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杨雷 著

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• 材料物理
• 固体物理
• 材料科学
• 物理学
• 杨雷
• 教材
• 大学教材
• 材料性质
• 晶体结构
• 电子能带

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122282279

版次：1

商品编码：12033279

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：245

字数：395000

正文语种：中文

内容简介

本书针对物理基础知识薄弱的本科学生，在具体的公式推导过程中，中间步骤到了初等的代数运算，省去了读者重复中间过程花费的大量时间，读者在看书过程中不再感觉到跳跃性大、内容难懂，解除了读者对结论的疑惑。

材料物理基础是探究材料的结构以及材料性质的物理机理的科学，该教材主要内容有晶格结构、金属自由电子费米气模型、能带论、电子在电磁场中的运动、晶格振动与晶格热性质、晶体结合，全书共六章。每章开始设有学习导读，每章结尾有本章小结和本章主要脉络，便于读者学习。此外，本书还配有习题及详细解答，通过扫描二维码可以获得解题指导及答案。

本书可作为材料类专业及应用物理等相关专业本科生、研究生的教材或参考书，也可作为从事材料研究、生产、应用及其他相关行业科技人员的参考书。

作者简介

杨雷，湖南大学材料科学与工程学院，教授。
长期从事材料物理基础相关课程的教学和研究。从2005年起，主讲固体物理课程、材料物理基础和工程材料物理基础等课程，在材料物理基础等课程的教学中积累十几年的教学经验，教学深受学生好评。在教学过程中，充分了解材料专业学生物理知识薄弱，特别需要一本适合材料专业的材料物理基础教材。


湖南大学材料学院青年教师中的骨干力量。主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、教育部博士点基金新教师基金、博士后科学基等多项国家和省部级项目。主要研究纳米材料的控制合成、结构分析、性能研究以及物理机理。在Appl. Phys. Lett.等期刊上发表SCI收录论文20多篇。


