晶体场理论及其在材料科学中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:西南交通大学出版社

作者:冯文林

出品人:

页数:196

译者:

出版时间:2011-1

价格:36.00元

装帧:平装

isbn号码:9787564309657

丛书系列:

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• 材料
• 物理
• 晶体场理论
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• 材料科学
• 固体物理
• 化学键
• 能带理论
• 过渡金属
• 配位化学
• 光谱学
• 磁性材料
• 电子结构

《晶体场理论及其在材料科学中的应用》 简介 本书深入探讨了晶体场理论这一基础性的物理化学概念，并系统阐述了其在现代材料科学各个分支领域的广泛而深刻的应用。从解释金属、氧化物、半导体、磁性材料乃至生物分子等各类物质宏观性能的微观根源出发，本书旨在为读者构建一个清晰的理论框架，并提供一系列详实的应用案例。 核心内容概述： 本书的内容可大致分为以下几个部分： 第一部分：晶体场理论基础 原子结构与电子排布的回顾： 在深入探讨晶体场理论之前，本书首先对原子核外电子的能级结构、量子数、电子云分布以及泡利不相容原理和洪特规则等基本概念进行简要回顾，为理解后续内容奠定基础。 配位几何与对称性： 晶体场理论的核心在于描述中心离子（通常是金属离子）在配位环境（即周围配体离子或原子）形成的电场中的行为。因此，本书将详细介绍各种常见的配位几何构型（如四面体、八面体、平面四边形、三角双锥、八面体双锥等），并深入探讨这些构型所对应的点群对称性。理解对称性是分析能级劈裂的关键。 晶体场势的构建： 本部分将详细推导晶体场势，即配体电荷产生的电场对中心离子d轨道或f轨道电子的库仑作用。书中将采用不同的模型（如点电荷模型、偶极模型）来描述晶体场势，并解释它们各自的适用范围和局限性。 d轨道或f轨道能级劈裂： 这是晶体场理论的核心。本书将详细分析在不同配位几何和对称性下，原本简并的d轨道（如t2g和eg）或f轨道如何因为晶体场的作用而分裂成不同能量的能级。将给出详细的数学推导和图示，清晰展示能级劈裂的模式。 晶体场稳定化能（CFSE）： 引入晶体场稳定化能的概念，解释由于电子占据能量较低的劈裂能级而引起的能量降低。CFSE在解释离子半径、配位数、热力学稳定性以及动力学惰性等方面起着至关重要的作用。 光谱性质的解释： 晶体场理论能够成功解释许多配合物的颜色和光谱吸收特征。本书将阐述电子跃迁（d-d跃迁、电荷转移跃迁）的机制，以及晶体场参数（如10Dq，或Δo、Δt）如何影响吸收光谱的波长和强度。 第二部分：晶体场理论在材料科学中的具体应用 金属及其合金： 金属键的理解： 尽管金属键的描述常使用能带理论，但晶体场理论可以用于解释过渡金属中d电子的行为，以及其对金属磁性、催化活性等性质的影响。 合金的相稳定性： 晶体场稳定化能可以影响合金中不同相的形成和稳定性，尤其是在含有大量过渡金属元素的复杂合金体系中。 氧化物材料： 电子结构与导电性： 许多氧化物（如过渡金属氧化物）表现出丰富的电学性质，如导电、绝缘、半导体甚至超导。晶体场理论可以帮助理解氧化物中金属离子的价态、配位环境如何影响其d轨道能级，进而决定其导电行为。 磁性氧化物： 铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性等磁性现象与氧化物中过渡金属离子的未成对电子和它们的相互作用密切相关。晶体场理论是理解这些磁性的基础。 催化剂： 许多氧化物是重要的催化剂。晶体场理论可以解释活性位点上金属离子的电子结构，以及配位环境如何影响其与反应物的相互作用，从而影响催化活性和选择性。 半导体材料： 掺杂半导体的能级： 在半导体中引入杂质原子（掺杂）会形成深能级或浅能级。晶体场理论可以帮助理解掺杂原子（尤其是过渡金属杂质）的d轨道或f轨道能级在半导体晶格中的位置，并解释其对载流子浓度和输运性质的影响。 光电转换材料： 晶体场理论在解释半导体光吸收特性方面发挥作用，特别是在一些稀土掺杂半导体材料中，用于发光器件或太阳能电池。 磁性材料： 磁各向异性： 晶体场理论是解释磁各向异性（材料在不同方向上磁性强度不同）的关键。晶体场引起的轨道磁矩的固定会产生磁各向异性。 磁交换相互作用： 虽然主要的磁交换相互作用（如超交换）需要量子力学更深入的理论，但晶体场理论提供了理解参与相互作用的金属离子的电子结构的基础。 稀土磁性材料： 稀土元素的f电子具有特殊的配位环境敏感性，晶体场理论是解释其独特磁性的核心工具。 光学和发光材料： 荧光和磷光： 许多发光材料（如LED、激光材料）中的发光中心是过渡金属离子或稀土离子。晶体场理论能够解释这些离子的能级结构，预测其发光颜色、效率和寿命。 非线性光学材料： 某些材料的非线性光学性质与其中离子的电子结构有关，晶体场理论对此有一定的解释力。 配位化合物与分子材料： 配合物的稳定性与反应性： 晶体场理论帮助理解配合物的电子稳定性，以及其在化学反应中的活性。 金属有机框架（MOFs）和催化： 在MOFs等新兴材料中，金属节点中心的电子结构对其催化性能至关重要，晶体场理论提供了分析这些节点电子状态的工具。 生物无机化学（初步）： 金属酶的活性中心： 许多生物分子中的金属离子（如血红蛋白中的铁）处于特定的蛋白质配位环境中。晶体场理论可以初步解释这些金属离子的电子状态，以及它们在生物氧化还原反应中的作用。 本书特色： 理论与实践并重： 本书不仅详细阐述了晶体场理论的数学原理和物理图像，更着重于展示其在解决实际材料科学问题中的强大应用能力。 由浅入深： 从基础概念出发，逐步深入到复杂的应用场景，适合不同背景的读者。 丰富的案例分析： 通过对具体材料体系的深入剖析，帮助读者理解理论如何指导材料的设计与开发。 清晰的图示与公式推导： 配合大量的图表和严谨的公式推导，使抽象的理论概念更加直观易懂。 目标读者： 本书适合材料科学、物理学、化学、冶金学、无机化学以及相关领域的本科生、研究生、科研人员以及对固体材料性质感兴趣的工程师。 通过阅读本书，读者将能够深刻理解晶体场理论在揭示材料微观结构与宏观性能之间联系中的核心作用，并掌握运用这一理论分析和设计新型功能材料的方法。

