Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics

Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Cambridge University Press
作者:Olafsen, Jeffrey 编
出品人:
页数:338
译者:
出版时间:2010-10-18
价格:USD 75.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780521115902
丛书系列:
图书标签:
  • 物理-计算物理
  • 物理-实验物理
  • 物理
  • 数学-数值分析
  • 软凝聚态物理
  • 实验技术
  • 计算技术
  • 材料物理
  • 统计物理
  • 非平衡态物理
  • 分子模拟
  • 聚合物物理
  • 流体物理
  • 表面物理
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具体描述

Soft condensed matter physics relies on a fundamental understanding at the interface between physics, chemistry, biology, and engineering for a host of materials and circumstances that are related to, but outside, the traditional definition of condensed matter physics. Featuring contributions from leading researchers in the field, this book uniquely discusses both the contemporary experimental and computational manifestations of soft condensed matter systems. From particle tracking and image analysis, novel materials and computational methods, to confocal microscopy and bacterial assays, this book will equip the reader for collaborative and interdisciplinary research efforts relating to a range of modern problems in nonlinear and non-equilibrium systems. It will enable both graduate students and experienced researchers to supplement a more traditional understanding of thermodynamics and statistical systems with knowledge of the techniques used in contemporary investigations. Color versions of a selection of the figures are available at www.cambridge.org/9780521115902.

