固体物理学

solid state physics 　　

研究固态物质的宏观物理性质、微观结构、内部各种粒子的运动状态 ，以及宏观性质与微观运动间的联系的学科。是物理学中内容丰富、应用极广的分支学科。传统固体物理学主要是对晶态固体的研究，后扩展到对非晶态物质的研究。 　　

18世纪，R.J.阿维认为晶体是由小的基本单元有规则地重复堆积而成。19世纪中叶，A.布拉菲发展了空间点阵学说，该学说认为晶体的内部结构可概括为由一些相同的点子 ( 这些点子代表原子 、离子 、分子或其他原子集团 )在空间作周期性的规则排列。19世纪末，E.C.费奥多罗夫、A.M.熊夫利和W.巴洛各自独立地发展了关于晶体微观几何结构的群理论，为研究晶体结构提供了理论依据 。1912 年 ，M.von劳厄作了晶体对X射线的衍射实验 ，证实了晶体 内部的周期性结构 。晶体的许多宏观性质与组成晶体的粒子的结合方式有关，按结合力的性质可分为离子键、共价键、金属键、分子键和氢键等几种结合方式。晶体的各种物理性质(力学的、热学的、电磁学的和光学的)一般具有各向异性的特点。 　　

晶体中微观粒子的运动状态及其变化规律确定了晶体的宏观物性，因而研究晶体内部的微观运动就成为固体物理学的研究重点。针对金属的导热性和导电性问题，P.K.L.德鲁特和M.A.洛仑兹等人于20世纪初建立了经典的金属电子论，解释了关于金属导热 性与导电性关系的 维德曼-夫兰兹定律，后来 A. 索末菲用量子统计理论代替洛仑兹所用的经典统计理论，解决了经典金属电子论无法解决的问题。F.布洛赫和L.- N. 布里渊等人提出了能带理论，这个理论不仅解释了金属导电性与绝缘体和半导体间存在差别的内在原因，而且在描述金属的导电和导热等输运过程方面均获得了成功。固体比热容问题曾是另一研究热点。固体的比热与点阵振动密切相关，对点阵振动的研究导致了点阵动力学的诞生。固体的比热容在低温下不遵守杜隆 -珀替定律，为此A.爱因斯坦和P.J.W.德拜分别于 1907 年和1912年提出了爱因斯坦模型和德拜模型，用量子统计方法计算了固体比热，固体比热在低温下的性质才得到解释。 　　

物质的磁性一直是固体物理学要研究的基本内容之一 ，形成了磁性物理学这一分支学科。1905年P.朗之万建立了抗磁性和顺磁性的经典理论，后来J.H.范扶累克提出了相应的量子力学理论。1907年，P. - E.外斯建立了铁磁性的经典理论 ，W.K.海森伯和F.布洛赫建立了铁磁性的量子力学理论 。由于铁磁物质的独特性质及广泛的应用价值，对铁磁性的研究成为磁性物理学的重要内容，并形成了铁磁学这个分支。 　　

对半导体的研究开辟了固体物理学的新领域，形成了半导体物理学这一分支学科。研究金属导电性时初步建立起来的能带理论很好地解释了半导体的导电性，对半导体性质的进一步研究又大大充实和发展了能带理论。在实用上，利用半导体的性质制造的各种电子学器件使电子学产生了革命性的变化，为电子电路的集成化和微型化创造了条件。 　　

超导电现象是某些固体在极低温度下表现出来的独特性质，首先由H.卡末林 - 昂内斯于1911年发现。对超导电性的理论、材料和应用方面的研究开辟了固体物理学的新领域超导物理学。高临界温度的超导现象的发现和应用，将使这一学科步入新的阶段。 　　

固体表面无论是其微观结构或物理、化学性质均不同于体内，固体表面性质对固体材料的性状无疑起着重要的影响。自20世纪60年代发展起来的对固体表面的理论研究，以及各种能量谱仪的发展，逐渐形成了表面物理学这一固体物理领域的新分支(见表面分析技术)。 　

固体内部的微观运动是复杂的，除电子运动外还有点阵振动，各阵点的振动是彼此无连的，在晶体内便形成点阵波，点阵波的能量是量子化的，称为声子，声子是一种准粒子 。价带中的电子可激发到导带而形成电子-空穴对(见半导体)，电子和空穴相互束缚构成束缚态，该束缚态如同氢原子一样也是准粒子，称为激子。固体中的等离子振荡也是量子化的，其能量量子称为等离子激元。铁磁物质中的自旋磁矩是平行的并相互关连着，当某一磁矩的取向受到扰动时，会以波的形式传播出去，称为自旋波，自旋波也是量子化的，能量量子称为磁振子也是准粒子。所有这些具有能量和动量，并能与其他粒子相互作用的量子统称为准粒子。准粒子都是由于某种激发而产生，故统称为元激发。在固体内所发生的热学、电学、磁学和光学过程中，这些元激发常扮演重要角色。固体的种种性质与这些元激发的运动和相互耦合密切相关，故研究这些元激发是固体物理中的重要课题。 　　

总之，固体物理学的研究范围极广，不仅研究高纯度的完整晶体的物理性质，也研究杂质、缺陷等对固体性质的影响；不仅研究晶态物质，也研究非晶态物质；不仅在一般条件下研究各种物性，也研究在超低温、超高压、强电场和强磁场等极端条件下的各种现象；不仅进行纯理论的研究，也担负着新材料的开发和应用，以及建立各种实验手段和新工艺的重要使命。