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出版者:Springer

作者:Kaplan, T. a.; Mahanti, S. D.; Kaplan, T. A.

出品人:

页数:250

译者:

出版时间:1995-11-30

价格:USD 189.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780306450105

丛书系列:

图书标签:

• 材料物理
• 材料学
• Solid State Physics
• Cluster Methods
• Electronic Structure
• Materials Science
• Computational Physics
• Condensed Matter Physics
• Fundamental Research
• Electronic Properties
• Physics
• Materials

Materials Science and Engineering: Principles and Applications A Comprehensive Textbook for Undergraduate and Graduate Students This textbook provides a thorough grounding in the fundamental principles of materials science and engineering, bridging the gap between theoretical physics and practical engineering applications. Designed for a rigorous, multi-semester sequence, it offers students the necessary conceptual framework and quantitative tools to analyze, select, process, and design materials for a vast array of technological challenges. Part I: Atomic Structure and Bonding in Solids The initial section establishes the necessary atomic and electronic foundation upon which all macroscopic material behavior rests. We begin with a detailed review of quantum mechanics relevant to condensed matter, focusing on the Schrödinger equation and the concepts of energy quantization and wave functions. Chapter 1: Review of Quantum Concepts and Atomic Structure This chapter revisits the historical development leading to the quantum mechanical description of the atom. It covers the Bohr model, its limitations, and the modern understanding based on the Schrödinger equation applied to hydrogenic atoms. Emphasis is placed on quantum numbers, electron spin, and the periodic table as a manifestation of orbital filling rules (Aufbau principle, Hund's rule, Pauli exclusion principle). We analyze the role of atomic size, ionization energy, and electron affinity in determining chemical reactivity and solid-state formation tendencies. Chapter 2: Chemical Bonding in Solids The core of this section lies in a quantitative comparison of the primary chemical bonds found in solids: ionic, covalent, metallic, and secondary (van der Waals and hydrogen bonds). Ionic Bonding: Detailed treatment using crystal field theory and Madelung energy calculations. Students will learn to predict crystal structures (e.g., NaCl, CsCl, Zincblende) based on stoichiometry and electrostatic stability (Radius Ratio Rules, Born-Landé equation). Covalent Bonding: Examination of hybridization ($sp, sp^2, sp^3$) and its implications for molecular geometry and the directional nature of these bonds in network solids like diamond and silicon. The concept of bond strength and anisotropy is introduced. Metallic Bonding: A comprehensive exploration of the Free Electron Model and its refinement through the introduction of the nearly free electron approximation and Brillouin zones. This section provides the initial groundwork for understanding electrical conductivity. Chapter 3: Crystal Structure and Symmetry This chapter delves into the geometrical arrangement of atoms. It starts with a meticulous study of crystallographic lattices, including Bravais lattices, unit cells (primitive and conventional), and Miller indices for describing crystal planes and directions. Detailed analysis of common crystal structures (FCC, BCC, HCP, diamond cubic) includes packing efficiency calculations and defect concentration estimations. Advanced concepts such as twinning, grain boundaries, and the use of reciprocal space for diffraction analysis (brief introduction to X-ray Diffraction principles) are covered, setting the stage for microstructural characterization later in the text. Part II: Thermodynamics and Kinetics of Materials Understanding why a material forms and how fast it changes requires a firm grasp of thermodynamics and kinetics. This part applies classical thermodynamic principles to material systems, focusing on phase equilibria and reaction rates. Chapter 4: Thermodynamics of Materials This chapter establishes the fundamental laws of thermodynamics as applied to solid and liquid phases. Key concepts include Gibbs Free Energy, enthalpy, and entropy. We analyze phase diagrams—binary systems (e.g., eutectic, isomorphous) are treated extensively using the lever rule and Gibbs’ Phase Rule. Specific focus is given to the thermodynamic driving forces behind solidification, precipitation, and solution formation, including concepts like metastability and the relationship between thermodynamic stability and practical material performance. Chapter 5: Diffusion in Solids Diffusion is the kinetic mechanism responsible for processing (sintering, carburizing) and degradation (corrosion). This chapter meticulously details Fick’s First and Second Laws. We explore the atomic mechanisms of diffusion—substitutional