Theoretical Surface Science pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gross, Axel

出品人:

页数:342

译者:

出版时间:

价格:$ 111.87

装帧:

isbn号码:9783540689669

丛书系列:

图书标签:

• 表面科学
• 理论物理
• 材料科学
• 固体物理
• 界面物理
• 化学物理
• 真空技术
• 分子动力学
• 表面分析
• 纳米科学

《理论表面科学：量子视角下的物质交互》 引言 物质与物质之间的界面，即表面，在宏观世界的物质属性和化学行为中扮演着至关重要的角色。从催化剂的活性到材料的腐蚀，从生命的起源到纳米技术的进步，表面的独特性质和相互作用无处不在，深刻影响着我们对世界的认知和改造能力。理论表面科学，正是致力于用严谨的物理学原理和精密的数学工具，深入探究这些表面现象背后的本质。本书《理论表面科学：量子视角下的物质交互》将带领读者踏上一场由原子、电子和能量构成的迷人探索之旅，揭示构成物质界面的基本法则，并阐释这些法则如何驱动着我们周围世界的丰富多彩。 本书并非简单地罗列实验现象，而是着眼于提供一套理解表面现象的理论框架。我们将从最基础的量子力学原理出发，逐步构建起描述表面原子结构、电子态、吸附过程、反应机制乃至更复杂相变的全景图。在这里，我们不再满足于观察“是什么”，更追求理解“为什么”。通过对量子力学叠加态、隧穿效应、禁带结构等基本概念的深入剖析，读者将能够理解为什么某些原子会在特定位置形成有序结构，为什么某些物质之间会轻易发生化学反应，以及为什么材料在表面会表现出与体相截然不同的性质。 第一部分：量子力学基础与表面模型 本书的基石在于对量子力学基本概念的理解。我们将从波粒二象性、薛定谔方程、量子态的表征等核心概念入手，回顾这些理论是如何改变我们对微观世界的认知。接着，我们将重点关注其在表面科学中的应用。例如，电子的量子态直接决定了材料的导电性、光学性质以及化学反应活性。我们将探讨如何运用量子力学来描述表面电子的局域化和离域化，以及它们如何形成独特的表面能带结构。 为了有效地模拟和理解表面现象，我们必须引入适当的模型。本书将详细介绍几种关键的理论模型，包括： 晶体模型： 理解块体材料的周期性结构是理解其表面性质的基础。我们将回顾布拉维点阵、晶格、晶面等概念，并重点阐述如何将这些概念应用于描述表面原子排列。 表面模型的构建： 表面原子与体相原子在配位数、键合情况等方面存在显著差异。我们将介绍构建表面模型的基本方法，例如，通过“真空层”模型来模拟无限延伸的表面，或者使用“对称表面”模型来简化计算。 电子结构计算方法： 现代理论表面科学离不开先进的计算工具。我们将介绍密度泛函理论（DFT）的核心思想，阐释它如何能够从第一性原理出发，计算物质的电子结构、能量以及各类物理化学性质。此外，我们还将触及更高级的计算方法，如量子蒙特卡洛方法或多体微扰理论，以应对更复杂的电子关联问题。 第二部分：表面结构与电子态 表面并非仅仅是块体材料的简单截面，其原子排列和电子分布往往呈现出高度的有序性或无序性，并由此衍生出丰富的物理化学性质。 表面重构： 在许多情况下，表面原子会调整其位置以降低表面能，形成与体相不同的二维结构，这种现象被称为表面重构。我们将深入探讨驱动表面重构的微观机制，例如，电子重构、畸变诱导等，并介绍描述表面重构的常用符号体系，如Low-Energy Electron Diffraction (LEED) 所反映的结构。 表面缺陷： 实际的表面并非完美无瑕，各种缺陷，如空位、阶梯、台阶、填隙原子等，对表面的化学活性和物理性质有着至关重要的影响。我们将分析不同类型表面缺陷的形成能、扩散机制以及它们如何作为反应活性中心。 表面电子态： 表面电子态是区分表面与体相的关键。我们将详细研究表面局域态（Surface Localized States, SLS）和表面横波态（Surface Resonant States, SRS）等概念。这些态的形成源于边界效应和表面原子独特的配位环境，它们直接影响着材料的吸附、催化和电子传输等性质。