固体物理基础

秦高梧，东北大学材料学院，院长/教授。

1988年9月 ─ 1998年10月 中国东北大学材料专业，本科到博士；

1995年03月 ─ 1998 年12月 中国东北大学材料系，助教、讲师；

1999年01月 ─ 1999 年05月 英国牛津大学材料系，英国皇*家学会访问学者；

1999年06月 ─ 2006 年03月 日本东北大学工学部/产业技术综合研究所，JSPS博士后，客座研究员；

2006年03月 ─ 2015 年07月 中国东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室。教授，博士生导师；

2015年07月 ─ 至今 中国东北大学材料学院，教授，博士生导师，院长。

主要教学经历（授课名称、起止时间、授课对象等）：

《磁性物理》，2013-2019年，材料科学与工程专业，

《能源与环境材料》，2015-2017年，材料科学与工程专业，功能材料专业

《专业概论》，2008-2019年，材料大类本科生

《材料史话》，2018-2019年，全校通识选修类课程

近5年与本项目相关的教学成果：

（1）2015年，《材料史话》荣获教育部“精品视频课”（排名第*二）；

（2）2016年，“适应材料技术进步，建设材料全流程知识体系”入选辽宁省教改项目；

（3）近三年指导大学生创新创业训练9人，并获得校级及以上奖励。

主要研究领域：

以计算材料学为辅助手段，以新材料设计与制备为主攻方向，涉及三大研究领域：

（1）环境材料与装备

（2）传感材料与器件

（3）生物材料与植入器械

第1章量子力学和统计物理学导论

1.1微观粒子的运动特征 1

1.2波函数和波动方程 5

1.3薛定谔波动方程 8

1.4力学量和算符 10

1.5自旋和全同粒子 15

1.6氢原子 25

1.7氢分子 34

1.8表象和狄拉克符号 42

1.9统计物理学概要 48

习题 50

思政阅读 51

第2章金属电子论

2.1量子自由电子理论 54

2.2费米分布和费米能 60

2.3玻尔兹曼方程 67

2.4金属电导率 69

2.5霍尔效应和磁阻效应 72

习题 76

思政阅读 77

第3章能带理论

3.1晶体周期结构和周期场中电子 79

3.2近自由电子近似 88

3.3紧束缚近似 95

3.4布里渊区和能带的图示法 99

3.5布洛赫电子的准经典运动 107

3.6能带理论的简单应用 111

习题 123

思政阅读 125

第4章材料的磁性

4.1物质的宏观磁性和磁体热力学 126

4.2原子磁矩 130

4.3电子在磁场中的运动 135

4.4局域电子的抗磁性和顺磁性 140

4.5传导电子的抗磁性和顺磁性 144

4.6铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性 148

4.7交换相互作用 152

4.8巡游电子模型理论和自旋波理论 155

习题 160

思政阅读 161

第5章晶格动力学与材料热性质

5.1声子：晶格振动量子化模型 163

5.2热容的声子描述 172

5.3材料的热容 179

5.4热传导方程 189

5.5固体材料的导热性质 191

5.6材料的热电效应 199

5.7材料的热形变行为 202

习题 207

思政阅读 208

第6章固体物理理论的典型应用

6.1密度泛函理论 210

6.2半导体器件 216

6.3电子跃迁与显示材料 221

6.4衍射原理 227

6.5压电效应 231

6.6磁热效应 236

6.7弹热效应 241

6.8自旋电子器件 244

6.9量子材料 249

6.10固态相变的物理基础 260

思政阅读 263

参考文献 264

第1章量子力学和统计物理学导论

宏观固体由大量微观粒子组成，固体中的原子数密度为10"/cm ，因此，固体物理需要从微观粒子的物理理论出发，来说明宏观固体的现象、性质和规律。量子力学研究低速微观粒子的运动特性和规律，是微观粒子的物理理论;统计物理学说明或预言由大量粒子组成的宏观物体的物理性质，是由微观世界到宏观世界及其他各层次领域的桥梁。因此，量子力学和统计物理学是固体物理的基础理论和基本工具。本章讲述量子力学和统计力学的基本理论，量子力学部分包括:基本原理、量子体系基础、自旋和基本近似方法;统计力学部分包括:统计物理学基本原理、平衡态系综理论和近独立粒子体系统计分布及其应用。本章内容将为固体物理后续研究内容奠定坚实的物理理论基础。

1.1微观粒子的运动特征

微观粒子的行为通常要用量子力学的方法描述，而不能用经典力学的方法描述。经典力学用于处理宏观物体的运动是量子力学的一个成功近似;若用于描述微观粒子的运动，则常常得出错误的结果，这是因为微观粒子的运动具有特殊性，其运动规律和宏观物体有质的区别。

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