固体物理学

固体物理学是凝聚态物理学中最大的分支。它研究的对象是固体，特别是原子排列具有周期性结构的晶体。固体物理学的基本任务是从微观上解释固体材料的宏观物理性质，主要理论基础是非相对论性的量子力学，还会使用到电动力学、统计物理中的理论。主要方法是应用薛定谔方程来描述固体物质的电子态，并使用布洛赫波函数表达晶体周期性势场中的电子态。在此基础上，发展了固体的能带论，预言了半导体的存在，并且为晶体管的制造提供理论基础。固态材料由紧密堆积的原子所构成，原子之间有强烈的作用力。此作用力决定了固体的机械性质（如硬度及弹性）、热学、电学、磁学与光学等特性。根据组成物质及形成材料时的条件，材料内的原子可能会形成规则（晶体，包括金属 和冰）或是不规则（无定形体，像是一般常见的玻璃）的排列。作为一个一般性的理论，固体物理学的研究主要聚焦于晶体。这主要是因为晶体中原子的周期性有助于数学模型的建立。同样地，晶体材料往往有可以利用在工程学上的电机、磁学、光学或机械工程性质。晶体中微粒的作用力有多种形式。离子晶体中，阴阳离子以离子键结合。分子晶体中，参与成键的原子通过共用电子形成共价键结合。金属晶体中，电子离域，形成金属键。惰性气体不成键；固态时，将其聚集的力量来自于各个原子的电子云极化所造成的范德瓦耳斯力。不同种固体之间的差异，便是源于键结种类的不同。尽管固体的物理性质在数世纪以来一直是科学界中普遍的问题，以“固体物理学”为名的研究领域出现却迟至1940年代才出现，特别随着美国物理学会的固态物理部门（Division of Solid State Physics, DSSP）的建立而确定。固态物理部门满足了工业界中物理学家的需求，固体物理学也因此与固体相关实验在技术上的运用连结在一起。到了1960年代初期，固态物理部门已成为美国物理学会中最大的部门。二战后，欧洲也出现了大型的固体物理学家社群，特别是在英国、德国及苏联。在美国及欧洲，固态物理因在半导体、超导现象、核磁共振等现象上的研究而成为重要的研究领域。冷战早期，固态物理的研究对象往往不仅止于固体，为1970年代至1980年代凝聚态物理学的发展奠基。凝聚态物理学主要由研究固体、液体、等离子体及其他复合物的常用技巧组成。目前，固体物理学通常被认为是凝聚态物理学的分支，专注于具固定晶格的固体的性质。许多材料的特性取决于其晶体结构。有许多晶体学上的技巧可以用来研究晶体结构，如X射线晶体学、中子衍射技术及电子衍射。晶状固态材料中的个别晶体大小会因组成材料及初始的形成条件而有所不同。日常生活中会接触的大多数晶状材料都是多晶体，其中的个别晶体大小约在微观尺度，但是巨观大小的单晶亦可在天然（如钻石）或人工过程中产生。实际的晶体中存在晶体缺陷或不同于理想结构的不规则排列，这些缺陷对实际材料的许多电学及力学上的特性有关键的影响。固态物理探讨材料的诸多性质，如电阻率及热容量。德鲁德模型是一个早期的导电模型，此模型将分子运动论套用到固体中的电子。透过假设材料中带有不能移动的正离子、及一团由经典物理中不产生相互作用的电子所构成的“电子云”，德鲁德模型得以解释电导率和热导率，以及金属的霍尔效应，虽然电子热容被大大地高估了。阿诺·索末菲在自由电子模型（又名德鲁德-索末菲模型）中将经典的德鲁德模型与量子力学结合。此模型中，电子被假想为费米气体，该气体中的组成粒子遵守量子力学的费米-狄拉克统计。自由电子模型对金属的热容量的预测更为精准，但却无法解释绝缘体为何存在。近自由电子近似为自由电子模型的修正版，其借由周期性的摄动模拟导电电子及晶体中的离子之间的相互作用。 借由导入能带结构的概念，此理论成功解释了导体、半导体及绝缘体的存在。近自由电子近似将势能具周期性时的薛定谔方程改写，在此条件下的波函数解称为布洛赫波。由于布洛赫的理论只适用于周期性势能，且晶体中的原子会不停地随机移动，打乱周期性，此理论只能算是一个近似。尽管如此，此近似仍极具价值：没有此近似的话，大多数的固态物理分析会变得将当棘手，势能与其周期性之间的误差则以摄动理论处理。