如下哪些材料屬於固體物理學研究范疇

『壹』 固體物理學的介紹

固體物理學（solid state physics）是研究固體的物理性質、微觀結構、固體中各種粒子運動形態和規律及它們相互關系的學科。物理學的重要分支，涉及力學、熱學、聲學、電學、磁學和光學等各方面的內容。固體的應用極為廣泛，各個時代都有自己特色的固體材料、器件和有關製品。現代固體物理形成於20世紀前40年代，它是先進的微電子、光電子、光子等各項技術和材料科學的基礎，其重要性是顯然的。1固體物理學的成就和實驗手段對化學物理、催化學科、生命科學、地學等的影響日益增長，正在形成新的交叉領域。

『貳』 固體物理的學科

從電子、原子和分子的角度研究固體的結構和性質(主要是物理性質) 的一門基礎理論學科。它和普通物理、 熱力學與統計物理、金屬物理、材料科學、特別是量子力學等學科有著密切關系。例如，固體物理也討論晶體學、 晶體的結合鍵、晶體缺陷、擴散、相圖等問題。但它著重研究的是晶格振動和晶體的熱學性質、固體電子論(包括自由電子論和能帶理論)、半導體、固體的磁性、超導體等專題。

『叄』 固體物理

固體物理(材料科學與工程系列)
目錄: 第1章緒論1 1.1人類對固體的研究歷史1 1.2自然界中的固體及固體物理學4 本章參考書7 第2章化學鍵與晶體形成8 2.1離子鍵和離子晶體11 2.2共價鍵和共價晶體14 2.3金屬鍵和典型金屬15 2.4原子、分子固體16 本章參考書18 附錄團簇電荷的偶極相互作用19 習題19 第3章固體結構21 3.1晶體的幾何描述21 3.2對稱性與晶格結構的分類25 3.2.1由二維晶格的對稱性推導二維布喇菲點陣的分類27 3.2.2三維晶格中布喇菲點陣的分類和點群符號29 3.3晶體結構的形成33 3.3.1金屬和元素晶體的結構33 3.3.2泡林規則和離子晶體的結構35 3.4倒易點陣與布里淵區39 3.4.1倒易點陣40 3.4.2布里淵區42 3.5晶格結構測定與衍射44 3.5.1X射線衍射、電子衍射與中子衍射46 3.5.2衍射理論50 3.6非晶體和准晶體的結構58 3.7軟性凝聚體： 液晶和凝膠的結構64 本章參考書71 習題72 第4章晶格振動和固體熱性質74 4.1固體中熱現象的研究歷史74 4.2晶格動力學76 4.2.1晶格振動與聲子76 4.2.2聲學支和光學支的色散關系82 4.2.3聲子能譜的測定86 4.3固體熱性質89 4.3.1固體比熱容的愛因斯坦模型91 4.3.2固體比熱容的德拜模型93 本章參考書99 習題99 第5章固體電子理論100 5.1傳統電子導電理論： 德魯德模型101 5.2自由電子費密氣體： 索末菲模型108 5.3自由電子模型的局限性115 5.4布洛赫能帶理論116 5.5能帶的計算120 5.5.1緊束縛近似122 5.5.2弱晶格勢近似125 5.6能帶電子的准經典近似和有效質量127 5.7金屬中的費密面130 5.7.1鹼金屬130 5.7.2貴金屬131 5.7.3二價金屬131 本章參考書131 習題132 第6章固體的電性質： 輸運過程134 6.1能帶電子的輸運過程、導體134 6.1.1能帶電子的非平衡量子統計、固體按電性質分類135 6.1.2導體的直流電導率和熱導率138 6.2半導體140 6.2.1半導體的特性140 6.2.2載流子的濃度和遷移率145 6.2.3p\|n結，半導體\|金屬結，MOS晶體管和半導體超晶格154 6.3超導體163 6.3.1傳統超導體和高溫超導體的特性163 6.3.2BCS理論及其局限性169 本章參考書173 習題173 第7章固體的磁性176 7.1原子磁矩的量子力學根源178 7.2抗磁性與順磁性182 7.2.1抗磁性182 7.2.2順磁性183 7.2.3傳導電子的泡利順磁性185 7.3鐵磁性與反鐵磁性185 7.3.1鐵磁體和亞鐵磁體185 7.3.2反鐵磁體190 7.3.3鐵磁性和反鐵磁性的量子力學解釋： 海森堡模型190 7.4中子的磁性衍射和自旋波192 7.4.1順磁體的中子磁性衍射193 7.4.2鐵磁體和反鐵磁體的中子磁性衍射193 7.4.3中子的非彈性磁性衍射： 自旋波能譜的測量194 7.4.4自旋波對鐵磁體比熱容的貢獻194 7.5核磁共振和電子自旋共振195 本章參考書197 附錄朗道磁矢量勢和洛倫茲力197 習題198 第8章固體的介電性質和光學性質199 8.1電極化過程200 8.2介電擊穿、壓電體和鐵電體206 8.3光在固體中的傳播210 8.4固體的發光機制214 本章參考書216 習題216 正文索引（按照第一個字的漢語拼音排列）218 習題參考答案233 附錄A物理學常數及單位制換算239 附錄B化學元素英文名稱與符號一覽表及化學元素周期表240
從電子、原子和分子的角度研究固體的結構和性質(主要是物理性質) 的一門基礎理論學科。它和普通物理、 熱力學與統計物理、金屬物理、材料科學、特別是量子力學等學科有著密切關系。例如，固體物理也討論晶體學、 晶體的結合鍵、晶體缺陷、擴散、相圖等問題。但它著重研究的是晶格振動和晶體的熱學性質、固體電子論(包括自由電子論和能帶理論)、半導體、固體的磁性、超導體等專題。
第1章 緒論1 1.1 古希臘的原子論1 1.2 固體物理的發展史4 1.3 自然界中的固體及固體物理學7 本章小結10 本章參考文獻10 第2章 化學鍵和晶體形成11 2.1 原子的量子模型12 2.2 離子鍵和離子晶體15 2.3 共價鍵和共價晶體19 2.4 金屬鍵和典型金屬23 2.5 原子和分子固體25 本章小結29 本章參考文獻30 本章習題30 第3章 固體結構32 3.1 晶體的幾何描述32 3.2 對稱性與晶格結構的分類36 3.2.1 對稱性與二維布拉菲點陣的分類37 3.2.2 點群與三維布拉菲點陣的分類39 3.3 晶體的自然結構43 3.3.1 元素晶體的結構43 3.3.2 化合物的結構： 泡林規則47 3.4 倒易點陣和布里淵區51 3.4.1 倒易點陣51 3.4.2 布里淵區53 3.5 衍射與晶體結構的測定56 3.5.1 X射線衍射、電子衍射和中子衍射58 3.5.2 衍射理論65 3.6 無序固體結構71 3.6.1 非晶體73 3.6.2 准晶體75 3.6.3 液晶78 本章小結85 本章參考文獻86 本章習題87 第4章 晶格振動和固體熱性質89 4.1 愛因斯坦聲子模型91 4.2 德拜聲子模型94 4.3 晶格動力學和中子衍射98 4.3.1 晶格動力學98 4.3.2 光學支和聲學支101 4.3.3 聲子能譜的中子衍射測定105 本章小結108 本章參考文獻109 本章習題109 第5章 固體電子理論111 5.1 德魯德模型： 自由電子氣體113 5.2 索末菲模型： 自由電子費密氣體117 5.2.1 電子的比熱容121 5.2.2 電導率和熱導率123 5.2.3 電子從金屬表面的熱發射125 5.2.4 霍爾效應127 5.3 能帶理論129 5.3.1 布洛赫定理130 5.3.2 緊束縛模型132 5.3.3 弱晶格勢近似136 5.3.4 密度泛函理論與能帶計演算法的介紹139 5.3.5 真實能帶和費密面141 5.3.6 半經典模型和有效質量146 本章小結149 本章參考文獻149 本章習題151 第6章 固體的電性質： 輸運過程154 6.1 導體155 6.2 半導體159 6.2.1 半導體的特性161 6.2.2 載流子濃度和遷移率167 6.2.3 半導體器件的基本概念179 6.3 超導體189 6.3.1 超導體的特性191 6.3.2 唯象理論194 6.3.3 微觀BCS理論199 本章小結202 本章參考文獻202 本章習題204 第7章 固體的磁性207 7.1 磁性的量子力學根源210 7.1.1 單原子近似： 原子磁矩211 7.1.2 自由電子近似： 朗道能級214 7.2 磁性的類別217 7.2.1 抗磁性217 7.2.2 順磁性219 7.2.3 鐵磁性225 7.2.4 反鐵磁性和亞鐵磁性230 7.3 自旋與基本粒子的相互作用233 7.3.1 中子磁性衍射和磁結構233 7.3.2 自旋波與中子非彈性散射235 7.3.3 電子自旋共振和核磁共振239 本章小結242 本章參考文獻243 本章習題245 第8章 固體的介電性質和光學性質247 8.1 固體的光性質、電性質和磁性質的統一249 8.2 洛倫茲光學模型和電極化過程251 8.2.1 德魯德金屬光學模型256 8.3 激光： 愛因斯坦的受激輻射理論258 8.3.1 輻射的量子力學理論258 8.3.2 微波激射器和激光器260 本章小結263 本章參考文獻264 本章習題265 索引266

