如下哪些材料属于固体物理学研究范畴

‘壹’ 固体物理学的介绍

固体物理学（solid state physics）是研究固体的物理性质、微观结构、固体中各种粒子运动形态和规律及它们相互关系的学科。物理学的重要分支，涉及力学、热学、声学、电学、磁学和光学等各方面的内容。固体的应用极为广泛，各个时代都有自己特色的固体材料、器件和有关制品。现代固体物理形成于20世纪前40年代，它是先进的微电子、光电子、光子等各项技术和材料科学的基础，其重要性是显然的。1固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。

‘贰’ 固体物理的学科

从电子、原子和分子的角度研究固体的结构和性质(主要是物理性质) 的一门基础理论学科。它和普通物理、 热力学与统计物理、金属物理、材料科学、特别是量子力学等学科有着密切关系。例如，固体物理也讨论晶体学、 晶体的结合键、晶体缺陷、扩散、相图等问题。但它着重研究的是晶格振动和晶体的热学性质、固体电子论(包括自由电子论和能带理论)、半导体、固体的磁性、超导体等专题。

‘叁’ 固体物理

固体物理(材料科学与工程系列)
目录: 第1章绪论1 1.1人类对固体的研究历史1 1.2自然界中的固体及固体物理学4 本章参考书7 第2章化学键与晶体形成8 2.1离子键和离子晶体11 2.2共价键和共价晶体14 2.3金属键和典型金属15 2.4原子、分子固体16 本章参考书18 附录团簇电荷的偶极相互作用19 习题19 第3章固体结构21 3.1晶体的几何描述21 3.2对称性与晶格结构的分类25 3.2.1由二维晶格的对称性推导二维布喇菲点阵的分类27 3.2.2三维晶格中布喇菲点阵的分类和点群符号29 3.3晶体结构的形成33 3.3.1金属和元素晶体的结构33 3.3.2泡林规则和离子晶体的结构35 3.4倒易点阵与布里渊区39 3.4.1倒易点阵40 3.4.2布里渊区42 3.5晶格结构测定与衍射44 3.5.1X射线衍射、电子衍射与中子衍射46 3.5.2衍射理论50 3.6非晶体和准晶体的结构58 3.7软性凝聚体： 液晶和凝胶的结构64 本章参考书71 习题72 第4章晶格振动和固体热性质74 4.1固体中热现象的研究历史74 4.2晶格动力学76 4.2.1晶格振动与声子76 4.2.2声学支和光学支的色散关系82 4.2.3声子能谱的测定86 4.3固体热性质89 4.3.1固体比热容的爱因斯坦模型91 4.3.2固体比热容的德拜模型93 本章参考书99 习题99 第5章固体电子理论100 5.1传统电子导电理论： 德鲁德模型101 5.2自由电子费密气体： 索末菲模型108 5.3自由电子模型的局限性115 5.4布洛赫能带理论116 5.5能带的计算120 5.5.1紧束缚近似122 5.5.2弱晶格势近似125 5.6能带电子的准经典近似和有效质量127 5.7金属中的费密面130 5.7.1碱金属130 5.7.2贵金属131 5.7.3二价金属131 本章参考书131 习题132 第6章固体的电性质： 输运过程134 6.1能带电子的输运过程、导体134 6.1.1能带电子的非平衡量子统计、固体按电性质分类135 6.1.2导体的直流电导率和热导率138 6.2半导体140 6.2.1半导体的特性140 6.2.2载流子的浓度和迁移率145 6.2.3p\|n结，半导体\|金属结，MOS晶体管和半导体超晶格154 6.3超导体163 6.3.1传统超导体和高温超导体的特性163 6.3.2BCS理论及其局限性169 本章参考书173 习题173 第7章固体的磁性176 7.1原子磁矩的量子力学根源178 7.2抗磁性与顺磁性182 7.2.1抗磁性182 7.2.2顺磁性183 7.2.3传导电子的泡利顺磁性185 7.3铁磁性与反铁磁性185 7.3.1铁磁体和亚铁磁体185 7.3.2反铁磁体190 7.3.3铁磁性和反铁磁性的量子力学解释： 海森堡模型190 7.4中子的磁性衍射和自旋波192 7.4.1顺磁体的中子磁性衍射193 7.4.2铁磁体和反铁磁体的中子磁性衍射193 7.4.3中子的非弹性磁性衍射： 自旋波能谱的测量194 7.4.4自旋波对铁磁体比热容的贡献194 7.5核磁共振和电子自旋共振195 本章参考书197 附录朗道磁矢量势和洛伦兹力197 习题198 第8章固体的介电性质和光学性质199 8.1电极化过程200 8.2介电击穿、压电体和铁电体206 8.3光在固体中的传播210 8.4固体的发光机制214 本章参考书216 习题216 正文索引（按照第一个字的汉语拼音排列）218 习题参考答案233 附录A物理学常数及单位制换算239 附录B化学元素英文名称与符号一览表及化学元素周期表240
从电子、原子和分子的角度研究固体的结构和性质(主要是物理性质) 的一门基础理论学科。它和普通物理、 热力学与统计物理、金属物理、材料科学、特别是量子力学等学科有着密切关系。例如，固体物理也讨论晶体学、 晶体的结合键、晶体缺陷、扩散、相图等问题。但它着重研究的是晶格振动和晶体的热学性质、固体电子论(包括自由电子论和能带理论)、半导体、固体的磁性、超导体等专题。
第1章 绪论1 1.1 古希腊的原子论1 1.2 固体物理的发展史4 1.3 自然界中的固体及固体物理学7 本章小结10 本章参考文献10 第2章 化学键和晶体形成11 2.1 原子的量子模型12 2.2 离子键和离子晶体15 2.3 共价键和共价晶体19 2.4 金属键和典型金属23 2.5 原子和分子固体25 本章小结29 本章参考文献30 本章习题30 第3章 固体结构32 3.1 晶体的几何描述32 3.2 对称性与晶格结构的分类36 3.2.1 对称性与二维布拉菲点阵的分类37 3.2.2 点群与三维布拉菲点阵的分类39 3.3 晶体的自然结构43 3.3.1 元素晶体的结构43 3.3.2 化合物的结构： 泡林规则47 3.4 倒易点阵和布里渊区51 3.4.1 倒易点阵51 3.4.2 布里渊区53 3.5 衍射与晶体结构的测定56 3.5.1 X射线衍射、电子衍射和中子衍射58 3.5.2 衍射理论65 3.6 无序固体结构71 3.6.1 非晶体73 3.6.2 准晶体75 3.6.3 液晶78 本章小结85 本章参考文献86 本章习题87 第4章 晶格振动和固体热性质89 4.1 爱因斯坦声子模型91 4.2 德拜声子模型94 4.3 晶格动力学和中子衍射98 4.3.1 晶格动力学98 4.3.2 光学支和声学支101 4.3.3 声子能谱的中子衍射测定105 本章小结108 本章参考文献109 本章习题109 第5章 固体电子理论111 5.1 德鲁德模型： 自由电子气体113 5.2 索末菲模型： 自由电子费密气体117 5.2.1 电子的比热容121 5.2.2 电导率和热导率123 5.2.3 电子从金属表面的热发射125 5.2.4 霍尔效应127 5.3 能带理论129 5.3.1 布洛赫定理130 5.3.2 紧束缚模型132 5.3.3 弱晶格势近似136 5.3.4 密度泛函理论与能带计算法的介绍139 5.3.5 真实能带和费密面141 5.3.6 半经典模型和有效质量146 本章小结149 本章参考文献149 本章习题151 第6章 固体的电性质： 输运过程154 6.1 导体155 6.2 半导体159 6.2.1 半导体的特性161 6.2.2 载流子浓度和迁移率167 6.2.3 半导体器件的基本概念179 6.3 超导体189 6.3.1 超导体的特性191 6.3.2 唯象理论194 6.3.3 微观BCS理论199 本章小结202 本章参考文献202 本章习题204 第7章 固体的磁性207 7.1 磁性的量子力学根源210 7.1.1 单原子近似： 原子磁矩211 7.1.2 自由电子近似： 朗道能级214 7.2 磁性的类别217 7.2.1 抗磁性217 7.2.2 顺磁性219 7.2.3 铁磁性225 7.2.4 反铁磁性和亚铁磁性230 7.3 自旋与基本粒子的相互作用233 7.3.1 中子磁性衍射和磁结构233 7.3.2 自旋波与中子非弹性散射235 7.3.3 电子自旋共振和核磁共振239 本章小结242 本章参考文献243 本章习题245 第8章 固体的介电性质和光学性质247 8.1 固体的光性质、电性质和磁性质的统一249 8.2 洛伦兹光学模型和电极化过程251 8.2.1 德鲁德金属光学模型256 8.3 激光： 爱因斯坦的受激辐射理论258 8.3.1 辐射的量子力学理论258 8.3.2 微波激射器和激光器260 本章小结263 本章参考文献264 本章习题265 索引266

