Kittel 的《Introduction to solid state physics》、Kittel & Kroemer的《Thermal Physics》

在先前Simon的《The Oxford Solid State Basics》這一篇文,我提到Kittel 的《Introduction to solid state physics》廣而雜,也誠如Kittel 在前言所主張並非是提供一個固態物理學的架構形式,而是把固態物理作為一個「有材料觸感、有實驗生命、有簡明模型」的領域,因此是百科全書廣攬眾多固體的現象。

《Introduction to solid state physics》前言

本書是一本關於固態/凝聚態物理的基礎教材的全球版,適用於物質科學、化學與工程領域的大學高年級學生以及初階研究生。自第一版出版以來,這個領域蓬勃發展,並出現了許多重要應用。對作者而言,挑戰在於:一方面要處理重要的新領域,另一方面又要維持本書的入門程度。若把這樣一個如此具物理性、觸感鮮明的領域,呈現成純粹形式主義的練習,那將是很可惜的事。

在 1953 年第一版出版時,超導現象尚未被理解;金屬中的費米面才剛開始被探索,半導體中的迴旋共振也才剛被觀測到;鐵氧體與永久磁鐵也正開始被理解;當時只有少數物理學家相信自旋波的真實性。奈米物理則還要再過四十年才會出現。在其他領域中,DNA 的結構被確定,大陸漂移也被證實。那是一個從事科學研究的偉大時代;如今亦然。我在 ISSP 的歷次版本中,都試著把新一代讀者帶入同樣的興奮感之中。

相較於過去版本,本版有若干變動,也做了許多澄清:

新增了一章重要內容,主題是奈米物理,由康乃爾大學的 Paul L. McEuen 教授撰寫,他是此領域中的活躍研究者。奈米物理研究的是在一維、二維或三維方向上具有小尺度的材料;這裡的「小」指的是奈米尺度,即 10的負九次方公尺。這個領域是過去十年中加入固態科學的最令人興奮且最活躍的新方向。

本書也利用了電腦普及所帶來的便利。書中的書目與參考文獻幾乎已經刪除,因為只要在 Google 這類搜尋引擎上用關鍵字進行簡單搜尋,就能很快找到許多有用且更新的參考資料。例如,讀者可以瀏覽 http://www.physicsweb.org/bestof/cond-mat 這個網站條目,看看網路上可以做到什麼。省略早期或傳統文獻,並不是對最早研究固態問題的學者們不敬。

章節順序也有所調整:超導與磁性被放到較前面的位置,這使得安排一學期的有趣課程變得更加容易。

本書中的晶體學記號符合目前物理學中的通行用法。正文中的重要方程式,在 SI 制與 CGS-Gaussian 制有所不同時,會同時以兩種單位制寫出;除非只需做一個明確標示的代換,就能從 CGS 轉換到 SI。經驗顯示,這種雙重單位制的使用是有幫助且可接受的。表格則採用慣用單位。符號 e 表示質子的電荷,並取為正值。記號「(18)」表示當前章節中的第 18 式,而「(3.18)」則表示第 3 章中的第 18 式。向量上方的三角號 (^) 表示單位向量。

本書中幾乎沒有真正容易的習題;多數習題都是設計來推進該章主題的。除了少數例外,這些習題沿用原第六版與第七版的題目。記號 QTS 指的是我的 Quantum Theory of Solids,其解答由 C. Y. Fong 撰寫;TP 則指的是我與 H. Kroemer 合著的 Thermal Physics。

本版受益於康乃爾大學 Paul L. McEuen 教授與澳洲伍倫貢大學 Roger Lewis 教授對全書所做的詳細審閱。他們協助使本書變得更容易閱讀與理解。不過,由於本書與早期版本仍有緊密關係,我仍必須對其內容負責。早期版本前言中已列出許多建議、審閱與照片來源的致謝。我也非常感謝 Wiley 出版社的 Stuart Johnson、我的編輯 Suzanne Ingrao,以及我的個人助理 Barbara Bell。

若有修正意見與建議,作者將十分感謝。可透過電子郵件寄至:

kittel@berkeley.edu

教師手冊可於以下網站下載:

www.wiley.com/college/kittel

Charles Kittel


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從前言裡其實也暗示了 《Introduction to solid state physics》章節感比較「多而散」原因。Kittel 一直隨著固態物理發展更新內容:

第一版時,超導還沒被理解;

費米面剛開始被探索;

半導體迴旋共振剛被觀測;

自旋波還不是大家都相信;