『肆』 固體物理學

固體物理就是研討固體（主要是晶體）材料物理特性的一門科學。它是從固體中的原子和電子狀態的根本特點出發來討論固體的物理性質，所以是最基礎的、又同專業關系最密切的一門課程，它也討論非晶體材料的性質，是學習金屬物理、半導體物理、電介質物理、磁學等的基礎、先行課程。
雖然固體物理主要是討論固體材料的問題，但是實際上對於討論液體、氣體材料也有參考價值。對於物理類和電子科學類的專業，固體物理是必修課。

『伍』 電介質物理學的一般性質

電介質包括氣態、液態和固態等范圍廣泛的物質。固態電介質包括晶態電介質和非晶態電介質兩大類，後者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等，是良好的絕緣材料。凡在外電場作用下產生宏觀上不等於零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現象稱為電極化，能產生電極化現象的物質統稱為電介質。電介質的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質的電阻率並不很高，不能稱為絕緣體，但由於能發生極化過程，也歸入電介質。通常情形下電介質中的正、負電荷互相抵消，宏觀上不表現出電性，但在外電場作用下可產生如下3種類型的變化 ：① 原子核外的電子雲分布 產生畸變，從而產生不等於零的電偶極矩，稱為畸變極化 ；②原來正、負電中心重合的分子，在外電場作用下正、負電中心彼此分離，稱為位移極化；③具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等於零，在外電場作用下，各個電偶極子趨向於一致的排列，從而宏觀電偶極矩不等於零，稱為轉向極化。電介質極化時，電極化強度矢量P與總電場強度E的關系為P=ε0χeE，ε0為真空電容率，χe為電極化率，εr=1+χe稱為相對電容率（見電極化強度 ，電極化率）。電極化率或電容率與外電場的頻率有關。對靜電場或極低頻電場，上述3種極化類型都參與極化過程 ，一定電介質的電容率為常量。電場頻率增加時，轉向極化逐漸跟不上外電場的變化，電容率變為復數，虛部的出現標志著電場能量的損耗，稱為介電損耗。頻率進一步增加時，轉向極化失去作用，電容率減小。在紅外線波段，電介質正、負電中心的固有振動頻率往往與外場頻率一致，從而產生共振，表現為電介質對紅外線的強烈吸收。在吸收區，電容率的實部和虛部均隨頻率發生大起大落的變化。在可見光波段，位移極化也失去作用，只有畸變極化起作用。光頻區域的電容率實部進一步減小，它對應電介質的折射率，虛部決定了對光波的吸收。在強電場（如激光）作用下，極化強度 P 與電場強度E不再有線性關系 ，這使電介質表現出種種非線性效應（見非線性光學）。各向異性晶體的電容率不能簡單地用一個數來表示，需用張量表示。
固態電介質分布很廣而因具有許多可供利用的性質如電致伸縮、壓電性、熱電性和鐵電性等，引起了廣泛的研究，但過去多限於討論它們的宏觀性質。實際上，這些性質是與固體（晶體）內在結構、內部原子（離子）以及電子（主要指束縛電子）的運動密切相關的。現在，固態電介質物理與固體物理、晶體學和光學有著許多交疊的領域；特別是激光出現以後，研究電介質與激光的相互作用，又構成為固態激光光譜學、固態非線性光學和固態光學（固體光學性質）的重要內容。 離子晶體中點陣振動的光頻波導致點陣的電極化；這類光頻波和離子的位移極化所引起的介電性質和對光的紅外吸收與喇曼散射以及一些特殊的光學性質，長期以來就是固體物理的研究對象；也屬電介質物理和光學的研究范疇。鹼鹵晶體中的F 心以及與之相關的各種色心，人們從30年代起，就不斷地進行研究，推動了固體物理的發展，對於固體發光、固體激光的發展也起著促進作用。近年來，研究色心激光並發展可調的紅外色心激光器是很受重視的課題。為了研究F心，當初所提出關於離子晶體中電子自陷的極化子模型即運動電子和它周圍畸變勢的總體，現在已成為探討離子性介電晶體和帶有離子性（鍵）的半導體包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族半導體中電子過程的研究對象。這些也是電介質物理研究的范疇。
固體（晶體）中的電極化過程，實際上是點陣的集體運動。研究電極化的集體運動是固體元激發理論的一部分。極化子就是一種元激發（見固體中的元激發）。按固體元激發理論，固體的介電常數不僅是頻率的函數，而且也是極化波矢 k的函數；後者稱為空間色散。研究介電函數ε（ω，k）的規律與電極化元激發性質的關系又會使固態電介質物理發展到一個新階段。
