固体物理学的发展

固体物理学的发展 固体物理学是探讨固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。 固体通常指在承受切应力时具有肯定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。简洁地说，固体物理学的基本问题有固体是由什么原子组成它们是怎样排列和结合的这种结构是如何形成的在特定的固体中，电子和原子取什么样的详细的运动形态它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系各种固体有哪些可能的应用探究设计和制备新的固体，探讨其特性，开发其应用。 在相当长的时间里，人们探讨的固体主要是晶体。早在18世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有肯定的相识。后来，布喇格在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。 1912年劳厄等发觉X射线通过晶体的衍射现象，证明了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到20世纪50年头舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。 其次次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年头出现了高辨别电子显微镜点阵成像技术，在于晶体结构的视察方面有所进步。60年头起，人们起先探讨在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年头末发觉的低能电子衍射技术在60年头经过改善，成为探讨晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的辨别率探测表面的原子结构。 晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的基本形式有亲密关系。通常晶体结合的基本形式可分成高子键合、金属键合、共价键合、分子键合（范德瓦耳斯键合）和氢键合。依据X射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质，或者依据晶体价电子的局域密度分布的自洽理论计算，人们可以精确地判定该晶体具有何种键合形式。 固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学性质的基础。维德曼和夫兰兹于1853年由试验确定了金属导热性和导电性之间关系的阅历定律；洛伦兹在1905年建立了自由电子的经典统计理论，能够说明上述阅历定律，但无法说明常温下金属电子气对比热容贡献甚小的缘由；泡利在1927年首先用量子统计胜利地计算了自由电子气的顺磁性，索末菲在1928年用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。 布洛赫和布里渊分别从不同角度探讨了周期场中电子运动的基本特点，为固体电子的能带理论奠定了基础。电子的本征能量，是在肯定能量范围内准连续的能级组成的能带。相邻两个能带之间的能量范围是完整晶体中电子不许可具有的能量，称为禁带。利用能带的特征以及泡利不相容原理，威耳逊在1931年提出金属和绝缘体相区分的能带模型，并预言介于两者之间存在半导体，为尔后的半导体的发展供应理论基础。 贝尔试验室的科学家对晶体的能带进行了系统的试验和理论的基础探讨，同时驾驭了高质量半导体单晶生长和掺杂技术，导致巴丁、布喇顿以及肖克莱于1947～1948年独创晶体管。 固体中每立方厘米内有1022个粒子，它们电磁互作用联系起来。因此，固体物理学所面对的事实上是多体问题。在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式，导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。 汉密尔顿在1839年探讨了排成阵列的质点系的微振动；1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动。他的模型很简洁，各个原子独立地作同一频率的振动；德拜在1912年采纳连续介质模型重新探讨了这问题，得到固体低温比热容的正确的温度关系；玻恩和卡门同时起先建立点阵动力学的基础，在原子间的力是简谐力的状况下，晶体原子振动形成各种模式的点阵波，这种波的能量量子称为声子。它对固体的比热容、热导、电导、光学性质等都起重要作用。 派尼斯和玻姆在1953年提出由于库仑作用的长程性质，固体中电子气的密度起伏形成纵向振荡，称为等离子体振荡。这种振荡的能量量子称为等离激元。试验证明，电子束通过金属薄膜的能量损耗来源于激发电子气的等离激元。考虑到电子间的互作用，能带理论的单电子状态变成准电子状态，但准电子的有效质量包含了多粒子相互作用的效应。同样，空穴也变成准粒子。在半导体中电子和空穴之间有屏蔽的库仑吸引作用，它们结合成激子，这是一种复合的准粒子。 在很低的温度，由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象。其中最重要的是开默林-昂内斯在1911年发觉金属汞在4.2K具有超导电性现象，迈斯纳和奥克森菲尔德在1933年又发觉超导体具有完全的抗磁性。以这些现象为基础，30年头人们建立了超导体的电动力学和热力学的理论。 后来，伦敦在1946年敏锐地提出超导电性是宏观的量子现象，并预言磁通是量子化的。1961年果真在试验上发觉了磁通量子，试验值为伦敦预料值的一半，正好验证了库珀提出的电子配对的概念。弗罗利希在1950年提出超导电性来源于金属中电子和点阵波的耦合，并预言存在同位素效应，同年得到试验证明。 1957年巴丁、库珀和施里弗胜利地提出超导微观理论，即出名的BCS理论。50年头苏联学者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立并论证了超导态宏观波函数应满意的方程组，并由此导出其次类超导体的基本特性。继江崎玲於奈在1957年发觉半导体中的隧道效应之后，加埃沃于1960年发觉超导体的单电子隧道效应，由此效应可求得超导体的重要的信息。不久，约瑟夫森在1962年预言了库珀对也有隧道效应，几个月之后果真试验证明了。从今开拓了超导宏观量子干涉现象及其应用的新领域。 固体磁性是一个有很久历史的探讨领域。抗磁性是物质的通性，来源于在磁场中电子的轨道运动的变更。从20世纪初至30年头，经过很多学者努力建立了抗磁性的基本理论。范扶累克在1932年证明在某些抗磁分子中会出现顺磁性；朗道在1930年证明导体中传导电子的非局域的轨道运动也产生抗磁性，这是量子的效应；居里在1895年测定了顺磁体磁化率的温度关系，朗之万在1905年给出顺磁性的经典统计理论，得出居里定律。顺磁性的量子理论连同大量的试验探讨，导致顺磁盐绝热去磁致冷技术出现，电子顺磁共振技术和微波激射放大器的独创，以及固体波谱学的建立。 在固体物理学中相变占有重要地位。它涉及熔化、凝合、凝固、晶体生长、蒸发、相干衡、相变动力学、临界现象等，19世纪吉布斯探讨了相平衡的热力学。后来厄任费斯脱在1933年对各种相变作了分类。60年头以后，人们对发生相变点的临界现象做了大量探讨，总结出标度律和普适性。卡达诺夫在1966年指出在临界点粒子之间的关联效应起重要作用。威耳逊在1971年采纳量子场论中重正化群方法，论证了临界现象的标度律和普适性，并计算了临界指数，取得胜利。 晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷，它们对固体的物性，以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依靠于其中的杂