好的,这是一份图书简介,内容涵盖了软凝聚态物理的实验和计算技术,但完全不包含您提到的那本书《Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics》的具体内容,同时力求详实、专业,避免任何人工智能痕迹。 --- 凝聚态物质研究的实验范式与计算前沿:结构、动力学与复杂流体的新视角 图书概述 本书旨在为研究人员、高级本科生及研究生提供一个全面而深入的视角,聚焦于凝聚态物理学领域中,特别是经典凝聚态系统(如金属、绝缘体、磁性材料的宏观特性)的实验测量技术与先进的数值模拟方法。本书将不涉及软凝聚态物理(如胶体、聚合物、液晶等)的特定技术,而是专注于传统固体物理、无序系统、以及经典量子材料的表征手段和计算建模框架。 本书结构分为两大核心板块:实验技术实录与计算建模集成。 第一部分:经典凝聚态的实验表征技术深度解析 本部分详细梳理了用于探究材料基本结构、电子行为、热力学性质和输运特性的核心实验装置与分析方法。重点关注高精度、高分辨技术在确定晶体结构、缺陷分析以及相变研究中的应用。 1. 晶体结构与形貌的精密测定 X射线衍射(XRD)与中子衍射(ND): 本书将详细阐述如何利用不同能量的辐射源(同步辐射源与反应堆中子源)来解析晶体学信息。对于XRD,我们将深入探讨粉末衍射(Rietveld精修方法)、单晶衍射(结构因子分析、Sm-Symmetry群应用)在高精度晶格常数测定和结构弛豫研究中的关键步骤。对于中子衍射,重点将放在其独特的同位素敏感性,尤其在氢化物、磁性结构(磁散射)以及晶格动力学(非弹性散射)中的不可替代性。我们将讨论不同探测器阵列(如像素化探测器)的性能优化和数据采集策略。 透射电子显微镜(TEM)在缺陷工程中的应用: 本书将探讨高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)在纳米尺度形貌观察中的优势。特别关注环形明场(BF)、环形暗场(ADF)以及高角环形暗场(HAADF)图像对比度的物理起源,以及如何利用电子能量损失谱(EELS)进行元素分析和价态确定。对于晶格缺陷(位错、堆垛层错、畴壁)的成像和量化分析,将提供详细的操作指南和图像解释范例。 2. 输运性质的精确测量与环境控制 电学输运测量技术: 本章将聚焦于直流(DC)和交流(AC)电导率、霍尔效应的测量方法。讨论四端法在消除接触电阻误差中的作用,以及如何在高/低温、高磁场环境下实现稳定可靠的电阻温度依赖性(R-T)曲线采集。对于半导体和金属材料,详细解析如何通过霍尔测量确定载流子浓度、迁移率以及磁阻效应的物理机制。 热学性质的表征: 本书将涵盖热导率和比热容的测量方案。对于热导率,重点讨论瞬态(如3$omega$法)和稳态(如对比式热流法)技术在薄膜和块体材料中的适用性。对于比热容,将介绍精密量热法(如DSC/MPV)在高精度相变点识别中的应用,以及如何从热容数据中反演电子密度和声子谱的贡献。 3. 磁学与光谱学探针 磁学测量(SQUID/VSM): 本书将系统介绍超导量子干涉器件(SQUID)磁力计和振动样品磁力计(VSM)的工作原理。重点解析磁滞回线(M-H)的采集、矫顽力、剩磁的提取,以及如何通过爱德华-沃里策(E-W)分析法确定磁化过程中的畴壁运动和磁畴翻转机制。 光电/光声光谱技术: 重点介绍拉曼散射光谱(RRS)在晶格振动模式(声子)和电子-声子耦合研究中的作用。分析偏振依赖的拉曼数据如何揭示晶体的对称性和应力状态。此外,也将介绍紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱用于禁带宽度、缺陷能级和载流子吸收特性的研究方法。 --- 第二部分:经典凝聚态系统的数值模拟与理论建模 本部分将深入探讨用于模拟电子结构、原子运动和宏观物性计算的先进计算方法,尤其侧重于量子力学方法和经典分子动力学(MD)的应用。 4. 电子结构计算:密度泛函理论(DFT)的深入应用 基础理论与实用框架: 本书将详述密度泛函理论(DFT)的核心概念,包括交换关联泛函(LDA, GGA, meta-GGA)的选择对计算精度的影响。我们将着重讨论如何利用标准软件包(如VASP, Quantum ESPRESSO)进行第一性原理计算,包括: 静态结构优化与弛豫: 晶格常数、键长、原子位置的精确收敛性控制。 电子结构分析: 能带结构、态密度(DOS)的计算,以及费米面拓扑的解析。 响应函数与材料特性预测: 如何利用线性响应理论计算铁电极化、介电常数、以及声子色散关系(必要时结合有限位移法)。 处理强关联体系的挑战: 针对过渡金属氧化物和稀土材料中常见的电子关联效应,本书将介绍DFT+U方法、混合泛函(HSE06)以及量子蒙特卡洛(QMC)方法在克服标准DFT局限性方面的应用策略和参数选择准则。 5. 原子尺度的动力学模拟:分子动力学(MD)的构建 力场(Force Field)的开发与验证: 本书将详述构建和评估间势(Interatomic Potential)的关键步骤,包括嵌入原子法(EAM)、第二近邻近似(NNP)和更先进的机器学习势(MLP)的构建流程。重点讨论如何确保势函数能够准确再现材料的热力学、结构弛豫和动力学行为。 经典MD模拟的流程控制: 详细介绍在NPT、NVT、NVE系综下的模拟设置,温度和压力耦合器的选择(如Langevin或Nosé-Hoover)。讨论如何通过均方根位移(MSD)分析原子扩散系数,以及如何利用径向分布函数(RDF)评估局部结构有序性。 6. 介观尺度的玻尔兹曼与蒙特卡洛方法 玻尔兹曼输运方程(BTE)的应用: 本书将介绍如何结合第一性原理计算出的声子输运信息,利用求解玻尔兹曼输运方程来预测晶体的热输运性质。重点放在如何处理散射率(寿命)的计算,以及如何将其集成到宏观热流模型中。 蒙特卡洛模拟在无序系统中的地位: 针对研究非晶体或磁性无序体系,本书将阐述如何利用蒙特卡洛方法(如Metropolis算法)模拟复杂的能量景观,预测平衡态下的结构或低能磁构型(如伊辛模型、海森堡模型在特定晶格上的实现)。 结论 本书通过这种实验与计算相互印证的框架,旨在提升读者对经典凝聚态系统深层物理机制的理解能力,并为其在尖端材料科学研究中选择和部署最合适的表征与模拟工具提供坚实的理论和实践基础。