‘肆’ 固体物理学

固体物理就是研讨固体（主要是晶体）材料物理特性的一门科学。它是从固体中的原子和电子状态的根本特点出发来讨论固体的物理性质，所以是最基础的、又同专业关系最密切的一门课程，它也讨论非晶体材料的性质，是学习金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学等的基础、先行课程。
虽然固体物理主要是讨论固体材料的问题，但是实际上对于讨论液体、气体材料也有参考价值。对于物理类和电子科学类的专业，固体物理是必修课。

‘伍’ 电介质物理学的一般性质

电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化 ：① 原子核外的电子云分布 产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化 ；②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移极化；③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。电介质极化时，电极化强度矢量P与总电场强度E的关系为P=ε0χeE，ε0为真空电容率，χe为电极化率，εr=1+χe称为相对电容率（见电极化强度 ，电极化率）。电极化率或电容率与外电场的频率有关。对静电场或极低频电场，上述3种极化类型都参与极化过程 ，一定电介质的电容率为常量。电场频率增加时，转向极化逐渐跟不上外电场的变化，电容率变为复数，虚部的出现标志着电场能量的损耗，称为介电损耗。频率进一步增加时，转向极化失去作用，电容率减小。在红外线波段，电介质正、负电中心的固有振动频率往往与外场频率一致，从而产生共振，表现为电介质对红外线的强烈吸收。在吸收区，电容率的实部和虚部均随频率发生大起大落的变化。在可见光波段，位移极化也失去作用，只有畸变极化起作用。光频区域的电容率实部进一步减小，它对应电介质的折射率，虚部决定了对光波的吸收。在强电场（如激光）作用下，极化强度 P 与电场强度E不再有线性关系 ，这使电介质表现出种种非线性效应（见非线性光学）。各向异性晶体的电容率不能简单地用一个数来表示，需用张量表示。
固态电介质分布很广而因具有许多可供利用的性质如电致伸缩、压电性、热电性和铁电性等，引起了广泛的研究，但过去多限于讨论它们的宏观性质。实际上，这些性质是与固体（晶体）内在结构、内部原子（离子）以及电子（主要指束缚电子）的运动密切相关的。现在，固态电介质物理与固体物理、晶体学和光学有着许多交叠的领域；特别是激光出现以后，研究电介质与激光的相互作用，又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学和固态光学（固体光学性质）的重要内容。 离子晶体中点阵振动的光频波导致点阵的电极化；这类光频波和离子的位移极化所引起的介电性质和对光的红外吸收与喇曼散射以及一些特殊的光学性质，长期以来就是固体物理的研究对象；也属电介质物理和光学的研究范畴。碱卤晶体中的F 心以及与之相关的各种色心，人们从30年代起，就不断地进行研究，推动了固体物理的发展，对于固体发光、固体激光的发展也起着促进作用。近年来，研究色心激光并发展可调的红外色心激光器是很受重视的课题。为了研究F心，当初所提出关于离子晶体中电子自陷的极化子模型即运动电子和它周围畸变势的总体，现在已成为探讨离子性介电晶体和带有离子性（键）的半导体包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族半导体中电子过程的研究对象。这些也是电介质物理研究的范畴。
固体（晶体）中的电极化过程，实际上是点阵的集体运动。研究电极化的集体运动是固体元激发理论的一部分。极化子就是一种元激发（见固体中的元激发）。按固体元激发理论，固体的介电常数不仅是频率的函数，而且也是极化波矢 k的函数；后者称为空间色散。研究介电函数ε（ω，k）的规律与电极化元激发性质的关系又会使固态电介质物理发展到一个新阶段。
当前固态电介质物理的研究重点，还在于研究无机电介质材料的机电、电光和铁电等性质。 没有中心反演对称的一些带有离子性（键）的晶体，在电场作用下，内应力与外电场强度成正比，具有一阶的电致形变效应，这个效应显着。这些非中心对称的晶体称为压电晶体；它们在外界压力的作用下，通过内部的电极化过程，使晶体表面出现面电荷，这称为压电效应。压电晶体种类很多，最常见而用得广的有石英、罗谢耳盐、KDP、ADP、LiNbO3、LiTaO3等等。一些具闪锌矿结构的晶体，如GaAs、CuCl、ZnS、lnP等，它们是压电半导体。还有压电陶瓷如 PZT。石英晶体作为无线电频的振荡器，就利用了它的逆压电效应，特别是它的热胀系数很小，具有（机械）稳频作用，在电信上、电子技术上应用很广。罗谢耳盐用作为耳塞听筒或电唱头的材料，是由于它的压电性能强而制作较简易，ADP则是水声（声呐）的听音器的重要材料。现在应用最广的是压电陶瓷 PZT。研究压电晶片的切型及其振荡模式是40年代以来固体电介质物理的重要课题。压电方面的研究成果在技术上得到广泛的应用，促进了无线电技术、超声技术、水声技术的发展，在激光技术上也有重要应用。
