《固体物理》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称Solid State Physics 课程代码HYS3005 课程性质专业必修课程 授课对象 物理学 学分4学分 学时 72学时 主讲教师韩号 修订日期 2021年9月 指定教材黄昆，固体物理，北京：高等教有出版社，1988. 二、课程目标 (一)总体目标： 让学生诵讨本课程的学习堂提理相品体的基本结物特性和固体材料的宋观对称性，品体 的结合性质、品格振动的基本特征、金属的自由电子气模型，能带理论等：要求学生掌握周 体物理的基本概念和基本规律，能建立起鲜明的物理图象，特别强调对物理模型的建立和描 述，处理各种大量粒子系统的近似方法，注意理论和实际的结合。在教学中通过对物理前沿 课题、新技术应用的教学和讨论，强化学生对固体物理基本概念和基本原理的理解，使学生 体会物理学思想及科学方法，更好地理解科学本质，形成辩证唯物主义世界观和科学的时空 观，培养学生科学思维能力，分析问题和解决问题能力。 (二)课程目标： 课程目标1：掌握固体物理学的基础知识和基本理论：重点掌握晶体所具有的微观特征 和宏观特征的数学描述方法，并把其运用在晶格振动，电子运动以及晶体物性的研究中去： 培养学生运用对称观念求解问题的思路和方法。 课程目标2：对品格振动和电子运动能够建立出自己的物理图景，运用所学知识分析和 解决物理问题，掌捏处理多粒子系统的近似方法，注意理论和实际的结合：提高学生的建模 能力和分析问题与解决问题的能力。 课程目标3：了解固体物理发展的主要脉络、重大科学事件和科学家故事等：了解现代 研究固体的常用实验手段和方法：培养学生的现代科学意识，培养学生的爱国热情，探素未 知、追求真理、永攀高峰的责任感和使命感 (三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
1 《固体物理》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Solid State Physics 课程代码 PHYS3005 课程性质 专业必修课程 授课对象 物理学 学 分 4 学分 学 时 72 学时 主讲教师 韩琴 修订日期 2021 年 9 月 指定教材 黄昆，固体物理， 北京：高等教育出版社，1988. 二、课程目标 （一）总体目标： 让学生通过本课程的学习掌握理想晶体的基本结构特性和固体材料的宏观对称性，晶体 的结合性质、晶格振动的基本特征、金属的自由电子气模型，能带理论等；要求学生掌握固 体物理的基本概念和基本规律，能建立起鲜明的物理图象，特别强调对物理模型的建立和描 述，处理各种大量粒子系统的近似方法，注意理论和实际的结合。在教学中通过对物理前沿 课题、新技术应用的教学和讨论，强化学生对固体物理基本概念和基本原理的理解，使学生 体会物理学思想及科学方法，更好地理解科学本质，形成辩证唯物主义世界观和科学的时空 观，培养学生科学思维能力， 分析问题和解决问题能力。 （二）课程目标： 课程目标 1：掌握固体物理学的基础知识和基本理论；重点掌握晶体所具有的微观特征 和宏观特征的数学描述方法，并把其运用在晶格振动，电子运动以及晶体物性的研究中去； 培养学生运用对称观念求解问题的思路和方法。 课程目标 2：对晶格振动和电子运动能够建立出自己的物理图景，运用所学知识分析和 解决物理问题，掌握处理多粒子系统的近似方法，注意理论和实际的结合；提高学生的建模 能力和分析问题与解决问题的能力。 课程目标 3：了解固体物理发展的主要脉络、重大科学事件和科学家故事等；了解现代 研究固体的常用实验手段和方法；培养学生的现代科学意识，培养学生的爱国热情，探索未 知、追求真理、永攀高峰的责任感和使命感。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 第章前言 第一章晶体结构 第二章固体的结合 毕业要求2：堂探数学、物 第三章晶格振动与晶体的热学 理相关的基础知识、基本物 课程目标1 理实验方法和实验技能 具有运用物理学理论和方 第四章金属电子论 法解决问题、解释或理解物 理规律。 