Understanding Solid State Physics

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出版者:CRC Pr I Llc
作者:Holgate, S.-A.
出品人:
页数:367
译者:
出版时间:2009-12
价格:$ 95.99
装帧:Pap
isbn号码:9780750309721
丛书系列:
图书标签:
  • 科普
  • 物理
  • 材料
  • 固体物理
  • 固体物理
  • 凝聚态物理
  • 物理学
  • 材料科学
  • 半导体
  • 晶体结构
  • 能带理论
  • 电子态
  • 物理教材
  • 高等教育
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具体描述

"Solid State Physics: An Accessible Introduction for Undergraduates" presents a straightforward treatment of solid state physics for undergraduate physics students as well as materials science and electrical engineering students. The writing style is akin to a popular science book, but the required rigor is not lost. The author emphasizes both the technological applications of the physics and the multi-disciplinary nature of scientific research. The text includes journalistic-style accounts of recent research and covers topics, such as bonding in solids, amorphous materials, polymers, diffraction, lattice vibrations and phonons, free electron models of electrical conduction, energy band formation, simple band theory, superconductivity, dielectrics, and magnetism.

《物质的边界:量子力学与晶体世界的奇妙邂逅》 在这本引人入胜的著作中,我们将踏上一段探索物质最微观、最坚固结构的非凡旅程。本书并非对已知科学文献的简单罗列,而是旨在揭示那些构成我们周围世界的基石——固体的奇特行为背后的深刻原理。我们将从量子力学的迷人国度出发,学习如何用它独特的语言来描述电子在原子中的束缚,以及这些束缚如何最终塑造出宏观固体的集体特性。 我们将深入探讨电子的波粒二象性,理解为什么电子并非只是微小的粒子,而是可以像波一样在空间中扩散。这将引导我们理解为什么在某些材料中电子可以自由穿梭,形成电流,而在另一些材料中它们却被牢牢束缚。我们也将触摸到能量量子化的概念,了解电子只能占据特定的能量“台阶”,而无法停留在台阶之间。这一看似抽象的原理,却是理解半导体、绝缘体以及导体之间根本差异的关键。 本书的核心将聚焦于晶体结构,这个自然界中最有序的排列方式。我们将学习如何用简洁而优雅的数学语言来描述原子在三维空间中的周期性重复,如同精美的三维镶嵌画。我们将理解什么是晶格、晶胞以及各种对称操作,这些概念如同解读晶体语言的密码本。从简单的立方体到复杂的六方结构,我们将一一解析它们的几何特性,并思考这些结构如何直接影响物质的宏观表现。 更进一步,我们将深入探讨电子在周期性晶格中的运动。这里,量子力学与晶体结构的精妙结合将展现出令人惊叹的景象。我们将学习布里维尔倒格子(reciprocal lattice)这一强大的数学工具,它能帮助我们理解电子在晶体中的衍射行为,就像X射线穿过晶体时产生的有趣图案一样。德布罗意波(de Broglie waves)的概念将再次闪耀,解释为什么电子的波动性在周期性势场中会产生独特的“能带”(energy bands)。 能带理论,这本书的重头戏之一,将以前所未有的清晰度展现在您面前。我们将理解为什么固体被划分为导体、绝缘体和半导体。导体拥有连续的能带,电子可以轻松跃迁;绝缘体则存在巨大的能隙,阻碍电子的流动;而半导体则处于两者之间,其导电性可以通过掺杂等手段进行调控。这一理论不仅是理解所有现代电子器件的基础,也为我们揭示了光与物质相互作用的奥秘,例如固体发光二极管(LED)以及太阳能电池的工作原理。 除了电子的集体行为,我们还将目光投向构成晶体的原子核——声子(phonons)。声子并非独立的原子,而是晶格振动的集体表现,如同涟漪在水中扩散。我们将学习如何将这些振动量化,理解声子在热传导、比热以及电声耦合中的重要作用。正是这些集体振动,赋予了固体温度,并影响着它们对外界刺激的反应。 本书还将探索一些更具挑战性的概念,例如费米能量(Fermi energy)和费米面(Fermi surface)。费米能量是低温下电子所能占据的最高能级,它如同一个“能量警戒线”,决定了材料的许多基本性质。费米面的形状则更是材料电子结构的“指纹”,反映了电子在动量空间中的分布,对理解磁性、超导性等一系列奇异物态至关重要。 最后,我们将触及一些更为前沿的领域,比如不同晶体结构的相变,以及一些奇特的固体现象,例如铁电性(ferroelectricity)和铁磁性(ferromagnetism)。这些宏观的集体现象,都深深根植于微观的电子行为和原子排列之中。 《物质的边界:量子力学与晶体世界的奇妙邂逅》将带领您穿越繁杂的公式和抽象的概念,去感受那些构成我们世界的坚固物质背后,隐藏着多么精妙、多么令人着迷的量子物理原理。它将帮助您理解,为什么我们每天接触的电子产品能够工作,为什么金属会导电,为什么有些材料如此坚硬,而有些又如此脆弱。这是一次对物质本质的深度探寻,一次对科学之美的全身心体验。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的语言风格呈现出一种古典的、严谨的学术腔调,逻辑链条极其紧密,几乎找不到可以跳跃阅读的地方。作者似乎坚信,任何一个环节的省略都可能导致读者理解上的偏差,因此,从一个基本假设到最终结论的每一步推导都写得详尽无比,生怕留下任何歧义。这种详尽的好处是显而易见的,它极大地降低了读者在理解复杂推导过程中的认知负荷,每一步的因果关系都清晰可见。然而,这种风格也带来了一定的阅读节奏挑战。在某些章节,例如处理声子色散关系时,连续几页的公式推导和数学论证,需要读者保持极高的专注度。它不适合碎片化的阅读,更像是一部需要“沉浸式”阅读的作品。我发现,每当我试图在通勤路上快速翻阅时,效果都很差,只有静下心来,泡上一壶茶,才能真正跟上作者的思路。总而言之,它要求读者投入时间和心力,但回报也绝对是相应的。

