固體物理學

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固體物理學是凝聚態物理學中最大的分支。它研究的對象是固體，特別是原子排列具有周期性結構的晶體。固體物理學的基本任務是從微觀上解釋固體材料的宏觀物理性質，主要理論基礎是非相對論性的量子力學，還會使用到電動力學、統計物理中的理論。主要方法是應用薛定諤方程來描述固體物質的電子態，並使用布洛赫波函數表達晶體周期性勢場中的電子態。在此基礎上，發展了固體的能帶論，預言了半導體的存在，並且為晶體管的製造提供理論基礎。

目錄

背景

固態材料由緊密堆積的原子所構成，原子之間有強烈的作用力。此作用力決定了固體的機械性質（如硬度及彈性）、熱學、電學、磁學與光學等特性。根據組成物質及形成材料時的條件，材料內的原子可能會形成規則（晶體，包括金屬 和冰）或是不規則（無定形體，像是一般常見的玻璃）的排列。

作為一個一般性的理論，固體物理學的研究主要聚焦於晶體。這主要是因為晶體中原子的周期性有助於數學模型的建立。同樣地，晶體材料往往有可以利用在工程學上的電機、磁學、光學或機械工程性質。

晶體中微粒的作用力有多種形式。離子晶體中，陰陽離子以離子鍵結合。分子晶體中，參與成鍵的原子通過共用電子形成共價鍵結合。金屬晶體中，電子離域，形成金屬鍵。惰性氣體不成鍵；固態時，將其聚集的力量來自於各個原子的電子云極化所造成的范德瓦耳斯力。不同種固體之間的差異，便是源於鍵結種類的不同。

歷史

儘管固體的物理性質在數世紀以來一直是科學界中普遍的問題，以「固體物理學」為名的研究領域出現卻遲至1940年代才出現，特別隨着美國物理學會的固態物理部門（Division of Solid State Physics, DSSP）的建立而確定。固態物理部門滿足了工業界中物理學家的需求，固體物理學也因此與固體相關實驗在技術上的運用連結在一起。到了1960年代初期，固態物理部門已成為美國物理學會中最大的部門。

二戰後，歐洲也出現了大型的固體物理學家社群，特別是在英國、德國及蘇聯。在美國及歐洲，固態物理因在半導體、超導現象、核磁共振等現象上的研究而成為重要的研究領域。冷戰早期，固態物理的研究對象往往不僅止於固體，為1970年代至1980年代凝聚態物理學的發展奠基。凝聚態物理學主要由研究固體、液體、等離子體及其他複合物的常用技巧組成。目前，固體物理學通常被認為是凝聚態物理學的分支，專注於具固定晶格的固體的性質。

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