固體物理學

固體物理學是研究固體的性質(zhì)、它的微觀結構及其各種內(nèi)部運動，以及這種微觀結構和內(nèi)部運動同固體的宏觀性質(zhì)的關系的學科。固體的內(nèi)部結構和運動形式很復雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內(nèi)部結構簡單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內(nèi)部結構、內(nèi)部運動以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學。
固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學和量子電動力學的規(guī)律。在晶體中，原子(離子、分子)有規(guī)則地排列，形成點陣。20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發(fā)展了 X射線衍射法，用以研究晶體點陣結構。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射法，使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。
在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究，高質(zhì)量的半導體單晶生長和摻雜技術，為晶體管的產(chǎn)生準備了理論基礎。
電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質(zhì)，晶體的許多性質(zhì)(如力學性質(zhì)、光學性質(zhì)、電磁性質(zhì)等)常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內(nèi)部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)。
晶體的許多性質(zhì)都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內(nèi)部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。
晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最低的形式；當晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變，相變會導致晶體物理性質(zhì)的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。
點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內(nèi)部的點陣結構總會有缺陷：化學成分不會絕對純，內(nèi)部會含有雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)對固體的物理性質(zhì)(包括力學、電學、碰學、發(fā)光學等)以及功能材料的技術性能，常常會產(chǎn)生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質(zhì)和缺陷是很重要的晶體的表面性質(zhì)和界面性質(zhì)，會對許多物理過程和化學過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域。
非晶態(tài)固體內(nèi)部結構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質(zhì)，使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域。