《材料物理序论》PPT课件

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1、材料物理MaterialPhyiscs内蒙古科技大学张邦文2008.8教材田莳，材料物理性能，北京航空航天大学出版社，2004参考书1任凤章.材料物理基础，机械工业出版社，20062周世勋.量子力学教程，高等教育出版社，19793C.基泰尔.固体物理导论，化学工业出版社，2005第一章引论和理论基础1.1材料物理引论1.1物理1.2材料物理1.3学科体系1.2统计力学基础1.2.1统计力学的研究对象1.2.2体系和子体系1.2.3微观运动状态的经典描述－相空间1.2.4全同近独立粒子体系1.2.5粒子系统的分布和微观状态1.2.6费米－狄拉克（F-D）分布的意义1.3量子力学基础1.

2、1材料物理引论1.1.1物理◆概念格物致知，推物及理，自然哲学；物理学(Physics)，是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。◆研究方法观测，实验，理论,计算。◆分类古典力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律，分析力学；电动力学(Electrodynamics)研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律；统计力学(Statisticalmechanics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现；量子力学(Quantummechanics)研究微观粒子运动及相互作用的规律。此外，粒

3、子物理学、核物理学、原子分子物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学。1.1.2材料物理凝聚态物理学是从微观角度出发，研究凝聚状态物质（固体、液体、液晶等）的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质的一门学科。包括固体物理（晶体/非晶、金属、半导体、电介质、磁性）、液晶与高分子、液体物理、介观物理（包括团簇、纳米）、低温物理（超导与超流）、相变等等。材料物理，研究作为材料的凝聚态物质的物理，是凝聚态物理的分支，主要范畴有：原子键合、晶体结构、半导体物理、磁性物理、电介质物理、相变及分析测试方法等。目的是：理解、预测和设计先进材料。1

4、.2.3学科体系◆材料物理与化学（为什么）凝聚态物理、基础化学与材料学的交叉，研究材料的合成路径、微观结构和宏观性质的形成机理；[正确理解]◆材料学（是什么）采用科学的方法，观察材料的组织、结构，检测材料的力学、物理和化学性能，合理评价材料的使用性能；在金相尺度上，初步探讨结构－性能的关系；[科学评价]◆材料加工（怎么做）制定合适的方法和工艺，合成、制备具有期望性能的材料；[高效制备]1.2统计力学基础1.2.1统计力学的研究对象经典力学：以质点概念为基础，研究有限个质点、刚体及其构件或连续介质（固体、气体）的实空间运动，获得静力学、动力学特性（力学性质）。例如，导弹、飞机、连杆、支

5、架、钢材、液体的力学、运动行为。统计力学：以粒子概念为基础，研究大量粒子在相空间的微观状态，各种物理量如速度、能量、密度、出现几率的分布规律及其运动性特性，利用统计数学获得体系的宏观物理性质。例如，气体/液体分子的温度、压力、内能、传递系数，固体的内聚能、电性、磁性、光学性质等等1.2.2体系和子体系统计力学研究给定宏观条件下，大量的按照一定力学运动规律运的粒子系统的统计平均性质。宏观条件：N,V,T,P等大量：1mol=1023级力学运动规律：宏观－－经典力学微观－－量子力学粒子：分子，原子，电子，光子，核子，胶体等系统（集合）：子系统（子集），如电子系统。1.2.3微观运动状态的

6、经典描述－相空间（1）单个粒子运动状态的经典描述－μ空间假设微观粒子遵循经典力学（牛顿）规律，若单个粒子的自由度为s，则粒子在任一时间t的力学运动状态可由粒子的s个广义坐标qi、广义动量pi描述。该力学状态通常表示为粒子能量ε是广义坐标、广义动量的函数以（q1,q2,…,qs;p1,p2,…,ps）共2s个变量作正交坐标轴，构成一个2s维空间，命名为子的相空间，或称μ空间。故单个粒子在t时刻的运动状态{qi(t),pi(t)}就表示μ空间中的一个点，称为相点，相点在μ空间的按照Hamilton方程运动，形成的连续“轨迹”称为相轨道。统计力学，μ空间的体积微元:经典力学，位形空间的体积

7、微元：dV=dxdydz单粒子体系：理想气体、金属晶体电子（2）体系微观运动状态的经典描述－Γ空间考虑由N个大量粒子组成的体系,自由度2f=2Ns共2f个变量作正交坐标轴，构成一个2f维空间，命名为体系的相空间，或称Γ空间。Γ空间的体积微元:多粒子体系：水分子、化合物晶体电子1.2.4全同近独立粒子体系－简化途径全同粒子：完全相同的属性（质量、电荷、自旋等）近独立粒子：粒子间相互作用很弱，因而可以忽略粒子间相互作用，体系总能量等于单个粒子能量之和。举例,。