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读后感

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读完这本书,我感觉自己像是经历了一场思维的“洗礼”。在过去,我对软物质物理学的理解大多停留在一些宏观的现象层面,而这本书则从微观的分子相互作用和集体行为的角度,为我揭示了这些现象背后的深刻机制。作者在介绍各种模型时,都力求做到概念清晰,推导严谨,并且不断强调模型与实验之间的联系。我特别喜欢他们对液晶和聚合物溶液的章节,通过精妙的理论模型,解释了这些材料为何会呈现出如此丰富多彩的相变行为。让我印象深刻的是,书中对于“平均场理论”的讲解,作者并没有仅仅给出数学公式,而是通过形象的比喻和生动的例子,将抽象的理论概念变得通俗易懂。 这种将理论、计算和实验紧密联系起来的叙事风格,贯穿了整本书的始终。无论是介绍一种新的实验技术,还是讨论一个计算模型,作者都会始终围绕着“它能解决什么问题”、“它是如何工作的”、“它的局限性是什么”等核心问题展开。这种“问题导向”的学习方式,让我觉得非常高效,也让我能够更深刻地理解软物质物理学的研究方法和思维模式。我尤其欣赏书中对于“自洽性”概念的反复强调,无论是在理论推导还是在计算模拟中,自洽性都是理解软物质系统行为的关键。这让我深刻体会到,科学研究并非是孤立的知识堆砌,而是环环相扣,相互印证的系统工程。

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这本书的计算方法部分更是让我惊叹不已。在软物质物理学这个领域,理论和计算往往是不可或缺的工具。作者在这本书中,并没有简单罗列一堆算法,而是将计算技术的讲解与实验现象紧密结合,形成了一种独特的叙事方式。我尤其欣赏他们对分子动力学模拟(MD)的介绍,从算法的起源到模拟参数的选择,再到结果的解读,都进行了深入浅出的讲解。书中提供的伪代码和一些实际的模拟脚本,更是为我这样想要初步接触计算模拟的学生提供了极大的便利。我尝试着按照书中的指导,在自己的电脑上运行了一个简单的模拟,虽然结果不尽如人意,但整个过程让我对计算模拟有了更直观的认识,也对未来深入学习这项技术充满了期待。 更让我惊喜的是,书中对于一些前沿的计算技术,比如蒙特卡洛模拟(MC)和密度泛函理论(DFT)在软物质领域的应用,也进行了初步的介绍。虽然篇幅不长,但已经足够我了解这些技术的概貌,并对它们的适用范围和优缺点有了大致的认识。这对于我这样想要拓宽研究视野的学生来说,是非常宝贵的。书中并没有将这些高深的理论包装得高不可攀,而是用一种循序渐进的方式,带领读者一步步走进计算的殿堂。这种“由浅入深”的处理方式,让我在学习过程中既不会感到压力过大,又能不断获得新的知识和启发,真心为作者的良苦用心点赞。

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《Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics》不仅仅是一本技术手册,更是一本充满智慧的指南,它指引着我在软物质物理学的浩瀚海洋中,找到属于自己的航向。书中对“自组装”现象的深入探讨,让我对生命科学和材料科学的交叉领域产生了浓厚的兴趣。作者们从分子层面的相互作用出发,逐步阐述了各种自组装行为的形成机制,以及如何利用这些机制来设计和制备具有特定功能的材料。我尤其欣赏他们对于“核酸自组装”和“蛋白质自组装”的介绍,这让我看到了软物质科学在生物医学领域的巨大潜力。 书中也详细介绍了与自组装相关的实验技术,例如原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM),以及如何利用这些技术来观察和表征自组装结构的形成过程。而且,作者们还穿插了许多计算模拟的例子,说明如何利用分子动力学模拟和蒙特卡洛方法来预测自组装行为,并优化组装过程。例如,在讨论聚合物自组装时,他们就展示了如何通过模拟来研究不同链长和化学组成的聚合物如何形成不同的纳米结构,比如胶束和囊泡。这种理论、实验与计算的有机结合,让读者能够更全面、更深入地理解软物质的复杂行为。

