固體物理基礎（簡體書）

《固體物理基礎》基於“厚基礎、寬口徑”的人才培養原則，在引入統計物理學和量子力學基本理論基礎上，詳細介紹能帶理論和金屬電子論，並在電子層面闡述材料的熱、磁、光、電等基本性質的起源，最後介紹固體物理理論在各類新材料中的應用。本書充分融合了凝聚態物理和典型功能材料最近20年的主要研究成果，針對材料類本科生知識結構和培養特點，精心架構了材料與物理之間的橋梁，注重理論與實踐結合，突出固體物理的材料特色，有利於提升材料類學生的專業基礎理論水平。本書具體內容為：量子力學和統計物理學導論、金屬電子論、能帶理論、材料的磁性、晶格動力學與材料熱性質，以及固體物理理論的典型應用。每章後給出了一定數量的習題，以幫助讀者進一步掌握本章的核心內容。每章最後還提供了一些思政閱讀材料，講述固體物理與材料領域的歷史故事，以期增強學生的科學精神與家國情懷感。本書可作為高等學校材料類、電子類以及物理類相關專業本科生和研究生的教學用書，也可供相關專業的科研人員參考。

秦高梧，東北大學材料學院，院長/教授。1988年9月 ─ 1998年10月 中國東北大學材料專業，本科到博士；1995年03月 ─ 1998 年12月 中國東北大學材料系，助教、講師；1999年01月 ─ 1999 年05月 英國牛津大學材料系，英國皇*家學會訪問學者；1999年06月 ─ 2006 年03月 日本東北大學工學部/產業技術綜合研究所，JSPS博士後，客座研究員；2006年03月 ─ 2015 年07月 中國東北大學材料各向異性與織構重點實驗室。教授，博士生導師；2015年07月 ─ 至今 中國東北大學材料學院，教授，博士生導師，院長。主要教學經歷（授課名稱、起止時間、授課物件等）：《磁性物理》，2013-2019年，材料科學與工程專業，《能源與環境材料》，2015-2017年，材料科學與工程專業，功能材料專業《專業概論》，2008-2019年，材料大類本科生《材料史話》，2018-2019年，全校通識選修類課程近5年與本項目相關的教學成果： （1）2015年，《材料史話》榮獲“精品視頻課”（排名第*二）；（2）2016年，“適應材料技術進步，建設材料全流程知識體系”入選遼寧省教改項目；（3）近三年指導大學生創新創業訓練9人，並獲得校級及以上獎勵。主要研究領域：以計算材料學為輔助手段，以新材料設計與制備為主攻方向，涉及三大研究領域：（1）環境材料與裝備（2）傳感材料與器件（3）生物材料與植入器械

近年來，隨著材料領域的科研和生產從結構型材料向功能型材料的快速轉變，材料科學與工程學科已經與物理學科和化學學科深度融合，固體物理已成為新型結構材料和各類功能材料領域的理論基礎。材料科學與工程相關專業的人才培養，逐漸注重基於電子理論的固體物理知識的教學。
固體物理學相關的教材，國內外版本均較多。國內最為經典的是黃昆教授於1988年編寫出版的《固體物理學》，後續的相關教材多沿用該教材體系，並根據各校的專業特點做了一定的修改與補充。現有各個版本的固體物理學教材一般都是面向物理類專業學生，更側重於基礎物理，理論性較強,其深度不適用於材料類專業的本科生教學。現有的固體物理學教材中所涉及的物質結構、相與相圖、晶體缺陷等內容，在材料類專業基礎課——《材料科學基礎》教材中都有詳細介紹，現有的固體物理學教材與材料類專業的結合度存在一定的問題。
基於以上因素，我們編寫了這本面向材料類等工科專業學生的教材。本教材共分6章：第1章主要介紹有關量子力學的基本知識，包括描述微觀粒子運動狀態和規律的波函數以及薛定諤方程；第2章講述金屬電子論，以量子自由電子理論為基礎討論電子氣的性質，並給出費米分布和費米能等概念，為第3章的學習奠定基礎；第3章講解能帶理論及其應用，從晶體的周期性結構和周期場中的電子運動規律出發，解釋布裡淵區以及能帶的形成，並給出導體、絕緣體和半導體的能帶論解釋；第4章介紹材料的磁性，主要是在量子理論的基礎上解釋物質磁性的來源以及物質產生各種磁性的機理；第5章介紹晶格動力學、聲子概念以及由晶格振動所決定的晶體熱學性質；第6章介紹固體物理理論的典型應用，如密度泛函理論、自旋電子器件、量子材料等。除第6章以外，每章都分別給出了一定數量的習題，有助於讀者對相應章節知識和內容的進一步鞏固和掌握。此外，每章最後都包含與材料及物理領域相關的思政閱讀材料，讓讀者了解一定的物理學和材料學的發展歷史，以培養科學精神。
本教材由東北大學秦高梧、張憲民、李松和孟祥穎四位教授主編，李宗賓教授和楊波副教授參與了第6章部分章節的編著。
本教材可作為高等學校材料類、電子類以及物理類相關專業的本科生和研究生“固體物理學”課程的教學用書。
由於編者們知識水平所限，教材中的失誤之處料所難免，敬請專家和讀者及時指出，不吝賜教，以期及時修正。

編者
2023年7月

第1章量子力學和統計物理學導論
1.1微觀粒子的運動特徵 1
1.2波函數和波動方程 5
1.3薛定諤波動方程 8
1.4力學量和算符 10
1.5自旋和全同粒子 15
1.6氫原子 25
1.7氫分子 34
1.8表象和狄拉克符號 42
1.9統計物理學概要 48
習題 50
思政閱讀 51

第2章金屬電子論
2.1量子自由電子理論 54
2.2費米分布和費米能 60
2.3玻爾茲曼方程 67
2.4金屬電導率 69
2.5霍爾效應和磁阻效應 72
習題 76
思政閱讀 77

第3章能帶理論
3.1晶體周期結構和周期場中電子 79
3.2近自由電子近似 88
3.3緊束縛近似 95
3.4布裡淵區和能帶的圖示法 99
3.5布洛赫電子的準經典運動 107
3.6能帶理論的簡單應用 111
習題 123
思政閱讀 125

第4章材料的磁性
4.1物質的宏觀磁性和磁體熱力學 126
4.2原子磁矩 130
4.3電子在磁場中的運動 135
4.4局域電子的抗磁性和順磁性 140
4.5傳導電子的抗磁性和順磁性 144
4.6鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性 148
4.7交換相互作用 152
4.8巡遊電子模型理論和自旋波理論 155
習題 160
思政閱讀 161

第5章晶格動力學與材料熱性質
5.1聲子：晶格振動量子化模型 163
5.2熱容的聲子描述 172
5.3材料的熱容 179
5.4熱傳導方程 189
5.5固體材料的導熱性質 191
5.6材料的熱電效應 199
5.7材料的熱形變行為 202
習題 207
思政閱讀 208

第6章固體物理理論的典型應用
6.1密度泛函理論 210
6.2半導體器件 216
6.3電子躍遷與顯示材料 221
6.4衍射原理 227
6.5壓電效應 231
6.6磁熱效應 236
6.7彈熱效應 241
6.8自旋電子器件 244
6.9量子材料 249
6.10固態相變的物理基礎 260
思政閱讀 263

參考文獻 264