透明的（包括红外透明但可见光区不透明的）压电晶体是电光晶体（具有一阶电光效应），它们的折射率可以通过外加电场而灵敏地改变，在激光调制上有重要的用途。KDP、 CuCl、GaAs等是重要的电光晶体。新型的电光晶体有铌酸锶钡（BSN）、铌酸钡钠（BNN）等。透明的压电陶瓷PLZT也是新型的电光材料。 介电晶体有很重要的一类，例如BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3等，叫铁电体；在各自一定的特征温度（称为铁电的居里温度）之下，晶体中出现自发极化，并且自发极化可以随外电场反向而反向；在交变电场作用下，显示电滞回线。拿钛酸钡来说，它在120℃以上，没有自发极化，晶体结构属立方晶系。当温度降至120℃以下，晶体出现自发极化，与此同时，结构的对称性降低（如温度在5℃以上，则结构属正方系），出现电滞回线，晶体中形成电畴。自发极化的出现，总伴随着结构的变化，对称性的降低（对称性破缺），是一种相变过程。钛酸钡在120℃以上时，晶体中没有自发极化，是为顺电相。顺电相的钛酸钡具有反演对称中心，不是压电晶体。在120℃以下，铁电相的钛酸钡不具有反演对称中心，成为压电晶体、 电光晶体，也是热电晶体。室温下，TGS、LiNbO3也是铁电体。KDP、ADP在室温附近是压电晶体、电光晶体；但KDP在-150℃以下才是铁电体，ADP在-125℃以下是反铁电体。石英与GaAs和CuCl是压电晶体，但不是铁电体。铁电体必是压电体、热电体，如果对光透明的话，也就是电光晶体。BSN、BNN是铁电电光晶体而GaAs、CuCl则是压电电光晶体；前者的工作电压比后者低得多，在这一点上说，前者比后者优越。
研究铁电体的相变即研究自发极化发生的机理是固态电介质物理也是固体物理的主要课题。现在知道，晶体中自发极化的出现是与点阵振动的某一振动频率〔例如，横光频支（TO）的振动频率〕趋于零值（ωTO→0）有关的。频率趋于零值的振动模式叫做软模。这方面已发展成铁电软模理论。实际上，软模理论对一般固态相变例如合金相变问题也原则上适用。 通常研究电极化问题时，外加电场甚弱、极化强度与外场成正比，这是线性极化。当外场增强，就可能出现非线性极化。但只在非中心对称的压电晶体、铁电晶体中才能观测到二阶的非线性极化，所以，过去已常把压电、铁电材料称为非线性电介质。激光的光电场很强，首先在石英晶体中观察到光倍频现象，其后用KDP、ADP可以很容易实现光倍频和光混频（包括差频与和频）以及参量振荡。利用LiNbO3可以使激光的频率连续可调。这些以及其他一些非线性光学效应的出现，引起了广泛的研究，从而发展为非线性光学学科。石英、KDP、ADP、CuCl、GaAs、LiNbO3、BSN、BNN以及PLZT等就成为非常重要的非线性光学介质。电介质物理与非线性光学有着广阔的交叠领域，但两者研究角度是不同的。电介质物理是研究激光作用下电光介质中的非线性电极化过程与介质结构的关系；把宏观的电光（非线性光学）性能与物质的微观组态联系起来，才可能有的放矢地发展制备出性能优异的非线性光学材料。看来，铁电电光材料会比压电电光材料优越，只是目前对于一些问题的规律尚掌握得不够，同时由于技术条件的限制，实际和要求之间还存在很大差距（例如，BSN、BNN在性能上远没有达到要求）。
把激光作为工具，研究固态电介质内的电极化过程，这就是固态电介质喇曼光谱的研究。在一定意义上说，这也就是研究点阵振动光频波与激光的相互作用；研究固态电介质中极化元激发（包括极化子,见固体中的元激发）与激光的相互作用。铁电电光的性能比较优越，就是由于晶体中存在自发极化，因此，研究铁电相变前后的（亦即软模的）激光喇曼散射，不仅可以揭示铁电相变过程的规律，而且也可以提供关于铁电电光性能的分析。所以，电介质物理与固态激光光谱学也有着宽广的交叠领域。 一些晶体在其内部能形成自发应变的小区域，称为铁弹畴 ，同一铁弹畴内的自发应变方向（畴态）相同，任两个铁弹畴的畴态相同或呈镜面对称。外加应力可使铁弹畴从一个畴态过渡到另一畴态。外应力改变时 ，应变滞后于应力变化，且应力与应变是非线性关系。在周期性外应力作用下，应变与应力的关系曲线类似于磁滞回线，称为力滞回线。以上性质称为铁弹性，具有铁弹性的电介质称为铁弹体。铁弹体的电容率 、折射率 、电导率 、热胀系数、导热系数、弹性模量和电致伸缩率等因方向而异，且这种方向性会随应力而变，利用这些特点在制造力敏器件上有着广泛的应用前景。