我们将讨论如何通过第一性原理计算来预测和理解这些表面电子态的能级、空间分布及其对化学键合的影响。 第三部分：吸附与表面化学 吸附是表面科学中最普遍和最重要的现象之一，它指的是气体分子或其他物质的原子或分子聚集在固体表面的过程。吸附过程的本质是表面原子与吸附物之间的化学相互作用，理解这一过程对于催化、传感、薄膜生长等领域至关重要。 吸附的分类： 我们将区分物理吸附（Physisorption）和化学吸附（Chemisorption），并深入分析它们各自的驱动力、吸附能、吸附机制以及吸附等温线。物理吸附通常是范德华力驱动的弱相互作用，而化学吸附则涉及电子的转移和共享，形成类化学键的强相互作用。 吸附位点与吸附模式： 吸附物在表面上的位置并非随机，而是倾向于占据能量上更有利的吸附位点，如桥位、顶位、空位等。我们将探讨如何通过理论计算来预测吸附物的最优吸附位点和吸附几何构型。 表面化学反应： 吸附的产物可以进一步发生反应，形成新的分子，这一过程是催化剂发挥作用的核心。我们将引入表面反应动力学和热力学的概念，分析反应路径、活化能，并探讨如何利用理论计算来模拟复杂的表面化学反应，例如，Langmuir-Hinshelwood机制和Eley-Rideal机制。 多组分吸附与合金表面： 在实际应用中，表面往往同时存在多种吸附物，或者本身就是由多种元素组成的合金。我们将探讨多组分吸附体系中的相互作用，以及合金表面在吸附和催化中的协同效应。 第四部分：表面动力学与相变 除了静态的结构和吸附，表面的动态行为和相变过程同样是理论表面科学研究的重要内容。 表面扩散： 表面原子和吸附物可以在表面上移动，这一过程被称为表面扩散。我们将分析表面扩散的机制，例如，空位机制、填隙机制等，并讨论如何计算表面扩散的激活能，这对理解薄膜生长、晶粒生长等过程至关重要。 表面相变： 在一定的温度和压力条件下，表面结构可能发生相变，例如，从无序相转变为有序相，或者从一种有序相转变为另一种有序相。我们将利用统计力学和热力学方法来描述和预测表面相变的行为。 表面弛豫与形变： 表面原子的能量状态与体相原子不同，这会导致表面原子在垂直于表面的方向上发生弛豫（即略微偏离其在体相中的平衡位置）。在某些情况下，表面还会发生宏观的形变。我们将讨论这些效应的理论描述方法。 自组装过程： 利用表面原子和分子之间的相互作用，可以诱导自组装形成有序的二维或三维结构。我们将探讨驱动自组装过程的微观机制，以及如何通过理论设计来控制自组装产物的形貌和结构。 第五部分：先进理论与前沿应用 本书的最后部分将聚焦于当前理论表面科学的前沿发展和在各个领域的广泛应用。 量子尺寸效应与纳米表面： 随着材料尺寸缩小到纳米尺度，表面效应变得尤为显著。我们将探讨量子尺寸效应（例如，量子限制）如何影响纳米材料的电子结构和化学性质，以及如何在理论上描述这些效应。 环境效应与非平衡态表面： 许多表面现象发生在复杂的实际环境中，例如，在溶剂或等离子体中。我们将讨论如何将溶剂化效应、电化学效应等纳入理论模型，以更真实地描述这些非平衡态表面。 机器学习与理论计算： 近年来，机器学习方法在加速材料探索和预测方面展现出巨大潜力。我们将探讨如何将机器学习技术与第一性原理计算相结合，以更高效地筛选和设计新型催化剂、半导体材料等。 应用领域展望： 最后，我们将简要回顾理论表面科学在能源（如燃料电池、光催化）、环境（如污染物降解、气体传感）、生命科学（如生物传感、药物递送）以及新材料设计等领域的广泛应用，并展望未来的发展方向。 结论 《理论表面科学：量子视角下的物质交互》旨在为读者提供一个坚实的理论基础，使他们能够理解和预测各种表面现象。通过深入剖析量子力学原理、先进的计算方法以及由此衍生的理论模型，本书将帮助读者揭示物质表面错综复杂的微观世界，并为解决现实世界中的科学技术挑战提供理论指导。本书不仅适合从事表面科学、催化、材料科学、凝聚态物理等领域的研究人员，也是所有对物质本质及其相互作用感到好奇的读者的理想选择。本书所包含的内容，都将以清晰、严谨且富有启发性的方式呈现，力求让每一位读者都能在理论的海洋中，领略到表面科学的无限魅力。

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