第五章能带理论 第六章品体中电子在电场中的 运动 第O章前言 第一章晶体结构 第二章固体的结合 毕业要求2：掌握数学、物 第三章晶格振动与晶体的热学 理相关的基础知识、基本物 性质 理实验方法和实验技能， 具有运用物理学理论和方 第四章金属电子论 法解决问题、解释或理解牧 第五章能带理论 理规律。 第六章晶体中电子在电场中的 运动 课程目标2 第一章晶体结构 第二章固体的结合 第三章晶格振动与品体的热学 性质 毕业要求7：具有课题调研 设计、数据处理和学术交流 第四章金属电子论 能力。 第五章能带理论 第六章晶体中电子在电场中的 运动 第二章固体的结合 毕业要求8：且右白主学习 第三章晶格振动与晶体的热学 和终身学习意识和社会适 性质 应能力。 2
2 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 课程目标 1 第〇章 前言 第一章 晶体结构 第二章 固体的结合 第三章 晶格振动与晶体的热学 性质 第四章 金属电子论 第五章 能带理论 第六章 晶体中电子在电场中的 运动 毕业要求 2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能, 具有运用物理学理论和方 法解决问题、解释或理解物 理规律。 课程目标 2 第〇章 前言 第一章 晶体结构 第二章 固体的结合 第三章 晶格振动与晶体的热学 性质 第四章 金属电子论 第五章 能带理论 第六章 晶体中电子在电场中的 运动 毕业要求 2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能, 具有运用物理学理论和方 法解决问题、解释或理解物 理规律。 第一章 晶体结构 第二章 固体的结合 第三章 晶格振动与晶体的热学 性质 第四章 金属电子论 第五章 能带理论 第六章 晶体中电子在电场中的 运动 毕业要求 7：具有课题调研、 设计、数据处理和学术交流 能力。 第二章 固体的结合 第三章 晶格振动与晶体的热学 性质 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力
第四章金属电子论 第五章能带理论 第O章前言 第一章晶体结构 第二章固体的结合 第三章晶格振动与品体的热学 毕业要求3：了解物理学前 性质 沿和发展动态，新技术中的 课程目标3 物理思想，熟悉物理学新发 第四章金属电子论 现、新理论、新技术对社会 第五章能带理论 的影响。 第六章晶体中电子在电场中的 运动 三、教学内容 第O章前言 1.教学目标 了解固体的概念，固体物理的研究内容和研究方法：了解晶体的概念，品体的研究历史， 晶体的实验研究史，晶体的特征。 2.教学重难点 晶体的特征和物性之间的关系。 3.教学内容 固体的概念，固体物理的研究内容和研究方法：晶体的概念，晶体的研究历史，晶体的 实验研究史，品体的特征 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等等。 5.教学评价 课堂讨论、课后阅读， 第一章晶体结构 1.教学目标 3
3 第四章 金属电子论 第五章 能带理论 课程目标 3 第〇章 前言 第一章 晶体结构 第二章 固体的结合 第三章 晶格振动与晶体的热学 性质 第四章 金属电子论 第五章 能带理论 第六章 晶体中电子在电场中的 运动 毕业要求 3：了解物理学前 沿和发展动态，新技术中的 物理思想，熟悉物理学新发 现、新理论、新技术对社会 的影响。 三、教学内容 第〇章 前言 1.教学目标 了解固体的概念，固体物理的研究内容和研究方法；了解晶体的概念，晶体的研究历史， 晶体的实验研究史，晶体的特征。 2.教学重难点 晶体的特征和物性之间的关系。 3.教学内容 固体的概念，固体物理的研究内容和研究方法；晶体的概念，晶体的研究历史，晶体的 实验研究史，晶体的特征。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等等。 5.教学评价 课堂讨论、课后阅读。 第一章晶体结构 1.教学目标
