材料物理基础教程

作为高等学校材料学科专业专业基础课教材使用，是近十年来首推的新版教材。可直接向高等学校推广，特别是综合性大学和工科院校。

本书是较为简明的材料物理教材，着重叙述关键的物理基础知识和主要的材料物理理论，同时注意介绍一些重要的材料物理现象和新理论。主要内容有晶体结构与缺陷及其特征、量子理论基础及其处理材料中与性能相关的粒子或准粒子(声子、电子和光子)集体行为的数理方法，包括晶格振动与热容、导体和半导体中的电子运动及其界面行为，叙述了材料的热、电、磁、光等主要特性及其物理本质。

胡正飞，博士，同济大学材料学院教授，博士生导师。先后在苏州大学物理专业、华东理工大学物理化学专业、北京科技大学材料物理专业完成本科到博士阶段学业。曾是复旦大学博士后、佐治亚理工学院（Georgia Tech）高级访问学者。专业上一直从事材料物理领域的科研和教学工作。主要从事金属材料领域应用基础理论和工程实际问题研究，关注与工程实际紧密结合的新材料开发与应用，长期跟踪重大工程领域的材料失效分析与评价方面研究，包括包括材料的使役行为、腐蚀失效和设备关键部件寿命评估等。注重实验物理手段的运用，注重利用微观结构观察分析手段和数值模拟相结合的方法，认识微观结构演变行为及其动力学规律，深入理解材料组织结构与性能关系，并结合到材料工程应用评价中去。承担或参与了国家“十一五”和“十二五”支撑课题、国家自然基金、973子课题、上海市重点课题等项目研究工作。已发表学术论文两百余篇，主编和参与编写专著3部，主编教材2本。

第1章固体晶体结构
1.1晶体结构及其特性
1.1.1晶体的概念
1.1.2晶体的特性
1.2晶体结构的周期性
1.2.1空间点阵
1.2.2晶胞和原胞
1.3晶体结构的对称性
1.3.1基本对称操作
1.3.2晶系
1.3.3晶列和晶向指数
1.3.4晶面指数
1.3.5六方晶系的晶向指数和晶面指数
1.4倒易点阵
1.4.1倒格子基矢定义
1.4.2倒格子的性质
1.4.3晶面间距、晶面和晶向夹角
1.4.4倒易点阵的物理意义
1.5常见晶体结构
1.5.1常见晶体结构
1.5.2实际晶体的结构特征

第2章晶体结构缺陷与运动
2.1点缺陷及其组态
2.1.1点缺陷结构
2.1.2点缺陷的能量和运动
2.1.3热平衡点缺陷
2.1.4非平衡点缺陷
2.1.5点缺陷的运动
2.2位错结构及其运动 
2.2.1位错结构
2.2.2位错密度
2.2.3位错的结构特征
2.2.4位错应力场
2.2.5位错运动
2.3位错和缺陷相互作用
2.3.1位错和点缺陷间的相互作用
2.3.2位错间的相互作用
2.4位错的产生及观察
2.4.1位错的产生和消失
2.4.2位错增殖
2.5常见晶体中的特殊位错结构
2.5.1面心立方晶体中的位错
2.5.2体心立方体晶体中的位错
2.5.3密排六方结构晶体中的位错
2.6晶界和相界
2.6.1晶界
2.6.2相界

第3章固体量子理论基础
3.1材料特性与微观粒子行为
3.2量子观点的形成
3.2.1早期的量子理论假说
3.2.2经典物理和固体量子理论研究对象和方法的区别
3.3波粒二相性——物质波及其物理意义
3.3.1德布罗意物质波
3.3.2波函数及其性质
3.3.3量子力学建立
3.4不确定性原理
3.5薛定谔方程
3.5.1薛定谔方程及力学量
3.5.2薛定谔方程物理意义讨论
3.6薛定谔方程应用举例
3.6.1简单的例子
3.6.2库仑场与氢原子
3.7经典价键理论及其意义
3.7.1元素周期表和原子轨道理论的合理性
3.7.2经典晶体结合的基本价键理论

第4章晶格振动与热学性质
4.1原子的运动能量和比热容经典理论
4.1.1固体中原子的振动和能量
4.1.2比热容的经典理论及其困难
4.2一维单原子链
4.2.1周期性边界条件
4.2.2格波
4.3一维复式晶格振动
4.3.1一维双复式晶格振动色散关系
4.3.2声学波与光学波
4.3.3相邻原子运动情况分析
4.3.4长波近似
4.3.5三维晶格振动
4.3.6晶格振动的量子化和声子
4.4比热容的量子理论
4.4.1晶格比热容的量子理论计算
4.4.2爱因斯坦模型
4.4.3德拜模型
4.5非谐效应与热膨胀
4.5.1非简谐效应
4.5.2晶体的热膨胀系数
4.5.3材料的热稳定性

第5章固体中的电子状态和能带理论
5.1固体中的电子状态和能带的形成
5.2自由电子气理论
5.2.1自由电子分布规律
5.2.2自由电子气理论
5.2.3电子热容量
5.3周期性势场中的电子运动和能带理论
5.3.1布洛赫定理
5.3.2能带理论模型
5.4布里渊区和能带
5.5导体、半导体和绝缘体
5.6能带理论的意义及其局限性