後來又加入奈米物理。

所以 Kittel 的書有點像固態物理發展史一路疊上去的結果。它保存很多經典現象,也逐版加入新主題。

使得這本Kittel的《Introduction to solid state physics》 像是經典固態物理的資料地圖,而不是最優雅的理論敘事(如Ascroft & Mermin的《Solid state of physics》)。

又,我雖然以九陰真經下半卷比喻Kittel的《Introduction to solid state physics》,缺少心法,其實我是明白真正的心法是在Kittel & Kroemer《Thermal Physics》,從中領悟「態、佔據、熵、自由能、準粒子」的思維。

Kittel & Kroemer的《Thermal Physics》前言

本書對熱物理作一個基礎性的說明。這個主題雖然簡單,但其方法十分有力,而且結果具有廣泛的應用。也許沒有其他物理理論比熱物理更廣泛地被應用於科學與工程之中。

我們寫這本書,是為了物理與天文學的大學生,也特別為了電機工程學生。就我們的目的而言,這些領域有很強的共同連結,最明顯的是都關心費米氣體,不論是在半導體、金屬、恆星,還是原子核中。我們發展了一些方法;這些方法並非原創,但在其他地方並不容易取得,而且很適合這些領域。我們之所以首先寫這本書,是因為我們很欣賞這些「新」方法的清晰性;所謂「新」,是相對於我們自己當學生時所學的方法而言。

第二版相較於第一版有大幅重寫與修訂。第一版雖然受到熱烈接受,但其缺點是在一開始集中放入太多抽象概念。在新的架構中,自由能、配分函數與普朗克分布都被安排在化學勢之前介紹。這樣一來,實際問題可以更早被求解。我們也新增了若干章節,內容包括半導體、二元混合物、輸運理論、低溫學,以及傳播現象等應用。關於熱與功的處理方式也是新的,對關心能量轉換過程的人會有幫助。書中加入了更多例題與習題,但我們沒有放入那些無助於主線推進的問題。本版也有教師指南,可由授課教師向出版社索取。

本版在過去幾年中已經大量地在課堂教學中測試。我們沒有特別強調若干傳統主題;有些是因為它們已不再有用,有些則是因為它們依賴古典統計力學,會使課程比我們認為的一年級課程應有的難度更高。此外,在不必要的地方,我們也避免使用組合方法。

對於物理系大學生的一學季課程(約十週),我們建議使用第 1 章到第 10 章的大部分內容,再加上第 14 章。第 4 章中的德拜理論,以及第 14 章中的玻爾茲曼輸運方程,可以省略。對於電機工程學生的一學季課程,我們建議在第 7 章討論費米氣體之後,隨時加入第 13 章。第 13 章的內容並不依賴第 4 章。若是一學期課程,本書的範圍相當充足,教學步調也可以放得較從容。

關於記號與單位:我們通常平行使用 SI 制與 CGS 制。我們不使用卡路里。Kelvin 溫度 T 與基本溫度 τ 的關係為:


而傳統熵 S 與基本熵 σ 的關係為:

符號 log 在全書中表示自然對數,單純是因為它比 ln 更不具表達上的負擔。記號「(18)」表示目前章節中的第 18 式,而「(3.18)」則表示第 3 章中的第 18 式。

本書承繼自課程講義,而這些講義是在加州大學補助協助下發展出來的。Edward M. Purcell 對第一版貢獻了許多想法。我們也受益於 Seymour Geller、Paul L. Richards 與 Nicholas Wheeler 對第二版所做的審閱。Ibrahim Adawi、Bernard Black、G. Domokos、Margaret Geller、Cameron Hayne、K. A. Jackson、S. Justi、Peter Kittel、Richard Kittler、Martin J. Klein、Ellen Leverenz、Bruce H. J. McKellar、F. E. O’Meara、Norman E. Phillips、B. Roswell Russell、T. M. Sanders、B. Stoeckly、John Verhoogen、John Wheatley 與 Eyvind Wichmann 也都提供了協助。我們感謝 Carol Tung 打字整理手稿,也感謝 Sari Wilde 協助索引。

Berkeley and Santa Barbara

Charles Kittel
Herbert Kroemer
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關於統計物理學與凝態物理學,正如Kubo, Toda, Hashitsume的《Statistical Physics II: Nonequilibrium Statistical Mechanics》序言所言:「應當記住,統計物理學與凝聚態物理學之間並沒有明確邊界。

Simon的《The Oxford Solid State Basics》


Ascroft & Mermin的《Solid state of physics》適合從「電磁學+統計力學+量子力學」進入固態物理;Snoke的《The Oxford Solid State Basics》 比較適合從「量子化學/分子軌域/鍵結圖像」進入固態物理。

何以故?

