01 / 導讀
導讀
引用
Hofmann, P. (2022). Solid State Physics: An Introduction (3rd ed.). Wiley-VCH.
章節概要
第三版共十一章，另有兩個簡短的附錄，全書288頁。每章末尾都有延伸閱讀清單和「討論與習題」部分，目錄中後者又分為討論題、基本概念題和習題。附錄A彙集向量運算和麥克斯韋方程組，附錄B給出基本概念題的解答。
第1章：Crystal Structures（晶體結構）
開篇介紹格點、原胞、維格納–塞茨胞和基元，多用二維例子說明，隨後轉向常見的立方、密堆積和共價結構。第三部分較詳細地講解用X射線衍射測定結構：布拉格理論、米勒指數、一般衍射理論、倒格子和埃瓦爾德作圖，最後簡述其他方法和非彈性散射。
第2章：Bonding in Solids（固體中的鍵合）
先講吸引力與排斥力，再依次講離子鍵、共價鍵、金屬鍵、氫鍵和範德華鍵。本章約十四頁。
第3章：Mechanical Properties（力學性質）
本章區分彈性形變（先從宏觀角度講彈性常數和泊松比，再講微觀影像）、塑性形變（屈服應力的估算、點缺陷、位錯及其作用）和斷裂。
第4章：Thermal Properties of the Lattice（晶格的熱學性質）
晶格振動從簡諧振子出發，經由無限原子鏈和有限原子鏈、第一布里淵區和聲子，推廣到三維固體。隨後講晶格熱容（經典理論、愛因斯坦模型和德拜模型）、熱導率、熱膨脹，以及同素異形相變和熔化。
第5章：Electronic Properties of Metals: Classical Approach（金屬的電子性質：經典方法）
先陳述德魯德模型，並用它處理直流電導率、霍爾效應、金屬的光學反射率和維德曼–弗蘭茲定律，最後討論該模型的不足，由此引出量子處理。
第6章：Electronic Properties of Solids: Quantum Mechanical Approach（固體的電子性質：量子力學方法）
這是最長的一章（第99至144頁），從能帶的概念和自由電子模型講起，包括電子熱容和遮蔽。隨後展開電子態的一般形式（布洛赫定理）、近自由電子模型與能帶的形成、緊束縛模型、實際固體中的能帶和輸運，最後簡要回顧要點。
第7章：Semiconductors（半導體）
本徵半導體與摻雜半導體、載流子濃度及其隨溫度的變化、電導率，然後是器件：pn結、電晶體和光電子器件。
第8章：Magnetism（磁性）
在宏觀和量子力學的描述之後，本章討論原子和固體中的順磁性與抗磁性（居里順磁性和泡利順磁性），以及磁有序：交換相互作用、局域自旋、能帶影像、鐵磁疇和磁滯。
第9章：Dielectrics（電介質）
宏觀描述、微觀極化、局域場，以及介電常數的頻率依賴性（晶格振動與電子躍遷），隨後是雜質、鐵電性、壓電性和介電擊穿。
第10章：Superconductivity（超導電性）
零電阻、邁斯納效應和同位素效應作為實驗事實首先給出，接著是唯象理論和BCS理論、能隙的實驗探測、超導態的相干性、第一類和第二類超導體，以及高溫超導。
第11章：Finite Solids and Nanostructures（有限固體與奈米結構）
最後一章篇幅很短：量子限域、表面與介面，以及奈米尺度的磁性。
核心概念
第1–4章：結構、鍵合與晶格
- 布拉維格子、原胞與基元：目錄和第1章開頭把它們作為描述任何晶體的語言。
- 倒格子：在X射線衍射一節與埃瓦爾德作圖一同引入。
- 聲子與第一布里淵區：量子化的晶格振動，通過原子鏈逐步引出。
- 愛因斯坦模型與德拜模型：晶格熱容的兩種近似。
第5–7章：固體中的電子
- 德魯德模型：經典的傳導影像及書中指出的不足。
- 布洛赫定理與能帶：電子態的一般形式，近自由電子模型和緊束縛模型是通向能帶的兩條路徑。
- 摻雜與pn結：半導體器件的出發點。
第8–11章：集體現象與有限尺寸現象
- 交換相互作用與磁有序：磁性一章中鐵磁性的基礎。
- BCS理論與超導能隙：超導電性的微觀解釋。
- 量子限域：奈米結構一章的開篇主題。
評析
優點
- 篇幅緊湊，節奏適合初學者。 全書288頁，出版社介紹說每章從基本原理出發，逐步過渡到較高深的概念，並把數學形式壓縮到最低限度。第1章先在二維中引入格子，正是這樣做的。
- 電子部分先經典後量子。 德魯德模型（第5章）先於量子處理（第6章），讀者能看清為什麼要轉向能帶。
- 自帶自學材料。 出版社稱書中有100多道討論題、70道習題（其中包括訓練計算求解能力的題目），每章末還有選擇題，書中附有解答。目錄中每章的結構（討論、基本概念、習題）一目瞭然。
- 第三版的修訂。 出版社列出：對金屬鍵和共價鍵的描述更易理解，布洛赫定理的證明更直接，近自由電子模型的處理更簡單。
侷限
- 篇幅有意壓縮。 超導電性約佔28頁，奈米結構約十頁，這兩章只是概覽。目錄中沒有量子霍爾效應或拓撲相之類的內容；需要這些的讀者要另讀後續教材。
- 以量子力學入門課為前提。 前置要求和目錄中的自由電子、布洛赫與BCS內容表明，量子處理依賴此前的學習。
在課程中的定位
Hofmann是凝聚態物理書單中幾本入門教材之一。Hook與Hall的Solid State Physics同樣面向第一門課，屬於曼徹斯特物理叢書，篇幅更長，並有帶星號的選讀部分；Hofmann則更簡短、更模組化。Steven Simon的The Oxford Solid State Basics是一學期的緊湊入門書，先講歷史上的模型再講量子處理，與Hofmann的用途最接近。Kittel的Introduction to Solid State Physics是長期通行的參考書，內容相近但要求更高；Ibach與Lüth的Solid-State Physics增加了測量技術專欄，更偏材料。Girvin與Yang的Modern Condensed Matter Physics是研究生教材，講拓撲相、量子霍爾物理等，讀完本書後可以轉向它。
如何使用本書
本書適合物理、材料科學、工程或化學專業第一次接觸固體物理的學生，需要具備基礎物理、一門量子力學入門課、微積分和線性代數。
建議的讀法：以第1、4、5、6、7章為主線，從晶體結構經聲子讀到能帶理論和半導體。第1章初讀時，格子和常見結構比完整的衍射理論更重要，衍射部分可以在讀第4章時配合閱讀。第2、3章較短，可以快速讀過或當作背景；第6章之後，第8、9、10章可按任意順序閱讀；第11章是簡短的收尾概覽。讀電介質和超導電性兩章之前，附錄A可幫助回顧麥克斯韋方程組。
練習時，先做討論題檢驗理解，再做基本概念選擇題並對照附錄B核對，最後做習題，包括需要計算的那部分。