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出版者:Springer

作者:E. J. Mittemeijer

出品人:

页数:521

译者:

出版时间:2010-06

价格:GBP 59.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9783642104992

丛书系列:Graduate Texts in Physics

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• 材料学
• 基础
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• 凝聚态物理
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• 晶体学
• 热力学

固体物理学导论：从微观结构到宏观性能 作者：[此处填写作者姓名] 出版社：[此处填写出版社名称] 出版年份：[此处填写出版年份] --- 内容简介 本书旨在为物理学、材料科学与工程、以及相关领域的高年级本科生和研究生提供一个全面且深入的固体物理学基础。我们聚焦于理解物质在原子和电子尺度上的排列方式如何决定其宏观的物理、化学和机械性能。全书结构严谨，逻辑清晰，从晶体结构的描述开始，逐步深入到电子的能带理论、晶格振动（声子）、输运现象，直至探讨磁性、介电性和半导体等关键的凝聚态现象。 本书的叙述风格力求清晰、详尽，避免了对复杂数学推导的过度简化，同时也注重物理图像的构建。我们相信，对基本原理的深刻理解是掌握现代材料科学的基石。 --- 第一部分：晶体结构与衍射 本部分奠定了描述固体周期性结构的基础。 第一章：晶体结构的几何基础 本章首先引入了晶体学的基本概念，包括点阵、基矢、晶胞（原胞和常见晶胞如面心立方、体心立方、六方密堆积等）。详细阐述了布拉维格子及其十四种类型，并探讨了晶体学中常用的指数系统，如米勒指数（Miller Indices），用于精确标记晶面和晶向。此外，我们引入了倒易点阵（Reciprocal Lattice）的概念，这是理解衍射现象和布洛赫定理的数学前提。本章通过丰富的实例和几何练习，帮助读者建立起对三维周期性结构的直观认识。 第二章：X射线、电子与中子衍射 衍射是确定晶体结构的最主要实验手段。本章深入探讨了晶体衍射的基本原理，重点阐述了布拉格定律（Bragg's Law）的物理意义和应用。我们将详细分析X射线、电子束和中子束在晶体中发生相干散射的机制。对于X射线衍射，我们将讨论结构因子（Structure Factor）的计算，以及如何利用衍射图案来确定晶体的空间群和原子位置。对于中子衍射，我们将特别强调其中子与原子核相互作用的特点，使其在探测轻元素（如氢）和磁性结构中的独特优势。 第三章：晶体缺陷与非完美结构 现实中的固体材料总是包含缺陷。本章系统分类并分析了点缺陷（如空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、孪晶界）。我们将详细讨论这些缺陷如何影响材料的机械性能（如塑性变形与强化机制）、扩散过程以及电学性质。位错理论是本章的重点，解释了塑性形变如何通过位错的运动来实现。 --- 第二部分：晶格振动与热力学性质 本部分转向了描述原子集体振动的声学模型，并以此为基础推导材料的热学性质。 第四章：晶格振动与声子 原子并非静止不动，它们在平衡位置附近做简谐振动。本章首先从一维原子链的运动方程出发，推导出其色散关系，引入了声子（Phonon）的概念——晶格振动的量子化激发态。随后，我们将模型推广到三维晶格，讨论纵波和横波模式，以及声学支和光学支。通过紧凑的数学处理，我们定义了声子的态密度（Density of States, DOS）。 第五章：晶格热容量与热导率 基于声子理论，本章详细分析了晶体的热学性质。首先回顾了经典物理学中的杜隆-珀蒂（Dulong-Petit）定律，并指出其局限性。接着，我们引入了爱因斯坦（Einstein）模型和德拜（Debye）模型，重点推导了德拜$T^3$定律在低温下的表现，并将其与实验结果进行对比。此外，本章探讨了热导率的微观机制，解释了热量如何通过声子的散射和输运进行传递。 --- 第三部分：电子的能带理论 这是理解固体导电性、光学和磁学特性的核心部分。 第六章：电子在周期性势场中的运动 本章引入了量子力学在周期性系统中的应用。从薛定谔方程在周期势场中的形式出发，重点阐述了布洛赫定理（Bloch’s Theorem）的数学表述及其物理意义——电子波函数具有周期性调制。基于此，我们导出了能带结构的概念：电子的能量只能占据特定的允许能带，被禁止出现在能隙中。 第七章：近自由电子近似与有效质量 为了更具体地描述能带，本章采用近自由电子模型，阐述了布拉格反射在形成能带结构中的作用，特别是布里渊区（Brillouin Zone）的物理意义。引入了有效质量（Effective Mass）的概念，解释了电子在晶格周期势场中表现出与自由电子不同的惯性响应，这是理解半导体和金属输运特性的关键。 第八章：金属、绝缘体与半导体 基于填充的能带结构，本章清晰地区分了三种基本的电子行为：金属（费米面穿过能带）、绝缘体和半导体（费米面位于能隙内）。我们详细讨论了费米能级（Fermi Energy）的定义及其在不同材料中的位置。对于半导体，本章详细介绍了本征半导体和掺杂半导体（N型和P型）的载流子浓度、简并化效应以及费米能级如何随温度和掺杂程度变化。 --- 第四部分：输运现象与介电特性 本部分将理论模型应用于宏观可观测的输运和电磁响应。 第九章：电导率与载流子输运 本章关注电场作用下电子的漂移运动。我们推导了德鲁德模型（Drude Model）的经典描述，并将其量子化。重点讨论了散射机制——包括晶格散射和杂质散射——如何决定电子的弛豫时间。通过玻尔兹曼输运方程（Bolzmann Transport Equation）的简化形式，推导出电导率和霍尔效应的表达式，并解释了材料电阻率的温度依赖性。 第十g章：介电响应与铁电性 当材料处于外部电场中时，会产生极化现象。本章系统介绍了宏观极化强度、电位移矢量以及介电常数。我们从微观角度分析了电子云位移（电子极化）、离子位移（离子极化）和永久偶极矩（取向极化）。本章的后半部分深入探讨了铁电体（Ferroelectrics）的特性，包括自发极化、居里点以及电畴的存在。 第十一章：磁性材料 本章探讨了固体中电子自旋和轨道运动所引起的各种磁现象。首先回顾了朗之万（Langevin）抗磁性和居里顺磁性。随后，深入分析了铁磁性（Ferromagnetism）的起源——交换相互作用（Exchange Interaction），并引入了平均场理论（Mean Field Theory）来描述磁畴的形成和磁化强度的温度依赖性。此外，还简要介绍了反铁磁性、亚铁磁性以及磁电阻效应的基础概念。 --- 总结与展望 本书的完成，旨在为读者提供一个坚实的理论框架，使他们不仅能够描述已知的固体性质，更能预测和设计具有特定功能的新型材料。每一个章节都建立在先前知识的基础上，鼓励读者在掌握基础概念后，进一步探索如超导、拓扑绝缘体等前沿领域。本书的习题设计兼顾理论深度与实际应用，是巩固学习成果的有力工具。