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我必须特别提到这本书在处理对称性问题上的独到之处。它不仅仅是简单地罗列出点群和空间群的表格,而是真正地将群论的思想融入到物理模型的构建之中。作者在介绍晶体动量守恒和能带简并性时,巧妙地运用了费米黄金定则和空间反演对称性,展示了对称性如何直接限制了物理过程的可能性。这种将数学工具与物理直觉完美结合的叙述方式,极大地提升了理论的洞察力。例如,在讨论半导体带隙的起源时,通过晶体动量空间中的布里渊区边界条件,作者构建了一种非常优美的图像,让原本抽象的能带结构变得可感可知。虽然这本书对高级数学,尤其是群论和拓扑概念的基础要求较高,但正是这种高起点,才使得它能够超越普通教材的范畴,触及到凝聚态物理更深层次的内在美学。对于那些渴望领略物理理论之美的读者,这本书无疑提供了一个绝佳的视角。

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这本书的内容深度无疑是顶尖水准的,它不像某些入门读物那样浅尝辄止,而是真正地扎根于费米液体理论和能带结构的核心。作者对量子力学基本原理的运用简直是炉火纯青,无论是薛定谔方程在周期性势场下的求解,还是对布洛赫波函数的严谨推导,都展现了极高的学术素养。我尤其欣赏它对各种近似方法的讨论,比如德鲁德模型和近自由电子模型的对比,分析得非常透彻,不仅解释了这些模型的适用范围和局限性,还清晰地指出了它们在物理图像上的差异。在处理电子与晶格振动的相互作用时,霍森斯通-波利隆数(Holstein-Polaron)的引入显得非常自然且必要,这在很多同类书籍中是会被略去或者一带而过的细节。阅读过程中,我明显感觉到作者是在用一种“对话”的方式,引导读者去思考物理现象背后的本质,而不是简单地罗列公式。对于有志于从事凝聚态物理研究的人来说,这本书提供的理论深度和广度,是构建扎实理论基础不可或缺的基石。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮,封面那种深沉的蓝色调配上简约的几何图形排版,一下子就抓住了我的眼球。初次上手时,那种厚重而扎实的质感,就仿佛预示着里面蕴含的知识分量。我最欣赏的是它在章节划分上的巧妙布局,虽然主题严肃,但编排上却充满了逻辑的引导性。比如,在介绍晶体结构的基础概念时,作者并没有急于抛出复杂的数学公式,而是先用非常直观的类比和清晰的图示,帮助读者建立起宏观的认知框架。我记得有一次,我被一个关于倒易空间的理论卡住了很久,正当我准备放弃时,翻到后面的附录,发现了一个用非常生活化的语言重新解释这个概念的片段,那种豁然开朗的感觉至今难忘。这本书的排版也极佳,字体大小适中,行距舒适,即便是长时间阅读,眼睛也不会感到明显的疲劳。纸张的质量也很好,油墨附着均匀,没有出现反光或者模糊的情况,这对于需要反复对照图表和公式的学习者来说,无疑是一个巨大的加分项。从阅读体验的物理层面来看,这本书绝对是教科书中的精品,让人愿意一页一页地去探索和学习。

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与市场上其他偏重于应用或实验介绍的固体物理教材相比,这本书更像是一部纯粹的理论“圣经”。它几乎将所有的笔墨都集中在了理论推导和物理图像的构建上,对于实验技术或者材料科学的应用实例着墨甚少。这对于那些希望深入理解微观机理的学者来说,是极大的福音;但对于初次接触该领域、希望通过具体实验来验证理论的学生来说,可能会感到一丝“干燥”。例如,当我们学习到磁性理论时,它会详细分析朗道理论和伊辛模型的微扰展开,但对于如何利用磁化率测量来确定居里点,这本书几乎没有提供任何细节。换言之,它为你提供了强大的“内功心法”,但缺少了如何将这些内功应用于具体“招式”的指导。因此,我建议学习者最好能同时辅以一本侧重于实验测量的书籍,这样才能构建一个更加全面和立体的知识体系。这本书的价值在于其理论的纯粹性,但这种纯粹性也决定了它的读者群体相对专业化。

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