‘陆’ 固体物理学

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。

在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体。早在18世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。后来，布喇格在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。



1912年劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排搭渣列的对称性，直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。

第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起，人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善，成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的基本形式有密切关系。通常晶体结合的基本形式可分成：高子键合、金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质，或者依据晶体价电子的局域密度分布的自洽理论计算，人们可以准确地判定该晶体具有何种键合形式。

固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学性质的基础。维德曼和夫兰兹于1853年由实验确定了金属导热性和导电性之间关系的经验定律；洛伦兹在1905年建立了自由电子的经典统计理论，能够解释上述经验定律，但无法说明常温下金属电子气对比热容贡献甚小的原因；泡利在1927年首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性，索末菲在1928年用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。

布洛赫和布里渊分别从不同角度研究了周期场中电子运动的基本特点，为固体电子的能带理论奠定了基础。电子的本征能量，是在一定能量范围内准连续的能级组成的能带。相邻两个能带之间的能量范围是完整晶体中电子不许可具有的能量，称为禁带。利用能带的特征以及泡利不相容原理，威耳逊在1931年提出金属和绝缘体相区别的能带模型，并预言介于两者之间存在半导体，为尔后的半导体的发展提供理论基础。

贝尔实验室的科学家对晶体的能带进行了系统的实验和理论的基础研究，知扰悄同时掌握了高质量半导体单晶生长和掺杂技术，导致巴丁、布喇顿以及肖克莱于1947～1948年发明晶体管。



固体中每立方厘米内有1022个粒子，它们靠电磁互作用联系起来。因此，固体物理学所面对的实际上是多体问题。在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式，导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。

汉密尔顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动；1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体李游中原子的振动。他的模型很简单，各个原子独立地作同一频率的振动；德拜在1912年采用连续介质模型重新讨论了这问题，得到固体低温比热容的正确的温度关系；玻恩和卡门同时开始建立点阵动力学的基础，在原子间的力是简谐力的情况下，晶体原子振动形成各种模式的点阵波，这种波的能量量子称为声子。它对固体的比热容、热导、电导、光学性质等都起重要作用。

派尼斯和玻姆在1953年提出：由于库仑作用的长程性质，固体中电子气的密度起伏形成纵向振荡，称为等离子体振荡。这种振荡的能量量子称为等离激元。实验证明，电子束通过金属薄膜的能量损耗来源于激发电子气的等离激元。考虑到电子间的互作用，能带理论的单电子状态变成准电子状态，但准电子的有效质量包含了多粒子相互作用的效应。同样，空穴也变成准粒子。在半导体中电子和空穴之间有屏蔽的库仑吸引作用，它们结合成激子，这是一种复合的准粒子。

在很低的温度，由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象。其中最重要的是开默林-昂内斯在1911年发现金属汞在4.2K具有超导电性现象，迈斯纳和奥克森菲尔德在1933年又发现超导体具有完全的抗磁性。以这些现象为基础，30年代人们建立了超导体的电动力学和热力学的理论。

后来，伦敦在1946年敏锐地提出超导电性是宏观的量子现象，并预言磁通是量子化的。1961年果真在实验上发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，正好验证了库珀提出的电子配对的概念。弗罗利希在1950年提出超导电性来源于金属中电子和点阵波的耦合，并预言存在同位素效应，同年得到实验证实。

