Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids (Prentice-Hall physics series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:Alexander O.E. Animalu

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1977-04

价格:USD 27.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780134707990

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
• 晶体
• Quantum Physics
• Solid State Physics
• Crystalline Solids
• Quantum Theory
• Condensed Matter Physics
• Physics
• Materials Science
• Electronic Structure
• Band Theory
• Prentice-Hall

凝聚态物理前沿：从原子到宏观现象的理论探索 本书深入探讨了凝聚态物理学的核心理论框架，聚焦于晶体结构中电子和原子的集体行为。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在为读者构建一个从基础量子力学原理出发，逐步深入到复杂固体材料特性的完整知识体系。 第一部分：晶体结构与电子的周期性束缚 本书的开篇部分奠定了理解固体物理的基础。我们首先详细阐述了晶体的基本结构——完美的周期性点阵。利用布拉维点阵、晶胞概念以及米勒指数，我们系统地描述了如何用几何语言刻画晶体的空间排布。随后，本书引入了晶体衍射理论，特别是X射线衍射的物理基础。通过布拉格定律和倒易点阵的概念，读者将掌握如何通过实验手段确定材料的微观结构，这是后续所有理论分析的起点。 核心内容转向电子在周期性势场中的行为。薛定谔方程在周期性晶格中的解，是理解固体电子性质的关键。本书详尽推导了布洛赫定理（Bloch’s Theorem），这是凝聚态物理的基石。我们不仅解释了布洛赫波函数的数学形式，更重要的是阐明了其物理意义：电子不再是自由粒子，而是以特定的波矢在晶格中传播的“准粒子”。 基于布洛赫定理，我们深入探讨了能带理论（Band Theory）的构建。通过紧束缚近似（Tight-Binding Approximation）和晶格振动势场（Periodic Potential Perturbation），我们展示了自由电子模型如何演变为具有禁带结构和有效质量的电子系统。读者将清晰理解能带的形成机制，以及费米能级在区分导体、半导体和绝缘体中的决定性作用。此外，布里渊区（Brillouin Zone）的概念被细致剖析，解释了如何通过高对称点和特殊路径来描绘和分析电子的能带结构图。 第二部分：电子的输运性质与准粒子概念 在确定了能带结构后，本书转向研究电子在实际物理条件下的动力学行为。我们引入了有效质量（Effective Mass）的概念，解释了电子在晶格内部受外场作用时，其加速行为如何偏离自由电子模型的预测。通过对能带色散关系（$E(mathbf{k})$）的曲率分析，我们得出了有效质量的精确表达式，并讨论了空穴（Hole）作为一种有效正电荷载流子的物理图像。 输运理论部分聚焦于电导率和磁导率的微观解释。我们采用玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation），结合弛豫时间近似，系统推导了在电场和温度梯度作用下的电流密度和热流密度。这使我们能够准确计算材料的电阻率、霍尔系数以及塞贝克系数。我们详细讨论了电子散射的机制，包括晶格振动（声子）散射、杂质散射和电子-电子散射对输运性质的影响。 本书特别强调了准粒子（Quasiparticles）的概念。在复杂的相互作用体系中，将一个电子视为一个独立的粒子是不准确的。通过建立与“裸粒子”不同的有效描述，如携带拖曳电子云的极化子（Polaron），我们成功地将多体问题简化为对准粒子行为的单体描述。这为理解半导体中的激子（Exciton）和在高温超导中可能存在的准粒子激发奠定了理论基础。 第三部分：晶格的振动与热力学性质 固体不仅仅是电子的集合，原子核的振动也起着至关重要的作用。本部分专门处理晶格动力学（Lattice Dynamics）。我们从牛顿运动定律出发，构造了原子链的运动方程，并引入了声子（Phonons）的概念——晶格振动的量子化激发。 详细推导了色散关系 $omega(mathbf{q})$，区分了声学支（Acoustic Branches）和光学支（Optical Branches）。我们解释了声子如何携带能量和动量，以及它们在晶格热容和热导率中的核心地位。通过计算晶格的振动密度之态（Phonon Density of States），我们能精确地预测材料在不同温度下的热力学特性。德拜模型（Debye Model）作为对声子谱的低频近似，被详尽解析，展示了在低温下比热 $C_v propto T^3$ 的物理起源。 第四部分：相互作用的深化——磁性与相变 本书的最后部分将视野扩展到电子间的相互作用效应，特别是导致宏观磁性的起源。我们从泡利不相容原理和交换相互作用（Exchange Interaction）出发，引入了海森堡模型（Heisenberg Model）和伊辛模型（Ising Model）。通过平均场理论（Mean-Field Theory），我们计算了铁磁体和反铁磁体的居里温度和奈尔温度，并阐释了长程磁序的建立机制。 我们还探讨了平均场理论的局限性，并简要介绍了更精确的理论方法，如重整化群（Renormalization Group）在临界现象研究中的应用。通过对相变理论的引入，读者将能够理解为什么材料的宏观性质（如磁化、有序度）会在特定的临界点发生突变。 总体而言，本书力求提供一个严谨、全面且富有洞察力的理论框架，使读者能够利用第一性原理的工具，解析从原子尺度电子运动到宏观材料特性的复杂物理现象。每一个概念的引入都伴随着详尽的数学推导和清晰的物理图像阐述。

