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固体物理教案

发布时间:2024-03-29 10:11:12 影响了:

固体物理教案篇一:固体物理教学大纲

《固体物理》教学大纲

课程名称:《固体物理》

英文名称:Solid Physics;

课程性质:专业教育必修课

课程编号:E131021

所属系部:光电工程学院

周 学 时:3学时

总 学 时:45学时

学 分:3学分

教学对象(本课程适合的专业和年级):

物理学专业(本科)三年级学生

预备知识:

理论力学,量子力学,统计力学, 数理方法

课程在教学计划中的地位作用:

固体物理是物理相关专业的必修专业课,它几乎综合了大学低年级的所有理论为基础,试图用学过的理论去解决一些较为实际的物理问题,所以说固体物理是一门综合性较强的物理学科,是对学过的所有相关课程进行检验,应用的“试验田”。 教学方法:

以讲授为主,注意培养学生建立物理模型,解决实际问题的能力。

教学方法:启发探究法,案例分析法,物理模型法

课程教(转载于:www.hNNsCy.coM 博 文 学 习 网:固体物理教案)材:

王矜奉编著.固体物理教程.济南:山东大学出版社, 2003年

参考书目:

[1]黄昆原著韩汝琦改编.固体物理学.北京:高等教育出版社, 1988年.

[2]陈长乐编.固体物理学.西安:西北工业大学出版社出版, 2000年.

[3]方俊鑫编.固体物理学(上、下册).上海:上海科学技术出版社, 1981年. 考核形式:考试

编写日期:2012年8月制定

课程内容及学时分配:

第一章 晶体的结构

1.教学内容:

晶体的共性;密堆积;布喇菲空间点阵原胞、晶胞;晶列晶面指数;倒格空间;晶体的对称性;晶格结构的分类。

2.教学基本要求:

(1)理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别;

(2)掌握原胞、基矢的概念,清楚晶面和晶向的表示,了解对称性和点阵的基本类型;

(3)了解简单的晶体结构;

(4)掌握倒易点阵和布里渊区的概念,能够熟练地求出倒格子矢量和布里渊区。

3.重点、难点:

重点:原胞、基矢的概念、晶面和晶向的表示、对称性和点阵的基本类型; 难点:倒易点阵和布里渊区的概念、倒格子矢量和布里渊区的求解。

第二章 晶体的结合

1.教学内容:

原子的电负性;晶体的结合类型;结合力及结合能;分子力结合;共价结合;离子结合。

2.教学基本要求:

(1)了解固体结合的几种基本形式;

(2)理解离子性结合、共价结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合等概念。

3.重点、难点:

重点:离子性结合、共价结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合等概念,离子晶体的结合能的计算;

难点:离子晶体的结合能的计算方法。

第三章 晶体振动和晶体热学性质

1.教学内容:

一维晶格的振动;三维晶格的振动;简正振动声子;振动谱的实验测定方法;长波近似;晶格振动热容理论。

2.教学基本要求:

(1)掌握一维链的振动(单原子链、双原子链)、声学支、光学支、色散关系;(2)掌握格波、简正坐标、声子、声子振动态密度、长波近似等概念;

(3)熟练掌握固体热容:爱因斯坦模型、德拜模型的推导过程及其物理涵义;

(4)了解测量晶格振动谱的实验方法。

3.重点、难点:

重点:一维链的振动(单原子链、双原子链);格波、简正坐标、声子、声子振动态密度、长波近似等概念;晶格振动谱的实验方法;

难点:爱因斯坦模型、德拜模型的物理意义。

第四章 晶体的缺陷

1.教学内容:晶体缺陷的基本类型;位错缺陷的性质;热缺陷的统计理论;缺陷的扩散。

2.教学基本要求:

(1)掌握线缺陷、面缺陷、点缺陷的概念和基本的缺陷类型;

(2)了解扩散及微观机理。

3.重点、难点:

重点:线缺陷、面缺陷、点缺陷的概念和基本的缺陷类型;

难点:扩散的微观机制。

第五章 晶体中电子能带理论

1.教学内容:

布洛赫波函数;一维晶格中的近自由电子;一维晶格中电子的布拉格反射;平面波方法;布里渊区;紧束缚方法;电子的平均速度平均加速度和有效质量;等能面能态密度;导体、半导体和绝缘体。

