物理学史10-1讲课讲稿.ppt

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1、物理学史10-1近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：（1）由研究体内性质转到研究表面、界面性质；（2）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系；（3）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变；（4）由研究性质单一体系转到共性体系；（5）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷；（6）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体——超晶格。由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。§10.2晶体结构分析弗里德里希和尼平的X射线衍射实验装置1912年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想：既然晶体的相邻原子间距和X射线波

2、长有相同数量级，那么X射线通过晶体就会发生衍射现象。劳厄对晶体X射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物理学家布拉格父子当时，曾在伦琴实验室内研究过X射线的弗里德里希和尼平着手从实验上证实劳厄的思想，他们把一块亚硫酸铜晶体放在一束准直的X射线中，在晶体后面一定距离处放置照相底片。发现：当晶则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有关。这一实验不仅说明了X射线的电磁本性，而且肯定了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体进行结构分析的方法。体与X射线同向时，底片上出现规劳伦斯·布拉格的原子面反射原理图劳厄和布拉格父子开创性的工作已成为晶体结构分析的基础

3、，是固体物理学发展史中一个重要的里程碑。劳厄1914年获诺贝尔物理学奖，布拉格父子1915年获诺贝尔物理学奖。小布拉格当年仅25岁，从而成为最年轻的获奖者。§10.3导电理论的研究1、金属电子论20世纪以前，人们已经掌握了有关金属导电的一些经验规律（如欧姆定律、维德曼-夫兰兹定律等），气体动理论在处理理想气体问题上获得很大成功，1897年，汤姆孙发现了电子。1900年特鲁德提出金属自由电子气模型。把金属中的电子看成服从玻尔兹曼统计的自由电子气，引入平均自由程概念，推导出金属的热导率与电导率，并找到了它们之间的关系，从而解释了导电性好的金属也是热的良导体的事

4、实。利用这一理论能成功证明欧姆定律和维德曼-夫兰兹定律。在特鲁德工作的基础上，1905年，洛伦兹建立了更完善的自由电子气模型。尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到1926年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一定程度的克服。1927年，索末菲提出了金属的半经典电子论，认为金属中的电子是服从费米-狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法解释的问题。2、能带理论的建立能带理论是固体物理学中最重要的基础理论，它的出现是量子力学、量子统计

5、学在固体中应用得最直接、最重要的结果。能带理论成功地解决了索末菲半经典电子论处理金属所遗留下来的问题，为其后固体物理学的大发展作了准备。能带理论是由布洛赫（1905~1983，瑞士-美国物理学家）建立的。1927年，布洛赫成为了海森伯的研究生。他选择了有关金属导电理论作为博士论文的课题。1928年夏，布洛赫完成了他的全部计算工作，博士论文的题目是“晶格中电子的量子力学”，他的论文问世后，许多科学家立刻意识到能带结构将是决定固体各种特殊性质的关键。应用它不仅可以说明金属、半导体和绝缘体的区别，而且也是说明物质磁性、输运性质以及超导电性质的先决条件。能带理论为

6、现代固体理论奠定了基础。半个多世纪以来，对具体材料的能带进行理论计算和实验研究，一直是固体物理中的重要基础课题。经过布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里渊等科学家的努力，逐渐建立了完善的固体能带理论。为之后的半导体发展提供了理论基础。3、晶体管的发明晶体管的发明是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。在美国贝尔电话实验室工作的布拉坦（1902年2月10日生于中国厦门）和贝克尔于1930~1940年间曾多次试图制造固体三级管，结果都以失败告终。1945年的某天美国贝尔电话实验室的副所长凯利同理论物理学家肖克利谈了一次话，议题是：“探索研制新型电子器件

7、”。贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯，并研究成功生长大晶体锗的工艺，使固体物理学研究组有可能利用新型的半导体材料进行实验。1945年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组。这个组共有7人，组长是肖克，另有半导体专家皮尔逊、物理化学家吉布尼、电子线路专家摩尔、实验技术专家布拉坦，最关键的一位是理论物理学家巴丁。他提出了半导体表面态和表面能级的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作走上了正确的道路。后来肖克利的另一同学赫林也加入了研究组。在肖克利的指导下，巴丁和布拉坦等集中于硅和锗的研究。在此之前肖克利就得出结论：通过给半

8、导体表面施加一电场，就可能控制表面附近的载流子数目，即所谓的“场效