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不得不提的是，这本书的语言风格非常适合研究生阶段的学习。它既保持了科学文献的严谨性，又避免了过于晦涩难懂的表述。作者在解释复杂概念时，善于使用清晰的图示、表格和数学推导，有效地帮助读者理解。例如，在介绍晶体电子衍射时，书中不仅给出了布拉格方程的推导，还提供了大量的衍射图样示例，并详细解析了如何从衍射图样中推断出材料的晶体结构。这种多维度、多角度的讲解方式，极大地增强了我的学习效率和理解能力。即使是初次接触某些复杂概念的读者，也能在相对较短的时间内掌握其核心要义。

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这本书的出现，简直就是为我这种深陷材料科学研究生阶段迷茫之中的人量身定做的。我一直以来都对材料的微观结构、性能以及它们之间的内在联系感到好奇，但很多现有的教材要么过于基础，要么过于专业化，难以找到一个合适的切入点。当我拿到《Fundamentals of Materials Science (Graduate Texts in Physics)》这本书时，那种感觉就像在茫茫大海中终于找到了一盏指路明灯。首先，这本书的命名就十分吸引人——“Fundamentals”，意味着它将从最基础的原理讲起，但“Graduate Texts in Physics”又暗示了其深度和严谨性，这正是我想在研究生阶段所追求的。我在阅读这本书的过程中，被它结构清晰、逻辑严谨的特点深深吸引。作者并没有一开始就抛出复杂的数学模型和公式，而是循序渐进地引导读者理解材料学的基本概念，例如晶体结构、缺陷、相变等。每一个概念的引入都伴随着详实的解释和恰当的比喻，这使得那些原本可能枯燥乏味的物理原理变得生动易懂。

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对于那些希望深入理解材料科学核心原理的读者来说，这本书无疑是一份宝贵的资源。它不仅仅是一本教材，更像是一位循循善诱的老师。书中对每一种材料的微观结构，从原子键合到晶格排列，都进行了细致的描述，并深入分析了这些结构如何决定材料的宏观性质。我特别赞赏书中关于材料力学性能的章节，它不仅介绍了经典的强度、韧性、疲劳等概念，还深入探讨了导致这些性能的微观机制，例如位错滑移、裂纹扩展等。书中对不同加载方式下材料响应的详尽分析，以及如何通过改变材料的微观结构来优化其力学性能，让我受益匪浅。