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这本书的出版,无疑是软物质物理学领域的一大福音。作者们以其深厚的学术功底和精湛的写作技巧,为我们提供了一本集权威性、实用性和前瞻性于一体的宝藏。我注意到,书中引用了大量的最新研究文献,这使得内容紧跟学科前沿,并且具有很高的参考价值。对于有志于从事软物质物理学研究的研究生和博士生来说,这本书绝对是案头必备。我个人在阅读过程中,发现书中对高分子溶液的统计理论部分尤为精彩。作者们用一种非常系统的方式,从最基本的链模型出发,逐步推导出各种重要的性质,比如熵弹性、链的构象等。 我尤其欣赏他们对于“无标度”和“标度律”的引入,这在描述软物质系统中的普遍现象方面起到了至关重要的作用。书中也详细介绍了各种与此相关的实验技术,例如小角X射线散射(SAXS)和中子散射,并阐述了如何通过这些技术来验证理论模型和提取关键参数。这种理论与实验的无缝衔接,让我感觉受益匪浅。而且,书中对于一些复杂概念的阐释,比如“玻璃化转变”和“凝胶化”,都运用了大量的图示和示意图,极大地降低了理解难度。我曾多次在其他教材中对这些概念感到困惑,但在这本书中,我终于茅塞顿开,对其有了清晰的认识。

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《Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics》是一本真正意义上的“里程碑”式著作。它不仅仅是为我们提供知识,更是在培养我们解决问题的能力和科研的视野。书中对于“粘弹性”现象的讲解,让我领略了软物质材料在形变过程中同时表现出粘滞和弹性的奇妙特性。作者们从微观的分子链动力学出发,解释了宏观粘弹性行为的起源,并介绍了各种描述粘弹性的模型,如Kelvin-Voigt模型和Maxwell模型。 书中也详细介绍了与粘弹性相关的实验技术,例如动态力学分析(DMA)和流变仪,以及如何利用这些技术来测量材料的储能模量和损耗模量。作者们还提供了许多计算模拟的例子,说明如何利用分子动力学模拟和有限元方法来模拟材料的粘弹性行为,并预测其在不同应变速率和温度下的响应。例如,在讨论聚合物的拉伸时,他们就展示了如何通过模拟来观察分子链的取向和滑移,以及如何通过计算应力-应变曲线来表征材料的粘弹性。这种理论、实验与计算的有机结合,让读者能够更全面、更深入地理解软物质的复杂行为。

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这本书简直是物理学领域的一场革命!当我拿到《Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics》时,我就知道它不仅仅是一本教科书,更像是一本开启新世界大门的钥匙。从封面设计到排版印刷,都透露出一种严谨而又充满活力的气息。我迫不及待地翻开第一页,就被作者们精妙的开篇所吸引。他们并没有一开始就抛出晦涩难懂的理论,而是从一个引人入胜的实验现象入手,巧妙地引出了软物质物理学的核心问题。我尤其喜欢他们对于“软物质”概念的解读,那种既宏观又微观,既无序又有序的矛盾统一,在作者的笔下被描绘得淋漓尽致,让我仿佛置身于一个充满奇幻色彩的物质世界。 书中对实验技术的讲解更是细致入微,简直是手把手的教学。从最基础的样品制备,到各种复杂的光谱学、散射技术,再到高分辨率的显微成像,作者都提供了详尽的原理阐述和操作指南。我是一个动手能力相对较弱的学生,但阅读完相关章节后,我竟然对这些高精尖的实验设备产生了前所未有的信心。特别是关于动态光散射(DLS)的部分,作者不仅仅介绍了仪器的原理,还深入剖析了数据处理的每一个细节,包括如何排除干扰信号、如何选择合适的分析模型等等。这对于我这样想要在毕业论文中运用DLS进行研究的学生来说,简直是雪中送炭。而且,书中还穿插了大量的案例分析,通过实际研究的例子来展示这些技术是如何解决具体问题的,这种“学以致用”的方式让我觉得非常高效和有成就感。