中国颗粒协会青年理事，J. nanopart. res.，J. sol.gel. sci. tech.等多家SCI期刊和《功能材料》等多家EI期刊的审稿人。

目录

1晶体结构1
1.1几种常见的晶格结构2
1.1.1简单立方结构2
1.1.2体心立方结构3
1.1.3面心立方晶格与密排六方晶格4
1.1.4金刚石结构6
1.1.5NaCl结构与CsCl结构7
1.2晶格的周期性7
1.2.1布拉菲点阵7
1.2.2简单立方布拉菲点阵8
1.2.3面心立方布拉菲点阵9
1.2.4体心立方布拉菲点阵10
1.2.5CsCl结构布拉菲点阵10
1.2.6密排六方点阵的描述11
1.3晶面指数和晶向指数12
1.3.1晶面指数12
1.3.2晶向指数14
1.4倒格子15
1.4.1倒格子的定义15
1.4.2倒格子的基本性质及晶面方程16
1.4.3倒格子在晶体几何中的应用19
1.5晶体点对称性的描述24
1.5.1晶体中对称操作的种类24
1.5.2晶体中的点对称操作25
1.5.3点对称操作矩阵为正交矩阵26
1.5.4点对称操作的矩阵描述27
1.5.5对称操作对物理量的简化32
1.6晶体学点群35
1.6.1群35
1.6.2晶体学点群的对称元素36
1.6.3对称元素组合规律37
1.6.4关于立方体对称与四面体对称41
1.6.5晶体学点群43
1.7晶体空间群44
1.7.1转动平移算符44
1.7.2晶格点阵对转动平移算符的要求45
1.7.3空间群实例50
1.8晶体、非晶和准晶的结构52
1.8.1布拉菲点阵的7个晶系52
1.8.2空间群的14种布拉菲格子53
1.8.3二维空间的布拉菲点阵54
1.8.4非晶体的结构55
1.8.5准晶体的结构56
1.9晶体结构的实验确定56
1.9.1X射线衍射的几何原理56
1.9.2几何结构因子和原子形状因子58
1.9.3多晶体衍射的总强度59
1.10常见晶体结构的类型61
1.10.1常见单质晶体结构61
1.10.2AX型结构67
1.10.3AX2型结构69
1.10.4A2X3型结构72
1.10.5ABO3型结构73
1.10.6AB2O4型结构76
1.10.7离子晶体离子排列规律77
第1章小结78
第1章主要脉络79
2金属自由电子费米气模型80
2.1自由电子费米气模型80
2.1.1本征态和本征能量82
2.1.2费米面与费米能85
2.1.3自由电子气平均每个电子的能量86
2.1.4自由电子气态密度87
2.2金属自由电子气的热性质88
2.2.1费米分布函数88
2.2.2计算积分88
2.2.3T≠0时的费米能91
2.2.4电子比热容91
2.3金属自由电子气的泡利顺磁性93
2.3.1T=0K时的磁化率94
2.3.2T≠0K时的磁化率95
2.4金属自由电子气的导电性97
2.4.1准经典模型97
2.4.2自由电子在电磁场中运动的动力学方程97
2.4.3金属自由电子气的电导率98
2.5金属自由电子气的霍尔效应101
2.6金属自由电子气的光学性质104
2.6.1金属的相对介电系数104
2.6.2金属折射率105
2.6.3金属吸收系数和反射率106
2.6.4关于金属自由电子气光学性质的讨论106
2.6.5等离子振荡107
2.7热电子发射108
2.7.1发射电流密度108
2.7.2功函数110
2.7.3接触电势110
第2章小结111
第2章主要脉络112
第3章能带论113
3.1电子运动的分离和多体问题的简化114
3.1.1绝热近似114
3.1.2单电子近似114
3.1.3周期场近似115
3.2布洛赫定理115
3.2.1布洛赫定理115
3.2.2波矢k的物理意义117
3.2.3能带及其图示118
3.3近自由电子近似119
3.3.1弱周期势近似下，一维晶体的本征函数和本征能量120
3.3.2简并态微扰与能隙123
3.3.3弱周期势近似下，三维晶体平面波方法127
3.4紧束缚势近似132
3.4.1紧束缚近似下的波函数与能带132
3.4.2万尼尔函数138
3.5晶体的能带结构、布里渊区和费米面140
3.5.1晶体能带的对称性140
3.5.2布里渊区141
3.5.3布里渊区中的费米面146
3.5.4态密度148
第3章小结151
第3章主要脉络152
4电子在电磁场中的运动153
4.1能带中电子运动的准经典模型153
4.1.1布洛赫电子的平均速度153
4.1.2能带中的电子在电磁场中运动的模型155
4.1.3有效质量张量155
4.2恒定电场作用下电子的运动158
4.2.1恒定电场作用下的电子158
4.2.2能带结构与导电性关系159
4.3恒定磁场作用下电子的运动163
4.3.1自由电子在恒定磁场中的经典运动163
4.3.2自由电子在磁场中运动的量子理论165
第4章小结172
第4章主要脉络173
5晶格振动与晶格热性质174
5.1离子实运动的分离和多体问题的简化174
5.1.1体系的哈密顿量174
5.1.2绝热近似175
5.1.3简谐近似176
5.2一维单原子链的振动176
5.2.1一维单原子链振动方程及其解176
5.2.2波矢q的取值区间178
5.2.3一维单原子链的色散关系178
5.3一维双原子链的振动180
5.3.1一维双原子链的运动方程及其解180
5.3.2光学支和声学支的物理图像181
5.4三维晶格的振动183
5.4.1波矢q的取值183
5.4.2简单晶格与复式晶格的格波184
5.4.3金刚石的振动谱185
5.4.4ω(q)的对称性185
5.5晶格振动的量子理论185
5.5.1离子实运动的哈密顿量185
5.5.2一维单原子链简谐振动的哈密顿量以及简正坐标186
5.5.3利用简正坐标化简哈密顿量187
5.5.4简正坐标满足的运动方程及其物理含义189
5.5.5声子191
5.6晶格振动谱的实验测定193
5.6.1声子参与的能量守恒方程与动量守恒方程193
5.6.2热中子的非弹性散射195
5.6.3可见光的非弹性散射196
5.7晶格比热容196
5.7.1晶格振动对晶格比热容的贡献196
5.7.2晶格比热容理论结果以及与实验比较202
5.7.3爱因斯坦模型203
5.7.4声子态密度205
5.8晶格振动的非简谐效应207
5.8.1晶格热膨胀207
5.8.2晶格热导率210
第5章小结214
第5章主要脉络215
6晶体结合216
6.1离子键结合216
6.1.1马德隆常数216
6.1.2晶体的结合能217
6.1.3弹性模量219
6.2共价键结合221
6.2.1电子薛定谔方程221
6.2.2两个同种原子之间的共价键结合222
6.2.3两个不同原子间的共价键结合224
6.2.4金刚石结构的共价键结合226
6.2.5共价键结合的两个基本特征226
6.3金属性结合与范徳瓦耳斯结合227
6.3.1金属性结合227
6.3.2范德瓦耳斯结合227
第6章小结228
第6章主要脉络229
习题230
参考文献242
主要符号表243
常用的物理常数245