1957年巴丁、库珀和施里弗成功地提出超导微观理论，即有名的BCS理论。50年代苏联学者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立并论证了超导态宏观波函数应满足的方程组，并由此导出第二类超导体的基本特性。继江崎玲于奈在1957年发现半导体中的隧道效应之后，加埃沃于1960年发现超导体的单电子隧道效应，由此效应可求得超导体的重要的信息。不久，约瑟夫森在1962年预言了库珀对也有隧道效应，几个月之后果然实验证实了。从此开拓了超导宏观量子干涉现象及其应用的新领域。

固体磁性是一个有很久历史的研究领域。抗磁性是物质的通性，来源于在磁场中电子的轨道运动的变化。从20世纪初至30年代，经过许多学者努力建立了抗磁性的基本理论。范扶累克在1932年证明在某些抗磁分子中会出现顺磁性；朗道在1930年证明导体中传导电子的非局域的轨道运动也产生抗磁性，这是量子的效应；居里在1895年测定了顺磁体磁化率的温度关系，朗之万在1905年给出顺磁性的经典统计理论，得出居里定律。顺磁性的量子理论连同大量的实验研究，导致顺磁盐绝热去磁致冷技术出现，电子顺磁共振技术和微波激射放大器的发明，以及固体波谱学的建立。

在固体物理学中相变占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相干衡、相变动力学、临界现象等，19世纪吉布斯研究了相平衡的热力学。后来厄任费斯脱在1933年对各种相变作了分类。60年代以后，人们对发生相变点的临界现象做了大量研究，总结出标度律和普适性。卡达诺夫在1966年指出在临界点粒子之间的关联效应起重要作用。威耳逊在1971年采用量子场论中重正化群方法，论证了临界现象的标度律和普适性，并计算了临界指数，取得成功。



晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷，它们对固体的物性，以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷；大规模集成电路的工艺中控制和利用杂质及缺陷是极为重要的。贝特在1929年用群论方法分析晶体中杂质离子的电子能级的分裂，开辟了晶体场的新领域。数十年来在这领域积累了大量的研究成果，为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体激光器的出现准备了基础。

硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同，但其技术性能之所以强或硬，却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁，在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。

高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子堙没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向。

从60年代起，人们开始在超高真空条件下研究晶体表面的本征特性，以及吸附过程等通过粒子束(光束、电子束、高子束或原子束)和外场(温度、电场或磁场)与表面的相互作用，获得有关表面的原子结构、吸附物特征、表面电子态以及表面元激发等信息，加上表面的理论研究，形成表面物理学。

同体内相比，晶体表面具有独特的结构和物理、化学性质。这是由于表面原子所处的环境同体内原子不一样，在表面几个原子层的范围，表面的组分和原子排列形成的二维结构都同体内与之平行的晶面不一样的缘故。表面微观粒子所处的势场同体内不一样，因而形成独具特征的表面粒子的运动状态，限制粒子只能在表面层内运动并具有相应的本征能量，它们的行为对表面的物理、化学性质起重要作用。

非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类。一类是成分无序，在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子或者不同的磁矩；另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏，点阵失去意义。但近邻原子有一定的配位关系，类似于晶体的情形，因而仍然有确定的短程序。

例如，金属玻璃是无规密积结构，而非晶硅是四面体键组成的无规网络。20年代发现，并在70年代得到发展的扩展X射线吸收精细结构谱技术，成为研究非晶态固体原子结构的重要手段。

无序体系的电子态具有其独特的性质，安德森在他的富有开创性的工作中，探讨了无序体系中电子态局域化的条件，10年之后，莫脱在此基础上建立了非晶态半导体的能带模型，提出迁移率边的概念。

在无序体系中，电子态有局域态和扩展态之分。在局域态中的电子只有在声子的合作下才能参加导电，这使得非晶态半导体的输运性质具有新颖的特点。1974年人们掌握了在非晶硅中掺杂的技术，现在非晶硅已成为制备高效率太阳能电池的重要材料。

非晶态合金具有特殊的物理性质。例如，它们的电阻率较大而其温度系数小。有的材料有很大的拉伸强度，有的具有优异的抗腐蚀性，可与不锈钢相比。非晶态磁性合金具有随机变化的交换作用，可导致居里温度的改变(大多数材料居里温度变低)，同时在无序体系中，缺陷失去原有的意义。因而非晶态磁性固体可以在较低的外磁场下达到饱和，磁损耗减小。所以，非晶态合金具有多方面用途。

无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。目前对许多基本问题还存在着争论，有待进一步的探索和研究。