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在阅读过程中，我发现这本书在理论的深度和广度之间找到了一个绝佳的平衡点。它并没有为了追求理论的严谨性而牺牲掉对实际应用的考量。书中提供了大量的实例，将抽象的理论知识与现实生活中的材料应用紧密联系起来。例如，在讨论合金设计时，书中结合了相图和晶体学原理，解释了不同合金元素的加入如何改变材料的强度、硬度、耐腐蚀性等。它还介绍了多种重要的工程材料，如金属合金、陶瓷、聚合物以及复合材料，并详细阐述了它们的微观结构、性能特点以及典型的应用领域。这种理论与实践相结合的教学方法，让我能够更好地理解材料科学在工程技术中的重要作用，也为我未来的研究方向提供了启发。

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这本书的另一个亮点在于其对材料相变的精彩阐述。相变是材料性能发生剧烈改变的重要过程，理解相变对于材料的设计和应用至关重要。书中对相变的热力学基础进行了严谨的推导，包括吉布斯自由能、相图的构建以及相变的驱动力等。随后，它将这些理论知识应用于具体的相变过程，例如固态相变、液-固相变等，并详细介绍了影响相变速率和最终相结构的因素。我特别欣赏书中对扩散控制相变和无扩散相变的区分以及它们各自的微观机制的讲解。这让我能够更清晰地理解为什么有些材料在加热或冷却时会发生晶体结构的变化，以及这些变化是如何影响其最终性能的。

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《Fundamentals of Materials Science (Graduate Texts in Physics)》这本书在光学和电学性质的讨论上也做得相当出色。它并没有将材料的这些性质割裂开来，而是通过统一的物理学框架来解释。例如，在讲解半导体的光学和电学性质时，书中巧妙地将能带理论、载流子输运以及光子与电子的相互作用结合起来，形成了一个完整的理论体系。我特别喜欢书中对光电转换过程的详细分析，以及如何通过调控材料的微观结构和能带结构来优化光电器件的性能。这种跨学科的视角，让我能够从更宏观、更系统的角度来理解材料的各种性质。

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这本书对材料热力学和动力学的阐述也十分精妙。它没有仅仅停留在概念的介绍，而是深入到微观层面，解释了热力学参数如何影响材料的稳定性和平衡态，以及动力学过程如何在实际中驱动材料发生变化。我印象深刻的是书中关于扩散理论的讲解，它不仅介绍了菲克定律，还深入探讨了原子在晶格中的迁移机制，以及温度、成分等因素对扩散速率的影响。这对于理解材料的退火、烧结、扩散退火等热处理过程至关重要。书中对这些过程的详细分析，让我能够更好地理解材料在不同热处理条件下的行为变化。

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我尤其喜欢书中对材料缺陷的深入探讨。在我看来，缺陷在材料科学中扮演着至关重要的角色，它们往往是决定材料性能的关键因素。这本书没有简单地罗列各种缺陷类型，而是从形成机理、对性能的影响以及如何控制缺陷等方面进行了详尽的论述。例如，在讨论位错对金属塑性的影响时，书中不仅解释了位错的运动机制，还通过引入应力集中等概念，详细分析了位错密度如何影响材料的屈服强度和加工硬化。此外，书中还涉及了点缺陷、线缺陷、面缺陷以及体缺陷等多种类型的缺陷，并深入分析了它们在扩散、电学性质、光学性质等方面的作用。这种深入浅出的讲解，让我对材料的“不完美”之处有了全新的认识，也为我理解和设计高性能材料提供了理论基础。

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这本书的讲解方式非常注重物理学与材料科学之间的联系。我之前学习物理学时，对一些理论的实际应用感到模糊，而这本书恰恰弥补了这一空白。它清晰地阐述了量子力学、统计力学等物理学基本原理如何在微观层面影响材料的宏观性能。例如，在讨论电子在固体中的行为时，书中不仅给出了能带理论的推导，还详细解释了不同能带结构如何决定了材料的导电性、光学性质等。这种将基础物理知识与材料性能的实际表现紧密结合的讲解方式，让我对材料的理解上升到了一个新的高度。我不再只是机械地记忆公式和模型，而是能够从根本上理解它们是如何运作的，为什么会产生这样的结果。书中对各种晶体结构的详细介绍，从简单的立方晶系到更复杂的密排六方结构，都配有清晰的图示和计算方法，让我能够轻松地掌握不同晶体结构的特点及其对材料性能的影响。

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总而言之，这本书为我提供了一个坚实的材料科学基础。它不仅涵盖了材料学的基本概念，还深入探讨了背后的物理原理。每一次阅读，我都能从中获得新的启发和更深的理解。这本书的逻辑清晰、内容翔实、理论与实践相结合的特点，让我能够将所学知识有效地应用于我的研究工作中。它不仅帮助我解决了很多学习上的困惑，也为我未来的学术发展奠定了坚实的基础。我强烈推荐这本书给所有正在学习材料科学、物理学或者相关工程学科的研究生，它绝对是一本值得反复阅读、细细品味的优秀教材。

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