前言/序言

材料物理基础是探究材料结构以及材料性质的物理机理的科学。材料专业的学生，物理学的基础相对薄弱。目前主要的相关教材内容比较难懂，知识点之间的跳跃性比较大，缺乏中间步骤。这些教材显然是针对具备一定物理基础的专业人才编写的。对于材料专业的本科生，学习起来相当吃力。因此需要为他们准备内容比较通俗易懂的教材。
针对这一情况，编者选择材料物理基础中无法回避又相对浅显的知识点，如晶格结构与振动、晶体结合和材料中的电子进行探究。材料物理基础课程的很多知识点都是在探究过程中，抓住主要矛盾，避开次要矛盾，建立合理的物理模型，构建方程，获得结论。在这一过程中需要比较深厚的物理基础。编者在编写过程中注意到这一点。一方面通过补充必要的背景知识，另一方面，恢复了从模型到结论之间的中间步骤。在具体的公式推导过程中，中间步骤到了初等的代数运算，省去了读者重复中间过程花费的大量时间。读者在看书过程中不再感觉到跳跃性大，内容难懂，解除了读者对结论的疑惑。为了进一步方便读者掌握课程的内容，在每章开头设有学习导读，使作者看书时，对这一章知识有一个初步了解。在每章结尾，设有本章小结和本章主要脉络，使读者读完每一章，对这一章的大体内容有一个全方位的掌握，把书由厚变薄。
为了让读者能够充分掌握课程的主要知识点，本教材中每一个重点的概念都加黑表示。同时配有习题和配套习题解答，通过扫描二维码可以获得解题指导。读者在练习习题的过程中，能够再次加深对课程主要知识点的掌握。
由于编者水平有限，书中难免有错误，希望读者指正。

