固體物理導論(第八版全球版)（簡體書）

譯者前言
本書譯自（美）C.基泰爾著《固體物理導論》2018年最新國際版（第九版）。原著作者C.基泰爾教授是一位國際著名的物理學家，多年來他一直活躍在磁性物理、半導體物理、超導理論及其相關材料研究等領域，取得了豐碩成果。該書自1953年正式出版以來，曾先後於1956年、1966年、1971年、1976年、1986年、1996年、2005年和2018年出版修訂版。近70年來，該書一直是世界範圍內各著名大學相關專業“固體物理”的首選教材，是一部國際公認的經典著作。
本書內容豐富、結構合理，論述深入淺出，物理概念清晰，學術特色突出，是系統性和先進性的完美結合。作者將實驗結果與理論成果有機結合，在公式推導和物理過程的描述上簡潔、清新而獨特，流暢易讀，引人入勝。新版增加了反映學術前沿和最新研究成果的習題與討論，並對內容體系與章節安排進行了更加合理地調整和完善。全書共分為22章，基本上涵蓋了現代固體物理學的理論基礎與重要課題。書中附有大量插圖和翔實的資料表格，與正文配合，能夠更清晰地表述所要闡明的內容。書中物理量的數值和公式一般都用CGS與SI單位制並列給出，且在書後附有作者精選的相關附錄，這為讀者閱讀本書提供了極大的方便。
原書第二版（高等教育出版社1962年出版）、第五版（科學出版社1979年出版）和第八版（化學工業出版社2005年出版）曾有中譯本；鑒於最新版在其內容與結構等方面的調整更新，因而有必要依照新版重譯出版，以饗讀者。
原書存在的印刷錯誤或筆誤，凡是譯者發現並且確認的，均已在中譯版改正，限於篇幅，一般不加譯注。關於不同語系作品之互譯，真正實現“信、達、雅”，非是易事。有時，一句話抑或一個詞的拿捏，都要多方查證，反復推敲，正所謂“文章千古事，得失寸心知”。毋庸諱言，現代科學技術肇始於西方且根植於西方文化傳統和符號邏輯體系，吾輩東方方塊字之傳人，須經一番寒徹骨，方得梅花撲鼻香。只有一代又一代認真努力，方能達成“別開天地，另創一派學問”。其實，“舍物欲、棄名利，細讀經典、潛心學問”，這不只是一種境界，更是一種情懷。值此基泰爾《固體物理導論》新版中譯本出版之際，一如既往，譯者期望各位讀者開券有益。
從本書的翻譯策劃到最後完稿付梓，化學工業出版社給予了大力支持。在此，譯者表示衷心感謝。限於譯者學識水準，不妥之處，敬請讀者指正。

