The Oxford Solid State Basics（牛津固体物理基础）

引用

Simon, S. H. (2013). The Oxford Solid State Basics. Oxford University Press.

章节概要

全书共23章，分为七个部分，之后是两个附录：附有解答的模拟试卷，以及其他好书的清单。作者是牛津大学的凝聚态理论物理学家。他为牛津大学三年级固体物理课程撰写的讲义，其2012年的草稿由物理系网站提供，结构与本书非常相近。

第1章：关于凝聚态物理

一个简短的开篇章节，讲什么是凝聚态物理，以及为什么值得学习。

第一部分，第2–4章：不考虑微观结构的固体：固体物理的早期

固体的比热：玻尔兹曼、爱因斯坦与德拜；金属中的电子：德鲁德理论；金属中的电子（续）：索末菲（自由电子）理论。部分标题把这些模型看作该学科的早期阶段：不考虑微观结构而处理固体的模型。

第二部分，第5–7章：材料的结构

元素周期表；是什么把固体结合在一起：化学键；物质的类型。这一部分提供了原子为何结合成固体的化学背景。

第三部分，第8–11章：一维固体玩具模型

压缩性、声音与热膨胀的一维模型；一维单原子链的振动；一维双原子链的振动；紧束缚链（插曲与预告）。在三维几何登场之前，先在一维中讲清振动，并通过紧束缚初步了解能带的思想。

第四部分，第12–13章：固体的几何

晶体结构；倒格子、布里渊区与晶体中的波。

第五部分，第14章：中子与X射线衍射

晶体对波的散射。这一部分完全专讲作为探测晶体结构手段的散射。

第六部分，第15–18章：固体中的电子

周期势中的电子；绝缘体、半导体还是金属；半导体物理；半导体器件。

第七部分，第19–23章：磁性与平均场理论

原子磁性：顺磁与抗磁；磁有序；磁畴与磁滞；平均场理论；来自相互作用的磁性：哈伯德模型。

核心概念

第1–7章：早期模型与材料

• 比热模型：玻尔兹曼、爱因斯坦和德拜对固体热容的解释。
• 德鲁德理论与索末菲理论：金属的经典与量子自由电子模型。
• 化学键：把固体结合在一起的相互作用，以及由此产生的物质类型。

第8–14章：一维模型、几何与衍射

• 链的振动：晶格动力学的单原子与双原子一维模型。
• 紧束缚：耦合原子轨道构成的链，很早就作为能带的预告而引入。
• 倒格子与布里渊区：描述晶体中波的空间。
• 晶体对波的散射：中子与X射线衍射的原理。

第15–23章：电子与磁性

• 周期势中的电子：能带的背景设定。
• 绝缘体、半导体或金属：依能带填充情况加以区分。
• 平均场理论：对磁有序的近似处理。
• 哈伯德模型：用于描述来自相互作用的磁性的模型。

评析

优点

• 分阶段搭建的编排。 先是早期模型，然后是一维玩具模型，接着是三维几何、衍射和电子。关于紧束缚的“插曲与预告”一章表明作者有意在完整的三维处理之前引入能带的思想。
• 篇幅紧凑的广泛入门。 23章包括化学键与物质类型（第二部分）、独立成部的衍射、半导体与器件，以及以哈伯德模型结尾的五章磁性内容。
• 面向课程的附加材料。 附录A是带解答的模拟试卷，附录B列出该领域的其他好书，学生可以自测，也可以转向别的教材。讲义草稿同样附有带注释的推荐书目。

局限

• 并不全面。 目录中没有超导电性的章节，全书以磁性和哈伯德模型结束，需要更广覆盖的读者要用篇幅更长的教材。讲义草稿描述的教学大纲删去了点群对称性，并把超导电性列为不考内容。
• 牛津色彩浓厚的侧重。 作者在讲义中说，与大多数课程相比，牛津“极其偏重散射理论”，而本书也让衍射单独成部。教学大纲侧重不同的读者可能会觉得有些部分比重过大。
• 预备知识没有明确说明。 出版社的信息没有列出预备知识。第一部分的比热模型和电子气理论默认读者具备基本的量子力学和统计力学知识。

在课程中的定位

Simon 的书是篇幅紧凑、适合一个学期的讲解，在本课程书单中，它介于最浅显的入门书和标准的长篇教材之间。Hofmann 的 Solid State Physics: An Introduction 和 Hook 与 Hall 的 Solid State Physics 是写给初次接触该学科的学生的入门书；Hook 与 Hall 强调物理推理而不是形式化的工具，作者自己的讲义称它是学生往往最喜欢的一本。Kittel 的 Introduction to Solid State Physics 是久负盛名的教科书，从晶体结构和晶格振动一直讲到磁学、介电和超导性质，Ibach 与 Lüth 的 Solid-State Physics 则是一部侧重材料和实验技术的译著。

Simon 的书既可以作为一门紧凑课程的主教材，也可以放在 Kittel 或 Ibach 与 Lüth 之前阅读。Girvin 与 Yang 的 Modern Condensed Matter Physics 是研究生层次的后续读物，涉及拓扑相、量子霍尔效应以及 Simon 以哈伯德模型结束之后的其他现代主题。

如何使用本书

本书适合已经学过量子力学入门和基础统计力学的物理专业三年级学生。第三部分的一维模型、第四部分的倒格子和第六部分的能带图像构成了这门学科的核心。

一学期课程的合理安排是：读第1–4章了解背景和早期模型，如果熟悉化学就略读第5–7章，按顺序学完第8–14章，并把第15–18章作为电子部分的核心。第19–23章可以有选择地阅读。附录A的模拟试卷可以限时练习，若想更深入地学习某一部分，可以参考附录B的书单。