因為前者是在用傳統物理系的語言,把電子氣、費米面、輸運、屏蔽、電磁響應與晶格結構串成一個完整的固態物理故事。

後者是從從原子、鍵結、軌域與能帶形成出發的固態物理,並且相對於前者傳統完整的說好固態物理故事,則是以現代觀點重新整理整個敘事。

又,對於初學者而言,最好入門的大學程度的固態物理學,不是Kittel 的固態物理,Kittel 的固態物理廣而雜,,以金庸小說白比喻不過是如缺少上卷而只有下卷的《九陰真經》(只有外用法門、具體武功、技術操作,卻缺少上卷的總綱、內功根基與正確理解)。

正宗適合入門的固態物理學的教材還是Simon的《The Oxford Solid State Basics》,所謂天之道損有餘而補不足,Simon就是讓你入門固態物理,曉得核心後就會自知不足而更深入學習,Kittel則是有餘而讓人以為自己懂很多,什麼主題好似都學到,其實根本是一知半解XD

Simon的《The Oxford Solid State Basics》,序言
當我還是大學生時,我以為固態物理學,也就是凝聚態物理學的一個子類,大概是學士生被迫學習的最糟科目——無聊、沉悶,而且就像人們常說的「污態物理學」(squalid state physics)。

畢竟,光是研究晶體的性質,一個人到底能學到多少關於宇宙的東西呢?我當時設法完全避開了這門課。現在我認為,那時候我並不是在反映這個學科本身的性質,而是在反映固態物理學被教得多麼糟糕。

(註 1:這種對固態物理學的嘲諷可以追溯到諾貝爾獎得主 Murray Gell-Mann,也就是夸克的發現者。他曾著名地認為,在任何低能量的東西裡都不會有有趣的新發現。很有趣的是,他現在研究複雜性——而這個領域大多是從凝聚態物理發展出來的。)

考慮到我本科時期對這門課的看法,諷刺的是,我後來竟成為了一名凝聚態物理學家。但一旦我真正接觸到這個主題,我就發現凝聚態是所有物理中我最喜歡的領域——充滿變化、令人興奮,也充滿深刻的思想。可惜的是,一般第一次接觸這個題目的課程,往往只是勉強觸及凝聚態這個廣大領域的表面。

去年,當我得知這門新課程準備開給牛津大學三年級學士生時,我立刻抓住機會來教授它。我覺得:一定可以把凝聚態物理課教得和任何本科生會修的課一樣有趣、令人興奮。一定可以把真正凝聚態物理的興奮感傳達給本科生。我希望我能成功完成這個任務。你可以自行判斷。

我被要求涵蓋的主題,並不是傳統固態物理課程的典型內容。有些主題在標準固態物理參考書中並沒有涵蓋,雖然你或許能在網路上或其他書裡找到。

我寫這本書,而不是叫學生去讀標準參考書,是因為凝聚態/固態物理是一個非常龐大的學科——足以講上好幾年的課——因此需要一份指南,來判斷哪些子題是最重要的,至少在牛津考試委員會眼中是如此。本書所收錄的材料,在某些主題上有相當深度,而在其他主題上則只是概略帶過,這正是為了反映牛津認為重要的特定主題,以及英國物理研究所所要求的主題。

我必須強調,關於固態與凝聚態物理,已經有非常非常多極好的書存在。網路上也有許多很好的資源,包括那份相當有名的「Britney Spears 半導體物理指南」——它表面上是一本關於 Britney Spears 的搞笑網站,但其實是相當好的半導體參考資料。

在本書中,我會盡量在適當之處指出其他好的參考書或資料。

那麼,現在我們就開始這趟穿越凝聚態的旅程吧。讓我們出發,你和我……

牛津,英國

2011 年 1 月


小國神社御田植祭

小國神社

森町一宮的小國神社傳承的御田植祭,於 5 月 31 日在神社附近的神饌田舉行,儀式古意盎然,祈願五穀豐收與地方繁榮。

這項祭典記載於 1680 年,也就是延寶 8 年的《遠州一宮記錄》中。後來在明治時期一度中斷,直到 2007 年才恢復舉辦。現在由「御田植祭傳承會」主辦,並向一般民眾公開。
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女性即象徵產巢日也就是產靈(むすひ)。

小國神社的主祭神即為國作大己貴