譯者2021年元月於昆明呈貢大學城





原著新版前言
本書是固體物理學和凝聚態物理學基礎教材的最新國際版（第九版），適合物理學、化學及工程學等相關專業高年級本科生和研究生使用。自本書第一版問世以來，固體物理學等領域一直在蓬勃發展，並在應用方面取得了令人矚目的成就。如何使本書既能反映該領域豐富多彩的最新進展，又能保持其作為教材的基礎水準，成為作者必須面臨的一大挑戰。作者在論述這一厚重而又欣欣向榮的物理學領域時也力求避免落入呆板化和公式化。
想當年，在1953年本書第一版出版的時候，人們還不能理解超導電性,對金屬費米麵的研究才剛剛開始，關於永磁體更是知之甚少；當時也只有少數的幾位物理學家相信真的存在自旋波；納米物理學更是40年之後的事情。相比之下，其他領域的情況也差不多：DNA的結構剛剛被確定，地球的大陸漂移學說剛剛被接受。當年與現今一樣，都是科學史上的偉大時代。因此，能夠通過本書的不斷修訂出版以便及時介紹最新成果，也是作者“不亦樂乎”的事情。
新版保留了第八版修訂時值得繼承的改進之處主要有以下三個方面：
（1）將專門論述納米物理學的內容自成一章。本章由活躍在該領域的科學家、康奈爾大學教授Paul L.McEuen撰寫。就空間的三個維度而言，納米物理學是關於材料在1（或2，或3）個維度為小尺寸時的科學。這裡的“小尺寸”意指納米尺度（約10-9m）。該領域是固體物理學新的生長點，同時也是近年來發展最快、最令人鼓舞的研究領域。
（2）由於計算機的普及，使得本書的壓縮和簡化成為可能。其中，刪去了幾乎所有的參考書目，因為讀者利用計算機根據關鍵字由搜尋引擎可以方便快捷地獲取對自己有用的各種資料，包括最新的文獻。例如，讀者可以登錄網際網絡進入獲得相關資料。這樣做,並非有意忽略那些解決固體物理問題的研究者所貢獻的早期文獻，確是技術發展使然。
（3）在章節安排上，將有關超導電性和磁性的內容放到前面，以使得一個學年的課程安排更為科學合理。
新版相對於第八版做了進一步的修訂完善，主要包括:
（1）將關於“介電體和鐵電體”的內容調整到“等離子體、電磁耦子和極化子”的內容之前，因為介電和鐵電是討論與理解光學性質及光學過程必要的預備知識。
（2）各章在保留過去版本原有習題的基礎上，結合學術前沿和新的研究成果，幾乎每章都新增了一定數量的習題。
晶體學的符號採用物理學中現行的統一用法。書中重要的方程均以SI和CGS兩種單位制並行給出。有時，給出一種單位制的表示形式，但同時指出這兩種單位制的換算關係。本書所採取的兩種單位制並用的做法，為讀者提供了很大的方便，一直備受歡迎。書中的表格採用慣用單位制。符號e表示質子所帶的電荷，取正值；符號（18）表示所在章的第18個方程，而（3.18）則表示參考第3章中的第18個方程。向量符號正上方的尖號（^）代表單位向量。
書中習題基本都是圍繞著所在章節討論的主題而設計的，一般都會有一定的難度。符號QTS是指作者與C.Y.Fong合著的“Quantum Theory of Solids”一書；符號TP是指作者與H.Kroemer合著的“Thermal Physics”一書。

C.基泰爾

第1章晶體結構1
1.1原子的週期性陣列2
1.1.1晶格平移向量3
1.1.2結構基元與晶體結構3
1.1.3原胞4
1.2晶格的基本類型5
1.2.1二維晶格的分類5
1.2.2三維晶格的分類7
1.3晶面指數系統9
1.4簡單晶體結構10
1.4.1氯化鈉型結構10
1.4.2氯化銫型結構11
1.4.3六角密堆積（hcp）型結構12
1.4.4金剛石型結構13
1.4.5立方硫化鋅型結構14
1.5原子結構的直接成像14
1.6非理想晶體結構15
1.6.1無規堆垛和多型性15
1.7晶體結構的有關資料15
小結18
習題18

第2章晶體衍射和倒格子19
2.1晶體衍射19
2.1.1布拉格定律19
2.2散射波振幅21
2.2.1傅裡葉分析21
2.2.2倒格矢23
2.2.3衍射條件24
2.2.4勞厄方程25
2.3布裡淵區26
2.3.1簡單立方晶格的倒格子28
2.3.2體心立方晶格的倒格子28
2.3.3面心立方晶格的倒格子29
2.4結構基元的傅裡葉分析30
2.4.1體心立方晶格的結構因數31
2.4.2面心立方晶格的結構因數31
2.4.3原子形狀因數32
小結33
習題33

第3章晶體結合與彈性常量36
3.1惰性氣體晶體41
3.1.1範德瓦耳斯-倫敦相互作用41
3.1.2排斥相互作用44
3.1.3平衡晶格常量45
3.1.4內聚能46
3.2離子晶體46
3.2.1靜電能或馬德隆（Madelung）能48
3.2.2馬德隆常數的計算49
3.3共價晶體51
3.4金屬晶體53
3.5氫鍵晶體53
3.6原子半徑54
3.6.1離子晶體半徑54
3.7彈性應變的分析56
3.7.1膨脹57
3.7.2應力分量58
3.8彈性順度與勁度常量58
3.8.1彈性能密度59
3.8.2立方晶體的彈性勁度常量59
3.8.3體積彈性模量與壓縮率60
3.9立方晶體中的彈性波61
3.9.1沿［100］方向的彈性波62
3.9.2沿［110］方向的彈性波62
小結64
習題65

第4章 聲子（Ⅰ）：晶格振動67
4.1單原子結構基元情況下的晶格振動67
4.1.1第一布裡淵區69
4.1.2群速70
4.1.3長波極限71
4.1.4從實驗出發的力常量的推導71
4.2基元中含有兩個原子的情況71
4.3彈性波的量子化74
4.4聲子動量75
4.5聲子引起的非彈性散射75
小結76
習題77

