高中物理关于固体的微观结构的教案

固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科．固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究．以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系．这类研究统称为凝聚态物理学． 固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律．在晶体中，原子(离子、分子)有规则地排列，形成点阵．20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了 X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构．第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展．

在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带．电子不可能具有能带以外的能量值．按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体．能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础．

电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质(如力学性质、光学性质、电磁性质等)常常不是各向同性的．作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发．

晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响．例如1911年发现的低温超导现象；1960年发现的超导体的单电子隧道效应．这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关．

晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵．处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同．不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式．这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题．

点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态．实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质．这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响．大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响．所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域．

非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂．非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用．这是一个正在发展中的新的研究领域．

固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展．其经济影响和社会影响是革命性的．这种影响甚至在日常生活中也处处可见．固体物理学也是材料科学的基础．

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