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我发现这本书在处理**相对论效应**和**自旋轨道耦合**这些高阶问题时，展现出了非凡的驾驭能力。通常，许多教材在讲解基础晶体场理论后，对这些“进阶内容”往往一笔带过，或者仅仅是给出几个结论性的公式。然而，本书却用相当篇幅详细解析了这些效应如何修正纯粹的静电场模型，特别是在描述重元素体系（如铂族金属或稀土元素）的电子结构时，这些修正的必要性。例如，书中对于**Jahn-Teller效应**的讨论就非常透彻，它不仅解释了为什么在特定几何构型下会发生结构畸变，还深入探讨了这种畸变如何影响材料的热力学稳定性和催化活性。对于已经具备一定量子化学基础的研究人员来说，这本书提供了宝贵的深入视角，能够帮助我们从更底层的物理机制上理解材料的性质，而不是停留在表面的现象描述。

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从排版和校对的角度来看，这本书的处理堪称典范。在涉及大量希腊字母和复杂上标、下标的物理化学著作中，清晰度往往是个大问题，但这本书的排版极为干净利落，公式对齐规范，符号表示统一，这极大地提升了阅读的流畅性。特别是在处理**空间群理论**与晶体结构分类时，那些复杂的晶体学符号和图示，都被清晰地呈现出来，避免了因符号混淆而产生的理解偏差。可以说，这本书的出版质量体现了对读者阅读体验的尊重。对于需要长期参考和反复查阅的工具书而言，这种细致的编辑工作是衡量其专业水准的重要标准，而这本书无疑达到了高水准，让人愿意将其长期置于案头，随时取阅。

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这本书的深度和广度令人印象深刻，它绝非一本泛泛而谈的教材，而是真正深入到了晶体场理论在现代材料科学前沿中的实际应用。我个人最感兴趣的是其中关于**过渡金属配合物**的光谱学性质分析章节。作者不仅详细阐述了Tanabe-Sugano图的构建原理，还结合了实际的实验数据，分析了不同价态离子在不同配体场下的吸收峰和发射特性，这对于设计具有特定光电功能的材料至关重要。更难能可贵的是，书中穿插了大量的案例研究，从磁性材料到荧光探针，每一个例子都紧密扣合理论模型，展示了如何利用晶体场参数（如$10Dq$和$B, C$）来预测和解释材料的宏观性能。这种理论与实践紧密结合的叙事方式，使得阅读过程充满了探索的乐趣，而不是枯燥的公式记忆，让人感觉仿佛跟随作者在实验室里进行着一项复杂的课题研究。

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这本书的结构设计非常有利于自我学习和快速检索。它不像有些学术著作那样，将所有内容堆砌在一起，而是通过精心的章节划分和详尽的索引，使得特定主题的查找变得异常高效。比如，如果你只需要回顾**点群对称性**在分子轨道理论中的应用，你可以迅速定位到相关章节，而不会被其他不相干的讨论分散注意力。另外，作者在每章末尾设置的“思考题与延伸阅读”部分极具价值。这些问题往往不是简单的计算题，而是引导性的概念辨析或开放性的应用场景探讨，这极大地激发了读者的批判性思维。我常常在解决完一个章节的问题后，会主动去查阅作者推荐的原始文献，这种“带着问题去探索”的学习模式，让知识的吸收变得更主动、更深刻。

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这本书的装帧设计非常有格调，封面那种深邃的蓝色调配上简洁的几何图案，一看就让人联想到严谨的科学研究。我是在一个学术交流会上偶然看到这本书的，当时随手翻了几页，就被那种清晰的逻辑结构吸引住了。首先，它在介绍基础概念时，并没有陷入那种晦涩难懂的数学推导泥潭，而是非常巧妙地结合了一些直观的物理图像来阐释复杂的晶体场效应。比如，它对d轨道在不同对称性环境下的分裂情况的描述，配上的能级图简洁明了，即便是初次接触这个领域的读者也能迅速建立起一个宏观的概念框架。我特别欣赏作者在引入**配位场理论**时所采取的渐进式教学方法，没有一开始就抛出所有复杂的数学公式，而是先从静电学角度解释离子间的相互作用，再逐步过渡到更精细的量子力学描述，这种循序渐进的方式极大地降低了学习门槛。总而言之，这本书在入门引导上做得非常出色，为后续深入学习打下了坚实的基础。

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