Титулы, оглавление, предисловие, литература

ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ – УПИ»
П.В. Волобуев, К.И. Корякин
ФИЗИКА ТВЕРДОГО
ТЕЛА
КУРС ЛЕКЦИЙ
Екатеринбург
2008
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
Авторы:
П.В. Волобуев, К.И. Корякин
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА: курс лекций / П.В. Волобуев,
К.И. Корякин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2008. 345 с.
Курс лекций «Законы и методы термодинамики» предназначен для
студентов кафедры молекулярной физики
физико-технического
факультета ГОУ ВПО УГТУ–УПИ и разработан в соответствии с рабочей
программой дисциплины в рамках Инновационной образоватеьной
программы УГТУ – УПИ. Содержит основные разделы дисциплины.
Наличие данного пособия позволит существенно интенсифицировать
учебный процесс, повысит обеспеченность студентов учебной
литературой.
Библиогр.:23 назв.
© ГОУ
ВПО
«Уральский
государственный
технический университет – УПИ», 2008
© П.В. Волобуев, К.И. Корякин, 2008
2
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 6
1. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ .................................................................. 1
1.1. ПОНЯТИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА, МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛА ........................................................................ 1
1.2. МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ .................. 7
1.3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ....................... 14
1.4. ТЕОРЕМА БЛОХА, ПОНЯТИЕ ЗОНЫ БРИЛЛЮЕНА ...................... 17
1.5. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ....................................... 21
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ............................................................... 2
2.1. АДИАБАТИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ ................................................ 2
2.2. ГАЗ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ........................................................ 5
2.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ. ОДНОЭЛЕКТРОННОЕ
ПРИБЛИЖЕНИЕ ХАРТРИ – ФОКА ........................................................... 18
2.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
РЕАКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА ........................................................... 25
2.5. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА СТАТИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ...... 33
2.6. МОДЕЛЬ ПОЧТИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ .............................. 40
2.7. МЕТОД ЛИНЕЙНЫХ КОМБИНАЦИЙ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ
(LCAO), МОДЕЛЬ СИЛЬНОЙ СВЯЗИ ....................................................... 45
2.8. ПОНЯТИЕ ПСЕВДОПОТЕНЦИАЛА, ПСЕВДОВОЛНОВОЕ
УРАВНЕНИЕ ................................................................................................. 50
3. ДИЭЛЕКТРИКИ, ПРОВОДНИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ. ................ 2
3.1. КРИТЕРИИ ИЗОЛЯТОРА, МЕТАЛЛА, ПОЛУПРОВОДНИКА ......... 2
3.2. ДИЭЛЕКТРИКИ ....................................................................................... 7
3.3. КВАЗИКЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОНОВ В
МЕТАЛЛАХ................................................................................................... 13
3.4. ПОВЕРХНОСТЬ ФЕРМИ ..................................................................... 22
3.5. СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ............................................. 31
4. КОГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ ..................................... 2
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПО ТИПУ СВЯЗЕЙ ................. 2
4.2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ. МОЛЕКУЛА
ВОДОРОДА ..................................................................................................... 5
4.3. КОГЕЗИОННАЯ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ .... 11
4.4. ИОННАЯ СВЯЗЬ В КРИСТАЛЛАХ ..................................................... 18
3
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
4.5. КОГЕЗИОННАЯ ЭНЕРГИЯ МЕТАЛЛОВ, ЭФФЕКТИВНОЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ .................................................................... 22
5. ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ. ФОНОНЫ .......... 2
5.1. АНАЛИЗ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ АТОМОВ
РЕШЕТКИ ........................................................................................................ 2
5.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В
АНИЗОТРОПНОЙ СПЛОШНОЙ СРЕДЕ .................................................. 13
5.3. КОЛЕБАНИЯ ПРОСТОЙ РЕШЕТКИ .................................................. 16
5.4. АКУСТИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ЛИНЕЙНОЙ
ЦЕПОЧКИ АТОМОВ .................................................................................... 18
5.5. НОРМАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ РЕШЕТКИ ......................................... 23
5.6. СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ НОРМАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ... 25
5.7. КВАНТОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ.............................. 32
5.8. ФОНОНЫ ................................................................................................ 37
5.9. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ФОНОННОГО ГАЗА ......... 40
5.10. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА СООТНОШЕНИЕ
МИ – ГРЮНАЙЗЕНА ................................................................................... 52
5.11. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫХ СМЕЩЕНИЙ
АТОМОВ РЕШЕТКИ. ПЛАВЛЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ .............................. 56
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 6
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 7
. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ .................... 2
7.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ ............................... 2
7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ. ТОЧЕЧНЫЕ
ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ .......................................................................... 10
7.3. МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ .......................... 17
7.4. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ. ПОЛЕ ДЕФОРМАЦИЙ КРАЕВОЙ
ДИСЛОКАЦИИ ............................................................................................. 26
7.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДИСЛОКАЦИЙ ............................................... 35
7.6. МОДЕЛЬ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПАЙЕРЛСА.