新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。

由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。

‘柒’ 近代物理学，现代物理学都包括哪些内容

现代物理学以相对论和量子力学为基础，它的研究范围已经扩展为从基本粒子到宇宙天体的各个领域，形成了许多分支学科和边缘学科。
1.相对论
爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）创建的相对论主要是时空的理论，它放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间，建立了相对论时空观，使物理观念发生了一场根本的变革。在相对论中，局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。
（1）狭义相对论。
1905年，爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论有两个基本假设：
① 相对性原理：所有惯性参考系都是等价的，物理规律对于所有惯性参考系都可以表述为相同形式；
② 光速不变原理：真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c，并与光源运动无关。
爱因斯坦从这两个假设出发，推导出两个惯性坐标系的时空变换关系即洛仑兹变换。从而彻底否定了“以太”的存在，并导出了运动刚体的“长度收缩”、运动时钟的“时间延缓”、同时的相对性及新的速度合成法则等。狭义相对论的时空观表明：第一，时间、空间和物质的运动是有密切联系的，时间和空间的特性是相对的，时间间隔和空间间隔的量度并不具有不变性，而是随物质运动状态的变化而变化的；第二，时间和空间存在着不可分割的联系，它们不能分割开来而独立存在，一切物理现象和过程都是在X、Y、Z和t的统一的四维连续区中存在着。
爱因斯坦把狭义相对论用于电动力学，证明了麦克斯韦方程组符合相对性原理，建立了相对论电动力学。在这里，电场和磁场已不再各自是一个矢量，而是一个反对称的四维张量，这个张量在不同的惯性系里按一定的规律变换。电场和磁场是这个统一的张量的不同分量，它们对于不同的惯性系表现出来的效应是不同的。在某一个惯性系中表现出的是一个纯粹的电场或磁场；在另一个惯性系中将同时表现出电场和磁场。这就是说，电磁场划分为电场部分和磁场部分，只具有相对意义，它与观察者所在的惯性系有关。
爱因斯坦还把相对论用于力学，建立了相对论力学。相对论力学能够正确地描述高速运动的规律，并且，当速度v<<c时，相对论力学能够过渡到经典力学。在相对论力学中，动量守恒和能量守恒这两条定律被统一成一条定律，给出了物体质量随速度增长的关系式以及质能关系式E=mc2，后者反映了质量与能量的等效关系。
（2）广义相对论。
从1907到1915年，爱因斯坦提出并建立了广义相对论。这个理论的出发点是引力质量和惯性质量相等这一事实，由此可以提出等效原理的假设：引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。根据广义相对论，万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现。空间、时间的弯曲结构，决定于物质的能量密度与动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构，又反过来决定物体的运行轨道。爱因斯坦由广义相对论作出的谱线红移、光线弯曲、行星轨道近日点运动的预言，已经被一些实验证实。
2.量子力学
量子力学是研究微观粒子基本运动规律的理论。1923年，德布罗意（Louis de Broglie，1892—）提出物质波理论，开创了量子力学的时代。德布罗意认为，不仅光有波粒二象性，实物粒子也有波粒二象性。他还把描写物质粒子性的物理量与描写物质波动性的物理量联系起来，写出了以他的名字命名的关系式。1926年，薛定谔(1887--1961)根据德布罗意物质波思想，引入波函数，得出了量子力学的基本方程--薛定谔方程（波动方程），还进而建立了微扰理论，详细计算了散射等问题，完成了波动力学的创建工作。
差不多同时，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976）等人从量子化条件出发建立了矩阵力学，并成功地解决了氢原子能级、斯塔克效应、氢原子在电场和磁场中能级的移动等问题。波动力学和矩阵力学是从两个不同的方面研究一个共同的问题，它们的效果是相同的，可以通过数学变换从一个理论转换为另一理论。人们把波动力学和矩阵力学合在一起，统称为量子力学。1925—1930年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）对量子力学理论作了全面总结，还建立了相对论量子力学。
3.现代物理学的各个领域
（1）量子光学和现代光学。
1900年，普朗克（Max Planck，1858—1947）在解释黑体辐射时提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数乘积的整数倍。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应。其后的康普顿效应进一步证明了光量子理论。
量子力学的理论表明，光既具有波的性质，也具有粒子的性质，即波粒二象性。但光子不同于17世纪微粒说中的粒子，光子是和光的频率联系着的。
20世纪60年代前后，激光器的问世、全息摄影技术的应用、光纤通讯的发展、红外技术和遥感技术的出现，使光学进入现代光学的新时代，形成一些新的分支学科或边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、激光光谱学、集成光学等。
（2）原子物理。