杨雷
2016年7月

《固体物理学导论：从晶格振动到能带结构》 作者： 李明 教授，张华 博士 出版社： 科学出版社 出版日期： 2023年9月 ISBN： 978-7-03-078901-2 --- 内容提要与特色 《固体物理学导论：从晶格振动到能带结构》是一本面向物理学、材料科学、电子工程及相关领域高年级本科生和研究生的经典教材。本书系统、深入地介绍了固体物理学的基本概念、理论框架与前沿进展，旨在为读者打下坚实的理论基础，并使其能够理解和分析现代凝聚态物理现象。本书的撰写严格遵循物理学的逻辑递进规律，从最基本的晶格振动开始，逐步深入到电子的能带理论，最终覆盖磁性、超导等复杂的多体问题。 本书的特色在于其清晰的物理图像、严谨的数学推导与丰富的应用实例相结合。作者避免了过于抽象的数学堆砌，而是力求用直观的物理语言阐释复杂的理论，确保读者不仅“知其然”，更能“知其所以然”。全书结构紧凑，内容详实，是构建现代固体物理知识体系的理想读物。 --- 第一部分：晶体结构与晶格动力学（第1章至第4章） 第一章：晶体结构基础 本章首先引入晶体的周期性、对称性等基本概念，详细讲解了晶体学的基本术语，如晶胞、布拉维点阵、晶向和晶面指数（密勒指数）。重点阐述了倒易点阵的概念及其在X射线衍射分析中的核心作用。通过具体的晶体结构实例（如面心立方、体心立方、金刚石结构），读者将掌握如何利用衍射实验确定晶体结构，这是固体物理研究的起点。 第二章：晶格振动与声子 本章深入探讨了晶体中原子集体运动的量子化——声子理论。从一维单原子链和双原子链的色散关系出发，推导了声子的概念、能量和动量（准动量）。随后，将理论推广到三维晶体，详细讨论了声学支和光学支声子的性质。本章的核心内容包括计算晶格热容（遵循德拜模型），并阐述了声子在热输运、声子散射等过程中的物理意义。 第三章：晶体中的热学性质 基于声子理论，本章集中分析了晶体的热学性质。详细讨论了晶格比热的温度依赖性，并与实验结果进行对比（如爱因斯坦模型与德拜模型的优劣）。此外，本章还引入了非谐性效应，探讨了晶格热膨胀和热导率中声子-声子散射的作用，为理解热现象提供了微观基础。 第四章：晶体中的几何相位与拓扑 本章是理论进阶部分，引入了更现代的视角。讨论了布洛赫定理在线动量空间中的应用，并引入了贝里（Berry）相位概念。通过讨论晶格的对称性保护的拓扑性质，为理解后继的电子结构打下深刻的拓扑基础，特别是为理解拓扑绝缘体等前沿现象提供了理论工具。 --- 第二部分：电子的能带理论（第5章至第9章） 第五章：自由电子模型与能带的起源 本章从最简化的自由电子模型入手，回顾了费米气体理论及其在三维导体中的应用，计算了费米能、费米面以及电子的比热。随后，引入周期性势场对电子运动的影响，推导出克勒尼希-庞（Kronecker-Kronig）模型，直观展示了能带结构的形成机制。 第六章：布洛赫定理与能带计算 这是固体物理的核心章节。详细阐述了布洛赫定理的数学形式及其物理意义——电子在周期势场中表现为平面波与格点波的调制。本章重点介绍了解释能带结构的几种关键方法：紧束缚法（Tight-Binding Method）和几乎自由电子模型（Nearly Free Electron Model）。通过计算一维晶格的电子能带结构，明确区分了绝缘体、半导体和导体的能带特性。 第七章：金属与费米面 本章聚焦于金属的电子性质。通过费米面的几何形状，阐述了金属的导电性、霍尔效应和磁阻效应的微观机制。详细分析了费米面在动量空间中的结构对材料宏观电学性质的决定性影响，并引入了朗道（Landau）费米液体理论的基本思想，解释了低能激发中的准粒子概念。 第八章：半导体物理基础 本章专注于半导体材料的独特物理。详细区分了直接带隙和间接带隙半导体。深入分析了本征半导体和掺杂半导体的载流子浓度、费米能级的位置以及迁移率。重点讨论了PN结的形成、偏压下的能带弯曲、二极管特性，以及光电导效应等在器件中的应用。 第九章：电子的有效质量与输运性质 本章将电子的能带结构与宏观输运现象联系起来。通过电子色散关系 $E(mathbf{k})$，推导出电子的有效质量张量，解释了有效质量与晶体结构之间的关系。在此基础上，系统推导了玻尔兹曼输运方程，用于计算电导率、热导率，并讨论了散射机制（杂质散射、声子散射）对载流子寿命和迁移率的影响。 --- 第三部分：电子的相互作用与多体效应（第10章至第12章） 第十章：磁性材料与电子自旋 本章探讨了电子的内在属性——自旋在固体中的集体表现。从朗之万抗磁性、居里顺磁性出发，引入了泡利顺磁性。详细阐述了铁磁性的起源，特别是海森堡交换相互作用（Heisenberg Exchange Interaction）的微观机制，并利用平均场理论（MF Theory）成功解释了铁磁有序的出现和居里温度的确定。同时，简要介绍了反铁磁性和亚铁磁性。 第十一章：超导电性 本章系统介绍了宏观上表现为零电阻和迈斯纳效应的超导现象。从布洛赫、芬斯塞尔的唯象理论开始，深入讲解了BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论的核心思想，包括库珀对的形成、超导能隙的物理意义以及零电阻的微观解释。本章还介绍了Ginzburg-Landau唯象理论，并讨论了第二类超导体的关键特征，如磁通钉扎。 第十二章：介电性质与光学响应 本章关注晶体对外加电场和光场的响应。详细分析了电极化现象，包括电子极化、离子极化和取向极化。推导了宏观电场与微观电荷的联系，重点阐述了介电函数（复介电常数）的频率依赖性，以及克拉莫斯-克罗尼格关系。通过讨论晶体的吸收、反射和透射光谱，将光与电子能带结构紧密联系起来。 --- 附录与特色资源 附录A：群论基础回顾： 提供了理解晶体对称性所需的群论基础知识。 附录B：傅里叶级数与变换： 总结了在晶格和动量空间分析中必需的数学工具。 习题精选： 每章后附有大量难度适中的习题，分为概念理解题和计算推导题，旨在巩固理论知识。 计算模拟指导： 提供了使用Python/MATLAB等工具对简单晶格进行色散关系可视化和能带结构计算的入门指导，帮助读者将理论与计算实践相结合。 本书结构严谨，内容全面，覆盖了现代固体物理学的核心内容，是学生深入理解和未来研究凝聚态物理现象不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