2.教学基本要求:

(1)掌握布洛赫定理的推导过程及其涵义

(2)熟练掌握近自由电子模型及其物理意义;

(3)熟练掌握紧束缚近似模型及其物理意义;

(4)理解费密面、能态密度和能带的特点。

3.重点、难点:

重点:布洛赫波函数;一维晶格中的近自由电子;紧束缚方法;导体、半导体和绝缘体区别;

难点:掌握近自由电子模型和紧束缚近似模型;理解费密面、能态密度和能带的特点。

第六章 自由电子论和电子的输运性质

1.教学内容:

电子气的费米能、热容量费米统计和电子热容量;接触电势差和热电子发射。

2.教学基本要求:

(1)了解金属的经典电子气理论;

(2)了解电子气的基态性质;

(3)理解电子气的费米能量和热容量的概念;

(4)理解功函数和接触电势差的概念。

3.重点、难点:

重点:电子气的费米能、热容量费米统计和电子热容量;接触电势差和热电子发射;

难点:热容量费米统计和电子热容量。

固体物理教案篇二:固体物理课程教学大纲(0740734016)

《固体物理学》课程简介

课程内容:

《固体物理学》是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科. 它是应用物理学的专业基础课、必修课.

固体物理学是研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律的学科,阐明固体的性能和用途,尤其以固态电子论和固体的能带理论为主要内容。通过固体物理学的整个教学过程,使学生理解晶体结构的基本描述,固体电子论和能带理论,以及实际晶体中的缺陷、杂质、表面和界面对材料性质的影响等,掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法,了解固体物理领域的一些新进展. 要求学生深入理解其基本概念,有清楚的物理图象,能够熟练掌握基本的物理方法,并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力.

本课程内容主要包括:晶体结构,固体的结合,晶格振动,晶格缺陷,固体电子论,能带理论

Brief Introduction

Course Description:

Solid State Physics is one strong branch course of physics for its abundant contents and wide application.

It is a basic or compulsory course of Applied Physics. The subject focuses on the relationship between the solid microstructure and particles and the law of their motion. The subject illustrates the solid properties and application, especially solid state theory and band theory. Through all teaching course, students can understand basic description of crystal structure, solid state theory, band theory and the effect of defect, impurity, surface and interface on material properties. Through the teaching course, students can master the general quality and method of periodic structural solid materials. And the students can know the advanced development in solid state physics fields. The students are required to penetrate with basic conception, make clear physical image, master basic physical method skillfully and fall to work on analyzing and solving problem by using the learned knowledge synthetically.

The main sections of this course: crystal structure, binding of solid, lattice vibration, lattice defect, solid electronic theory, band theory.

一、教学内容

第一章 晶体结构 1.1 晶体的周期性 1.2 倒格子 1.3 晶体的对称性 1.4 晶体表面的集合结构 1.5 晶体表面的几何结构

教学重点:掌握晶体结构的特点,理解空间点阵概念,理解倒易点阵,掌握晶向及晶面指数.

教学难点:晶体对称操作,点群,空间群. 第二章 晶体中的衍射 2.1 衍射波的波幅与强度 2.2 晶体的倒格子和布里渊区 2.3 晶体的衍射条件

2.4 原子散射因子和几何结构因子

教学重点:掌握晶体的衍射条件,理解几何结构因子. 教学难点:布里渊区,几何结构因子. 第三章 晶体的结合

3.1 内聚能与晶体的力学、热学性质 3.2 离子结合与离子晶体 3.3 范德瓦耳斯结合与分子晶体 3.4 共价结合与共价晶体 3.5 金属结合与金属晶体 3.6 氢键结合与氢键晶体

教学重点:掌握离子结合,掌握范德瓦耳斯结合,掌握共价结合,了解内聚能与晶体的力学热学性质.

教学难点:离子晶体的几何结构,离子晶体的内聚能. 第四章 晶格振动与晶体的热学性质 4.1 一维单原子链

4.2 一维双原子链

4.3 离子晶体的光频模与电磁波耦合 4.4 晶格比热

教学重点:掌握一维单原子链,掌握一维双原子链的振动,理解格波的量子,理解爱因斯坦模型,掌握德拜模型.