1911年，卢瑟福（Ernst Rutherford，1871—1937）通过实验提出原子的有核模型，但在经典物理下，该模型同原子的稳定性发生了矛盾。1913年，玻尔（Niels Bohr，1885—1962）将量子观念引入原子系统，通过定态假设和频率假设两个假说建立了他的原子结构理论，并成功地解释了氢原子光谱规律。后来，人们又提出空间量子化的概念，研究了原子的壳层结构，发现了电子的自旋，不断修正了原子结构理论。
这种在量子力学之前形成的原子理论，是有很大局限性的，其关键在于未能用波粒二象性去考虑原子问题。在这个理论中，研究范围每扩大一步，一般都要附带进若干新的假设或某些经验公式，因此它不是一种完整的理论。只有以量子力学为基础对原子结构进行研究，才能得到原子结构的精确描述。
（3）原子核物理。
原子核物理研究原子核的特性、结构和变化。1920年以前，卢瑟福等人发现了质子，1932年乍得威克（James Chadwick，1891—1974）发现中子，从此人们认识到原子核是由质子和中子构成的。此后，人们曾提出各种核模型假设来解释原子核的某些运动规律和现象。这些模型比较重要的有液滴模型、α粒子模型、费米气体模型、壳层模型、单粒子壳模型、多粒子壳模型、集体运动模型、统一模型等等。但直到目前还没有一个模型能够解释所有的实验事实，原子核结构仍然是人们正在进行探索的一个重大课题。
早在1896年，人们就发现了天然放射性现象，使传统的元素不变的观念受到巨大冲击。从1919年起，人们又实现了原子核的人工蜕变，这是实现人工核反应的重大突破。1938年，用中子轰击铀导致了核裂变的发现，根据相对论的质能关系，核裂变的质量亏损会产生巨大的能量。1942年，第一座原子反应堆在美国芝加哥大学建成并开始运转，开始了人类利用原子能的新纪元。1952年以后，人们又实现了轻核聚变，产生了比裂变大得多的能量。
（4）粒子物理。
目前实验上所能探测到的物质结构最深层次的研究，称为粒子物理学，也称为高能物理学。1932年安德森（Carl Darid Ander-son，1905—）在宇宙射线中发现了正电子，标志着粒子物理学的诞生。随后逐步发现了一系列新的粒子。早期发现的粒子，都是来自宇宙射线，50年代以后，由于各种加速器相继问世，大批粒子不断地被发现。到目前为止，已经发现的粒子有几百种之多，而且看来还会不断有新的发现。
①粒子之间的四种相互作用。
粒子之间存在着复杂的相互作用，能够产生和消灭。粒子之间有四种相互作用：引力相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用。四种相互作用都是随着粒子之间距离的增加而减弱。引力作用和电磁作用是随着距离的改变按照平方反比的规律变化，属于长程力。弱作用和强作用随着距离的增加，比平方反比的减弱还要快得多，属于短程力。按照所参与相互作用的不同，可以把已发现的粒子分为三大类：规范粒子、轻子和强子。
② 对称性及其对应的守恒定律。
对称性的研究为建立粒子物理理论提供了线索。物理规律的某种对称性对应着相应的守恒定律。在宏观物理中成立的质能守恒、角动量守恒、动量守恒和电荷守恒，在粒子物理中仍旧有效。此外，粒子运动还遵守重子数守恒、电轻子数守恒和μ轻子数守恒等守恒定律。粒子物理中还有一些在某种相互作用中受到破坏的守恒定律，如宇称守恒定律在弱相互作用下就不成立。
③ 强子的内部结构。
从本世纪50年代开始，人们意识到强子具有内部结构并得到了实验证实。1964年，盖尔曼（Murry Gell-Mann，1929—）提出强子结构的夸克模型。1974年，丁肇中（1936—）和里希特（Burton Richter，1931—）同时发现了J/ψ粒子，为夸克模型的真实性提供了有力的证据。理论上预言有六种夸克，现在已经发现了五种，第六种夸克的实验发现还有待于进一步的证实。虽然夸克在强子内部可以相当自由的运动，但即使用目前最大的加速器也没能将夸克打出来。很多人认为这是“夸克禁闭”造成的。因为夸克之间的相互作用是通过交换胶子实现的，胶子在强子内部起“粘胶”作用，有八种不同色荷的胶子以不同形式把夸克粘合在一起，在夸克之间传递相互作用。1979年，丁肇中等人在实验中证实了胶子的存在，给研究强相互作用的量子色动力学以有力的支持。
④量子场论。
波粒二象性，以及粒子的产生和消灭，是微观、高速物理中的普遍现象。在高能情况下，不可能像在非相对论情况中那样来区分粒子和场。把粒子和场统一处理并能反映粒子转化的基本理论叫做量子场论。从1927年起经过二十多年时间由狄拉克等人建立的量子电动力学是最早的量子场论。在量子电动力学中，各种粒子均用相应的量子场来描述。空间、时间中的每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。场算符满足正则对易关系与形式上的哈密顿方程。在薛定谔方程的基础上，加进产生与湮灭算符，叫做二次量子化。重整化方法的引入，使量子电动力学成为一个完整的描绘微观电磁相互作用的精确理论，理论和实验之间的符合达到惊人的程度。但是，量子电动力学本身在逻辑上不够自洽，其研究方法在向弱相互作用和强相互作用扩展时也遇到了难以克服的困难。
⑤规范场论。
最有可能把四种相互作用统一起来的量子场论是近年来崛起的规范场论。该理论企图在进行超对称的局部变换时，让方程中所涉及的每一种对称性都引入一种规范场，从而将包括引力在内的四种相互作用都包含在一个共同的理论框架之中，实现全面的大统一。1961年格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932—）提出弱相互作用和电磁相互作用统一的理论模型。1967年和1968年，温伯格（Steven Weinberg，1933—）和萨拉姆（Abs Salam，1926—）在规范场论基础上实现了弱相互作用和电磁相互作用的统一，并为一系列实验所证明。
（5）量子统计物理。
1900年普朗克提出能量子假设，也标志着初期量子统计的开端。在经典统计方法中加进能量量子化的假设，可以成功地推导出与黑体辐射实验相符的普朗克公式，还可以推导出与实验符合得很好的固体比热公式和多原子气体比热公式。量子力学的建立改变了经典统计力学的统计方法，形成了量子统计物理。
量子统计与经典统计的区别，主要反映在以下四点：
① 由于能量的变化是不连续的，能量在相空间中的代表点不是充满各处，而仅仅存在于某一些区域中，因此经典统计中的相空间积分应当改为直接求各能级的分配数的总和；
