分子物理學和量子化學基礎（第2版） [Molecular Physics and Elements of Quantum Chemistry Introduction to Experiments and Theory] 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

內容簡介

　　This textbook is intended for use by students of physics， physical chemistry， and theoretical chemistry. The reader is presumed to have a basic knowledge of atomic and quantum physics at the level provided， for example， by the first few chapters in our book The Physics of Atoms ant Quanta. The student of physics will find here material which should be included in the basic education of every physicist. This book should furthermore allow students to acquire an appreciation of the breadth and variety within the field of molecular physics and its future as a fascinating area of research.

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目錄

1 Introduction
2 Mechanical Properties of Molecules, Their Size and Mass
3 Molecules in Electric and Magnetic Fields
4 Introduction to the Theory of Chemical Bonding
5 Symmetries and Symmetry Operations: A First Overview
6 Symmetries and Symmetry Operations A Systematic Approaclt
7 The Multi-Electron Problem in Molecular Physics and Quantum Chemistry
8 Overview of Molecular Spectroscopy Techniques
9 Rotational Spectroscopy
10 Vibrational Spectroscopy
11 The Quantum-Mechanical Treatment of Rotational and Vibrational Spectra
12 Raman Spectra
13 Electronic States
14 The Electronic Spectra of Molecules
15 Further Remarks on the Techniques of Molecular Spectroscopy
16 The Interaction of Molecules with Light: Quantum-Mechanical Treatment
17 Theoretical Treatment of the Raman Effect and the Elements of Nonlinear Optics
18 Nuclear Magnetic Resonance
19 Electron Spin Resonance
20 Macromolecules, Biomolecules, and Supermolecules
21 Experiments on and with Single Molecules
22 Molecular Electronics and Other Applications