我不得不说，《材料物理基础》（杨雷）这本书在内容编排上非常有条理，学习起来一点也不费劲。开篇的导论部分，清晰地勾勒出了材料科学的学科轮廓和研究范畴，让我对整个领域有了宏观的把握。随后，书中的章节设置也循序渐进，从最基础的原子结构和化学键，到晶体结构、衍射，再到电子结构、能带理论，以及磁性、电学、光学等各种性质，每个部分都相互关联，形成了一个完整的知识体系。让我惊喜的是，书中在讲解每一个概念时，都尽量避免了过多的专业术语堆砌，而是用通俗易懂的语言进行阐述，对于一些关键性的概念，还提供了多种不同的解释角度，力求让读者能够真正理解。另外，书中还穿插了一些历史背景和发展脉络的介绍，这让我了解到材料科学是如何一步步发展到今天的，也让我对未来的发展趋势有了一些思考。

评分☆☆☆☆☆

《材料物理基础》（杨雷）这本书，给我的印象是充满了“问题导向”的写作风格。作者似乎总是站在读者的角度，预设了我们可能遇到的困惑和疑问，然后逐一解答。比如，在讲解相图时，它并没有仅仅给出图例，而是深入分析了相图的形成机制，以及如何在实际应用中解读和利用相图来指导材料的制备和性能优化。在讨论材料力学性能时，它会从原子尺度解释塑性变形和断裂的微观机制，并将这些理论与宏观的拉伸试验、硬度测试等联系起来，让我深刻理解了“微观决定宏观”的道理。书中还包含了很多习题，这些习题的设计也非常巧妙，有的侧重于概念的理解，有的则需要运用所学公式进行计算，还有的引导读者思考实际工程中的问题。通过做这些习题，我能有效地检验自己的学习成果，并且在解决问题的过程中，加深了对理论知识的掌握。

评分☆☆☆☆☆

读《材料物理基础》（杨雷）这本书，我最大的感受就是它在知识的广度和深度上都做得相当出色。它不仅仅是一本介绍基础理论的书籍，更像是一个材料科学知识的百科全书。除了常规的固态物理和晶体学内容，它还涉及了磁性材料、光学材料、高分子材料等多个分支领域的物理基础，并且对这些领域的最新进展和研究热点也做了简要的介绍。这对于我这样希望对材料科学有一个全面了解的读者来说，简直是太及时了。我特别欣赏书中对各种实验技术原理的阐述，例如X射线衍射、透射电子显微镜等，这些技术是如何揭示材料微观结构的，书中都有详细的解读。而且，它对于一些前沿的研究方法，比如第一性原理计算，也进行了初步的介绍，让我看到了理论计算在材料设计和研究中的巨大潜力。这本书的参考文献也非常丰富，如果想进一步深入研究某个话题，这本书提供了绝佳的起点。

评分☆☆☆☆☆

这本《材料物理基础》（杨雷）的书，我拿到手后，首先映入眼帘的是其扎实的理论根基和严谨的逻辑结构。翻开目录，就感受到一种扑面而来的学术气息，各种基础概念，从晶体结构到电子能带，再到晶格振动和缺陷理论，层层递进，丝丝入扣。作者在讲解时，并没有将理论知识停留在抽象的公式推导上，而是结合了大量的图示和生动的类比，这对于初学者来说，无疑是一大福音。很多抽象的概念，通过这些具象化的辅助，变得清晰易懂。特别是关于布里渊区的划分和费米面的概念，书中通过多角度的图解，让我对这些高深莫测的物理图像有了更直观的认识。而且，作者在穿插讲解某些复杂理论时，会巧妙地引入一些现实中的材料应用案例，例如半导体器件的工作原理，陶瓷材料的结构特性等，这些内容不仅巩固了理论知识，还激发了我对材料科学更深层次的探索兴趣。我感觉这本书就像一个循循善诱的老师，把我从材料物理的门外，一步步引向殿堂。

评分☆☆☆☆☆

阅读《材料物理基础》（杨雷）这本书，我最大的收获是它教会了我如何“思考”材料。这本书不仅仅是知识的灌输，更是一种思维方式的培养。作者在讲解过程中，经常会引导读者去探究“为什么”，比如为什么某些材料具有优异的导电性，为什么某些材料在高温下会发生相变。通过对这些问题的深入探讨，我不再是单纯地记忆公式和概念，而是开始理解这些物理现象背后的深层原因。书中对热力学和统计力学在材料科学中的应用进行了详细的阐述，这让我明白了材料性能与温度、压力等宏观因素之间的内在联系。我特别喜欢书中对缺陷理论的讲解，它让我认识到，材料中“不完美”的部分，往往才是决定其性能的关键。通过这本书，我感觉自己对材料的理解，已经从“是什么”上升到了“为什么会是这样”的层面。