第5章聲子（Ⅱ）：熱學性質79
5.1聲子比熱容79
5.1.1普朗克分佈80
5.1.2簡正模的計算方法80
5.1.3一維情況下的態密度81
5.1.4三維情況下的態密度83
5.1.5計算態密度的德拜模型83
5.1.6德拜的T3律84
5.1.7計算態密度的愛因斯坦模型85
5.1.8D(ω)的一般運算式87
5.2晶體非諧相互作用88
5.2.1熱膨脹89
5.3導熱性89
5.3.1聲子氣的熱阻率91
5.3.2倒逆過程92
5.3.3非理想晶格的情況93
習題94

第6章自由電子費米氣96
6.1一維情況下的能級97
6.2溫度對費米-狄拉克分佈的影響99
6.3三維情況下的自由電子氣100
6.4電子氣的比熱容102
6.4.1金屬比熱容的實驗結果105
6.4.2重費米子106
6.5電導率和歐姆定律106
6.5.1金屬電阻率的實驗結果108
6.5.2倒逆散射109
6.6在磁場中的運動110
6.6.1霍爾效應111
6.7金屬的熱導率113
6.7.1熱導率與電導率之比113
習題113

第7章能帶116
7.1近自由電子模型117
7.1.1能隙的由來118
7.1.2能隙的大小119
7.2布洛赫函數120
7.3克勒尼希-彭尼模型120
7.4電子在週期勢場中的波動方程122
7.4.1關於布洛赫定理的另一種表述形式124
7.4.2電子的格波動量124
7.4.3關於中心方程的解124
7.4.4倒易空間中的克勒尼希-彭尼模型125
7.4.5空格點近似126
7.4.6在布裡淵區邊界附近的近似解126
7.5能帶中的軌道數目129
7.5.1金屬和絕緣體129
小結130
習題130

第8章半導體晶體132
8.1帶隙134
8.2運動方程136
8.2.1公式hk=F的物理推導137
8.2.2空穴138
8.2.3有效質量140
8.2.4有效質量的物理基礎141
8.2.5半導體中的有效質量142
8.2.6矽和鍺144
8.3本征載流子濃度145
8.3.1本征遷移率147
8.4雜質導電性148
8.4.1施主態148
8.4.2受主態150
8.4.3施主和受主的熱致電離151
8.5溫差電效應151
8.6半金屬152
8.7超晶格153
8.7.1布洛赫振子153
8.7.2齊納隧道效應153
小結154
習題154

第9章費米麵和金屬156
簡約布裡淵區圖式157
週期布裡淵區圖式159
9.1費米麵的結構159
9.1.1近自由電子的情況160
9.2電子軌道、空穴軌道和開放軌道162
9.3能帶的計算164
9.3.1能帶計算的緊束縛法164
9.3.2維格納-賽茨法166
9.3.3內聚能167
9.3.4贗勢法168
9.4費米麵研究中的實驗方法171
9.4.1磁場中的軌道量子化171
9.4.2德哈斯-範阿爾芬效應172
9.4.3極值軌道175
9.4.4銅的費米麵175
9.4.5磁擊穿177
小結178
習題178

第10章超導電性180
10.1實驗結果概述181
10.1.1超導電性的普遍性183
10.1.2磁場導致超導電性的破壞184
10.1.3邁斯納效應184
10.1.4比熱容186
10.1.5能隙187
10.1.6微波及紅外性質188
10.1.7同位素效應189
10.2理論研究概述189
10.2.1超導相變熱力學189
10.2.2倫敦方程191
10.2.3相干長度193
10.2.4超導電性的BCS理論194
10.2.5BCS基態194
10.2.6超導環內的磁通量子化195
10.2.7持續電流的存在時間197
10.2.8第Ⅱ類超導體197
10.2.9渦旋態198
10.2.10Hc1和Hc2的估算198
10.2.11單粒子隧道效應200
10.2.12約瑟夫森超導體隧道貫穿現象201
10.2.13直流（DC）約瑟夫森效應201
10.2.14交流（AC）約瑟夫森效應202
10.2.15宏觀量子相干性203
10.3高溫超導體204
小結（CGS）205
習題205
參考文獻206

第11章抗磁性與順磁性207
11.1朗之萬抗磁性方程208
11.2單核體系抗磁性的量子理論209
11.3順磁性210
11.4順磁性的量子理論210
11.4.1稀土離子212
11.4.2洪德定則212
11.4.3鐵族離子213
11.4.4晶體場劈裂214
11.4.5軌道角動量猝滅214
11.4.6光譜劈裂因數216
11.4.7與溫度無關的範弗萊克順磁性216
11.5絕熱去磁致冷217
11.5.1核去磁218
11.6傳導電子的順磁磁化率219
小結（CGS）221
習題221