掌握基元、点阵、基矢、格矢、原胞、一s原胞、品面、晶列等描述品体几何性质的基 本物理量：区分简单晶格和复式品格(sc,bcc,fcc,hcp,金刚石，CsCL,NaCL,立方ZnS, 七大品系 ,培养学生探究 本质的科学精神。 2.教学重难点 掌握晶体的描述是由基元和点阵构成：掌握倒格子的概念及其衍生的几何关系。 3.教学内容 3.1一些品格的实例 理解致密度的意义，会计算致密度：理解密堆积的形式，知道有两种密排方式：会画金 刚石、NaCl,CsCL,ZnS等常见晶体的晶胞。 3.2晶格的周期性 从晶体实例中抽象出结构基元和点阵的概念：理解晶胞和原胞的概念：会从具体的晶体 结构图中画出原胞，并用合适的数学形式表示出来：掌握简单立方、体心立方和面心立方的 原胞和品陶的结构关系：理解为什么要风分简单品格和复式品格，简单品格和复式品格有什 么关系。能够判定单一原子组成的晶格是简单还是复式品格：能够用数学表达式描述晶格周 期性和原子位置，为后续的计算打好基础， 3.3晶向、晶面和它们的标志 理解各向异性，学会如何标识晶向，理解等效晶向：理解米勒指数的定义，学会用米勒 指数标识品面，了解低指数面的物理学意义。 3.4倒格子 掌握倒格子的两种定义以及基本的7个性质：理解倒格子空间和实空间的变换关系： 了解倒易点阵的意义。 3.5晶体的宏观对称性 掌握和理解基本的对称操作和表示方法，能够判断物体的对称特征。难点是旋转反演探 作；立方体、正四面体、和正六角柱。要求能够熟练分析它们所有的对称操作：掌握群的概 念，群的四个要素，以及对称操作群的闭合性等特点：以介电张量为示例，展示对称性分析 在物理中的应用。 3.6点群 要求掌握晶体学点群中不存在五重轴的证明。难点是理解为什么不存在五重轴：了解十 种对称素组成的32个点对称操作群，即点群，粗略知道它们的构型和分类。 3.7品格的对称性 了解晶系的划分方法，对应的14种布拉伐格子的由来，以及相应的点群；了解空间薪 的概念，以及晶体学中表示空间群的方法和符号。 3.8晶体表面的几何结构 4
4 掌握基元、点阵、基矢、格矢、原胞、w-s 原胞、晶面、晶列等描述晶体几何性质的基 本物理量；区分简单晶格和复式晶格(sc，bcc，fcc，hcp，金刚石，CsCl，NaCl，立方 ZnS， 六方 ZnS)；熟悉常见晶格实例；了解晶体的对称性，基本的对称操作(点群对称、空间对称)， 七大晶系，十四种布拉菲点阵，32 类点群；了解晶体学的建立和发展过程，培养学生探究 本质的科学精神。 2.教学重难点 掌握晶体的描述是由基元和点阵构成；掌握倒格子的概念及其衍生的几何关系。 3.教学内容 3.1 一些晶格的实例 理解致密度的意义，会计算致密度；理解密堆积的形式，知道有两种密排方式；会画金 刚石、NaCl，CsCl, ZnS 等常见晶体的晶胞。 3.2 晶格的周期性 从晶体实例中抽象出结构基元和点阵的概念；理解晶胞和原胞的概念；会从具体的晶体 结构图中画出原胞，并用合适的数学形式表示出来；掌握简单立方、体心立方和面心立方的 原胞和晶胞的结构关系；理解为什么要区分简单晶格和复式晶格，简单晶格和复式晶格有什 么关系。能够判定单一原子组成的晶格是简单还是复式晶格；能够用数学表达式描述晶格周 期性和原子位置，为后续的计算打好基础。 3.3 晶向、晶面和它们的标志 理解各向异性，学会如何标识晶向，理解等效晶向；理解米勒指数的定义，学会用米勒 指数标识晶面，了解低指数面的物理学意义。 3.4 倒格子 掌握倒格子的两种定义以及基本的 7 个性质；理解倒格子空间和实空间的变换关系； 了解倒易点阵的意义。 3.5 晶体的宏观对称性 掌握和理解基本的对称操作和表示方法，能够判断物体的对称特征。难点是旋转反演操 作；立方体、正四面体、和正六角柱。要求能够熟练分析它们所有的对称操作；掌握群的概 念，群的四个要素，以及对称操作群的闭合性等特点；以介电张量为示例，展示对称性分析 在物理中的应用。 3.6 点群 要求掌握晶体学点群中不存在五重轴的证明。难点是理解为什么不存在五重轴；了解十 种对称素组成的 32 个点对称操作群，即点群，粗略知道它们的构型和分类。 3.7 晶格的对称性 了解晶系的划分方法，对应的 14 种布拉伐格子的由来，以及相应的点群；了解空间群 的概念，以及晶体学中表示空间群的方法和符号。 3.8 晶体表面的几何结构