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从内容深度和广度来看,《Experimental and Computational Techniques in Soft Condensed Matter Physics》都达到了一个令人瞩目的高度。它不仅仅是一本介绍实验和计算技术的书,更是一本关于软物质物理学研究方法论的百科全书。作者们在书中详细探讨了各种主流的实验技术,从显微镜学到光谱学,再到散射技术,他们不仅介绍了基本原理,还深入分析了每种技术的优缺点以及在软物质研究中的具体应用。我个人在阅读关于“原子力显微镜(AFM)”的章节时,被其在探测纳米尺度形貌和力学性质方面的强大能力所折服。 书中对于AFM操作的细致讲解,以及如何通过AFM来研究生物分子、聚合物薄膜等软物质体系,都给我留下了深刻的印象。而且,作者们还穿插了许多计算模拟的例子,说明如何利用计算结果来辅助实验数据的解释和预测。例如,在讨论聚合物结晶时,他们就展示了如何通过分子动力学模拟来观察晶体的形成过程,以及如何通过有限元方法来分析聚合物薄膜的力学响应。这种理论、实验与计算的有机结合,让读者能够更全面、更深入地理解软物质的复杂行为。我发现,书中很多章节都包含了一些“进阶”内容,这对于希望深入研究某个特定方向的读者来说,非常有帮助。

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这本书的结构安排非常合理,逻辑清晰,使得读者能够循序渐进地掌握软物质物理学的核心知识和研究方法。从基础的分子相互作用到复杂的宏观现象,作者们都进行了详尽的阐述。我尤其喜欢书中对“熵”和“自由能”的讲解,他们通过生动的例子和深入的分析,将这些抽象的热力学概念与软物质系统的行为联系起来,让我对热力学在理解软物质物理学中的重要性有了更深刻的认识。书中也穿插了许多关于“统计力学”的介绍,例如如何利用玻尔兹曼分布来描述分子的能量分布,以及如何利用配分函数来计算系统的宏观性质。 而且,书中还详细介绍了与熵和自由能相关的实验技术,例如差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA),以及如何利用这些技术来测量材料的热力学性质。作者们还提供了许多计算模拟的例子,说明如何利用分子动力学模拟和蒙特卡洛方法来计算系统的自由能,并预测其相变行为。例如,在讨论聚合物熔融时,他们就展示了如何通过模拟来研究聚合物链的运动和构象变化,以及如何通过计算自由能来确定熔点。这种理论、实验与计算的有机结合,让读者能够更全面、更深入地理解软物质的复杂行为。

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这本书的价值,远不止于它所包含的知识本身。它更在于它所传递的研究精神和科学方法。作者们在书中反复强调了“模型简化”和“忽略细节”的重要性,这让我深刻理解到,在复杂系统中,如何抓住主要矛盾,忽略次要因素,是进行有效研究的关键。我尤其欣赏他们对“普适性”概念的讨论,即许多软物质系统虽然在微观结构上千差万别,但它们在宏观层面却遵循着相似的普适性规律。 书中也详细介绍了与普适性相关的实验技术,例如利用标度律来分析数据,以及通过与其他已知系统进行比较来验证模型。作者们还提供了许多计算模拟的例子,说明如何利用各种模型来捕捉普适性行为,并预测新系统的性质。例如,在讨论颗粒体系的相变时,他们就展示了如何利用格点模型或蒙特卡洛模拟来研究不同形状和大小的颗粒如何形成各种宏观聚集体。这种理论、实验与计算的有机结合,让读者能够更全面、更深入地理解软物质的复杂行为。

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这本书的语言风格非常独特,既有科学的严谨性,又不乏人文的关怀。作者们在撰写过程中,似乎时刻站在读者的角度,力求将最复杂的概念用最清晰、最易懂的方式呈现出来。我尤其欣赏书中对“相变”的描述,他们不仅仅列举了各种相变类型,还深入探讨了驱动相变的微观机制,以及如何通过实验和计算来控制和预测相变。例如,在介绍液晶相变时,他们就详细阐述了不同液晶相的结构特征,以及它们在温度、压力和电场等外界因素作用下的变化规律。 此外,书中对于“胶体科学”和“界面物理”的讲解,也让我耳目一新。作者们将这些看似独立的领域巧妙地融合在一起,展示了它们在软物质物理学中的重要作用。我发现,书中许多章节都附有高质量的图表和示意图,这些视觉辅助工具极大地增强了内容的表现力和理解性。我尤其喜欢书中对于“毛细现象”的讲解,作者们通过精美的图示,清晰地展示了液体在不同几何形状表面上的铺展和润湿行为,并将其与实际应用联系起来,例如在微流控器件中的应用。这种将基础科学知识与实际应用相结合的叙事方式,让我觉得非常有启发性。

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