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。