掌握二维原胞的画法，及其具有的对称性。掌握二维倒格矢的计算：了解晶体解理后的 表面结构的常见特点和描述方法。 39晶体的X射线衍射 了解研究品体结构的常见方法和实验设备：掌握布拉格反射公式，了解劳厄衍射方程， 理解其等价性。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论，翻转模式，指导学生自主学习等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题。 第二章固体的结合 1.教学目标 掌握晶体结合的五种方式：离子性结合、共价键结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合、 氢键结合：熟悉离子性结合和范德瓦尔斯结合势的表示形式：了解晶体共价结合的方向性和 饱和性：了解元素和化合物结合的规律性。 2.教学重难点 结合能和弹性模量的计算。 3.教学内容 3.1离子性结合 理解离子成键的结合特点，计算离子之间的相互作用，包括库仑作用和排斥能，从相互 作用能计算内能和品格常数，弹性模量等物理量：了解离子晶体的结构与特征。 3.2共价结合 由氢分子出发，理解共价健的本质、共价健的特点：扩展学习杂化轨道在共价键中的解 释和意义。 3.3金属性结合 了解金属键提出的背景和历史发展，了解其相互作用的主要来源：金属晶体顿向于紧密 堆积，了解其成键特点，以及相应的物性特点。 3.4范德瓦尔斯结合和氢键 了解范德瓦尔斯力的来源，以及对应的分子晶体结合能的计算思路，比照离子成键的相 关计算，自主学习和推导非极性分子晶体的品格常数、结合能和体变模量。了解分子晶体的 结构与特征。了解氢键的来源和结构特征。 35元素和化合物晶体结合的规律性 理解电负性的概念，并用电负性的概念判断晶体的结合类型和规律。学生自学内容。 4.教学方法
5 掌握二维原胞的画法，及其具有的对称性。掌握二维倒格矢的计算；了解晶体解理后的 表面结构的常见特点和描述方法。 3.9 晶体的 X 射线衍射 了解研究晶体结构的常见方法和实验设备；掌握布拉格反射公式，了解劳厄衍射方程， 理解其等价性。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论，翻转模式，指导学生自主学习等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题。 第二章 固体的结合 1.教学目标 掌握晶体结合的五种方式：离子性结合、共价键结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合、 氢键结合；熟悉离子性结合和范德瓦尔斯结合势的表示形式；了解晶体共价结合的方向性和 饱和性；了解元素和化合物结合的规律性。 2.教学重难点 结合能和弹性模量的计算。 3.教学内容 3.1 离子性结合 理解离子成键的结合特点，计算离子之间的相互作用，包括库仑作用和排斥能，从相互 作用能计算内能和晶格常数，弹性模量等物理量；了解离子晶体的结构与特征。 3.2 共价结合 由氢分子出发，理解共价键的本质、共价键的特点；扩展学习杂化轨道在共价键中的解 释和意义。 3.3 金属性结合 了解金属键提出的背景和历史发展，了解其相互作用的主要来源；金属晶体倾向于紧密 堆积，了解其成键特点，以及相应的物性特点。 3.4 范德瓦尔斯结合和氢键 了解范德瓦尔斯力的来源，以及对应的分子晶体结合能的计算思路，比照离子成键的相 关计算，自主学习和推导非极性分子晶体的晶格常数、结合能和体变模量。了解分子晶体的 结构与特征。了解氢键的来源和结构特征。 3.5 元素和化合物晶体结合的规律性 理解电负性的概念，并用电负性的概念判断晶体的结合类型和规律。学生自学内容。 4.教学方法