當前固態電介質物理的研究重點，還在於研究無機電介質材料的機電、電光和鐵電等性質。 沒有中心反演對稱的一些帶有離子性（鍵）的晶體，在電場作用下，內應力與外電場強度成正比，具有一階的電致形變效應，這個效應顯著。這些非中心對稱的晶體稱為壓電晶體；它們在外界壓力的作用下，通過內部的電極化過程，使晶體表面出現面電荷，這稱為壓電效應。壓電晶體種類很多，最常見而用得廣的有石英、羅謝耳鹽、KDP、ADP、LiNbO3、LiTaO3等等。一些具閃鋅礦結構的晶體，如GaAs、CuCl、ZnS、lnP等，它們是壓電半導體。還有壓電陶瓷如 PZT。石英晶體作為無線電頻的振盪器，就利用了它的逆壓電效應，特別是它的熱脹系數很小，具有（機械）穩頻作用，在電信上、電子技術上應用很廣。羅謝耳鹽用作為耳塞聽筒或電唱頭的材料，是由於它的壓電性能強而製作較簡易，ADP則是水聲（聲吶）的聽音器的重要材料。現在應用最廣的是壓電陶瓷 PZT。研究壓電晶片的切型及其振盪模式是40年代以來固體電介質物理的重要課題。壓電方面的研究成果在技術上得到廣泛的應用，促進了無線電技術、超聲技術、水聲技術的發展，在激光技術上也有重要應用。
透明的（包括紅外透明但可見光區不透明的）壓電晶體是電光晶體（具有一階電光效應），它們的折射率可以通過外加電場而靈敏地改變，在激光調制上有重要的用途。KDP、 CuCl、GaAs等是重要的電光晶體。新型的電光晶體有鈮酸鍶鋇（BSN）、鈮酸鋇鈉（BNN）等。透明的壓電陶瓷PLZT也是新型的電光材料。 介電晶體有很重要的一類，例如BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3等，叫鐵電體；在各自一定的特徵溫度（稱為鐵電的居里溫度）之下，晶體中出現自發極化，並且自發極化可以隨外電場反向而反向；在交變電場作用下，顯示電滯回線。拿鈦酸鋇來說，它在120℃以上，沒有自發極化，晶體結構屬立方晶系。當溫度降至120℃以下，晶體出現自發極化，與此同時，結構的對稱性降低（如溫度在5℃以上，則結構屬正方系），出現電滯回線，晶體中形成電疇。自發極化的出現，總伴隨著結構的變化，對稱性的降低（對稱性破缺），是一種相變過程。鈦酸鋇在120℃以上時，晶體中沒有自發極化，是為順電相。順電相的鈦酸鋇具有反演對稱中心，不是壓電晶體。在120℃以下，鐵電相的鈦酸鋇不具有反演對稱中心，成為壓電晶體、 電光晶體，也是熱電晶體。室溫下，TGS、LiNbO3也是鐵電體。KDP、ADP在室溫附近是壓電晶體、電光晶體；但KDP在-150℃以下才是鐵電體，ADP在-125℃以下是反鐵電體。石英與GaAs和CuCl是壓電晶體，但不是鐵電體。鐵電體必是壓電體、熱電體，如果對光透明的話，也就是電光晶體。BSN、BNN是鐵電電光晶體而GaAs、CuCl則是壓電電光晶體；前者的工作電壓比後者低得多，在這一點上說，前者比後者優越。
研究鐵電體的相變即研究自發極化發生的機理是固態電介質物理也是固體物理的主要課題。現在知道，晶體中自發極化的出現是與點陣振動的某一振動頻率〔例如，橫光頻支（TO）的振動頻率〕趨於零值（ωTO→0）有關的。頻率趨於零值的振動模式叫做軟模。這方面已發展成鐵電軟模理論。實際上，軟模理論對一般固態相變例如合金相變問題也原則上適用。 通常研究電極化問題時，外加電場甚弱、極化強度與外場成正比，這是線性極化。當外場增強，就可能出現非線性極化。但只在非中心對稱的壓電晶體、鐵電晶體中才能觀測到二階的非線性極化，所以，過去已常把壓電、鐵電材料稱為非線性電介質。激光的光電場很強，首先在石英晶體中觀察到光倍頻現象，其後用KDP、ADP可以很容易實現光倍頻和光混頻（包括差頻與和頻）以及參量振盪。利用LiNbO3可以使激光的頻率連續可調。這些以及其他一些非線性光學效應的出現，引起了廣泛的研究，從而發展為非線性光學學科。石英、KDP、ADP、CuCl、GaAs、LiNbO3、BSN、BNN以及PLZT等就成為非常重要的非線性光學介質。電介質物理與非線性光學有著廣闊的交疊領域，但兩者研究角度是不同的。電介質物理是研究激光作用下電光介質中的非線性電極化過程與介質結構的關系；把宏觀的電光（非線性光學）性能與物質的微觀組態聯系起來，才可能有的放矢地發展制備出性能優異的非線性光學材料。看來，鐵電電光材料會比壓電電光材料優越，只是目前對於一些問題的規律尚掌握得不夠，同時由於技術條件的限制，實際和要求之間還存在很大差距（例如，BSN、BNN在性能上遠沒有達到要求）。
把激光作為工具，研究固態電介質內的電極化過程，這就是固態電介質喇曼光譜的研究。在一定意義上說，這也就是研究點陣振動光頻波與激光的相互作用；研究固態電介質中極化元激發（包括極化子,見固體中的元激發）與激光的相互作用。鐵電電光的性能比較優越，就是由於晶體中存在自發極化，因此，研究鐵電相變前後的（亦即軟模的）激光喇曼散射，不僅可以揭示鐵電相變過程的規律，而且也可以提供關於鐵電電光性能的分析。所以，電介質物理與固態激光光譜學也有著寬廣的交疊領域。 一些晶體在其內部能形成自發應變的小區域，稱為鐵彈疇 ，同一鐵彈疇內的自發應變方向（疇態）相同，任兩個鐵彈疇的疇態相同或呈鏡面對稱。外加應力可使鐵彈疇從一個疇態過渡到另一疇態。外應力改變時 ，應變滯後於應力變化，且應力與應變是非線性關系。在周期性外應力作用下，應變與應力的關系曲線類似於磁滯回線，稱為力滯回線。以上性質稱為鐵彈性，具有鐵彈性的電介質稱為鐵彈體。鐵彈體的電容率 、折射率 、電導率 、熱脹系數、導熱系數、彈性模量和電致伸縮率等因方向而異，且這種方向性會隨應力而變，利用這些特點在製造力敏器件上有著廣泛的應用前景。

