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1、 固体物理论文 题 目 固体物理的发展与前景 姓 名 李. 学 号 20102942. 专业年级 物理 指导教师 陈. 固体物理的发展与前景 摘要：本文对于固体物理中晶体结构以及其性质，做了简单介绍，并探讨了固体物理的一些应用，以及它在国家项目中的情况和今后的发展前景。关键字： 晶体结构 ，固体物理，固体激光器，固体表面物理化学。 一、固体物理学研究的对象 固体物理学是研究固体的结构及其主城的粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用于运动规律，以阐明其性能与用途的学科。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
2、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。 由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就包括各种优异的半导体材料、超导体材料、磁性材料、合金材料、人造晶体、超大规模集成电路等。而且，其实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。 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。
3、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。二、固体物理中的测量 固体物理奠基于上世纪三十年代，开始在简单固体的领域中取得成果，采用的主要是“还原论”的思维方法 ，即将复杂事物尽可能还原为简单，寻找一定的规律后再用于复杂体系。在历经约半个世纪的发展，所研究的对象越来越复杂，高温超导电性、量子霍尔效应、 巨磁阻、纳米材料、软物质、分子磁性、聚合物、人工导电材料等等一一进入研究领域。研究工作的发展带来了新的思维，逐步形成新的观点和新的理论体系。而这些新观点和新体系又对实验和测量提出了新的要求。 物理测量是基于所研究体系和测量仪器之间的相互作用来实现的。这种相互作用可以是直接
4、的物理接触，也可以来自某种辐射。各种测量方法都有各自的局限性和各自的机遇，这里所指的不仅是观察参数的精度和范围，更指各个观察体系是以自己的独有的观点来实现的。 在固体物理中习惯于区分宏观测量和微观测量，宏观测量是指一些物理量的测量，诸如电阻率、磁导率等等。测量的是整个样品的性质，微观测量则是测量与样品中的各原子间的相互作用。如果利用的是辐射，那么这个辐射可以被吸收，被散射，被研究的体系中的原子所发射等等。在固体系统中要特别注意合作性质，即很多原子或者很多电子的集体贡献。磁性现象、超导性现象以及一些有序现象都是例子。合作现象本质上既不同于宏观又不同于微观。但是这些个别原子的贡献是反映了宏观测量中
5、的，如磁导率，中子非弹性散射中的自旋波产生。固体物理中还有不少常见问题是和个别原子有关的，例如杂质引起的各种问题。 三、固体物理学中的晶体结构（1）晶体 在固体物理中，晶体结构的研究占据了很重要的地位。下面先对晶体作些介绍。 晶体是各向异性的均匀物体。生长良好的晶体,外观上往往呈现某种对称性。从微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期重复排列。即以晶体中的原子或其集合为基点,在空间中三个不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。如从重复出现的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分。确切地说，点阵是一组按连接其中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。 金
6、刚石石墨钻石晶体的解理性 当晶体受到敲打、剪切、撞击等外界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方位的晶面劈裂开来的性质。如固体云母很容易沿自然层状结构平行的方向劈为薄片，晶体的这一性质称为解离性，这些劈裂面则称为解理面。自然界的晶体显露于外表的往往就是一些解理面。晶体的各向异性晶体的物理性质随观测方向而变化的现象称为各向异性。晶体的很多性质表现为各向异性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。例如：石墨的电导率，当我们沿晶体不同方向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导率数值也不同的结果。晶体的对称性晶体的宏观性质一般说来是各向异性的，但并不排斥晶体在某几个特定的方向可以是异向同性的。晶体
