固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，及其相互關(guān)系的科學(xué)。它是物理學(xué)中內(nèi)容極豐富、應(yīng)用極廣泛的分支學(xué)科。

　　固體通常指在承受切應(yīng)力時(shí)具有一定程度剛性的物質(zhì)，包括晶體和非晶態(tài)固體。簡(jiǎn)單地說(shuō)，固體物理學(xué)的基本問(wèn)題有：固體是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結(jié)合的？這種結(jié)構(gòu)是如何形成的？在特定的固體中，電子和原子取什么樣的具體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)？它的宏觀性質(zhì)和內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng)形態(tài)有什么聯(lián)系？各種固體有哪些可能的應(yīng)用？探索設(shè)計(jì)和制備新的固體，研究其特性，開(kāi)發(fā)其應(yīng)用。

　　在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀(jì)，阿維對(duì)晶體外部的幾何規(guī)則性就有一定的認(rèn)識(shí)。后來(lái)，布喇格在1850年導(dǎo)出14種點(diǎn)陣。費(fèi)奧多羅夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶體對(duì)稱性的群理論。這為固體的理論發(fā)展找到了基本的數(shù)學(xué)工具，影響深遠(yuǎn)。

　　1912年勞厄等發(fā)現(xiàn) X射線通過(guò)晶體的衍射現(xiàn)象，證實(shí)了晶體內(nèi)部原子周期性排列的結(jié)構(gòu)。加上后來(lái)布喇格父子1913年的工作，建立了晶體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。對(duì)于磁有序結(jié)構(gòu)的晶體，增加了自旋磁矩有序排列的對(duì)稱性，直到20世紀(jì)50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對(duì)稱群理論。

　　第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展的中子衍射技術(shù)，是磁性晶體結(jié)構(gòu)分析的重要手段。70年代出現(xiàn)了高分辨電子顯微鏡點(diǎn)陣成像技術(shù)，在于晶體結(jié)構(gòu)的觀察方面有所進(jìn)步。60年代起，人們開(kāi)始研究在超高真空條件下晶體解理后表面的原子結(jié)構(gòu)。20年代末發(fā)現(xiàn)的低能電子衍射技術(shù)在60年代經(jīng)過(guò)改善，成為研究晶體表面的有力工具。近年來(lái)發(fā)展的掃描隧道顯微鏡，可以相當(dāng)高的分辨率探測(cè)表面的原子結(jié)構(gòu)。

　　晶體的結(jié)構(gòu)以及它的物理、化學(xué)性質(zhì)同晶體結(jié)合的基本形式有密切關(guān)系。通常晶體結(jié)合的基本形式可分成：高子鍵合、金屬鍵合、共價(jià)鍵合、分子鍵合(范德瓦耳斯鍵合)和氫鍵合。根據(jù) X射線衍射強(qiáng)度分析和晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)，或者依據(jù)晶體價(jià)電子的局域密度分布的自洽理論計(jì)算，人們可以準(zhǔn)確地判定該晶體具有何種鍵合形式。

　　固體中電子的狀態(tài)和行為是了解固體的物理、化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。維德曼和夫蘭茲于1853年由實(shí)驗(yàn)確定了金屬導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)定律；洛倫茲在1905年建立了自由電子的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，能夠解釋上述經(jīng)驗(yàn)定律，但無(wú)法說(shuō)明常溫下金屬電子氣對(duì)比熱容貢獻(xiàn)甚小的原因；泡利在1927年首先用量子統(tǒng)計(jì)成功地計(jì)算了自由電子氣的順磁性，索末菲在1928年用量子統(tǒng)計(jì)求得電子氣的比熱容和輸運(yùn)現(xiàn)象，解決了經(jīng)典理論的困難。

　　布洛赫和布里淵分別從不同角度研究了周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)，為固體電子的能帶理論奠定了基礎(chǔ)。電子的本征能量，是在一定能量范圍內(nèi)準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的能帶。相鄰兩個(gè)能帶之間的能量范圍是完整晶體中電子不許可具有的能量，稱為禁帶。利用能帶的特征以及泡利不相容原理，威耳遜在1931年提出金屬和絕緣體相區(qū)別的能帶模型，并預(yù)言介于兩者之間存在半導(dǎo)體，為爾后的半導(dǎo)體的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