『陸』 固體物理學

固體物理學是研究固體物質的物理性質、微觀結構、構成物質的各種粒子的運動形態，及其相互關系的科學。它是物理學中內容極豐富、應用極廣泛的分支學科。

固體通常指在承受切應力時具有一定程度剛性的物質，包括晶體和非晶態固體。簡單地說，固體物理學的基本問題有：固體是由什麼原子組成？它們是怎樣排列和結合的？這種結構是如何形成的？在特定的固體中，電子和原子取什麼樣的具體的運動形態？它的宏觀性質和內部的微觀運動形態有什麼聯系？各種固體有哪些可能的應用？探索設計和制備新的固體，研究其特性，開發其應用。

在相當長的時間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀，阿維對晶體外部的幾何規則性就有一定的認識。後來，布喇格在1850年導出14種點陣。費奧多羅夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶體對稱性的群理論。這為固體的理論發展找到了基本的數學工具，影響深遠。



1912年勞厄等發現X射線通過晶體的衍射現象，證實了晶體內部原子周期性排列的結構。加上後來布喇格父子1913年的工作，建立了晶體結構分析的基礎。對於磁有序結構的晶體，增加了自旋磁矩有序排搭渣列的對稱性，直到20世紀50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對稱群理論。

第二次世界大戰後發展的中子衍射技術，是磁性晶體結構分析的重要手段。70年代出現了高分辨電子顯微鏡點陣成像技術，在於晶體結構的觀察方面有所進步。60年代起，人們開始研究在超高真空條件下晶體解理後表面的原子結構。20年代末發現的低能電子衍射技術在60年代經過改善，成為研究晶體表面的有力工具。近年來發展的掃描隧道顯微鏡，可以相當高的解析度探測表面的原子結構。

晶體的結構以及它的物理、化學性質同晶體結合的基本形式有密切關系。通常晶體結合的基本形式可分成：高子鍵合、金屬鍵合、共價鍵合、分子鍵合(范德瓦耳斯鍵合)和氫鍵合。根據X射線衍射強度分析和晶體的物理、化學性質，或者依據晶體價電子的局域密度分布的自洽理論計算，人們可以准確地判定該晶體具有何種鍵合形式。

固體中電子的狀態和行為是了解固體的物理、化學性質的基礎。維德曼和夫蘭茲於1853年由實驗確定了金屬導熱性和導電性之間關系的經驗定律；洛倫茲在1905年建立了自由電子的經典統計理論，能夠解釋上述經驗定律，但無法說明常溫下金屬電子氣對比熱容貢獻甚小的原因；泡利在1927年首先用量子統計成功地計算了自由電子氣的順磁性，索末菲在1928年用量子統計求得電子氣的比熱容和輸運現象，解決了經典理論的困難。

布洛赫和布里淵分別從不同角度研究了周期場中電子運動的基本特點，為固體電子的能帶理論奠定了基礎。電子的本徵能量，是在一定能量范圍內准連續的能級組成的能帶。相鄰兩個能帶之間的能量范圍是完整晶體中電子不許可具有的能量，稱為禁帶。利用能帶的特徵以及泡利不相容原理，威耳遜在1931年提出金屬和絕緣體相區別的能帶模型，並預言介於兩者之間存在半導體，為爾後的半導體的發展提供理論基礎。

貝爾實驗室的科學家對晶體的能帶進行了系統的實驗和理論的基礎研究，知擾悄同時掌握了高質量半導體單晶生長和摻雜技術，導致巴丁、布喇頓以及肖克萊於1947～1948年發明晶體管。



固體中每立方厘米內有1022個粒子，它們靠電磁互作用聯系起來。因此，固體物理學所面對的實際上是多體問題。在固體中，粒子之間種種各具特點的耦合方式，導致粒子具有特定的集體運動形式和個體運動形式，造成不同的固體有千差萬別的物理性質。

漢密爾頓在1839年討論了排成陣列的質點系的微振動；1907年，愛因斯坦首先用量子論處理固體李游中原子的振動。他的模型很簡單，各個原子獨立地作同一頻率的振動；德拜在1912年採用連續介質模型重新討論了這問題，得到固體低溫比熱容的正確的溫度關系；玻恩和卡門同時開始建立點陣動力學的基礎，在原子間的力是簡諧力的情況下，晶體原子振動形成各種模式的點陣波，這種波的能量量子稱為聲子。它對固體的比熱容、熱導、電導、光學性質等都起重要作用。

派尼斯和玻姆在1953年提出：由於庫侖作用的長程性質，固體中電子氣的密度起伏形成縱向振盪，稱為等離子體振盪。這種振盪的能量量子稱為等離激元。實驗證明，電子束通過金屬薄膜的能量損耗來源於激發電子氣的等離激元。考慮到電子間的互作用，能帶理論的單電子狀態變成准電子狀態，但准電子的有效質量包含了多粒子相互作用的效應。同樣，空穴也變成准粒子。在半導體中電子和空穴之間有屏蔽的庫侖吸引作用，它們結合成激子，這是一種復合的准粒子。

