Symmetry, Group Theory, and the Physical Properties of Crystals pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Richard C Powell

出品人:

页数:233

译者:

出版时间:2010-12-10

价格:USD 59.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781441975973

丛书系列:

图书标签:

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晶体结构、对称性与材料特性研究导论 书名：晶格动力学、缺陷物理学与功能材料设计 内容简介 本书旨在为物理学、材料科学、化学以及固体物理学领域的研究人员和高年级本科生提供一个全面且深入的视角，聚焦于宏观晶体结构、微观晶体缺陷及其在决定材料宏观物理性质中的核心作用。本书的叙述侧重于从原子尺度上的排列、动力学行为到最终宏观热学、电学和磁学响应的跨尺度理论构建与实验验证。 第一部分：晶体结构与晶格动力学基础 本部分奠定了理解任何晶体材料的基础——周期性结构和原子振动。 第一章：晶体学的几何基础与倒易空间 本章首先回顾晶体的定义，重点阐述布拉维点阵、晶体学基矢的选择与变换。详细讨论了施密特正交化在处理非正交晶胞时的应用，并引入了宏观对称性操作（如旋转、反射、反演和滑移反射）的群论表示，但不涉及群论的抽象代数结构，而是将其视为描述晶体环境对称性的实用工具。 随后，重点深入探讨倒易空间（Reciprocal Space）的概念。定义米勒指数、倒易点阵矢量，并阐述倒易空间在描述波（如X射线衍射、电子束衍射）与晶体相互作用时的不可替代性。详细分析了布里渊区的几何构造，特别是费米面的拓扑结构与电子带结构计算之间的内在联系。 第二章：晶格振动与声子理论 本章是理解晶体热力学和声子散射机制的关键。从牛顿运动方程出发，构建一维和三维晶格的运动方程，引入周期性边界条件。详细推导了色散关系（Dispersion Relation），区分声学支（Acoustic Branches）和光学支（Optical Branches）。 重点分析了德拜模型（Debye Model）和爱因斯坦模型（Einstein Model）的物理图像与局限性。深入探讨了长波极限下的声子速度（声速）与弹性常数之间的关系。随后，本章引入了声子散射过程的微观机制，包括声子-声子（三声子、四声子）散射、声子-电子散射以及声子-缺陷散射，并将其与材料的热导率、比热容等热学性能直接挂钩。 第二部分：晶体缺陷的物理学 完美的晶体只存在于理论中。本部分将焦点从理想周期性结构转移到实际材料中普遍存在的非周期性缺陷，以及这些缺陷如何“调控”材料的电子与机械性能。 第三章：点缺陷的热力学与动力学 本章系统梳理了晶体中的零维缺陷，包括空位（Vacancies）、间隙原子（Interstitials）、自填间隙（Self-interstitials）以及替换型杂质（Substitutional Impurities）。详细讨论了缺陷形成的弗伦开尔-哈特维根（Frenkel-Hägglund）平衡浓度与温度的关系，重点解析了缺陷的形成能和迁移能的实验测量方法（如电导率、扩散实验）。 特别关注了非化学计量化合物中存在的缺陷化学（Defect Chemistry），如氧化物和硫化物中的氧空位和金属间隙，以及它们如何影响材料的本征电荷载流子浓度，为半导体掺杂和陶瓷导电性提供了微观基础。 第四章：线缺陷与面缺陷的结构与应力场 本章扩展到一维缺陷——位错（Dislocations）。详细区分了刃型位错（Edge）、螺型位错（Screw）和混合型位错，并引入了伯格斯矢量（Burgers Vector）的概念。通过应变场理论（Elastic Theory of Dislocations），计算了位错周围的应力场分布及其对塑性变形机制的支配作用。 随后，分析了晶界（Grain Boundaries）和堆垛层错（Stacking Faults）等二维缺陷。讨论了晶界能的起源、晶界结构（如小角度晶界模型的柏格斯模型）以及晶界在阻碍位错运动（形成Hall-Petch效应）和作为扩散路径中的关键角色。 第三部分：缺陷对宏观物理性质的影响 本部分将前两部分的知识融会贯通，分析晶体结构和缺陷如何决定功能材料的关键物理特性。 第五章：电子结构、能带理论与缺陷态 本章回顾了紧束缚法（Tight-Binding Method）和近自由电子模型，解释了能带如何形成。重点是分析缺陷对理想周期性电子结构的中断效应。使用久远近似（Effective Mass Theory）和更先进的格林函数方法，计算了浅能级缺陷（Donor/Acceptor）和深能级缺陷（Traps/Recombination Centers）的局部势场和电子态。 详细讨论了缺陷对半导体电导率的调节作用，包括费米能级的移动、载流子俘获和复合速率。在绝缘体中，研究了缺陷诱导的极化和电荷转移机制，例如光致变色效应。 第六章：电磁响应与晶格极化 本章探讨晶体结构对称性在决定宏观电磁响应中的决定性作用。虽然不涉及群论的详细推导，但强调了张量分析在描述介电常数（Dielectric Tensor）和磁化率（Susceptibility Tensor）时的必要性。 重点分析了压电效应（Piezoelectricity）和热释电效应（Pyroelectricity）。通过将机械应力或温度变化与晶格的离子极化联系起来，解释了这些效应的微观机理，并讨论了如何通过引入特定类型的点缺陷（如氧空位在钛酸钡中的作用）来增强或调制这些效应。此外，还简要概述了铁电性（Ferroelectricity）的本征和缺陷驱动机制。 第七章：材料失效与扩散动力学 本章将缺陷的运动与材料的长期可靠性联系起来。详细分析了固态扩散的原子机制，区分了空位机制、间隙机制和环路机制。引入菲克定律（Fick's Laws）并讨论其在高温材料科学中的应用。 讨论了宏观失效模式，如蠕变（Creep）——特别是扩散蠕变（Nabarro-Herring and Coble Creep）——其速率直接受晶界和晶体中扩散通量的控制。最后，讨论了辐射损伤对晶格结构的持久影响，即如何通过产生大量的位错和气泡（Void Swelling）来改变材料的机械和中子学性能。 总结 本书通过对晶体结构、晶格振动、原子级缺陷以及这些微观特征如何共同塑造材料热、电、力学响应的系统性考察，为读者提供了一个连贯的框架，用以理解和设计下一代功能材料。全书强调物理直觉的培养和对实验结果的理论解释能力。