7、的宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现象称为晶体的对称性。晶体的对称性反映在晶体的几何外形和物理性质两个方面。实验表明，晶体的许多物理性质都与其几何外形的对称性相关。 晶体结构 晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况。 从微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期重复排列。即以晶体中的原子或其集合为基点,在空间中三个不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。如从重复出现的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分。确切地说，点阵是一组按连接其中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。 空间点阵是认识晶体结构基本特征的关
8、键之一，用它可以方便而又清楚地说明晶体的微观结构在宏观中所表现出的面角守恒、有理指数等定律以及 x射线衍射的几何关系。各点分布在同一直线上的点阵称为直线点阵，分布在同一平面中者称为平面点阵，而分布在三维空间中者称为空间点阵。空间点阵可以分解为各组平行的直线点阵或平面点阵，并可划分成并置的平行六面体单位。规定这个单位的矢量为a、b和c。空间点阵划分成一个个并置的平行六面体单位后，若点阵中各点都位于各平行六面体的顶点处，则此单位只摊到一个点，称为素单位。平行六面体单位也可在面上或体内带心，摊到一个以上的点，成为复单位。按照空间点阵的平行六面体单位,可划分成晶体结构的单位,这样的单位称为晶包。四、固
9、体物理的应用新兴交叉学科：核固体物理 这一交叉领域较早出现于西德，美国政府曾经在上世纪九十年代的长期规划中将“核固体物理”单独列为一节，指出：“用核方法探究固体和新材料已经成为一个引人注的领域。” 在这一交叉领域中，核物理主要在方法上，即从实验装置和效应观察方面作出贡献。研究的主题是凝聚态物理。所以简单说来，核固体物理就是用核方法研究凝聚态物理。事实上，在科学上的任何新领域，新的实验方法和新的研究角度都是首要的。我们知道核固体物理它起始于核物理和各种粒子的性质，它们与凝聚态物质相互作用，进而形成不同的实验方法，最终归结于它们在物质研究中的应用。由上可见，可以将核固体物理大致分为三类：1、用离子
10、束的核固体物理。包括使用加速器的核反应分析、沟道分析、卢瑟福背散射和加速器质谱技术。 2、 基于超精细相互作用的物理学。包括穆斯堡尔效应、受扰角关联、核磁共振和核取向。3、基于粒子基本性质的研究方法。包括正电子湮没和uRS，以及年近来在同步辐射基础上的X射线荧光技术和EXAFS。 正如前述，核固体物理有二个应用意义，一是用核方法研究固体物理课题，由于和传研究方法的角度不同，往往会得出新的结果；二是研究适用于核装置的固体材料。从相互作用的机理看，它涉及超精细相互作用，以及核散射和核反应的相应机理。著名的Uppsala大学的核固体物理课本的书名甚为别致“在u子、质子和受激核眼光中的固体现象。”比利
11、时此Leuven大学将一台原有的小型加速器改造成可以同时在线进行多种核方法分析固体微结构的实验室，已成为核固体物理研究的一个先进模式。我国于1999年1月起由国家自然科学基金委员会起动国家自然科学基金重点项目核固体物理，承担单位为南京大学、中国原子能科学研究院和兰州大学。限于资助强度的限制，采用“有限目标、重点发展”的方针，指导思想以新材料和新方法带动，主要核手段以穆斯堡尔效、中子散射、扰动角关联和角分布、核磁共振、正电子湮没为主本项目于2003年3月以“全面完成计划研究工作取得突出进展或结果” 通过鉴定。虽然，我国的核固体物理研究与国际上还有很大的差距。一是限于经费和研究实力，我们还没有象比
12、利时那样建立用离子束的核固体物理设备。同步辐射加速器装备还停留在纸上，有些有意义的实验常常由学者带去欧美或日本合作。二是对辐照下固体结构和行为的变化研究很不够。近半个世纪来，核固体物理学家首先用它来研究反应堆和聚变反应堆设计中的一些关键问题，八十年代以后用于军事的宇航，称为“抗核加工”。 三是用于现代工业中的关键问题还很少。例如离子注入在我国用于表面改性和抗腐蚀、抗疲劳和抗磨损的工作还很少，这些给几乎所有发达国家都已带来可观经济利益的工作在我国还没有真正开展起来。辐照损伤对反应堆的设计和效能的影响工作也远没有系统开展起来。五、 固体物理前沿和国家重点项目 “863”计划的重大项目信息技术超大规模集成电路设计 高性能计算机及其核心软件 软件重大专项 高性能宽带信息网 生物和医药技术 创新药物和中药现代化 组织器官工程 生物反应器 功能基因组和生物芯片 非典型肺炎防治关键技术及产品研制新材料技术 超大规模集成电路配套材料 先进制造技术 微机电系统 燃气轮机 先进能源技术 电动汽车 参考文献：1、固体物理学 ，作者朱建国/郑文琛/郑家贵/孙小松/王洪涛 。南京大学固体微结构物理国家重点实验室文献。2、固体表面物理化学若干研究前沿，作者万惠霖等著 。3、固体物理学 作者 陈霞 出版社：河南大学出版社
