荐书 | 一本书解决固体物理初学者的三大困惑

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推荐人/  朱邦芬

本书的三个特点——内容较新，结构整体统一，论述重物理轻数学，都有助于减轻一部分初学固体物理的学生的困惑。

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书名:基泰尔固体物理学（英文影印版·全球版）

作者:[美] 查尔斯·基泰尔（Charles Kittel）

出版社: 机械工业出版社

ISBN:9787111653660

本书是去世不久的美国加州大学Berkeley分校基泰尔教授Charles Kittel（1916.5.18-2019.3.15）所著的Introduction to Solid State Physics（《固体物理学导论》）一书第8版的全球版（Global Edition）。《固体物理学导论》第8版的全球版与非全球版，主要区别有：一是个别章节改变了次序，二是增加了一些习题。当然，最重要的差别是全球版不能在美国销售。

大学物理系本科学生通常在学完“四大力学”以后开始学习固体物理学。电子、材料、力学等理工科专业的部分本科生和低年级研究生也需学习固体物理学。许多学生在接触固体物理学后经常会感到：固体物理怎么这样“脏”？不同于“干净”的四大力学，固体物理一般更接近真实生活中的物理，往往涉及众多因素，要做许多近似后才得到结果；而初学者通常很难把握，哪些因素必须考虑而哪些因素可以忽略？学生学习中的第二个困惑是，固体物理学怎么包含这么多看起来很不相关的分支学科？从所研究的材料看，有半导体、金属、超导体、电介质、表面、异质结构、纳米微结构、软物质等；从所研究的物理性质看，分为电学、磁学、光学、热学、结构等，其中每种物理性质的研究又可以进一步细分；从研究手段看，有理论、第一原理计算、实验研究、应用、新技术开发等，而实验涉及仪器设备又成百上千。相当一些研究人员，多年来固守在自己熟悉的一个分支领域，对其他领域感到很生疏，更不用说初学的学生。第三个困难点是固体物理发展的日新月异。由于它是当前物理学最大的一个分支领域，由于它与绝大多数高新技术的应用密切相关，半个多世纪以来所发现的新物理现象、提出的新概念和开创的新应用领域层出不穷，丰富多彩，常使人有眼花缭乱、跟不上发展步伐的感觉。这三个难点使得固体物理成为大学物理系本科学生觉得最难学好的一门课，也是教师不容易教好的课程之一。我2000年起在清华讲授这门课已逾20载，虽有一些心得，但总感觉不尽如人意，大有改进和更新的空间。

Kittel教授所著的《固体物理学导论》，作为一本面向大学物理及相关学科的高年级本科生和低年级研究生的讲授固体物理学基本概念的教材，是全球同类教材中使用最广泛、持续时间最长、最受读者欢迎的标准教材。尽管它并非完美无缺，但这么多年被全世界最多师生选作教材，是因为这本书在某种程度上解决了上述三个困惑。我选择这本书，连同黄昆先生原著、韩汝琪教授改编的《固体物理学》作为所授课程的基本教材，主要的考虑也在于此。

首先，这本书最突出的一个特点是，教材内容始终随学科发展而更新。《固体物理学导论》初版于1953年。60多年中，固体物理学/凝聚态物理学（本书认为两者基本等同）发展非常快: 不仅以单电子态为基础的能带理论趋于完善，而且以第一原理密度泛函为基础的计算物理成长为与实验物理、理论物理并行的一个分支，非晶和准晶、低维系统、纳米结构、多体强关联系统、拓扑电子态、软凝聚态物理和生物物理等众多新研究领域不断涌现，而且凝聚态物理研究、微电子/光电子器件研制、与新材料制备三者结合，新的研究前沿层出不穷。针对这样一个快速发展的学科，本书分别于1956年、1966年、1971年、1976年、1986年、1996年、2005年推出新的版本，一共出了8版，大致10年大改一次，做重要的增补和修正。以我经常参阅的第5版、第7版和第8版为例。第5版（1976年出版）补充了派尔斯失稳性、电子空穴液滴、磁泡、太阳能电池、温差电效应等内容，这些都是1970年代固体物理学界关注的热点领域。1986-1996年十年之间，凝聚态物理最重要的进展包括高温超导材料、扫描隧道显微镜（STM）、光纤光学、半导体超晶格、纳米结构、发光二极管（LED）、Bloch振荡和Wannier能级、Zener隧穿等等，这些进展在1996年出版的第7版中呈现出来。第8版出版于2005年，当时Kittel教授已近9旬高龄，为了更好地反映纳米结构（即系统至少一个维度在纳米尺度）的物理在过去10年的进展，他特邀P. L. McEuen教授为本书撰写了第18章纳米结构。这样，与许多其他优秀的教材不同，本书在教授学科最基本的知识的同时，及时增添最新的重要进展，始终与学科发展同步；另一方面，考虑到课程容量，本书是既做加法又做减法，保持篇幅基本不变，保证了教材内容的紧致性和可读性。这是本书长盛不衰、成为经典教材的一个根本原因。

