固體物理學是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內部運動,以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關系的學科。固體的內部結構和運動形式很復雜,這方面的研究是從晶體開始的,因為晶體的內部結構簡單,而且具有明顯的規(guī)律性,較易研究。以后進一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內部結構、內部運動以及它們和宏觀物理性質的關系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學。
固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學和量子電動力學的規(guī)律。在晶體中,原子(離子、分子)有規(guī)則地排列,形成點陣。20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發(fā)展了 X射線衍射法,用以研究晶體點陣結構。第二次世界大戰(zhàn)以后,又發(fā)展了中子衍射法,使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。
在晶體中,原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式,可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究,高質量的半導體單晶生長和摻雜技術,為晶體管的產生準備了理論基礎。
電子具有自旋和磁矩,它們和電子在晶體中的軌道運動一起,決定了晶體的磁學性質,晶體的許多性質(如力學性質、光學性質、電磁性質等)常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣,有大量內部自由度,因此具有大量的集體運動方式,具有各式各樣的元激發(fā)。
晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關,晶體內部電子的運動和點陣的運動之間相耦合,也對固體的性質有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導現(xiàn)象;1960年發(fā)現(xiàn)的超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。
晶體內部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體,雖然化學成分相同,物理性質卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量:在低溫時,點陣處于能量最低的形式;當晶體的內部能量增高,溫度升高到一定數(shù)值,點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變,相變會導致晶體物理性質的改變,相變是重要的物理現(xiàn)象,也是重要的研究課題。
點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷:化學成分不會絕對純,內部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質(包括力學、電學、碰學、發(fā)光學等)以及功能材料的技術性能,常常會產生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中,控制和利用雜質和缺陷是很重要的晶體的表面性質和界面性質,會對許多物理過程和化學過程產生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域。
非晶態(tài)固體內部結構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質,使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域。