② 由于全同粒子的不可辨别性，相同粒子的互换不能算作一个新的微观态；
③ 由于测不准关系的限制，相空间的小体积不能取得任意小；
④ 费米子由于受泡利不相容原理的限制，每一相格只容许至多一个粒子，而对于玻色子，每一相格所容许的粒子数目没有限制，因此对费米子和玻色子要用不同的方法进行统计。
用量子统计，能够精确地解释黑体辐射、金属中自由电子的比热等问题，并可导出热力学第三定律。
（6）凝聚态物理。
凝聚态物理研究凝聚态（固态与液态）物质的微观结构、物理性质及其内部运动规律。它是由固体物理学发展起来的，是现代物理学中最庞大的一个分支。它包括了固体物理学、晶体学、金属物理学、半导体物理学、超导体物理学，还包括近年来兴起的表面物理学、非晶态物理学等等。下面简单介绍一下其中的固体物理学、半导体物理学和超导体物理学。
①固体物理。
固体物理学主要的研究对象是晶态固体。19世纪，人们就已经积累了关于晶体几何结构的大量知识。20世纪初，实验和理论都为固体物理学的建立提供了坚实的基础。1912年，劳厄（Maxvon Lane，1879—1960）首先指出晶体可以作为X射线的衍射光栅，使人们通过实验观测对晶体结构有了较深入的了解。量子理论的发现，使人们能够更加深入和比较正确地描述晶体内部微观粒子的运动过程。在这个基础上，1928年布洛赫（F.BLoch，1905—）提出，晶体中原子的周期排列形成了对自由电子运动有影响的周期性势场，在这种势场中，电子占据的、彼此相隔很近的可能能级形成能带，能带间有一定的间隙，称为禁带。这个能带理论为固体提供了一个普遍适用的微观模型。固体能带论和晶格动力学使固体物理学成为一门系统的基础学科，在处理晶体性能方面获得了重大成功。例如，这些理论得出了区分导体、半导体和绝缘体的微观判据，形成了位错、晶体缺陷等方面系统的理论。
②半导体物理。
能带理论为半导体物理的发展奠定了基础。半导体是依靠导带中的电子或价带中的空穴导电的，其导电性能可通过掺入杂质原子取代原来的原子而进行控制。近年来，半导体物理的研究已经深入和扩展到半导体能带超精细结构的研究、半导体发光机制及半导体光导性质的研究等领域，表面物理也成为半导体物理学的一个重要研究内容。半导体物理的研究导致了1947年晶体管的发明和1959年集成电路的发明。当代集成电路技术与计算机技术的结合，已从根本上改变了整个工业、甚至整个社会的面貌，促进了新的世界技术革命的到来。
③超导物理。
超导体物理学研究超导现象和超导体材料的特性。当温度下降到临界温度时金属突然失去电阻的现象称为超导现象。它是1911年由昂内斯（H.K.Onnes，1853—1926）首先发现的。1933年发现了超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应。1958年巴丁（Jhon Bardeen，1908—）等人提出了一个超导现象的微观理论，大体上说明了超导现象的起源。1962年，人们发现了超导隧道效应，还提出了电子——声子相互作用的强耦合超导理论。目前世界各国都在加紧对高温超导材料的研究，已经研制出超导温度为摄氏零下几十度的高温超导材料。
（7）天体物理。
天体物理研究天体的物质结构以及天体的形成和演化。从20世纪30年代到60年代，逐渐形成了关于恒星的比较统一的理论。恒星的前身（星胚）是由弥漫稀薄的星际物质通过引力塌缩而凝聚成密度较大的气体和尘埃云。在塌缩过程中星胚中心密度增大、温度增高，逐渐发热发光，形成星前天体。引力收缩是星前天体的能源。当星胚核心温度升高到一千万度时，氢核聚变开始成为主要能源，这时进入主星序阶段，一个真正的恒星便形成了。据计算，恒星只用几百万年甚至几十万年就走完了星前阶段，而主星序则长达10亿年到100亿年。恒星演化的末期，将出现三类天体：白矮星、中子星和黑洞。目前，白矮星和中子星已被大量发现，黑洞的发现尚有待于进一步证实。在宇宙整体的研究方面，人们提出了宇宙膨胀理论和大爆炸理论，并且找到了一些实验证据。
（8）非平衡统计物理。
非平衡统计物理研究处于非平衡态的物质系统。经典统计力学认为，物质系统的演化是一种从有序到无序的不可逆过程。但生物界的有些现象却与此相反，如生物的进化就是从低级到高级、从无序到有序乃至高度有序发展的。这样，物理学和生物学这两种演化观就表现出尖锐的对立。这告诉我们，物理系统也应存在着从无序到有序的演化过程。1969年，普里高津（N.G.Pri- gogine，1917—）提出耗散结构理论，为寻找从无序到有序提供了新的思想。普里高津认为，处在远离平衡态的不稳定状态的开放系统，如果内部各要素间存在着非线性的相互作用，在稳定性被破坏后，可能向新的稳定状态进行，在这个过程中，可以出现有序结构（耗散结构）。1973年，哈肯（Hermann Haken，1927—）从另一角度提出了一种研究从无序到有序的理论——协同学，它是一种产生自组织有序结构和功能行为的理论。
（9）生物物理。
生物物理学用物理学的理论和实验技术研究生命现象。从20世纪30年代到50年代，一批物理学家在晶体分析技术的基础上，逐步弄清了蛋白质的基本结构。1944年，薛定谔用量子力学的观点讨论了遗传问题，他设想，基因是一种同分异构的连续体构成的非周期性晶体，在它的巨大数量的原子或原子群的排列组合中，蕴含着一种微型密码，这种密码形成遗传信息。50年代初，一些物理学家开始对遗传的物质基础DNA（脱氧核糖核酸）进行结构细节的晶体研究。1953年，物理学家克里克（F.H.C.Crick，1916—）和病毒遗传学家沃森（J.D.Watson，1928—）一起，提出了DNA双螺旋结构的分子模型，并提出DNA分子结构的遗传含义。他们认为，DNA双螺旋结构就是携带着遗传密码的基因，一个DNA分子能够复制出两个完全相同的DNA分子。在DNA如何控制蛋白质合成的进一步探究中，物理学家伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）根据排列组合提出“三联体密码子”假说，提出共有64种遗传密码。到1969年，这64种遗传密码已全部测出并被列成密码表。遗传信息之谜的破译，是20世纪自然科学最伟大的成就之一。