在很低的溫度，由於熱擾動強度降低，在某些固體中出現宏觀量子現象。其中最重要的是開默林-昂內斯在1911年發現金屬汞在4.2K具有超導電性現象，邁斯納和奧克森菲爾德在1933年又發現超導體具有完全的抗磁性。以這些現象為基礎，30年代人們建立了超導體的電動力學和熱力學的理論。

後來，倫敦在1946年敏銳地提出超導電性是宏觀的量子現象，並預言磁通是量子化的。1961年果真在實驗上發現了磁通量子，實驗值為倫敦預計值的一半，正好驗證了庫珀提出的電子配對的概念。弗羅利希在1950年提出超導電性來源於金屬中電子和點陣波的耦合，並預言存在同位素效應，同年得到實驗證實。

1957年巴丁、庫珀和施里弗成功地提出超導微觀理論，即有名的BCS理論。50年代蘇聯學者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立並論證了超導態宏觀波函數應滿足的方程組，並由此導出第二類超導體的基本特性。繼江崎玲於奈在1957年發現半導體中的隧道效應之後，加埃沃於1960年發現超導體的單電子隧道效應，由此效應可求得超導體的重要的信息。不久，約瑟夫森在1962年預言了庫珀對也有隧道效應，幾個月之後果然實驗證實了。從此開拓了超導宏觀量子干涉現象及其應用的新領域。

固體磁性是一個有很久歷史的研究領域。抗磁性是物質的通性，來源於在磁場中電子的軌道運動的變化。從20世紀初至30年代，經過許多學者努力建立了抗磁性的基本理論。范扶累克在1932年證明在某些抗磁分子中會出現順磁性；朗道在1930年證明導體中傳導電子的非局域的軌道運動也產生抗磁性，這是量子的效應；居里在1895年測定了順磁體磁化率的溫度關系，朗之萬在1905年給出順磁性的經典統計理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實驗研究，導致順磁鹽絕熱去磁致冷技術出現，電子順磁共振技術和微波激射放大器的發明，以及固體波譜學的建立。

在固體物理學中相變佔有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶體生長、蒸發、相干衡、相變動力學、臨界現象等，19世紀吉布斯研究了相平衡的熱力學。後來厄任費斯脫在1933年對各種相變作了分類。60年代以後，人們對發生相變點的臨界現象做了大量研究，總結出標度律和普適性。卡達諾夫在1966年指出在臨界點粒子之間的關聯效應起重要作用。威耳遜在1971年採用量子場論中重正化群方法，論證了臨界現象的標度律和普適性，並計算了臨界指數，取得成功。



晶體或多或少都存在各種雜質和缺陷，它們對固體的物性，以及功能材料的技術性能都起重要的作用。半導體的電學、發光學等性質依賴於其中的雜質和缺陷；大規模集成電路的工藝中控制和利用雜質及缺陷是極為重要的。貝特在1929年用群論方法分析晶體中雜質離子的電子能級的分裂，開辟了晶體場的新領域。數十年來在這領域積累了大量的研究成果，為順磁共振技術、微波激射放大器、固體激光器的出現准備了基礎。

硬鐵磁體、硬超導體、高強度金屬等材料的功能雖然很不同，但其技術性能之所以強或硬，卻都依賴於材料中一種缺陷的運動。在硬鐵磁體中這缺陷是磁疇壁，在超導體中它是量子磁通線，在高強度金屬中它是位錯線，採取適當工藝使這些缺陷在材料的微結構上被釘住不動，有益於提高其技術性能。

高分辨電子顯微術正促使人們在更深的層次上來研究雜質、缺陷和它們的復合物。電子順磁共振、穆斯堡爾效應、正電子堙沒技術等已成為研究雜質和缺陷的有力手段。在理論上藉助於拓撲學和非線性方程的解，正為缺陷的研究開辟新的方向。

從60年代起，人們開始在超高真空條件下研究晶體表面的本徵特性，以及吸附過程等通過粒子束(光束、電子束、高子束或原子束)和外場(溫度、電場或磁場)與表面的相互作用，獲得有關表面的原子結構、吸附物特徵、表面電子態以及表面元激發等信息，加上表面的理論研究，形成表面物理學。

同體內相比，晶體表面具有獨特的結構和物理、化學性質。這是由於表面原子所處的環境同體內原子不一樣，在表面幾個原子層的范圍，表面的組分和原子排列形成的二維結構都同體內與之平行的晶面不一樣的緣故。表面微觀粒子所處的勢場同體內不一樣，因而形成獨具特徵的表面粒子的運動狀態，限制粒子只能在表面層內運動並具有相應的本徵能量，它們的行為對表面的物理、化學性質起重要作用。

非晶態固體的物理性質同晶體有很大差別，這同它們的原子結構、電子態以及各種微觀過程有密切聯系。從結構上來分，非晶態固體有兩類。一類是成分無序，在具有周期性的點陣位置上隨機分布著不同的原子或者不同的磁矩；另一類是結構無序，表徵長程序的周期性完全破壞，點陣失去意義。但近鄰原子有一定的配位關系，類似於晶體的情形，因而仍然有確定的短程序。

例如，金屬玻璃是無規密積結構，而非晶硅是四面體鍵組成的無規網路。20年代發現，並在70年代得到發展的擴展X射線吸收精細結構譜技術，成為研究非晶態固體原子結構的重要手段。

無序體系的電子態具有其獨特的性質，安德森在他的富有開創性的工作中，探討了無序體系中電子態局域化的條件，10年之後，莫脫在此基礎上建立了非晶態半導體的能帶模型，提出遷移率邊的概念。

在無序體系中，電子態有局域態和擴展態之分。在局域態中的電子只有在聲子的合作下才能參加導電，這使得非晶態半導體的輸運性質具有新穎的特點。1974年人們掌握了在非晶硅中摻雜的技術，現在非晶硅已成為制備高效率太陽能電池的重要材料。

非晶態合金具有特殊的物理性質。例如，它們的電阻率較大而其溫度系數小。有的材料有很大的拉伸強度，有的具有優異的抗腐蝕性，可與不銹鋼相比。非晶態磁性合金具有隨機變化的交換作用，可導致居里溫度的改變(大多數材料居里溫度變低)，同時在無序體系中，缺陷失去原有的意義。因而非晶態磁性固體可以在較低的外磁場下達到飽和，磁損耗減小。所以，非晶態合金具有多方面用途。