and interstitial mechanisms—and quantify the temperature dependence of the diffusion coefficient via the Arrhenius equation. The role of crystal defects, particularly vacancies, in facilitating mass transport is quantified, contrasting fast diffusion paths (grain boundaries, surfaces) with bulk lattice diffusion. Chapter 6: Mechanical Behavior: Elasticity and Plasticity This critical section links atomic structure to macroscopic mechanical response. Elasticity: Detailed treatment of stress and strain tensors, Hooke's Law in three dimensions, and the calculation of elastic moduli ($E, G, u$) for isotropic and anisotropic materials. Introduction to concepts like resilience and toughness. Plastic Deformation: Focus shifts to crystallographic slip systems. We calculate theoretical shear strength and contrast it with observed yield strength, leading directly to the concept of Line Defects (Dislocations). Detailed analysis of screw and edge dislocations, Burgers vectors, and the mechanisms of plastic flow: dislocation multiplication (source mechanisms) and interactions (tangle formation). Strengthening mechanisms (strain hardening, precipitation hardening, grain size refinement via the Hall-Petch relationship) are derived quantitatively. Part III: Electronic, Optical, and Magnetic Properties This section moves beyond structural and mechanical concerns to address the intrinsic properties arising from the electronic band structure of crystalline solids. Chapter 7: Thermal Properties of Solids We analyze the behavior of materials under thermal load. The concept of heat capacity is introduced via the classical Dulong-Petit law and refined using quantum mechanical models (Einstein and Debye models), highlighting the contribution of lattice vibrations (phonons). Thermal conductivity is derived from phonon transport theory. Finally, thermal expansion, relating microscopic vibrational amplitude to macroscopic dimensional change, is examined. Chapter 8: Electrical Conduction in Metals and Semiconductors Building upon the nearly free electron model, this chapter develops the concept of energy bands. Metals: Detailed analysis of the Fermi level, density of states (DOS), and how electron scattering (by impurities, phonons) limits conductivity, as described by the Drude-Sommerfeld model. Semiconductors: The definitive treatment of intrinsic and extrinsic semiconductors. We derive the concentration of charge carriers in the conduction and valence bands, the Fermi level position relative to the band edges, and the physics of donor and acceptor dopants. Detailed analysis of the $mathrm{p}-mathrm{n}$ junction under equilibrium and bias conditions forms a crucial component. Chapter 9: Magnetic Properties of Materials This chapter explores the microscopic origins of magnetism. It begins with a classical treatment of diamagnetism and paramagnetism (Curie and Langevin laws). The core focus is on ferromagnetism, including spontaneous magnetization, the Weiss Mean Field Theory, exchange interactions, and the concept of magnetic domains. Hysteresis loops, coercivity, and the distinction between hard and soft magnetic materials are analyzed in detail, linking these properties to microstructure (domain wall pinning). Chapter 10: Optical Properties and Dielectrics This section examines how materials interact with electromagnetic radiation. Dielectrics: Analysis of polarization mechanisms (electronic, ionic, orientational) and the derivation of the Clausius-Mossotti relation. We discuss dielectric breakdown strength and the importance of permittivity ($epsilon_r$) in capacitor applications. Optical Interaction: The interaction of light with the electron system is described through concepts like optical absorption, transmission, and reflection. Concepts of translucency, transparency, and color generation in ionic and covalent solids are related directly back to the energy band structure introduced in Chapter 8. Part IV: Materials Processing and Performance The final part integrates the preceding foundational knowledge into practical engineering contexts, focusing on the relationship between processing, microstructure, and performance reliability. Chapter 11: Phase Transformations and Microstructure Control This chapter returns to kinetics and thermodynamics to explore how materials are engineered through controlled heating and cooling cycles. We analyze solidification kinetics and non-equilibrium microstructures, paying special attention to the iron-carbon system (steel heat treatment). Concepts such as nucleation rate, growth velocity, time-temperature-transformation (TTT) diagrams, and isothermal transformation diagrams (C-curves) are used to explain the formation of ferrite, austenite, pearlite, bainite, and martensite, and how these phases dictate the mechanical properties of engineering steels. