本書針對物理基礎(chǔ)知識薄弱的本科學生，在具體的公式推導(dǎo)過程中，中間步驟到了初等的代數(shù)運算，省去了讀者重復(fù)中間過程花費的大量時間，讀者在看書過程中不再感覺到跳躍性大、內(nèi)容難懂，解除了讀者對結(jié)論的疑惑。
材料物理基礎(chǔ)是探究材料的結(jié)構(gòu)以及材料性質(zhì)的物理機理的科學，該教材主要內(nèi)容有晶格結(jié)構(gòu)、金屬自由電子費米氣模型、能帶論、電子在電磁場中的運動、晶格振動與晶格熱性質(zhì)、晶體結(jié)合，全書共六章。每章開始設(shè)有學習導(dǎo)讀，每章結(jié)尾有本章小結(jié)和本章主要脈絡(luò)，便于讀者學習。此外，本書還配有習題及詳細解答，通過掃描二維碼可以獲得解題指導(dǎo)及答案。
本書可作為材料類專業(yè)及應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材或參考書，也可作為從事材料研究、生產(chǎn)、應(yīng)用及其他相關(guān)行業(yè)科技人員的參考書。
材料物理基礎(chǔ)是探究材料結(jié)構(gòu)以及材料性質(zhì)的物理機理的科學。材料專業(yè)的學生，物理學的基礎(chǔ)相對薄弱。目前主要的相關(guān)教材內(nèi)容比較難懂，知識點之間的跳躍性比較大，缺乏中間步驟。這些教材顯然是針對具備一定物理基礎(chǔ)的專業(yè)人才編寫的。對于材料專業(yè)的本科生，學習起來相當吃力。因此需要為他們準備內(nèi)容比較通俗易懂的教材。
針對這一情況，編者選擇材料物理基礎(chǔ)中無法回避又相對淺顯的知識點，如晶格結(jié)構(gòu)與振動、晶體結(jié)合和材料中的電子進行探究。材料物理基礎(chǔ)課程的很多知識點都是在探究過程中，抓住主要矛盾，避開次要矛盾，建立合理的物理模型，構(gòu)建方程，獲得結(jié)論。在這一過程中需要比較深厚的物理基礎(chǔ)。編者在編寫過程中注意到這一點。一方面通過補充必要的背景知識，另一方面，恢復(fù)了從模型到結(jié)論之間的中間步驟。在具體的公式推導(dǎo)過程中，中間步驟到了初等的代數(shù)運算，省去了讀者重復(fù)中間過程花費的大量時間。讀者在看書過程中不再感覺到跳躍性大，內(nèi)容難懂，解除了讀者對結(jié)論的疑惑。為了進一步方便讀者掌握課程的內(nèi)容，在每章開頭設(shè)有學習導(dǎo)讀，使作者看書時，對這一章知識有一個初步了解。在每章結(jié)尾，設(shè)有本章小結(jié)和本章主要脈絡(luò)，使讀者讀完每一章，對這一章的大體內(nèi)容有一個全方位的掌握，把書由厚變薄。
為了讓讀者能夠充分掌握課程的主要知識點，本教材中每一個重點的概念都加黑表示。同時配有習題和配套習題解答，通過掃描二維碼可以獲得解題指導(dǎo)。讀者在練習習題的過程中，能夠再次加深對課程主要知識點的掌握。
由于編者水平有限，書中難免有錯誤，希望讀者指正。
楊雷
2016年7月
楊雷，湖南大學材料科學與工程學院，教授。
長期從事材料物理基礎(chǔ)相關(guān)課程的教學和研究。從2005年起，主講固體物理課程、材料物理基礎(chǔ)和工程材料物理基礎(chǔ)等課程，在材料物理基礎(chǔ)等課程的教學中積累十幾年的教學經(jīng)驗，教學深受學生好評。在教學過程中，充分了解材料專業(yè)學生物理知識薄弱，特別需要一本適合材料專業(yè)的材料物理基礎(chǔ)教材。
湖南大學材料學院青年教師中的骨干力量。主持國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、教育部博士點基金新教師基金、博士后科學基等多項國家和省部級項目。主要研究納米材料的控制合成、結(jié)構(gòu)分析、性能研究以及物理機理。在Appl. Phys. Lett.等期刊上發(fā)表SCI收錄論文20多篇。
中國顆粒協(xié)會青年理事，J. nanopart. res.，J. sol.gel. sci. tech.等多家SCI期刊和《功能材料》等多家EI期刊的審稿人。
1晶體結(jié)構(gòu)1