無序體系是一個復雜的新領域，非晶態固體實際上是一個亞穩態。目前對許多基本問題還存在著爭論，有待進一步的探索和研究。

新的實驗條件和技術日新月異，為固體物理不斷開拓出新的研究領域。極低溫、超高壓、強磁場等極端條件、超高真空技術、表面能譜術、材料制備的新技術、同步輻射技術、核物理技術、激光技術、光散射效應、各種粒子束技術、電子顯微術、穆斯堡爾效應、正電子湮沒技術、磁共振技術等現代化實驗手段，使固體物理性質的研究不斷向深度和廣度發展。

由於固體物理本身是微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科的基礎，也由於固體物理學科內在的因素，固體物理的研究論文已佔物理學中研究論文三分之一以上。同時，固體物理學的成就和實驗手段對化學物理、催化學科、生命科學、地學等的影響日益增長，正在形成新的交叉領域。

『柒』 近代物理學，現代物理學都包括哪些內容

現代物理學以相對論和量子力學為基礎，它的研究范圍已經擴展為從基本粒子到宇宙天體的各個領域，形成了許多分支學科和邊緣學科。
1.相對論
愛因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）創建的相對論主要是時空的理論，它放棄了牛頓的絕對時間和絕對空間，建立了相對論時空觀，使物理觀念發生了一場根本的變革。在相對論中，局限於慣性參考系的理論稱為狹義相對論，推廣到一般參考系和包括引力場在內的理論稱為廣義相對論。
（1）狹義相對論。
1905年，愛因斯坦建立了狹義相對論。狹義相對論有兩個基本假設：
① 相對性原理：所有慣性參考系都是等價的，物理規律對於所有慣性參考系都可以表述為相同形式；
② 光速不變原理：真空中的光速相對於任何慣性系沿任一方向恆為c，並與光源運動無關。
愛因斯坦從這兩個假設出發，推導出兩個慣性坐標系的時空變換關系即洛侖茲變換。從而徹底否定了「以太」的存在，並導出了運動剛體的「長度收縮」、運動時鍾的「時間延緩」、同時的相對性及新的速度合成法則等。狹義相對論的時空觀表明：第一，時間、空間和物質的運動是有密切聯系的，時間和空間的特性是相對的，時間間隔和空間間隔的量度並不具有不變性，而是隨物質運動狀態的變化而變化的；第二，時間和空間存在著不可分割的聯系，它們不能分割開來而獨立存在，一切物理現象和過程都是在X、Y、Z和t的統一的四維連續區中存在著。
愛因斯坦把狹義相對論用於電動力學，證明了麥克斯韋方程組符合相對性原理，建立了相對論電動力學。在這里，電場和磁場已不再各自是一個矢量，而是一個反對稱的四維張量，這個張量在不同的慣性系裡按一定的規律變換。電場和磁場是這個統一的張量的不同分量，它們對於不同的慣性系表現出來的效應是不同的。在某一個慣性系中表現出的是一個純粹的電場或磁場；在另一個慣性系中將同時表現出電場和磁場。這就是說，電磁場劃分為電場部分和磁場部分，只具有相對意義，它與觀察者所在的慣性系有關。
愛因斯坦還把相對論用於力學，建立了相對論力學。相對論力學能夠正確地描述高速運動的規律，並且，當速度v<<c時，相對論力學能夠過渡到經典力學。在相對論力學中，動量守恆和能量守恆這兩條定律被統一成一條定律，給出了物體質量隨速度增長的關系式以及質能關系式E=mc2，後者反映了質量與能量的等效關系。
（2）廣義相對論。
從1907到1915年，愛因斯坦提出並建立了廣義相對論。這個理論的出發點是引力質量和慣性質量相等這一事實，由此可以提出等效原理的假設：引力場同參照系的相當的加速度在物理上完全等價。根據廣義相對論，萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現。空間、時間的彎曲結構，決定於物質的能量密度與動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結構，又反過來決定物體的運行軌道。愛因斯坦由廣義相對論作出的譜線紅移、光線彎曲、行星軌道近日點運動的預言，已經被一些實驗證實。
2.量子力學
量子力學是研究微觀粒子基本運動規律的理論。1923年，德布羅意（Louis de Broglie，1892—）提出物質波理論，開創了量子力學的時代。德布羅意認為，不僅光有波粒二象性，實物粒子也有波粒二象性。他還把描寫物質粒子性的物理量與描寫物質波動性的物理量聯系起來，寫出了以他的名字命名的關系式。1926年，薛定諤(1887--1961)根據德布羅意物質波思想，引入波函數，得出了量子力學的基本方程--薛定諤方程（波動方程），還進而建立了微擾理論，詳細計算了散射等問題，完成了波動力學的創建工作。
差不多同時，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976）等人從量子化條件出發建立了矩陣力學，並成功地解決了氫原子能級、斯塔克效應、氫原子在電場和磁場中能級的移動等問題。波動力學和矩陣力學是從兩個不同的方面研究一個共同的問題，它們的效果是相同的，可以通過數學變換從一個理論轉換為另一理論。人們把波動力學和矩陣力學合在一起，統稱為量子力學。1925—1930年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）對量子力學理論作了全面總結，還建立了相對論量子力學。
3.現代物理學的各個領域
（1）量子光學和現代光學。
1900年，普朗克（Max Planck，1858—1947）在解釋黑體輻射時提出了能量子假說，認為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發射，能量子是不連續的，其大小隻能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數乘積的整數倍。1905年愛因斯坦發展了普朗克的能量子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，提出了光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應。其後的康普頓效應進一步證明了光量子理論。
量子力學的理論表明，光既具有波的性質，也具有粒子的性質，即波粒二象性。但光子不同於17世紀微粒說中的粒子，光子是和光的頻率聯系著的。