　　貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家對(duì)晶體的能帶進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)研究，同時(shí)掌握了高質(zhì)量半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)和摻雜技術(shù)，導(dǎo)致巴丁、布喇頓以及肖克萊于1947～1948年發(fā)明晶體管。

　　固體中每立方厘米內(nèi)有10²²個(gè)粒子，它們*電磁互作用聯(lián)系起來(lái)。因此，固體物理學(xué)所面對(duì)的實(shí)際上是多體問(wèn)題。在固體中，粒子之間種種各具特點(diǎn)的耦合方式，導(dǎo)致粒子具有特定的集體運(yùn)動(dòng)形式和個(gè)體運(yùn)動(dòng)形式，造成不同的固體有千差萬(wàn)別的物理性質(zhì)。

　　漢密爾頓在1839年討論了排成陣列的質(zhì)點(diǎn)系的微振動(dòng)；1907年，愛(ài)因斯坦首先用量子論處理固體中原子的振動(dòng)。他的模型很簡(jiǎn)單，各個(gè)原子獨(dú)立地作同一頻率的振動(dòng)；德拜在1912年采用連續(xù)介質(zhì)模型重新討論了這問(wèn)題，得到固體低溫比熱容的正確的溫度關(guān)系；玻恩和卡門(mén)同時(shí)開(kāi)始建立點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，在原子間的力是簡(jiǎn)諧力的情況下，晶體原子振動(dòng)形成各種模式的點(diǎn)陣波，這種波的能量量子稱為聲子。它對(duì)固體的比熱容、熱導(dǎo)、電導(dǎo)、光學(xué)性質(zhì)等都起重要作用。

　　派尼斯和玻姆在1953年提出：由于庫(kù)侖作用的長(zhǎng)程性質(zhì)，固體中電子氣的密度起伏形成縱向振蕩，稱為等離子體振蕩。這種振蕩的能量量子稱為等離激元。實(shí)驗(yàn)證明，電子束通過(guò)金屬薄膜的能量損耗來(lái)源于激發(fā)電子氣的等離激元�？紤]到電子間的互作用，能帶理論的單電子狀態(tài)變成準(zhǔn)電子狀態(tài)，但準(zhǔn)電子的有效質(zhì)量包含了多粒子相互作用的效應(yīng)。同樣，空穴也變成準(zhǔn)粒子。在半導(dǎo)體中電子和空穴之間有屏蔽的庫(kù)侖吸引作用，它們結(jié)合成激子，這是一種復(fù)合的準(zhǔn)粒子。

　　在很低的溫度，由于熱擾動(dòng)強(qiáng)度降低，在某些固體中出現(xiàn)宏觀量子現(xiàn)象。其中最重要的是開(kāi)默林-昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)金屬汞在4.2K具有超導(dǎo)電性現(xiàn)象，邁斯納和奧克森菲爾德在1933年又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全的抗磁性。以這些現(xiàn)象為基礎(chǔ)，30年代人們建立了超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的理論。

　　后來(lái)，倫敦在1946年敏銳地提出超導(dǎo)電性是宏觀的量子現(xiàn)象，并預(yù)言磁通是量子化的。1961年果真在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了磁通量子，實(shí)驗(yàn)值為倫敦預(yù)計(jì)值的一半，正好驗(yàn)證了庫(kù)珀提出的電子配對(duì)的概念。弗羅利希在1950年提出超導(dǎo)電性來(lái)源于金屬中電子和點(diǎn)陣波的耦合，并預(yù)言存在同位素效應(yīng)，同年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　1957年巴丁、庫(kù)珀和施里弗成功地提出超導(dǎo)微觀理論，即有名的BCS理論。50年代蘇聯(lián)學(xué)者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立并論證了超導(dǎo)態(tài)宏觀波函數(shù)應(yīng)滿足的方程組，并由此導(dǎo)出第二類超導(dǎo)體的基本特性。繼江崎玲於奈在1957年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)之后，加埃沃于1960年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)，由此效應(yīng)可求得超導(dǎo)體的重要的信息。不久，約瑟夫森在1962年預(yù)言了庫(kù)珀對(duì)也有隧道效應(yīng)，幾個(gè)月之后果然實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。從此開(kāi)拓了超導(dǎo)宏觀量子干涉現(xiàn)象及其應(yīng)用的新領(lǐng)域。