1.1幾種常見的晶格結(jié)構(gòu)2
1.1.1簡單立方結(jié)構(gòu)2
1.1.2體心立方結(jié)構(gòu)3
1.1.3面心立方晶格與密排六方晶格4
1.1.4金剛石結(jié)構(gòu)6
1.1.5NaCl結(jié)構(gòu)與CsCl結(jié)構(gòu)7
1.2晶格的周期性7
1.2.1布拉菲點陣7
1.2.2簡單立方布拉菲點陣8
1.2.3面心立方布拉菲點陣9
1.2.4體心立方布拉菲點陣10
1.2.5CsCl結(jié)構(gòu)布拉菲點陣10
1.2.6密排六方點陣的描述11
1.3晶面指數(shù)和晶向指數(shù)12
1.3.1晶面指數(shù)12
1.3.2晶向指數(shù)14
1.4倒格子15
1.4.1倒格子的定義15
1.4.2倒格子的基本性質(zhì)及晶面方程16
1.4.3倒格子在晶體幾何中的應(yīng)用19
1.5晶體點對稱性的描述24
1.5.1晶體中對稱操作的種類24
1.5.2晶體中的點對稱操作25
1.5.3點對稱操作矩陣為正交矩陣26
1.5.4點對稱操作的矩陣描述27
1.5.5對稱操作對物理量的簡化32
1.6晶體學點群35
1.6.1群35
1.6.2晶體學點群的對稱元素36
1.6.3對稱元素組合規(guī)律37
1.6.4關(guān)于立方體對稱與四面體對稱41
1.6.5晶體學點群43
1.7晶體空間群44
1.7.1轉(zhuǎn)動平移算符44
1.7.2晶格點陣對轉(zhuǎn)動平移算符的要求45
1.7.3空間群實例50
1.8晶體、非晶和準晶的結(jié)構(gòu)52
1.8.1布拉菲點陣的7個晶系52
1.8.2空間群的14種布拉菲格子53
1.8.3二維空間的布拉菲點陣54
1.8.4非晶體的結(jié)構(gòu)55
1.8.5準晶體的結(jié)構(gòu)56
1.9晶體結(jié)構(gòu)的實驗確定56
1.9.1X射線衍射的幾何原理56
1.9.2幾何結(jié)構(gòu)因子和原子形狀因子58
1.9.3多晶體衍射的總強度59
1.10常見晶體結(jié)構(gòu)的類型61
1.10.1常見單質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)61
1.10.2AX型結(jié)構(gòu)67
1.10.3AX2型結(jié)構(gòu)69
1.10.4A2X3型結(jié)構(gòu)72
1.10.5ABO3型結(jié)構(gòu)73
1.10.6AB2O4型結(jié)構(gòu)76
1.10.7離子晶體離子排列規(guī)律77
第1章小結(jié)78
第1章主要脈絡(luò)79
2金屬自由電子費米氣模型80
2.1自由電子費米氣模型80
2.1.1本征態(tài)和本征能量82
2.1.2費米面與費米能85
2.1.3自由電子氣平均每個電子的能量86
2.1.4自由電子氣態(tài)密度87
2.2金屬自由電子氣的熱性質(zhì)88
2.2.1費米分布函數(shù)88
2.2.2計算積分88
2.2.3T0時的費米能91
2.2.4電子比熱容91
2.3金屬自由電子氣的泡利順磁性93
2.3.1T=0K時的磁化率94
2.3.2T0K時的磁化率95
2.4金屬自由電子氣的導(dǎo)電性97
2.4.1準經(jīng)典模型97
2.4.2自由電子在電磁場中運動的動力學方程97
2.4.3金屬自由電子氣的電導(dǎo)率98
2.5金屬自由電子氣的霍爾效應(yīng)101
2.6金屬自由電子氣的光學性質(zhì)104
2.6.1金屬的相對介電系數(shù)104
2.6.2金屬折射率105
2.6.3金屬吸收系數(shù)和反射率106
2.6.4關(guān)于金屬自由電子氣光學性質(zhì)的討論106
2.6.5等離子振蕩107
2.7熱電子發(fā)射108
2.7.1發(fā)射電流密度108
2.7.2功函數(shù)110
2.7.3接觸電勢110
第2章小結(jié)111
第2章主要脈絡(luò)112
第3章能帶論113
3.1電子運動的分離和多體問題的簡化114
3.1.1絕熱近似114
3.1.2單電子近似114
