固體物理學是凝聚態(tài)物理學的最大分支。它的研究對象是固體，特別是具有原子排列的周期性結構的晶體。固體物理學的基本任務是從微觀層面解釋固體材料的宏觀物理性質。主要理論基礎是非相對論量子力學，還使用了電動力學和統(tǒng)計物理學的理論。主要方法是應用薛定諤方程描述固體材料的電子態(tài)，并使用布洛赫波函數(shù)表達晶體周期性勢場中的電子態(tài)。在此基礎上，他發(fā)展了固體能帶理論，預言了半導體的存在，為晶體管的制造提供了理論基礎。
背景
固體材料由緊密堆積的原子組成，原子之間存在很強的作用力。這種力決定了固體的機械性能（如硬度和彈性）、熱性能、電性能、磁性能和光學性能。根據(jù)物質和材料形成的條件，材料中的原子可以形成規(guī)則（晶體，包括金屬和冰）或不規(guī)則（非晶體網校頭條，例如普通玻璃）排列。
作為一般理論，固體物理的研究主要集中在晶體上。這主要是因為晶體中原子的周期性有利于數(shù)學模型的建立。同樣，晶體材料通常具有可在工程中利用的電、磁、光學或機械工程特性。
作用在晶體中粒子上的力可以有多種形式。在離子晶體中，陰離子和陽離子通過離子鍵結合。在分子晶體中，參與成鍵的原子通過共享電子形成共價鍵。在金屬晶體中，電子離域形成金屬鍵。稀有氣體不形成鍵；在固態(tài)下，將它們結合在一起的力來自單個原子電子云極化引起的范德華力。不同固體之間的差異是由于鍵的類型不同造成的。 1
歷史
盡管固體的物理性質幾個世紀以來一直是科學界的一個常見問題，但直到 20 世紀 40 年代，“固體物理學”這一名稱下的研究領域才出現(xiàn)，特別是美國物理學會固體物理分會（固態(tài)半導體公司 DSSP）成立。固體物理系服務于工業(yè)物理學家的需求，固體物理因此與固體相關實驗的技術應用聯(lián)系在一起。到 20 世紀 60 年代初，固體物理分會已成為美國物理學會最大的分會。
第二次世界大戰(zhàn)后，歐洲，特別是英國、德國和蘇聯(lián)也出現(xiàn)了一個龐大的固態(tài)物理學家群體。在美國和歐洲，固體物理由于對半導體、超導現(xiàn)象、核磁共振等現(xiàn)象的研究而成為重要的研究領域。冷戰(zhàn)初期，固體物理的研究對象往往不局限于固體，為20世紀70年代至80年代凝聚態(tài)物理的發(fā)展奠定了基礎。凝聚態(tài)物理主要由研究固體、液體、等離子體和其他復合物的常用技術組成。目前，固態(tài)物理學通常被認為是凝聚態(tài)物理學的一個分支，重點研究具有固定晶格的固體的性質。 1
晶體結構和性質
許多材料的特性取決于它們的晶體結構。有許多晶體學技術可用于研究晶體結構，例如 X 射線晶體學、中子衍射技術和電子衍射。
結晶固體材料中單個晶體的尺寸將根據(jù)構成材料和初始形成條件而變化。我們在日常生活中接觸到的大多數(shù)晶體材料都是多晶的，其中單個晶體的尺寸大約是微觀的，但宏觀尺寸的單晶也可以自然產生（例如鉆石）或通過人工過程產生。
實際晶體中存在與理想結構不同的晶體缺陷或不規(guī)則排列。這些缺陷對實際材料的許多電氣和機械性能具有至關重要的影響。 1
電子特性
固態(tài)物理學探索材料的許多特性，例如電阻率和熱容。德魯?shù)履Ｐ褪且环N早期的電導率模型我國固體物理學家，它將分子動力學理論應用于固體中的電子。通過假設材料包含固定的正離子和由經典物理學中不相互作用的電子組成的“電子云”，德魯?shù)履Ｐ涂梢越忉岆妼屎蜔釋剩约敖饘俚奶匦浴；魻栃M管電子熱容量被大大高估了。
阿諾德·索末菲將經典德魯?shù)履Ｐ团c自由電子模型中的量子力學相結合（也稱為德魯?shù)?索末菲模型）。在該模型中，電子被假設為費米氣體，其組成粒子服從量子力學的費米-狄拉克統(tǒng)計。自由電子模型可以更準確地預測金屬的熱容我國固體物理學家，但它無法解釋絕緣體存在的原因。
近自由電子近似是自由電子模型的修改版本，它通過周期性擾動模擬晶體中導電電子和離子之間的相互作用。該理論通過引入能帶結構的概念，成功地解釋了導體、半導體和絕緣體的存在。
當勢能具有周期性時，近自由電子近似重寫了薛定諤方程。這種條件下的波函數(shù)解稱為布洛赫波。由于布洛赫的理論只適用于周期性勢能，而晶體中的原子會不斷地隨機運動，破壞周期性，所以這個理論只能被視為一種近似。盡管如此，這種近似非常有價值：沒有它，大多數(shù)固態(tài)物理分析將變得棘手，勢能與其周期性之間的誤差將通過微擾理論來處理。 2
看
凝聚態(tài)物理
堅硬的
水晶
本條目的貢獻者是：
張雷 - 副教授 - 西南大學