第12章鐵磁性與反鐵磁性223
12.1鐵磁序224
12.1.1居裡點和交換積分224
12.1.2飽和磁化強度對溫度的依賴關係226
12.1.3絕對零度下的飽和磁化強度227
12.2磁波子229
12.2.1自旋波的量子化231
12.2.2磁波子的熱激發231
12.3中子磁散射232
12.4亞鐵磁序233
12.4.1亞鐵磁體的居裡溫度及其磁化率234
12.4.2鐵石榴石（Iron Garnets）235
12.5反鐵磁序235
12.5.1奈爾溫度以下的磁化率237
12.5.2反鐵磁性磁波子238
12.6鐵磁疇239
12.6.1各向異性能240
12.6.2疇間的過渡區域241
12.6.3磁疇的起因242
12.6.4矯頑力和磁滯243
12.7單疇粒子244
12.7.1地磁和生物磁性245
12.7.2磁力顯微術245
小結（CGS）246
習題246

第13章磁共振249
13.1核磁共振250
13.1.1運動方程251
13.2譜線寬度255
13.2.1線寬的運動致窄效應255
13.3超精細劈裂257
13.3.1舉例：順磁性點缺陷258
A.鹵化堿晶體中的F心258
B.矽中的施主原子259
13.3.2奈特移位（Knight Shift）260
13.4核四極矩共振261
13.5鐵磁共振261
13.5.1鐵磁共振（FMR）中的形狀效應262
13.5.2自旋波共振262
13.6反鐵磁共振264
13.7電子順磁共振265
13.7.1線寬的交換致窄效應265
13.7.2譜線的零場劈裂現象265
13.8微波激射作用的原理265
13.8.1三能級微波激射器266
13.8.2雷射器267
小結（CGS）268
習題268

第14章介電體和鐵電體270
A.麥克斯韋方程組(Maxwell Equations)271
B.極化強度（Polarization)271
14.1宏觀電場272
14.1.1退極化場E1273
14.2原子位置上的局部場275
14.2.1洛倫茲場E2276
14.2.2空腔內諸偶極子的場E3276
14.3介電常量與極化率277
14.3.1電子極化率278
14.3.2電子極化率的經典理論279
14.3.3舉例：頻率依賴性279
14.4結構相變279
14.5鐵電晶體280
14.5.1鐵電晶體的分類280
14.6位移相變282
14.6.1軟光學聲子283
14.6.2相變的朗道（Landau）理論284
14.6.3二級相變285
14.6.4一級相變285
14.6.5反鐵電性286
14.6.6鐵電疇288
14.6.7壓電性288
小結(CGS)290
習題290

第15章等離體子、電磁耦子和極化子293
15.1電子氣的介電函數294
15.1.1介電函數的定義294
15.1.2等離體光學294
15.1.3電磁波的色散關係296
15.1.4等離體中的橫光學模296
15.1.5金屬的紫外透明性297
15.1.6縱等離體振盪297
15.2等離體子（Plasmon）298
15.3靜電屏蔽300
15.3.1遮罩庫侖勢302
15.3.2贗勢分量U(0)302
15.3.3莫特型金屬-絕緣體轉變303
15.3.4金屬中的遮罩效應和聲子304
15.4電磁耦子304
15.4.1LST關係306
15.5電子-電子相互作用309
15.5.1費米液體309
15.5.2電子-電子碰撞310
15.6電子-聲子相互作用：極化子311
15.7線型金屬的派爾斯失穩性313
小結（CGS）314
習題314

第16章光學過程與激子317
16.1光學反射比318
16.1.1 克拉默斯-克勒尼希關係319
16.1.2數學注釋320
16.1.3舉例：無碰撞電子氣的電導率321
16.1.4電子的帶間躍遷321
16.2激子322
16.2.1弗侖克爾激子323
A.鹵化堿晶體325
B.分子晶體325
16.2.2弱束縛（莫特-萬尼爾）激子326
16.2.3激子凝聚為電子-空穴液滴（EHD）326
16.3晶體中的拉曼效應328
16.3.1利用X射線得到的電子譜329
16.4快粒子在固體中的能量損失330
小結332
習題332

