第1章 固体物理及材料力学基础

稀土工程专业

材料物理导论Material Physics

内蒙古科技大学 张邦文

2012.3

教

材材料物理导论(第二版),熊兆贤，科学出版社，2007

参考书《固体物理导论》,C. 基泰尔(Kittel),化学工业出版社，2005 《电子材料导论》,李言中，恽正中，清华大学出版社，2001

《材料物理性能》,田莳 主编，北京航空航天大学出版社，2004《材料物理性能》,龙毅，中南大学出版社，2010

考核方式平时成绩25%,实践课成绩15%,期末考试成绩60% 1)平时成绩：出勤10%,作业15% 2)实践成绩：自讲、专题报告、研究论文 三选一

目录第一章 固体物理及材料力学基础 **** 第二章 材料的电学 ****

第三章 材料的磁学 ****第四章 材料的光学 ***

第五章 材料的热学 ***第六章 材料的功能转换 **

第七章 材料专题报告***总结和复习

第一章 固体物理及材料力学基础1.1 材料物理引论1.1.1 学科体系 1.1.2 材料物理 1.1.3 基本概念(关键词)

1.2 量子力学基础1.2.1 量子统计 1.2.2 波粒二像性 1.2.3 Shordinger波动方程

1.1 材料物理引论1.1.1 学科体系◆ 材料物理与化学(为什么) 凝聚态物理、基础化学与材料学的交叉，研究材料的 合成路径、微观结构和宏观性质的形成机理； [正确理解] ◆ 材料学 (是什么) 采用科学的方法，观察材料的组织、结构，检测材料 的力学、物理和化学性能，合理评价材料的使用性能；在 金相尺度上，初步探讨结构-性能的关系； [科学评价]

◆ 材料加工(怎么做)制定合适的方法和工艺，合成、制备具有期望性能的 材料； [高效制备]

材料科学与工程：四要素使用性能

制备加工 基本性能

组成与结构

1.1.2 材料物理凝聚态物理学是从微观角度出发，研究凝聚状态物质(固 体、液体、液晶等)的原子之间的结构、电子态结构以及相关 的各种物理性质的一门学科。 包括固体物理(晶体/非晶、金属、半导体、电介质、磁 性)、液晶与高分子、液体物理、介观物理(包括团簇、纳

米)、低温物理(超导与超流)、相变等等。材料物理，研究作为材料的凝聚态物质的物理，是凝聚态

物理的分支，主要研究材料微观结构、物理性能(电/磁/光/热/力等)的微观起源及其相互联系，涉及量子力学、晶体学、电 磁学等学科的交叉，以及实验(观察和鉴别)手段。

材料物理的研究目的：1)理解 采用实验技术和理论方法，理解和解释已发现的材料现象、 结构、性能、结构-性能。 ---超导现象 2)预测 运用理论和计算手段，对未知的材料结构或性能，进行理

论预测。--PRL: 计算机模拟显示石墨炔性能胜过石墨烯3)设计

基于1)、2)积累的

经验和知识，进行新材料设计，开发先进材料。

1.1.3 基本概念-(关键词、范畴)本征属性

分子液体、玻璃、非晶固体等原子分子结构 晶体结构， 13/7 缺陷：点/线/面 宏观结构：复合材料：纤维排布、编制等等统计属性

结 构

微观组织：介观尺度(nm-um),多晶组织，取向，缺陷

力学性能：弹性、塑性、强度、钢度、冲击性能等；

性 能

物理性能：电学、磁学、光学、热学等性能；

化学性能：抗腐蚀、抗氧化、抗老化、可降解、阻燃；使用性能：是材料在使用条件下表现的性能，包括环境影响、可 靠性、耐用性、耐磨耐蚀性、使用寿命、维护措施；

材料物理性能强烈地依赖晶体结构、原子键合、电子能量结构和状态。归根结底，对于单一纯物质材料， 其结构和性质的根源来自电子的相互作用。 这就必须回溯量子力学、固体物理的基本概念和 理论，量子力学、统计物理、晶体学的结合能更好地 理解固体物理，从而理解材料物理。

1.2.量子力学基础1.2.1 量子统计给定粒子系统的宏观条件，其微观状态非常多，确定系统处 于哪一微观状态，需要知道：(1)粒子系统的能级划分(排)? (2)每一能级上可能有的微观状态(座/轨道) ?(3)粒子系

统在每一能级的数目分布，及在各个状态的分布(入坐)情况。例如，多电子原子的结构，核外电子的运动状态(原子轨道 模型):四个量子数n, l, m, ms, Na:1s22s22p63s1主n=1,2,3,4… K,L,M,N –电子层 –伸展轨道 角l=0,1,2, 3 …n-1, s p d f –电子亚层 磁m=0,±1,±2,±3…±l ms = +1/2, -1/2

1)微观状态的描述设有一个系统，由大量全同近独立的粒子组成，具有确定的粒

子数N、能量E和体积V。描述其微观状态主要有三个参数：(1) 能级εi ,n,l= 4s, 5p…… (第i排)

(2) 量子状态数(简并度)ωi,m, ms (第i排座位数) (3)εi能级的粒子数αi -取决于占有几率 (第i排入座数)

微观状态： εi能级有 ωi个量子态其中占据αi个粒子

表2 粒子运动状态分布表能 级 量子态 粒子数

ε1 ω1α1

ε2 ω1α2

ε3 ω3α3

… … …

εi ωiαi

… … …

对于费米系统，由于粒子不可分辨，确定系统 的微观状态要求：确定在每一个量子态上的粒子数，

每一座位的入座率/使几率；

2、量子态密度Z(ε) 和占有几率 f(ε)微观状态： αi个粒子占据εi能级ωi量子态的情况

Z ( ) d ( ) / d -量子态的能级密度 - 态密度

, d

的粒子数：n( ) d 量子态数：Z ( )d

f ( ) -量子态被粒子占有几率，d 分布的粒子数 = Z ( )d 含有的粒子数

, d d …… 此处隐藏：628字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……