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从一个长期与晶体物理打交道的专业人士角度来看，这本书的价值在于其对现代晶体物理前沿问题的兼顾。虽然基础概念铺垫得非常稳固，但它并没有止步于经典的晶体学，而是触及了如晶体缺陷、准晶体对称性（虽然篇幅有限）等更现代的话题。作者在保持严谨性的同时，也展现了一种对知识更新的敏感度。对于正在进行高阶研究，需要将群论工具应用于非传统晶体系统（比如复杂氧化物或低维材料）的研究人员而言，这本书提供了坚实的数学和物理基础，可以作为思维跳板。它不仅教会了我们“是什么”，更重要的是，它教会了我们如何“思考”对称性，这才是最有价值的收获。

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这本关于晶体对称性的书真是让人耳目一新。作者在讲解抽象的群论概念时，总能巧妙地将其与具体的物理现象联系起来，使得原本枯燥的数学工具变得生动有趣。我尤其欣赏作者对空间群的分类和描述，那种层层递进、逻辑严密的结构，仿佛带着读者走进了晶体内部的微观世界。书中对晶体学基本原理的阐述也非常扎实，从布拉维格子到密勒指数，每一步推导都清晰可见，即便是初次接触这个领域的读者也能循序渐进地理解。对于那些希望深入研究材料科学、凝聚态物理或者矿物学的学生来说，这本书无疑是一本不可多得的入门与进阶参考书，它不仅仅是理论的堆砌，更是一座连接数学美感与物质实在的桥梁。

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读完这本书，我最大的感受是它的深度和广度。它不仅仅停留在介绍对称性的概念层面，更深入探讨了这些对称性如何决定了晶体的宏观物理性质，比如光学活性、压电效应乃至铁电性。作者在讨论这些具体应用时，常常会引用大量的实例，这种“理论指导实践”的写作手法极大地增强了书籍的可读性和实用价值。我特别留意了关于点群与不可约表示的内容，作者的处理方式非常清晰，没有过多地纠缠于繁琐的代数计算，而是侧重于解释其物理意义。这对于那些更关心物理图像而非纯数学推导的读者来说，是极其友好的。总的来说，这本书为我们提供了一个强大的分析框架，去理解自然界中那些看似随机却又遵循着严格对称法则的结构。

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这本书的排版和图示设计也值得称赞。在处理复杂的晶体结构和对称操作时，清晰的插图是至关重要的，而这本书在这方面做得相当出色。那些三维晶格的透视图、对称元素的可视化表达，都极大地帮助了读者建立空间想象力。很多教科书在这方面总是显得力不从心，要么图示过于简单导致信息不足，要么过于复杂让人眼花缭乱。但这里不同，作者似乎深谙读者的困惑点，总能用最精炼的图形来阐释最复杂的概念。这使得我在学习那些繁琐的群论表格和操作矩阵时，也能时刻感受到实体晶体的存在，避免了纯粹的符号操作带来的抽离感。这种图文并茂的平衡掌握得恰到好处。

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我对这本书中关于群论在光谱分析中应用的章节印象尤为深刻。作者以一种近乎诗意的方式，将抽象的群论语言转化为了对拉曼和红外光谱的直观解释。它不再是简单的选择定则罗列，而是从晶体结构的固有对称性出发，推导出哪些振动模式是“允许”的，哪些是“禁戒”的。这种自顶向下的推导逻辑，彻底改变了我过去对光谱分析的肤浅理解。它让我明白了，我们从实验中测量到的每一个峰值，都深深地烙印着材料内部的对称印记。对于实验物理学家来说，这本书提供的理论深度，无疑能帮助我们在解读复杂数据时，跳出单纯的经验主义，提升到更本质的理解层面。

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