3.1.3周期場近似115
3.2布洛赫定理115
3.2.1布洛赫定理115
3.2.2波矢k的物理意義117
3.2.3能帶及其圖示118
3.3近自由電子近似119
3.3.1弱周期勢近似下，一維晶體的本征函數(shù)和本征能量120
3.3.2簡并態(tài)微擾與能隙123
3.3.3弱周期勢近似下，三維晶體平面波方法127
3.4緊束縛勢近似132
3.4.1緊束縛近似下的波函數(shù)與能帶132
3.4.2萬尼爾函數(shù)138
3.5晶體的能帶結(jié)構(gòu)、布里淵區(qū)和費米面140
3.5.1晶體能帶的對稱性140
3.5.2布里淵區(qū)141
3.5.3布里淵區(qū)中的費米面146
3.5.4態(tài)密度148
第3章小結(jié)151
第3章主要脈絡(luò)152
4電子在電磁場中的運動153
4.1能帶中電子運動的準經(jīng)典模型153
4.1.1布洛赫電子的平均速度153
4.1.2能帶中的電子在電磁場中運動的模型155
4.1.3有效質(zhì)量張量155
4.2恒定電場作用下電子的運動158
4.2.1恒定電場作用下的電子158
4.2.2能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性關(guān)系159
4.3恒定磁場作用下電子的運動163
4.3.1自由電子在恒定磁場中的經(jīng)典運動163
4.3.2自由電子在磁場中運動的量子理論165
第4章小結(jié)172
第4章主要脈絡(luò)173
5晶格振動與晶格熱性質(zhì)174
5.1離子實運動的分離和多體問題的簡化174
5.1.1體系的哈密頓量174
5.1.2絕熱近似175
5.1.3簡諧近似176
5.2一維單原子鏈的振動176
5.2.1一維單原子鏈振動方程及其解176
5.2.2波矢q的取值區(qū)間178
5.2.3一維單原子鏈的色散關(guān)系178
5.3一維雙原子鏈的振動180
5.3.1一維雙原子鏈的運動方程及其解180
5.3.2光學支和聲學支的物理圖像181
5.4三維晶格的振動183
5.4.1波矢q的取值183
5.4.2簡單晶格與復(fù)式晶格的格波184
5.4.3金剛石的振動譜185
5.4.4(q)的對稱性185
5.5晶格振動的量子理論185
5.5.1離子實運動的哈密頓量185
5.5.2一維單原子鏈簡諧振動的哈密頓量以及簡正坐標186
5.5.3利用簡正坐標化簡哈密頓量187
5.5.4簡正坐標滿足的運動方程及其物理含義189
5.5.5聲子191
5.6晶格振動譜的實驗測定193
5.6.1聲子參與的能量守恒方程與動量守恒方程193
5.6.2熱中子的非彈性散射195
5.6.3可見光的非彈性散射196
5.7晶格比熱容196
5.7.1晶格振動對晶格比熱容的貢獻196
5.7.2晶格比熱容理論結(jié)果以及與實驗比較202
5.7.3愛因斯坦模型203
5.7.4聲子態(tài)密度205
5.8晶格振動的非簡諧效應(yīng)207
5.8.1晶格熱膨脹207
5.8.2晶格熱導(dǎo)率210
第5章小結(jié)214
第5章主要脈絡(luò)215
6晶體結(jié)合216
6.1離子鍵結(jié)合216
6.1.1馬德隆常數(shù)216
6.1.2晶體的結(jié)合能217
6.1.3彈性模量219
6.2共價鍵結(jié)合221
6.2.1電子薛定諤方程221
6.2.2兩個同種原子之間的共價鍵結(jié)合222
6.2.3兩個不同原子間的共價鍵結(jié)合224
6.2.4金剛石結(jié)構(gòu)的共價鍵結(jié)合226
6.2.5共價鍵結(jié)合的兩個基本特征226
6.3金屬性結(jié)合與范徳瓦耳斯結(jié)合227
6.3.1金屬性結(jié)合227
6.3.2范德瓦耳斯結(jié)合227
第6章小結(jié)228
第6章主要脈絡(luò)229
習題230
參考文獻242
主要符號表243
常用的物理常數(shù)245
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