第6章材料的电学特性
6.1材料电学性能概述
6.1.1材料的导电类型
6.1.2电导率
6.2固体材料的导电机制
6.3金属的电学性能
6.3.1导体的导电机制
6.3.2金属电导率的影响因素
6.3.3金属固溶体
6.4绝缘体及其介电特性
6.4.1绝缘体
6.4.2电介质及其介电行为
6.5超导电性
6.5.1超导现象
6.5.2超导的特征和特殊效应
6.5.3BCS理论
6.5.4超导的应用

第7章半导体中的载流子输运
7.1半导体中的载流子及其导电行为
7.2半导体中载流子的运动和有效质量
7.2.1电子和空穴的有效质量
7.2.2半导体中的电子速度
7.2.3半导体中的电子加速度
7.2.4半导体中的载流子分布
7.3半导体的类型和特征
7.3.1本征半导体
7.3.2杂质半导体和杂质能级
7.3.3n型半导体
7.3.4少数载流子浓度
7.4半导体中载流子的输运
7.4.1载流子迁移率
7.4.2非平衡载流子
7.5半导体的接触效应
7.5.1p-n结
7.5.2金属-半导体接触
7.5.3半导体表面电子状态
7.5.4异质结
7.5.5超晶格材料

第8章材料的磁学特性
8.1材料磁性的物理基础
8.1.1磁矩及其物理本质
8.1.2磁化现象与磁化强度
8.1.3材料的磁性
8.2磁性材料的磁化曲线及磁滞回线
8.2.1磁化曲线
8.2.2磁滞回线
8.3自发磁化与磁畴结构
8.3.1自发磁化
8.3.2磁畴及其结构
8.3.3技术磁化
8.3.4动态磁化
8.4磁物理效应
8.4.1磁致伸缩效应
8.4.2磁各向异性
8.4.3巨磁阻效应
8.4.4磁光效应

第9章材料的光学特性
9.1光与固体的相互作用
9.1.1光的折射
9.1.2光的反射
9.1.3光的色散
9.1.4光的散射
9.2光的吸收
9.2.1光吸收的一般规律
9.2.2光吸收与波长的关系
9.2.3光吸收过程
9.2.4本征吸收与直接跃迁和间接跃迁
9.3材料的颜色与透光性
9.3.1光与颜色
9.3.2材料透光性
9.4材料发光和发光材料
9.4.1发光的概念
9.4.2发光的分类
9.4.3发光中心与发光材料
9.4.4无机发光材料及其应用
9.4.5有机发光材料及其应用
9.5半导体发光 
9.5.1半导体的激发发光过程
9.5.2发光效率
9.5.3p-n结电致发光
9.5.4发光二极管与应用
9.6受激辐射与激光
9.6.1基本原理
9.6.2半导体激光器
9.7非线性光学
9.7.1线性光学和非线性光学的意义
9.7.2典型的非线性光学现象 
9.7.3非线性光学材料

参考文献

思考题与习题

本书可作为材料类专业高年级本科生及研究生的专业基础课教材，也可供材料领域的科技工作者参考。目的是让读者准确了解和掌握材料科学的物理基础，了解材料领域的共性基础理论和发展。笔者的教学实践表明，要想理解材料的物理性能及其局限性，掌握充分的材料物理知识是关键。让学生充分了解材料物理的基础理论，对他们迅速有效地把握材料物理领域的知识结构，并运用基础理论去分析问题和解决问题是十分重要的。介绍材料物理基本理论、阐述材料的性能和微观体系之间的关系，构成了本书的基础。研究材料的微观结构、微观粒子的运动规律和相互关系，从微观上解释固体材料的宏观物理性质，是材料物理的基本任务。本书首先介绍晶体材料的结构和缺陷，叙述量子理论等物理基础理论，从晶格振动、电子运输和跃迁等不同角度认识材料的热、电、磁、光等不同物理特性或现象，通过声子、电子和光子等微观粒子行为的量子理论诠释物理本质，进而了解材料物理理论的发展和应用。

本书是准确理解材料物理基础理论和了解材料物理理论发展的入门工具。本书特点是基础物理理论叙述较为精简，重点介绍材料物理基础理论、材料领域最主要的物理特性和现象，诠释了这些物理特性或现象的微观基础和相关的物理本质，同时注意介绍材料物理理论的一些新发展。对材料科学基础相关课程涉及的固溶体与相变等内容不再赘述，省略与材料专业无关的物理理论，减少超出材料学科范畴的繁复数学公式和推导过程。语言表达方面，采用易于理解的叙述方式，替代较为艰涩的物理理论及其数学表述。内容安排上，各章节内容相对独立，以满足不同读者的需要。

本书编写过程中还参考了一些国内外书刊文献和一些著名高校的公开课内容，编者对采用的相关参考及其著作人表示感谢。由于编者知识局限性，书中难免存在错误，欢迎广大教师和学生批评指正！

本书由同济大学教材建设项目资助。

胡正飞
2023年12月于同济嘉园