20世紀60年代前後，激光器的問世、全息攝影技術的應用、光纖通訊的發展、紅外技術和遙感技術的出現，使光學進入現代光學的新時代，形成一些新的分支學科或邊緣學科，如傅里葉光學、非線性光學、激光光譜學、集成光學等。
（2）原子物理。
1911年，盧瑟福（Ernst Rutherford，1871—1937）通過實驗提出原子的有核模型，但在經典物理下，該模型同原子的穩定性發生了矛盾。1913年，玻爾（Niels Bohr，1885—1962）將量子觀念引入原子系統，通過定態假設和頻率假設兩個假說建立了他的原子結構理論，並成功地解釋了氫原子光譜規律。後來，人們又提出空間量子化的概念，研究了原子的殼層結構，發現了電子的自旋，不斷修正了原子結構理論。
這種在量子力學之前形成的原子理論，是有很大局限性的，其關鍵在於未能用波粒二象性去考慮原子問題。在這個理論中，研究范圍每擴大一步，一般都要附帶進若干新的假設或某些經驗公式，因此它不是一種完整的理論。只有以量子力學為基礎對原子結構進行研究，才能得到原子結構的精確描述。
（3）原子核物理。
原子核物理研究原子核的特性、結構和變化。1920年以前，盧瑟福等人發現了質子，1932年查德威克（James Chadwick，1891—1974）發現中子，從此人們認識到原子核是由質子和中子構成的。此後，人們曾提出各種核模型假設來解釋原子核的某些運動規律和現象。這些模型比較重要的有液滴模型、α粒子模型、費米氣體模型、殼層模型、單粒子殼模型、多粒子殼模型、集體運動模型、統一模型等等。但直到目前還沒有一個模型能夠解釋所有的實驗事實，原子核結構仍然是人們正在進行探索的一個重大課題。
早在1896年，人們就發現了天然放射性現象，使傳統的元素不變的觀念受到巨大沖擊。從1919年起，人們又實現了原子核的人工蛻變，這是實現人工核反應的重大突破。1938年，用中子轟擊鈾導致了核裂變的發現，根據相對論的質能關系，核裂變的質量虧損會產生巨大的能量。1942年，第一座原子反應堆在美國芝加哥大學建成並開始運轉，開始了人類利用原子能的新紀元。1952年以後，人們又實現了輕核聚變，產生了比裂變大得多的能量。
（4）粒子物理。
目前實驗上所能探測到的物質結構最深層次的研究，稱為粒子物理學，也稱為高能物理學。1932年安德森（Carl Darid Ander-son，1905—）在宇宙射線中發現了正電子，標志著粒子物理學的誕生。隨後逐步發現了一系列新的粒子。早期發現的粒子，都是來自宇宙射線，50年代以後，由於各種加速器相繼問世，大批粒子不斷地被發現。到目前為止，已經發現的粒子有幾百種之多，而且看來還會不斷有新的發現。
①粒子之間的四種相互作用。
粒子之間存在著復雜的相互作用，能夠產生和消滅。粒子之間有四種相互作用：引力相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和強相互作用。四種相互作用都是隨著粒子之間距離的增加而減弱。引力作用和電磁作用是隨著距離的改變按照平方反比的規律變化，屬於長程力。弱作用和強作用隨著距離的增加，比平方反比的減弱還要快得多，屬於短程力。按照所參與相互作用的不同，可以把已發現的粒子分為三大類：規范粒子、輕子和強子。
② 對稱性及其對應的守恆定律。
對稱性的研究為建立粒子物理理論提供了線索。物理規律的某種對稱性對應著相應的守恆定律。在宏觀物理中成立的質能守恆、角動量守恆、動量守恆和電荷守恆，在粒子物理中仍舊有效。此外，粒子運動還遵守重子數守恆、電輕子數守恆和μ輕子數守恆等守恆定律。粒子物理中還有一些在某種相互作用中受到破壞的守恆定律，如宇稱守恆定律在弱相互作用下就不成立。
③ 強子的內部結構。
從本世紀50年代開始，人們意識到強子具有內部結構並得到了實驗證實。1964年，蓋爾曼（Murry Gell-Mann，1929—）提出強子結構的誇克模型。1974年，丁肇中（1936—）和里希特（Burton Richter，1931—）同時發現了J/ψ粒子，為誇克模型的真實性提供了有力的證據。理論上預言有六種誇克，現在已經發現了五種，第六種誇克的實驗發現還有待於進一步的證實。雖然誇克在強子內部可以相當自由的運動，但即使用目前最大的加速器也沒能將誇克打出來。很多人認為這是「誇克禁閉」造成的。因為誇克之間的相互作用是通過交換膠子實現的，膠子在強子內部起「粘膠」作用，有八種不同色荷的膠子以不同形式把誇克粘合在一起，在誇克之間傳遞相互作用。1979年，丁肇中等人在實驗中證實了膠子的存在，給研究強相互作用的量子色動力學以有力的支持。
④量子場論。
波粒二象性，以及粒子的產生和消滅，是微觀、高速物理中的普遍現象。在高能情況下，不可能像在非相對論情況中那樣來區分粒子和場。把粒子和場統一處理並能反映粒子轉化的基本理論叫做量子場論。從1927年起經過二十多年時間由狄拉克等人建立的量子電動力學是最早的量子場論。在量子電動力學中，各種粒子均用相應的量子場來描述。空間、時間中的每一點的量子場均以算符來表示，稱為場算符。場算符滿足正則對易關系與形式上的哈密頓方程。在薛定諤方程的基礎上，加進產生與湮滅算符，叫做二次量子化。重整化方法的引入，使量子電動力學成為一個完整的描繪微觀電磁相互作用的精確理論，理論和實驗之間的符合達到驚人的程度。但是，量子電動力學本身在邏輯上不夠自洽，其研究方法在向弱相互作用和強相互作用擴展時也遇到了難以克服的困難。
⑤規范場論。
最有可能把四種相互作用統一起來的量子場論是近年來崛起的規范場論。該理論企圖在進行超對稱的局部變換時，讓方程中所涉及的每一種對稱性都引入一種規范場，從而將包括引力在內的四種相互作用都包含在一個共同的理論框架之中，實現全面的大統一。1961年格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932—）提出弱相互作用和電磁相互作用統一的理論模型。1967年和1968年，溫伯格（Steven Weinberg，1933—）和薩拉姆（Abs Salam，1926—）在規范場論基礎上實現了弱相互作用和電磁相互作用的統一，並為一系列實驗所證明。
（5）量子統計物理。
1900年普朗克提出能量子假設，也標志著初期量子統計的開端。在經典統計方法中加進能量量子化的假設，可以成功地推導出與黑體輻射實驗相符的普朗克公式，還可以推導出與實驗符合得很好的固體比熱公式和多原子氣體比熱公式。量子力學的建立改變了經典統計力學的統計方法，形成了量子統計物理。