其次，固体物理/凝聚态物理的研究对象、研究方法、实验手段极其丰富多彩，由此开拓的应用领域层出不穷。一本好的教材，应该兼顾学科的整体性和分支学科的多样性，即纲举目张，成为在基本理论框架下，包含若干代表性分支学科的统一整体。为此目的，构成固体物理学科基础的理论部分至少应该清晰，而专题的选择要兼具典型性、重要性和举一反三的借鉴作用。通常，固体物理教材选择的主要专题有半导体电子论、超导电子论、磁学性质；此外还可以有金属电子论、介电和铁电性质、光学过程、表面与界面、低维系统、非晶材料、缺陷与位错，等等。作为一本固体物理导论性质的教科书，本书的结构更注重固体物理学科的整体性，淡化基本理论与专题之间的划分。作者先介绍最基本的固体物理理论基础，如晶体结构的描述、原子间的键合、晶格振动的描述、自由电子费米气、周期结构中传播的波及单电子能带论等，其处理以简明扼要而突显。本书中，半导体电子论（包括在外场下的电子的运动方程，但不含PN结、异质结等）紧接在能带论后，然后依次是金属电子论（包含几种能带计算方法介绍）、超导电性。所有这些内容(包括部分磁性)都力求避免过多细节，计划在一学期中学完。这样的安排别具匠心，使得学生即使只选学一个学期固体物理课，也可大致了解学科的全貌。对于电子-电子间的相互作用、元激发和准粒子、维度、有序度等较为深入的理论课题，以及介电和铁电性质、光学过程、表面与界面、低维系统、非晶材料、缺陷与位错等专题，其中还涉及大量的应用，本书安排在第二学期学习。这样的整体性安排，也是这本导论成为大量采用的教材的原因之一。

第三，固体物理接近真实生活中的物理，涉及众多因素，严格解几无可能。一流固体物理学家和二三流固体物理学家的差别在于：是否抓住了最主要的物理？是否在主要因素的基础上再依次考虑二等重要、三等重要的物理因素的扰动？本书一个鲜明特点是，重物理图像，不重理论推导，因此对固体中许多物理过程的影响因素交代得比较清楚。要讲清楚物理，作者本人的研究经验对于教材内容的取舍和阐述是有益的。本书作者在固体磁性和半导体物理性质领域的研究取得过重要成果，这使得本书在这两个专题的阐述很到位。而作者本人没有研究过纳米电子系统，为此特邀P. L. McEuen教授撰写这一章，我以为这是作者高明之处。

《固体物理学导论》这本书并非完美无缺。我认为它的一个明显缺点是：选择讲授的固体物理的知识点(包括性质、过程、应用)偏多。然而一本教材的篇幅总归有限，这就制约了本书对一些问题的透彻阐述，也给读者自学造成了一些困难，常有”什么都知道一点然则什么都不够深入”的感觉。尽管如此，本书的三个特点——内容较新、结构整体统一、论述重物理轻数学，都有助于减轻一部分初学固体物理的学生的困惑。在某种程度上，我认为Kittel的《固体物理学导论》这本书与黄昆原著、韩汝琪改编的《固体物理学》，有较好的互补性，把这两本教材一起用，加以适当的修正和补充，这是我在清华教固体物理这门课的一种尝试，感觉还不错。

推荐人简介

朱邦芬，凝聚态物理学家，中国科学院院士，清华大学高等研究中心教授，清华大学物理系教授。

书籍及作者简介

Since the publication of the first edition over 50 years ago, Introduction to Solid State Physics has been the standard solid state physics text for physics students. The author's goal from the beginning has been to write a book that is accessible to undergraduates and consistently teachable. The emphasis in the book has always been on physics rather than formal mathematics. With each new edition, the author has attempted to add important new developments in the field without sacrificing the book's accessibility and teachability.

Charles Kittel studied at the University of Cambridge, England, where he obtained his Bachelor of Arts (BA) in 1938. He published his thesis in 1941 at the University of Wisconsin–Madison and joined the Massachusetts Institute of Technology (MIT) between 1945 and 1947. During World War II, he joined the Submarine Operations Research Group (SORG). From 1947 to 1951, he worked for Bell Laboratories, New Jersey, USA, especially on ferromagnetism.

From 1951 to 1978, he worked at the University of California, Berkeley, where he taught and did research in the field of theoretical solid-state physics, a part of condensed-matter physics. He was awarded three times with Guggenheim Fellowships in 1945, 1956 and 1963.

Kittel is known to physics students worldwide on account of his classic text Introduction to Solid State Physics, now in its 8th edition.

（来源：豆瓣读书）

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设计：不言

排版：有衡

责编：理趣

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