具体描述
Used widely in courses and frequently sought as a reference, this 2-volume work features comprehensive coverage of its subject. Volume 1 examines the fundamental theory of equilibrium properties of perfect crystalline solids. Volume 2 addresses non-equilibrium properties, defects, and disordered systems. 1973 edition.
探索物质深层结构的奥秘：从量子力学到宏观性质的桥梁 本书的写作初衷，在于为读者构建一个关于凝聚态物质（特别是固态物质）内在规律的系统认知框架。我们深知，要理解日常生活中触手可及的丰富多样的物质形态，如坚硬的金属、晶莹的宝石、柔韧的聚合物，甚至是构成我们身体的基本单元，必须深入到原子和电子的微观世界，并理解它们之间错综复杂、却又遵循严谨物理法则的相互作用。本书旨在提供这样一把钥匙，它将带领读者从量子力学的基本原理出发，逐步揭示固态物质的结构、电子行为、集体激发以及由此产生的宏观物理性质。 我们选择“理论”作为核心，是因为固态物理的许多深刻洞见，都源于精妙的理论模型和数学框架。这些理论不仅解释了已知的实验现象，更为我们预测和设计新材料提供了强大的指导。本书将力求在严谨的数学推导和直观的物理图像之间找到平衡，使得读者在掌握必要的数学工具的同时，也能深刻理解其背后的物理意义。 第一部分：量子力学基石与晶体世界的规则 任何对固态物理的深入探索，都必须建立在量子力学的坚实基础之上。因此，本书的开篇将回顾并梳理量子力学中最核心的概念和数学工具，重点关注那些与多粒子系统紧密相关的方面。我们将从单粒子薛定谔方程出发，介绍波函数、算符、本征值和本征态等基本概念。但很快，我们将转向多粒子系统的复杂性。 原子中的电子不再是孤立的个体，它们相互排斥，并且在原子核的吸引下形成复杂的电子云分布。理解电子的轨道、能级以及泡利不相容原理，对于理解固态物质的性质至关重要。我们将会探讨电子在周期性势场中的行为，这是理解晶体结构的关键。 晶体，作为固态物质最普遍、最规整的形式，其周期性结构是其物理性质的根本来源。我们将详细介绍晶体学中的基本概念，包括晶格、基元、晶向、晶面以及各种对称性操作。布拉维晶格的概念将得到详尽的阐述，并介绍米勒指数等描述晶面的重要工具。我们还会讨论各种常见的晶体结构，例如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及六方密堆积（HCP）等，并分析它们在原子排列上的特点。 理解晶体结构与X射线衍射等实验技术之间的联系，也是本部分的重要内容。通过布拉格定律，我们可以从衍射图样中解析出晶体的原子排列方式，从而为理论模型提供直接的实验验证。 第二部分：电子在周期性势场中的旅程 一旦我们理解了晶体的周期性结构，接下来的关键问题便是电子如何在这样的结构中运动。这部分内容将是本书的核心，也是固态物理最具吸引力之处。 我们将引入著名的布洛赫定理（Bloch's Theorem），该定理深刻地揭示了电子在周期性势场中的波函数具有特定的形式，即布洛赫波。布洛赫定理是理解电子能带结构的基础。我们将会详细推导并阐释能带的概念，它将连续的电子能量分割成一系列允许的能带和禁止的能隙。能带的形状（色散关系 E(k)）直接决定了电子的动量（k）、能量（E）以及它们的相互关系。 根据能带理论，我们可以将物质划分为导体、绝缘体和半导体。我们将详细分析这三种材料在能带结构上的差异，并解释为什么导体能够导电，而绝缘体和半导体则不能或只能有限地导电。对于半导体，我们将进一步探讨本征半导体和掺杂半导体的性质，以及费米能级在其中的作用。 除了能带理论，我们还将引入晶格振动（声子）的概念。原子在晶格中的静止位置并不是绝对的，它们会围绕平衡位置发生集体振动。这些集体振动的量子化形式被称为声子。声子是热容量、热导率以及电子-声子相互作用等重要物理现象的根源。我们将探讨声子的色散关系，以及德拜模型等用于描述晶格振动的理论。 第三部分：电子的相互作用与多体效应 在实际的固态物质中，电子之间并非孤立存在，它们之间存在强烈的库仑相互作用。此外，电子与晶格振动（声子）之间也存在耦合。这些多体效应使得问题变得更加复杂，但也揭示了许多更深刻的物理现象。 我们将探讨多种近似方法来处理电子之间的相互作用，例如Hartree-Fock近似，它试图用平均场来近似描述电子之间的相互作用。虽然Hartree-Fock近似在一定程度上捕捉了泡利不相容原理的影响，但它忽略了电子之间的关联效应。 为了更精确地描述电子关联，我们将介绍一些更高级的理论方法，例如随机相位近似（Random Phase Approximation, RPA）和密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）。DFT作为现代材料计算的基石，将得到重点介绍。我们将阐释 Hohenberg-Kohn 定理，并介绍 Kohn-Sham 方程，展示如何通过引入一个等效的单粒子方程来近似求解多体系统的基态能量和密度。 此外，我们还将讨论磁性材料的起源。电子的自旋是其固有的性质，当这些自旋在晶体中以某种方式有序排列时，就会产生宏观的磁性，例如铁磁性、反铁磁性和顺磁性。我们将从微观的交换相互作用入手，解释这些磁性的形成机制。 第四部分：宏观性质的涌现与应用前景 对微观规律的深刻理解，最终是为了解释和预测宏观物理性质。本部分将连接微观理论与宏观现象，展示固态物理学的强大解释力。 我们将详细探讨固态物质的热学性质，例如比热和热导率。通过对晶格振动的分析，我们可以理解晶体的比热如何随温度变化，以及热量如何在晶体中传播。 电学性质方面，我们将深入分析导体的电导率、电阻率以及霍尔效应。对于半导体，我们将探讨其导电机制，以及 PN 结的形成和特性，这是所有半导体器件的基础。 光学性质也是固态物质的重要表现。我们将讨论光与物质的相互作用，例如光的吸收、透射和反射。能带结构在解释这些光学现象中扮演着关键角色。例如，绝缘体和半导体对特定波长光的吸收，构成了它们的光学特性。 此外，本书还将涉及一些更前沿但又至关重要的概念，为读者打开进一步探索的窗口。例如，我们将简要介绍超导现象，解释在极低温度下某些材料电阻突然消失的奇特行为，以及其潜在的巨大应用价值。拓扑物态的概念也将被引入，预示着未来材料科学和量子计算的可能突破。 本书的写作风格将力求清晰、逻辑性强，并辅以必要的数学推导。我们希望通过这本书，读者不仅能够掌握固态物理学的基本理论，更能培养独立思考和解决物理问题的能力。从最基本的量子力学原理到物质的宏观世界的纷繁现象，本书将引导您一步步地探索和理解物质深层结构的奥秘，为理解和创造新材料，以及推动科技的进步奠定坚实的理论基础。
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