量子統計與經典統計的區別，主要反映在以下四點：
① 由於能量的變化是不連續的，能量在相空間中的代表點不是充滿各處，而僅僅存在於某一些區域中，因此經典統計中的相空間積分應當改為直接求各能級的分配數的總和；
② 由於全同粒子的不可辨別性，相同粒子的互換不能算作一個新的微觀態；
③ 由於測不準關系的限制，相空間的小體積不能取得任意小；
④ 費米子由於受泡利不相容原理的限制，每一相格只容許至多一個粒子，而對於玻色子，每一相格所容許的粒子數目沒有限制，因此對費米子和玻色子要用不同的方法進行統計。
用量子統計，能夠精確地解釋黑體輻射、金屬中自由電子的比熱等問題，並可導出熱力學第三定律。
（6）凝聚態物理。
凝聚態物理研究凝聚態（固態與液態）物質的微觀結構、物理性質及其內部運動規律。它是由固體物理學發展起來的，是現代物理學中最龐大的一個分支。它包括了固體物理學、晶體學、金屬物理學、半導體物理學、超導體物理學，還包括近年來興起的表面物理學、非晶態物理學等等。下面簡單介紹一下其中的固體物理學、半導體物理學和超導體物理學。
①固體物理。
固體物理學主要的研究對象是晶態固體。19世紀，人們就已經積累了關於晶體幾何結構的大量知識。20世紀初，實驗和理論都為固體物理學的建立提供了堅實的基礎。1912年，勞厄（Maxvon Lane，1879—1960）首先指出晶體可以作為X射線的衍射光柵，使人們通過實驗觀測對晶體結構有了較深入的了解。量子理論的發現，使人們能夠更加深入和比較正確地描述晶體內部微觀粒子的運動過程。在這個基礎上，1928年布洛赫（F.BLoch，1905—）提出，晶體中原子的周期排列形成了對自由電子運動有影響的周期性勢場，在這種勢場中，電子占據的、彼此相隔很近的可能能級形成能帶，能帶間有一定的間隙，稱為禁帶。這個能帶理論為固體提供了一個普遍適用的微觀模型。固體能帶論和晶格動力學使固體物理學成為一門系統的基礎學科，在處理晶體性能方面獲得了重大成功。例如，這些理論得出了區分導體、半導體和絕緣體的微觀判據，形成了位錯、晶體缺陷等方面系統的理論。
②半導體物理。
能帶理論為半導體物理的發展奠定了基礎。半導體是依靠導帶中的電子或價帶中的空穴導電的，其導電性能可通過摻入雜質原子取代原來的原子而進行控制。近年來，半導體物理的研究已經深入和擴展到半導體能帶超精細結構的研究、半導體發光機制及半導體光導性質的研究等領域，表面物理也成為半導體物理學的一個重要研究內容。半導體物理的研究導致了1947年晶體管的發明和1959年集成電路的發明。當代集成電路技術與計算機技術的結合，已從根本上改變了整個工業、甚至整個社會的面貌，促進了新的世界技術革命的到來。
③超導物理。
超導體物理學研究超導現象和超導體材料的特性。當溫度下降到臨界溫度時金屬突然失去電阻的現象稱為超導現象。它是1911年由昂內斯（H.K.Onnes，1853—1926）首先發現的。1933年發現了超導體的完全抗磁性，即邁斯納效應。1958年巴丁（Jhon Bardeen，1908—）等人提出了一個超導現象的微觀理論，大體上說明了超導現象的起源。1962年，人們發現了超導隧道效應，還提出了電子——聲子相互作用的強耦合超導理論。目前世界各國都在加緊對高溫超導材料的研究，已經研製出超導溫度為攝氏零下幾十度的高溫超導材料。
（7）天體物理。
天體物理研究天體的物質結構以及天體的形成和演化。從20世紀30年代到60年代，逐漸形成了關於恆星的比較統一的理論。恆星的前身（星胚）是由彌漫稀薄的星際物質通過引力塌縮而凝聚成密度較大的氣體和塵埃雲。在塌縮過程中星胚中心密度增大、溫度增高，逐漸發熱發光，形成星前天體。引力收縮是星前天體的能源。當星胚核心溫度升高到一千萬度時，氫核聚變開始成為主要能源，這時進入主星序階段，一個真正的恆星便形成了。據計算，恆星只用幾百萬年甚至幾十萬年就走完了星前階段，而主星序則長達10億年到100億年。恆星演化的末期，將出現三類天體：白矮星、中子星和黑洞。目前，白矮星和中子星已被大量發現，黑洞的發現尚有待於進一步證實。在宇宙整體的研究方面，人們提出了宇宙膨脹理論和大爆炸理論，並且找到了一些實驗證據。
（8）非平衡統計物理。
非平衡統計物理研究處於非平衡態的物質系統。經典統計力學認為，物質系統的演化是一種從有序到無序的不可逆過程。但生物界的有些現象卻與此相反，如生物的進化就是從低級到高級、從無序到有序乃至高度有序發展的。這樣，物理學和生物學這兩種演化觀就表現出尖銳的對立。這告訴我們，物理系統也應存在著從無序到有序的演化過程。1969年，普里高津（N.G.Pri- gogine，1917—）提出耗散結構理論，為尋找從無序到有序提供了新的思想。普里高津認為，處在遠離平衡態的不穩定狀態的開放系統，如果內部各要素間存在著非線性的相互作用，在穩定性被破壞後，可能向新的穩定狀態進行，在這個過程中，可以出現有序結構（耗散結構）。1973年，哈肯（Hermann Haken，1927—）從另一角度提出了一種研究從無序到有序的理論——協同學，它是一種產生自組織有序結構和功能行為的理論。
（9）生物物理。
生物物理學用物理學的理論和實驗技術研究生命現象。從20世紀30年代到50年代，一批物理學家在晶體分析技術的基礎上，逐步弄清了蛋白質的基本結構。1944年，薛定諤用量子力學的觀點討論了遺傳問題，他設想，基因是一種同分異構的連續體構成的非周期性晶體，在它的巨大數量的原子或原子群的排列組合中，蘊含著一種微型密碼，這種密碼形成遺傳信息。50年代初，一些物理學家開始對遺傳的物質基礎DNA（脫氧核糖核酸）進行結構細節的晶體研究。1953年，物理學家克里克（F.H.C.Crick，1916—）和病毒遺傳學家沃森（J.D.Watson，1928—）一起，提出了DNA雙螺旋結構的分子模型，並提出DNA分子結構的遺傳含義。他們認為，DNA雙螺旋結構就是攜帶著遺傳密碼的基因，一個DNA分子能夠復制出兩個完全相同的DNA分子。在DNA如何控制蛋白質合成的進一步探究中，物理學家伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）根據排列組合提出「三聯體密碼子」假說，提出共有64種遺傳密碼。到1969年，這64種遺傳密碼已全部測出並被列成密碼表。遺傳信息之謎的破譯，是20世紀自然科學最偉大的成就之一。