教学难点:格波的量子理论,格波的模式数. 第五章 晶体中的缺陷 5.1 点缺陷

5.2 晶体中的原子扩散 5.3 离子晶体的导电性 5.4 位错 5.5 面缺陷

教学重点:理解肖特基缺陷,掌握刃型位错,掌握弗仑克尔缺陷,理解扩散系数。 教学难点:无规行走,刃型为错。 第六章 金属电子论

6.1 金属自由电子气的量子理论 6.2 金属的电导过程 6.3 在磁场中金属的输运性质 6.4 电子发射 6.5 等离子体

教学重点:掌握自由电子能级和能态密度,理解电子气的基态和电子热发射. 教学难点:自由电子能态密度. 第七章 周期场中的电子态 7.1 周期性势场和布洛赫电子 7.2 近自由电子近似 7.3 电子的准经典运动 7.4 能带

教学重点:掌握布洛赫波,掌握近自由电子近似,掌握紧束缚近似. 教学难点:布洛赫波. 第八章 半导体中的电子过程

8.1 半导体的能带

8.2 半导体中电子的统计分布 8.3 半导体的电导率和霍尔效应 8.4 非平衡载流子

教学重点:掌握半导体的能带,理解非平衡少数载流子概念,理解杂质半导体. 教学难点:二维电子气,量子阱,超晶格. 第九章 固体的表面和界面 9.1 表面原子结构 9.2 表面原子振动 9.3 表面电子态 9.4 量子霍尔效应

教学重点:了解低能电子衍射,掌握电磁耦合子,了解表面能级. 教学难点:表面态密度. 第十章 固体的介电性 10.1 晶体的介电 10.2 铁电性 10.3 朗道相变理论 10.4 极化子

教学重点:理解电子位移极化,理解离子位移极化,了解铁电体的一般性. 教学难点:二级相变,一级相变,极化子. 第十一章 固体的光学性质 11.1 带间跃迁和本征光吸收 11.2 极性晶体的晶格光反射和光吸收 11.3 拉曼散射 11.4 激光器

11.5 非线性极化和非线性光学

教学重点:掌握带间跃迁,掌握本征吸收,了解激光作用原理 教学难点:非线性极化率 第十二章 固体的磁性 12.1 固体的磁性

固体物理教案篇三:固体物理教案第2次课

第 课

教学目的:掌握晶体,准晶体以及非晶体的特点,了解晶体常用术语;掌握简立方、面心立方、体心立方晶体的结构及其代表晶体

教学内容:第一章 晶体结构

预备知识,基本概念

1.1 一些晶体的实例

重点难点:简立方、面心立方、体心立方晶体的结构

第一章 晶体结构

预备知识

1、晶体(单晶):晶态固体,例如金属、岩盐等等具有一定的熔点;实验表明:晶体是在微米量级范围内,三维空间方向上有序排列的原子构成的固体,即长程有序。在熔化过程中,晶态固体的长程有序解体时对应着一定的熔点。

2、晶体的规则外形

最显著的特点是晶面有规则、对称地配置。

一个理想完整的晶体,相应的晶面的面积相等。

3、几个基本概念

(1) 晶带:单晶体的晶面往往组合成晶带(a-1-c-2)

(2) 晶棱:晶面的交线。

(3) 带轴:晶带中的晶棱(晶面的交线)相互平行,其方向OO’称为该晶带

的带轴。

(4) 晶轴:重要的带轴通常称为晶轴。如图XCH001_001_02中(a)所示。

4、面角守恒定律

在不同热力学条件下生长的同一品种的晶体外形可能不同,图XCH001_02所示的(b)、(c)、(d)分别给出了在不同生长条件下得到的NaCl晶体的外形。这表明,晶体的大小和形状受晶体生长时外界条件的影响,因此,它们不是晶体品种的特征因素。

晶体外形中不受外界条件影响的特征因素是其晶面角守恒,即属于同一品种的晶体,两个对应的晶面间夹角恒定不变,称为面角守恒定律。晶体常具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质,这样的晶面称为解理面。