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《Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids》在讲解晶格动力学方面也展现了其独到之处。书中从对晶格振动的微扰处理开始，引入了声子概念，并详细讨论了晶格振动的色散关系。作者通过对不同的振动模式，如声学模式和光学模式的区分，以及它们与材料宏观性质（如比热、热导率）的联系，为读者构建了一个完整的晶格动力学图景。书中关于德拜模型和林德曼模型等经典理论的介绍，以及它们在描述材料高温性能方面的局限性，都给出了深刻的分析。更重要的是，书中还触及了量子晶格动力学的前沿，例如声子-声子相互作用以及电子-声子相互作用对材料性质的影响。

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本书的亮点之一在于其对晶格缺陷的深入探讨。作者并未将晶体视为完美的周期性结构，而是详细分析了点缺陷（如空位、取代原子、间隙原子）和线缺陷（如位错）对晶体性质的影响。书中从量子力学的角度出发，计算了这些缺陷的形成能和对电子态的影响，解释了它们如何在一定程度上破坏晶体的周期性，从而改变材料的电学、光学和力学性能。例如，作者在解释掺杂对半导体导电性的影响时，就清晰地展示了杂质原子如何引入额外的电子能级，从而改变费米能级的位置。

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书中关于磁性的部分也同样引人入胜。作者从电子的自旋角动量出发，讲解了磁矩的产生，并在此基础上发展了铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性等不同类型的磁序。书中对于海森堡模型和德辛格模型等微观磁相互作用模型的阐述，以及它们在描述宏观磁性质方面的成功，都令人印象深刻。作者还探讨了磁畴结构以及外磁场对磁性的影响，并对磁性材料在现代科技中的应用进行了简要介绍。

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《Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids》在处理多体效应方面也下了不少功夫。作者认识到，在实际的晶体中，电子之间以及电子与晶格振动之间的相互作用不能简单地忽略。书中对这些多体效应进行了初步的介绍，例如范德华力、交换相互作用等，并探讨了它们如何影响材料的电子结构和性质。虽然书中并未深入到量子场论的层面，但其对这些基本概念的引入，为读者日后深入学习凝聚态物理打下了坚实的基础。

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这本书最让我印象深刻的是它在处理复杂晶体结构时的严谨性。作者并没有局限于简单的立方晶系，而是将讨论延伸到更复杂的六方晶系、体心立方等，并详细阐述了如何根据不同的晶格结构定义对应的倒格矢和布里渊区。在计算能带时，书中也提供了多种方法，包括紧束缚近似、赝势方法等，并对比了它们各自的优缺点和适用范围。尤其是在讨论金属、半导体和绝缘体的能带结构差异时，作者通过具体的例子，如铜、硅、金刚石等，生动地展示了不同材料在电子性质上的根本区别，这对于理解材料科学和凝聚态物理中的许多现象至关重要。

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本书对于光学性质的阐述也颇具特色。作者从光的吸收和发射机理入手，结合能带理论，详细分析了材料的光学常数，如折射率和消光系数。书中讨论了自由电子对光学性质的影响，以及晶格振动对光的散射作用。此外，作者还涉及了激子、等离激元等光学现象，并探讨了它们与材料微观结构之间的关系，这对于理解光电器件的工作原理至关重要。

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这本书在引入电子-声子相互作用时，给出了相当详尽的讲解。作者从量子力学的微扰理论出发，推导了电子与声子之间的耦合哈密顿量，并分析了其对电子能带和声子谱的影响。这种相互作用在描述材料的导电性和热学性质时起着至关重要的作用。例如，书中对超导现象的解释，就离不开对电子-声子相互作用的深刻理解，而这正是BCS理论的核心。

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总而言之，《Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids》是一本内容丰富、逻辑严谨的著作。它不仅为读者提供了坚实的量子力学理论基础，还通过大量的实例和深入的分析，将这些理论应用到解释各种晶体材料的性质上。书中从能带结构、晶格动力学到缺陷、磁性、输运和光学性质，几乎涵盖了固体物理的核心内容。对于那些希望深入理解晶体世界微观奥秘的读者来说，这本书无疑是一部极具价值的参考书。

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在电子输运方面，《Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids》提供了一个扎实的理论框架。书中从玻尔兹曼方程入手，详细推导了材料的电导率、迁移率等宏观输运参数。作者对散射机制的分析非常到位，包括声子散射、杂质散射、晶界散射等，并探讨了它们在不同温度和材料体系下的主导作用。此外，书中还引入了量子输运的概念，例如朗道能级和量子霍尔效应，虽然篇幅不长，但为读者打开了通往更深层次物理现象的大门。

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在翻阅了《Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids》这本书后，我深感其对量子力学在晶体结构分析领域的应用进行了深入浅出的阐释。书中首先构建了一个坚实的理论基础，从原子核和电子的相互作用出发，逐步过渡到形成晶体时的周期性势场。作者在讲解过程中，并没有回避复杂的数学推导，但其清晰的逻辑和条理，使得即使是初学者也能逐步理解。例如，在介绍布里渊区和能带结构时，作者详细解释了倒格矢的概念，以及如何利用傅里叶级数展开周期势，进而通过薛定谔方程的求解得到电子的能谱。书中对于Bloch定理的讲解尤为精彩，它深刻地揭示了电子在周期性势场中的波函数形式，为后续的能带理论奠定了基石。

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