ИСТОЧНИКИ ФРАНКА – РИДА ................................................................ 40
4
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ГРУПП .................................. 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА
ИЗОЛИРОВАННЫХ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ........................................ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. МЕЖДОУЗЕЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ ............................. 2
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 7
5
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс лекций по физике твердого тела представляет одну из
дисциплин физики агрегатного состояния вещества, относящихся к
базовым дисциплинам кафедры молекулярной физики. Его содержание
обусловлено образовательным стандартом по ядерной физике и
технологиям. Твердотельная тематика охватывает обширный круг
фундаментальных и прикладных направлений науки. В настоящем курсе
лекций представлены принципы теории твердого тела, знакомство с
которыми допускает профессиональную специализацию по конкретной
проблематике. Вместе с тем такие специфические разделы как оптические
и магнитные свойства, явления сверхпроводимости в лекциях не
рассматриваются. Весьма кратко изложено влияние структурных дефектов
на свойства твердых тел. Все эти проблемы могут являться предметами
специальных дисциплин.
В основе настоящего курса лекций ориентация на положения и
методы теоретической физики применительно к рассматриваемому
агрегатному состоянию вещества. Физико-математический уровень
изложения сориентирован на фундаментальную подготовку студентов
физико-технического факультета. Эта подготовка отлична, как от
утвержденной, так и от политехнической. Это обстоятельство послужило
причиной многократных содержательных и методических переработок
настоящего курса лекций. Были рассмотрены и в определенной мере
использованы многочисленные научные и учебные публикации.
В работе над курсом значимым является участие доц. к. ф. – м. н.
Л.В. Курбатова, которое существенно повлияло на представленный
вариант содержания и изложения дисциплины.
6
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. 3-е
изд. М.: Высшая школа, 2000. 494 с.
2. Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела / Б.Е. Винтайкин. М.: МГТУ,
2008 г. 360 с.
3. Гуревич А.Г. Физика твердого тела / А.Г. Гуревич. С-П: Невский
диалект, 2004 г. 320 с.
4. Кансельсон М.И., Трофимов А.Б. Динамика и термодинамика
кристаллической решетки. М.: Ат, 2002. 167 с.
5. Гинзбург И.Ф. Введение в физику твердого тела. Основы квантовой
механики и статистической физики с отдельными задачами физики
твердого тела / И.Ф. Гинзбург. М.: Лань, 2007. 544 с.
6. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.1.
Механика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.: Физматлит, 2001.
224 с.
7. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.7.
Теория упругости / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.: Физматлит,
2003. 264 с.
8. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.8.
Электродинамика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.:
Физматлит, 2003. 656 с.
9. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.5.
Статистическая физика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.:
Физматлит, 2002. 616 с.
10. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.10.
Физическая кинетика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.: Физматлит,
2002. 536 с.
11. Берестецкий В.Б. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.4.
Квантовая
электродинамика
/
В.Б. Берестецкий,
Л.Д. Ландау,
Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.: Физматлит, 2001. 720 с.
12. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.3.
Квантовая механика (нерелятивистская теория) / Л.Д. Ландау,
Е.М. Лифшиц. 5-е изд. М.: Физматлит, 2004. 800 с.
13. Ашкфорд Н. Физика твердого тела / Н. Ашкфорд, Н. Мермин. В 2-х
т. М.: Мир, 1979. т. 1: 398 с., т. 2: 422 с.
14. Займан Дж. Принципы теории твердого тела / Дж. Займан. М.: Мир,
1982.
15. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. М.: Мир,
1978. 792 с.
16. Займан Дж. Электроны и фононы / Дж. Займан. М.: ИЛ, 1962 г.
490 с.
7
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
17. Курбатов Л.В. Явления переноса в твердых телах / Л.В. Курбатов,
А.К. Штольц, А.И. Медведев, В.М. Стоцкий. Екатеринбург, УГТУ-УПИ,
1995. 42 с.
18. Косевич А.М. Основы механики кристаллической решетки /
А.М. Косевич. М.: Наука, 1966 г. 278 с.
19. Смирнов А.А. Молекулярно-кинетическая теория металлов /
А.А. Смирнов. М.: Наука, 1966. 488 с.
20. Голдсмид Г. Дж. Задачи по физике твердого тела / Г. Дж. Голдсмид
М. Наука, 1976 г. 432 с.
21. Максимов Л.Д. Лекции по физической кинетике / Л.Д. Максимов,
А.В. Ильин. М.: МФТИ, 1974. 211 с.
22. Стоунхем А.Н. Теория дефектов в твердых телах / А.Н. Стоунхем.
М.: Мир, 1978. т.1: 568 с., т.2. 358 с.
23. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников / А.И. Ансельм.
М.: Наука, 1978. 430 с.
8
ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
Учебное издание
Волобуев Петр Владимирович
Константин Игоревич Корякин
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Компьютерный набор и верстка Корякина К.И.
Подписано в печать
Бумага писчая
Уч.-изд.л.
Формат
Офсетная печать
Тираж
Заказ
9
Усл.печ.л.
Цена «С»