The Oxford Solid State Basics（牛津固態物理基礎）

引用

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

章節概要

全書共23章，分為七個部分，之後是兩個附錄：附有解答的模擬試卷，以及其他好書的清單。作者是牛津大學的凝態理論物理學家。他為牛津大學三年級固態物理課程撰寫的講義，其2012年的草稿由物理系網站提供，結構與本書非常相近。

第1章：關於凝態物理

一個簡短的開篇章節，談什麼是凝態物理，以及為什麼值得學習。

第一部分，第2–4章：不考慮微觀結構的固體：固態物理的早期

固體的比熱：波茲曼、愛因斯坦與德拜；金屬中的電子：德魯德理論；金屬中的電子（續）：索末菲（自由電子）理論。部分標題把這些模型看作該學科的早期階段：不考慮微觀結構而處理固體的模型。

第二部分，第5–7章：材料的結構

元素週期表；是什麼把固體結合在一起：化學鍵；物質的類型。這一部分提供了原子為何結合成固體的化學背景。

第三部分，第8–11章：一維固體玩具模型

壓縮性、聲音與熱膨脹的一維模型；一維單原子鏈的振動；一維雙原子鏈的振動；緊束縛鏈（插曲與預告）。在三維幾何登場之前，先在一維中講清振動，並透過緊束縛初步了解能帶的想法。

第四部分，第12–13章：固體的幾何

晶體結構；倒晶格、布里淵區與晶體中的波。

第五部分，第14章：中子與X射線繞射

晶體對波的散射。這一部分完全專談作為探測晶體結構手段的散射。

第六部分，第15–18章：固體中的電子

週期位能中的電子；絕緣體、半導體還是金屬；半導體物理；半導體元件。

第七部分，第19–23章：磁性與平均場理論

原子磁性：順磁與抗磁；磁有序；磁域與磁滯；平均場理論；來自交互作用的磁性：哈伯德模型。

核心概念

第1–7章：早期模型與材料

• 比熱模型：波茲曼、愛因斯坦和德拜對固體熱容的解釋。
• 德魯德理論與索末菲理論：金屬的古典與量子自由電子模型。
• 化學鍵：把固體結合在一起的交互作用，以及由此產生的物質類型。

第8–14章：一維模型、幾何與繞射

• 鏈的振動：晶格動力學的單原子與雙原子一維模型。
• 緊束縛：耦合原子軌域構成的鏈，很早就作為能帶的預告而引入。
• 倒晶格與布里淵區：描述晶體中波的空間。
• 晶體對波的散射：中子與X射線繞射的原理。

第15–23章：電子與磁性

• 週期位能中的電子：能帶的背景設定。
• 絕緣體、半導體或金屬：依能帶填充情況加以區分。
• 平均場理論：對磁有序的近似處理。
• 哈伯德模型：用於描述來自交互作用的磁性的模型。

評析

優點

• 分階段搭建的編排。 先是早期模型，然後是一維玩具模型，接著是三維幾何、繞射和電子。關於緊束縛的「插曲與預告」一章表明作者有意在完整的三維處理之前引入能帶的想法。
• 篇幅緊湊的廣泛入門。 23章包括化學鍵與物質類型（第二部分）、獨立成部的繞射、半導體與元件，以及以哈伯德模型結尾的五章磁性內容。
• 面向課程的附加材料。 附錄A是附解答的模擬試卷，附錄B列出該領域的其他好書，學生可以自我測驗，也可以轉向別的教材。講義草稿同樣附有加註的推薦書目。

局限

• 並不全面。 目錄中沒有超導電性的章節，全書以磁性和哈伯德模型結束，需要更廣涵蓋的讀者要用篇幅更長的教材。講義草稿描述的教學大綱刪去了點群對稱性，並把超導電性列為不考內容。
• 牛津色彩濃厚的側重。 作者在講義中說，與大多數課程相比，牛津「極其偏重散射理論」，而本書也讓繞射單獨成部。教學大綱側重不同的讀者可能會覺得有些部分比重過大。
• 預備知識沒有明確說明。 出版社的資訊沒有列出預備知識。第一部分的比熱模型和電子氣理論預設讀者具備基本的量子力學和統計力學知識。

在課程中的定位

Simon 的書是篇幅緊湊、適合一個學期的講解，在本課程書單中，它介於最淺顯的入門書和標準的長篇教材之間。Hofmann 的 Solid State Physics: An Introduction 和 Hook 與 Hall 的 Solid State Physics 是寫給初次接觸該學科的學生的入門書；Hook 與 Hall 強調物理推理而不是形式化的工具，作者自己的講義稱它是學生往往最喜歡的一本。Kittel 的 Introduction to Solid State Physics 是歷久不衰的教科書，從晶體結構和晶格振動一直談到磁學、介電和超導性質，Ibach 與 Lüth 的 Solid-State Physics 則是一部側重材料和實驗技術的譯著。

Simon 的書既可以作為一門緊湊課程的主教材，也可以放在 Kittel 或 Ibach 與 Lüth 之前閱讀。Girvin 與 Yang 的 Modern Condensed Matter Physics 是研究所層次的後續讀物，涉及拓樸相、量子霍爾效應以及 Simon 以哈伯德模型結束之後的其他現代主題。

如何使用本書

本書適合已經修過量子力學入門和基礎統計力學的物理系三年級學生。第三部分的一維模型、第四部分的倒晶格和第六部分的能帶圖像構成了這門學科的核心。

一學期課程的合理安排是：讀第1–4章了解背景和早期模型，如果熟悉化學就略讀第5–7章，依序學完第8–14章，並把第15–18章作為電子部分的核心。第19–23章可以有選擇地閱讀。附錄A的模擬試卷可以限時練習，若想更深入地學習某一部分，可以參考附錄B的書單。