　　固體磁性是一個(gè)有很久歷史的研究領(lǐng)域�？勾判允俏镔|(zhì)的通性，來(lái)源于在磁場(chǎng)中電子的軌道運(yùn)動(dòng)的變化。從20世紀(jì)初至30年代，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者努力建立了抗磁性的基本理論。范扶累克在1932年證明在某些抗磁分子中會(huì)出現(xiàn)順磁性；朗道在1930年證明導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的非局域的軌道運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生抗磁性，這是量子的效應(yīng)；居里在1895年測(cè)定了順磁體磁化率的溫度關(guān)系，朗之萬(wàn)在1905年給出順磁性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致順磁鹽絕熱去磁致冷技術(shù)出現(xiàn)，電子順磁共振技術(shù)和微波激射放大器的發(fā)明，以及固體波譜學(xué)的建立。

　　在固體物理學(xué)中相變占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶體生長(zhǎng)、蒸發(fā)、相干衡、相變動(dòng)力學(xué)、臨界現(xiàn)象等，19世紀(jì)吉布斯研究了相平衡的熱力學(xué)。后來(lái)厄任費(fèi)斯脫在1933年對(duì)各種相變作了分類。60年代以后，人們對(duì)發(fā)生相變點(diǎn)的臨界現(xiàn)象做了大量研究，總結(jié)出標(biāo)度律和普適性�？ㄟ_(dá)諾夫在1966年指出在臨界點(diǎn)粒子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)起重要作用。威耳遜在1971年采用量子場(chǎng)論中重正化群方法，論證了臨界現(xiàn)象的標(biāo)度律和普適性，并計(jì)算了臨界指數(shù)，取得成功。

　　晶體或多或少都存在各種雜質(zhì)和缺陷，它們對(duì)固體的物性，以及功能材料的技術(shù)性能都起重要的作用。半導(dǎo)體的電學(xué)、發(fā)光學(xué)等性質(zhì)依賴于其中的雜質(zhì)和缺陷；大規(guī)模集成電路的工藝中控制和利用雜質(zhì)及缺陷是極為重要的。貝特在1929年用群論方法分析晶體中雜質(zhì)離子的電子能級(jí)的分裂，開(kāi)辟了晶體場(chǎng)的新領(lǐng)域。數(shù)十年來(lái)在這領(lǐng)域積累了大量的研究成果，為順磁共振技術(shù)、微波激射放大器、固體激光器的出現(xiàn)準(zhǔn)備了基礎(chǔ)。

　　硬鐵磁體、硬超導(dǎo)體、高強(qiáng)度金屬等材料的功能雖然很不同，但其技術(shù)性能之所以強(qiáng)或硬，卻都依賴于材料中一種缺陷的運(yùn)動(dòng)。在硬鐵磁體中這缺陷是磁疇壁，在超導(dǎo)體中它是量子磁通線，在高強(qiáng)度金屬中它是位錯(cuò)線，采取適當(dāng)工藝使這些缺陷在材料的微結(jié)構(gòu)上被釘住不動(dòng)，有益于提高其技術(shù)性能。

　　高分辨電子顯微術(shù)正促使人們?cè)诟�深的層次上�?lái)研究雜質(zhì)、缺陷和它們的復(fù)合物。電子順磁共振、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子堙沒(méi)技術(shù)等已成為研究雜質(zhì)和缺陷的有力手段。在理論上借助于拓?fù)鋵W(xué)和非線性方程的解，正為缺陷的研究開(kāi)辟新的方向。

　　從60年代起，人們開(kāi)始在超高真空條件下研究晶體表面的本征特性，以及吸附過(guò)程等通過(guò)粒子束(光束、電子束、高子束或原子束)和外場(chǎng)(溫度、電場(chǎng)或磁場(chǎng))與表面的相互作用，獲得有關(guān)表面的原子結(jié)構(gòu)、吸附物特征、表面電子態(tài)以及表面元激發(fā)等信息，加上表面的理論研究，形成表面物理學(xué)。