前言/序言

固體物理學導論：從晶格振動到電子結構 簡介 本書是一部麵嚮物理學、材料科學、化學及相關工程領域本科高年級學生和初級研究生的教材，旨在係統、深入地介紹固體物理學的核心概念、理論框架及其在現代科學中的應用。內容覆蓋瞭晶體結構、晶格動力學、能帶理論、半導體物理、磁性以及超導電性等關鍵領域。本書注重理論的嚴謹性與計算方法的實用性相結閤，力求為讀者構建一個紮實而全麵的固體物理學知識體係。 第一部分：晶體結構與晶格動力學 第一章：晶體的幾何描述與對稱性 本章從最基礎的晶體學概念入手，詳細闡述瞭晶體的周期性結構。首先定義瞭晶格、基矢、晶胞（原胞和單位晶胞）的概念，並引入布拉維格子（Bravais Lattices）的分類及其十四種類型。接著，深入探討瞭晶體中各種重要的晶麵指標體係，特彆是米勒指數（Miller Indices）的確定及其在描述晶麵特性中的重要作用。 幾何對稱性是固體物理學理論的基石之一。本章將全麵介紹晶體中可能存在的對稱操作，包括鏇轉軸、反射麵和反演中心。基於這些操作，係統地討論瞭點群和空間群的數學結構，強調瞭晶體對稱性在預測材料性質（如介電性、壓電性）中的決定性作用。此外，還介紹瞭倒易點陣（Reciprocal Lattice）的概念，及其在布洛赫定理和衍射實驗中的核心地位。 第二章：晶格振動與晶格熱力學 固體材料的微觀行為與其原子振動密切相關。本章聚焦於晶格動力學，將原子視為通過彈性鍵連接的諧振子。首先，我們分析一維晶格模型，推導其色散關係（Dispersion Relation），理解聲學支和光學支的存在及其物理意義。隨後，將模型擴展到三維晶格，引入元胞數$N$與自由度$3N$的概念，並詳細講解如何使用周期性邊界條件和波矢（$mathbf{q}$）來描述集體激發模式——聲子（Phonons）。 聲子是晶格振動的量子化描述，它們扮演著準粒子（Quasiparticle）的角色。本章詳細討論瞭聲子態的産生、聲子譜的測量方法（如中子散射）。理論應用方麵，著重分析瞭聲子在材料熱學性質中的貢獻。我們推導瞭晶格比熱容的理論模型，包括德拜模型（Debye Model）和愛因斯坦模型（Einstein Model），並比較兩者在低溫和高溫極限下的差異，揭示固體比熱容的$T^3$定律。此外，聲子的耗散過程——聲子-聲子散射，是理解熱導率和材料內耗的關鍵。 第二部分：電子的能帶理論 第三章：自由電子模型與能帶的形成 在引入周期性勢場之前，本章首先迴顧瞭經典自由電子氣體模型（德魯德模型）及其在解釋金屬電導率、熱容量和帕米定則方麵的成功與局限性。隨後，轉嚮量子力學描述，引入布洛赫定理（Bloch's Theorem），這是理解電子在周期性勢場中行為的根本工具。布洛赫函數的形式$psi_{mathbf{k}}(mathbf{r}) = e^{imathbf{k}cdotmathbf{r}} u_{mathbf{k}}(mathbf{r})$被詳細剖析，其中$u_{mathbf{k}}(mathbf{r})$具有晶格周期性。 布洛赫定理直接導緻瞭電子能帶結構的形成。本章利用此理論，結閤布裏淵區（Brillouin Zone）的概念，解釋瞭能帶（Energy Bands）和能隙（Energy Gaps）的起源。通過緊束縛近似（Tight-Binding Approximation）和幾乎自由電子近似（Nearly Free Electron Approximation）這兩種重要且互補的微擾理論方法，展示瞭如何計算特定晶體結構下的能帶結構，特彆是導帶和價帶的性質。 第四章：能帶結構與材料分類 基於能帶理論的預測，本章係統地對固體材料進行分類：導體、半導體和絕緣體。分類的標準在於費米能級（Fermi Level, $E_F$）在能帶結構中的位置。 對於半導體，我們將深入探討本徵半導體和摻雜半導體的特性。重點分析瞭電子和空穴的有效質量（Effective Mass, $m^$）概念，該概念來源於色散關係$omega(mathbf{k})$的麯率，並解釋瞭有效質量如何影響載流子的輸運性質。費米能級在禁帶中的位置，以及其對溫度的依賴性，是理解半導體導電性的關鍵。 對於導體（金屬），本章將分析費米麵（Fermi Surface）的幾何形狀，並解釋為何費米麵與宏觀電學性質（如霍爾效應、磁化率）直接相關。同時，引入瞭有效哈密頓量（Effective Hamiltonian）的概念，簡化瞭在能帶內部電子動力學的描述。 第三部分：電子輸運與材料特性 第五章：半導體器件物理基礎 本章將理論與應用相結閤，關注如何利用能帶理論來理解和設計半導體器件。核心內容包括：摻雜技術（N型與P型）、雜質能級的引入及其對費米能級的影響。 詳細分析瞭PN結的形成、內建電場和勢壘的形成過程。通過求解泊鬆方程和連續性方程，推導瞭PN結在無偏壓、正嚮偏壓和反嚮偏壓下的電流-電壓（I-V）特性麯綫，解釋瞭二極管的整流機製。此外，對PN結兩端的少數載流子注入和復閤過程進行瞭定量分析。 第六章：磁性材料 磁性是凝聚態物理中最具挑戰性但又引人入勝的領域之一。本章從微觀電子自鏇和軌道角動量齣發，介紹瞭磁性的基本來源。 首先，區分瞭順磁性（Paramagnetism）、抗磁性（Diamagnetism）和鐵磁性（Ferromagnetism）。順磁性通過朗之萬理論和居裏定律進行描述。隨後，深入探究鐵磁性的根源——交換相互作用（Exchange Interaction），這是一個純粹的量子力學效應，解釋瞭為什麼電子自鏇傾嚮於平行排列。引入瞭平均場理論（Mean-Field Theory）來描述鐵磁性的自發磁化現象和居裏溫度（$T_C$）。最後，簡要介紹瞭反鐵磁性和亞鐵磁性的特徵，以及磁疇結構對宏觀磁滯迴綫的影響。 第七章：超導電性 本章介紹瞭超導現象的基本特徵：零電阻和邁斯納效應（Meissner Effect）。重點分析瞭BCS理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer Theory），這是理解傳統超導體的核心。本章解釋瞭電子與聲子之間的微弱吸引如何導緻庫珀對（Cooper Pairs）的形成，以及庫珀對的玻色-愛因斯坦凝聚如何産生宏觀的量子相乾態。推導瞭超導體的能隙（Energy Gap）以及其與臨界溫度的關係。同時，討論瞭倫敦方程（London Equations）在描述超導體錶麵電流和邁斯納效應中的作用，為讀者理解II型超導體和磁通釘紮奠定基礎。 總結 本書通過邏輯清晰的結構和詳實的推導，將固體物理學的各個分支有機地串聯起來。從晶格的宏觀熱學性質到電子在周期勢場中的微觀量子行為，再到由此衍生的半導體、磁性和超導等前沿應用，力求使讀者不僅掌握計算工具，更能深刻理解這些現象背後的物理原理。全書配有大量的例題和習題，以鞏固理論知識，培養分析和解決實際問題的能力。