雪花结晶花样

雪花为六角形白色结晶体。空气中所含水汽多少及温度高低等不同,所形成的雪花的形状也不同。这里只画出了其中一种。如图XCH001_001_03所示。

5、非晶体(非晶):非晶体是在微米量级范围内,三维空间方向上原子无序排列构成的固体 —— 长程无序。

非晶态固体又叫做过冷液体,它们在凝结过程中不经过结晶(即有序化)的阶段,非晶体中分子与分子的结合是无规则的。

Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构

如图XCH001_036_01~02所示描绘了Be2O3晶体和 Be2O3玻璃的内部结构。由图

可以看出,两者间具有显著的不同,组成Be2O3晶体的粒子在空间的排列具有周期

性,是长程有序的; 而Be2O3玻璃中的粒子只有在近邻的范围内的粒子间保持着

一定的短程有序,当隔开三、四个粒子后就不再保持这种关系,由于键角键长的畸变破坏了长程序,形成无规则网络。晶格结构已不复存在。这是非晶态的显著而重要的特征。

6、晶格 —— 晶体中原子排列的具体形式,称为晶体格子。

原子、原子间距不同,当有相同的排列规则,则这些原子构成的晶体具有相同的晶格(如Cu和Ag;Ge和Si等等)。

7、多晶体(多晶):由两个以上的同种或异种单晶组成的结晶物质。其中各单晶通过晶界结合在一起的。多晶由成千上万的晶粒构成,晶粒的尺寸大多在厘米级至微米级范围内变化,多晶没有单晶所特有的各向异性特征。

8、液晶:一些晶体当加热至某一温度时转变为介于固体与液体之间的物质,在一维或二维方向上具有长程有序。当继续加热至温度时,转变为液体,这种材料可以用于显示器件。

9、准晶体:1984年Shechtman等人用快速冷却

方法制备的AlMn准晶体。用XRD测得一种介于

晶体和非晶体结构之间的物质结构。如图

XCH001_061所示的是lattice image of

water-quenched Al72Ni20Co8 obtained by the

High Angle Annular Dark Field method

(HAADF)

1.1 一些晶体的实例

1 简单立方晶格

原子球在一个平面内呈现为正方排列,如图XCH001_001_00所示

这样的原子层叠加起来得到简单立方格子,如图XCH001_001所示。用原点表示原子的位置,即得到其相应的晶格结构,如图XCH001_002所示。

2 体心立方晶格

体心立方晶格结构如图XCH001_003所示。其原子球排列形式如图XCH001_004所示 。

—— 体心立方原子球排列的方式可以表示为:AB AB AB ……

体心立方晶格中,A层中原子球的距离等于A-A层之间的距离,要做到这一点

A

层原子球的间隙:??0.31r0,r0原子球的半径。 (要求学生证明)

—— 具有体心立方晶格结构的金属: Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等 。如图所示为Fe体心立方晶格结构。

3 六角密排晶格

—— 原子在晶体中的平衡位置,排列应该采取尽可能的紧密方式,相应于结合能最低的位置

一个原子的周围最近邻的原子数,可以被用来描写晶体中粒子排列的紧密程度,这个数称为配位数。

—— 晶体中最大的配位数和可能的配位数的数目

晶体由全同的一种粒子组成,将粒子看作小圆球,则这些全同的小圆球最紧密的堆积称为密堆积;密堆积所对应的配位数,就是晶体结构中最大的配位数。 全同的小圆球平铺在平面上,任一个球都与6个球相切。每三个相切的球的中心构成一等边三角形,并且每个球的周围有6个空隙,如图XCH001_005_01。 —— 这样构成一层,计为A层,如图XCH001_005_02

—— 第二层也是同样的铺排,计为B层

—— 第三层也是同样的铺排,计为C层;

把B层的球放在A层相间的3个空隙里,第二层的每个球和第一层的三个球紧密相切,如图XCH001_005_03。

第三层 —— C层有两种不同的堆法

C层原子排列之一——六角密排晶格

原子球排列方式:AB AB AB …… 形成,如图XCH001_005_05所示。

—— 在层的垂直方向是6对称性的轴,这个垂直方向的轴就是六角晶系中的c轴,如图XCH001_006。

—— Be、Mg、Zn、Cd具有六角密排晶格结构

4 面心立方晶格

C层原子排列之二—— 面心立方晶格 (播放动画)

—— 原子球排列方式:ABC ABC ABC …… 形成面心立方晶格

如图XCH001_005和图XCH001_004所示。

层的垂直方向是对称性为3的轴,如图XCH001_007_01和图XCH001_007_02所示 —— 就是立方体的空间对角线

Cu、Ag、Au、Al具有面心立方晶格结构;

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