驱动性的学习体验，让你忍不住想去验证和应用书中所学的知识。

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这部**《新世纪的物理化学》**读起来，就像是走进了一座知识的迷宫，但又不失清晰的指引。初读的感受是，作者对于基础理论的阐述极为扎实，丝毫不含糊。特别是对量子化学部分的处理，深入浅出，将复杂的薛定谔方程及其在分子结构中的应用，用一种近乎诗意的语言娓娓道来。我记得有一章专门讨论了过渡态理论在催化反应中的应用，作者没有停留在传统的能量面描述，而是引入了分子动力学模拟的结果，使得原本抽象的反应路径变得可视化和可触摸。这对我理解反应机理的动态过程帮助极大。而且，书中穿插的那些历史小插曲，比如普朗克和爱因斯坦在早期量子化问题上的争论，不仅丰富了知识性，也让阅读过程充满了人文关怀，不再是枯燥的公式堆砌。它成功地搭建了一座坚实的桥梁，连接了宏观的化学现象与微观的量子世界，对于希望从根本上理解化学键成因和反应活性的读者来说，这本书提供了极其深刻的视角。我甚至觉得，它对实验化学家在设计新反应或分析复杂谱图时，都能提供强有力的理论后盾，绝非一本应付考试的教材可比。

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与我过去接触的那些注重平衡态的热力学教材相比，这部《新世纪的物理化学》在非平衡态过程的讨论上显得尤为出色。它不再将反应速率视为一个静态的常数，而是深入探讨了速率常数对温度、压力以及更重要的——外加场（如光照、电场）的依赖性。例如，在光化学部分，对激发态寿命的测量方法（如时间分辨光谱）的介绍，结合了辐射跃迁和非辐射跃迁的详细速率方程分析，让光敏反应的机理研究变得井井有条。我尤其欣赏作者对随机过程在化学系统建模中的运用，例如利用福克-普朗克方程来描述分子在势能面上的扩散和陷阱效应。这种将经典动力学、量子力学与随机过程数学完美融合的处理方式，极大地提升了对复杂化学反应过程的理解层次。这本书似乎在暗示，真正的化学研究发生在远离平衡态的动态世界中，而它提供了理解这个世界的必备工具箱。

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