高中物理關於固體的微觀結構的教案

高中物理關於固體的微觀結構的教案

　　固體物理學是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關係的學科．固體的內部結構和運動形式很複雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規律性，較易研究．以後進一步研究一切處於凝聚狀態的物體的內部結構、內部運動以及它們和宏觀物理性質的關係．這類研究統稱為凝聚態物理學． 固體中電子的運動狀態服從量子力學和量子電動力學的規律．在晶體中，原子(離子、分子)有規則地排列，形成點陣．20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發展了 X射線衍射法，用以研究晶體點陣結構．第二次世界大戰以後，又發展了中子衍射法，使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發展．

　　在晶體中，原子的外層電子可能具有的.能量形成一段一段的能帶．電子不可能具有能帶以外的能量值．按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區別為金屬、絕緣體和半導體．能帶理論結合半導體鍺和矽的基礎研究，高質量的半導體單晶生長和摻雜技術，為電晶體的產生準備了理論基礎．

　　電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質，晶體的許多性質(如力學性質、光學性質、電磁性質等)常常不是各向同性的．作為一個整體的點陣，有大量內部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發．

　　晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質有重要的影響．例如1911年發現的低溫超導現象；1960年發現的超導體的單電子隧道效應．這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關．

　　晶體內部的原子可以形成不同形式的點陣．處於不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質卻可能不同．不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處於能量最低的形式；當晶體的內部能量增高，溫度升高到一定數值，點陣就會轉變到能量較高的形式．這種轉變稱為相變，相變會導致晶體物理性質的改變，相變是重要的物理現象，也是重要的研究課題．

　　點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態．實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷：化學成分不會絕對純，內部會含有雜質．這些缺陷和雜質對固體的物理性質(包括力學、電學、碰學、發光學等)以及功能材料的技術性能，常常會產生重要的影響．大規模積體電路的製造工藝中，控制和利用雜質和缺陷是很重要的晶體的表面性質和介面性質，會對許多物理過程和化學過程產生重要的影響．所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域．

　　非晶態固體內部結構的無序性使得對於它們的研究變得更加複雜．非晶態固體有一些特殊的物理性質，使得它有多方面的應用．這是一個正在發展中的新的研究領域．

　　固體物理對於技術的發展有很多重要的應用，電晶體發明以後，積體電路技術迅速發展，電子學技術、計算技術以至整個資訊產業也隨之迅速發展．其經濟影響和社會影響是革命性的．這種影響甚至在日常生活中也處處可見．固體物理學也是材料科學的基礎．