　　同體內(nèi)相比，晶體表面具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)。這是由于表面原子所處的環(huán)境同體內(nèi)原子不一樣，在表面幾個(gè)原子層的范圍，表面的組分和原子排列形成的二維結(jié)構(gòu)都同體內(nèi)與之平行的晶面不一樣的緣故。表面微觀粒子所處的勢(shì)場(chǎng)同體內(nèi)不一樣，因而形成獨(dú)具特征的表面粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，限制粒子只能在表面層內(nèi)運(yùn)動(dòng)并具有相應(yīng)的本征能量，它們的行為對(duì)表面的物理、化學(xué)性質(zhì)起重要作用。

　　非晶態(tài)固體的物理性質(zhì)同晶體有很大差別，這同它們的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)以及各種微觀過(guò)程有密切聯(lián)系。從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，非晶態(tài)固體有兩類。一類是成分無(wú)序，在具有周期性的點(diǎn)陣位置上隨機(jī)分布著不同的原子或者不同的磁矩；另一類是結(jié)構(gòu)無(wú)序，表征長(zhǎng)程序的周期性完全破壞，點(diǎn)陣失去意義。但近鄰原子有一定的配位關(guān)系，類似于晶體的情形，因而仍然有確定的短程序。

　　例如，金屬玻璃是無(wú)規(guī)密積結(jié)構(gòu)，而非晶硅是四面體鍵組成的無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)。20年代發(fā)現(xiàn)，并在70年代得到發(fā)展的擴(kuò)展 X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜技術(shù)，成為研究非晶態(tài)固體原子結(jié)構(gòu)的重要手段。

　　無(wú)序體系的電子態(tài)具有其獨(dú)特的性質(zhì)，安德森在他的富有開(kāi)創(chuàng)性的工作中，探討了無(wú)序體系中電子態(tài)局域化的條件，10年之后，莫脫在此基礎(chǔ)上建立了非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型，提出遷移率邊的概念。

　　在無(wú)序體系中，電子態(tài)有局域態(tài)和擴(kuò)展態(tài)之分。在局域態(tài)中的電子只有在聲子的合作下才能參加導(dǎo)電，這使得非晶態(tài)半導(dǎo)體的輸運(yùn)性質(zhì)具有新穎的特點(diǎn)。1974年人們掌握了在非晶硅中摻雜的技術(shù)，現(xiàn)在非晶硅已成為制備高效率太陽(yáng)能電池的重要材料。

　　非晶態(tài)合金具有特殊的物理性質(zhì)。例如，它們的電阻率較大而其溫度系數(shù)小。有的材料有很大的拉伸強(qiáng)度，有的具有優(yōu)異的抗腐蝕性，可與不銹鋼相比。非晶態(tài)磁性合金具有隨機(jī)變化的交換作用，可導(dǎo)致居里溫度的改變(大多數(shù)材料居里溫度變低)，同時(shí)在無(wú)序體系中，缺陷失去原有的意義。因而非晶態(tài)磁性固體可以在較低的外磁場(chǎng)下達(dá)到飽和，磁損耗減小。所以，非晶態(tài)合金具有多方面用途。

　　無(wú)序體系是一個(gè)復(fù)雜的新領(lǐng)域，非晶態(tài)固體實(shí)際上是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。目前對(duì)許多基本問(wèn)題還存在著爭(zhēng)論，有待進(jìn)一步的探索和研究。

　　新的實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)日新月異，為固體物理不斷開(kāi)拓出新的研究領(lǐng)域。極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件、超高真空技術(shù)、表面能譜術(shù)、材料制備的新技術(shù)、同步輻射技術(shù)、核物理技術(shù)、激光技術(shù)、光散射效應(yīng)、各種粒子束技術(shù)、電子顯微術(shù)、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒(méi)技術(shù)、磁共振技術(shù)等現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，使固體物理性質(zhì)的研究不斷向深度和廣度發(fā)展。

　　由于固體物理本身是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)，也由于固體物理學(xué)科內(nèi)在的因素，固體物理的研究論文已占物理學(xué)中研究論文三分之一以上。同時(shí)，固體物理學(xué)的成就和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)化學(xué)物理、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地學(xué)等的影響日益增長(zhǎng)，正在形成新的交*領(lǐng)域。