第17章表面與接口物理334
17.1重構和弛豫334
17.2表面晶體學335
17.2.1反射高能電子衍射337
17.3 表面電子結構338
17.3.1 功函數338
17.3.2 熱電子發射339
17.3.3表面態339
17.3.4表面上的切向輸運340
17.4二維通道情況下的磁致電阻效應341
17.4.1整數量子霍爾效應（IQHE）342
17.4.2真實系統中的IQHE343
17.4.3分數量子霍爾效應（FQHE）344
17.5 p-n結345
17.5.1整流特性346
17.5.2太陽電池和光生伏打型檢測器346
17.5.3肖特基勢壘346
17.6異質結結構347
17.6.1n-N異質結348
17.7半導體雷射器349
17.8發光二極管（LED）350
習題351

第18章納米結構353
18.1納米結構的顯微成像技術355
18.1.1電子顯微技術356
18.1.2 光學顯微技術357
18.1.3掃描隧道顯微技術358
18.1.4 原子力顯微技術359
18.2 一維（1D）系統的電子結構361
18.2.1一維（1D）子帶361
18.2.2範霍甫（Van Hove）奇點的光譜技術362
18.2.3一維金屬——庫侖相互作用和晶格耦合362
18.3一維情況下的電輸運365
18.3.1電導量子化和Landauer公式365
18.3.2串聯共振隧道效應中的雙勢壘366
18.3.3非相干相加和歐姆定律368
18.3.4定域化368
18.3.5電壓探頭及Buttiker-Landauer理論369
18.4零維（0D）系統的電子結構372
18.4.1量子化能級372
18.4.2半導體納米晶373
18.4.3金屬量子點374
18.4.4離散電荷態375
18.5零維（0D）情況下的電輸運377
18.5.1庫侖振盪377
18.5.2自旋、莫特絕緣體和近藤效應379
18.5.3超導量子點中的庫珀對效應380
18.6振動性質和熱學性質381
18.6.1量子化振動模381
18.6.2橫振動382
18.6.3比熱容及熱輸運383
小結384
習題384

第19章非晶固體387
19.1衍射圖樣387
19.1.1單原子非晶材料388
19.1.2徑向分佈函數389
19.1.3透明石英（SiO2）的結構389
19.2玻璃391
19.2.1黏度和原子（分子）的跳遷速率392
19.3非晶鐵磁體393
19.4非晶半導體393
19.5非晶固體中的低能激發394
19.5.1比熱容的計算394
19.5.2熱導率396
19.6纖維光學396
19.6.1瑞利（Rayleigh）衰減397
習題397

第20章點缺陷399
20.1晶格空位399
20.2擴散401
20.2.1金屬403
20.3色心403
20.3.1F心404
20.3.2鹵化堿晶體中的其他色心404
習題406

第21章位錯407
21.1單晶體的剪切強度407
21.1.1滑移408
21.2位錯409
21.2.1伯格斯向量（Burgers Vector）411
21.2.2位錯應力場412
21.2.3低角晶界413
21.2.4位元錯密度415
21.2.5位錯增殖和滑移415
21.3合金的強度416
21.4位元錯與晶體生長418
21.4.1晶須419
21.5材料的硬度420
習題420

第22章合金422
22.1概述422
22.2替代式固溶體——休姆-羅瑟裡（Hume-Rothery）定則424
22.3有序-無序轉變427
22.3.1有序化的基本理論428
22.4相圖430
22.4.1共晶現象430
22.5過渡金屬合金431
22.5.1導電性433
22.6近藤效應433
習題435

附錄436
附錄A反射譜線對溫度的依賴關係436
附錄B計算格點和的埃瓦爾德方法438
B1.關於偶極子陣列格點和的埃瓦爾德-科爾菲爾德計算方法440
附錄C彈性波的量子化：聲子440
C1.聲子座標441
C2.產生算符與湮滅算符442
附錄D費米-狄拉克分佈函數444
附錄Edk/dt運算式的推導445
附錄F玻爾茲曼輸運方程446
F1.粒子擴散447
F2.經典分佈447
F3.費米-狄拉克分佈449
F4.電導率450
附錄G矢勢、場動量和規範變換450
G1.拉格朗日運動方程450
G2.哈密頓量的推導451
G3.場動量451
G4.規範變換452
G5.倫敦方程中的規範453
附錄H庫珀對453
附錄I金茲堡-朗道方程455
附錄J電子-聲子碰撞457

常用數值表460

元素週期表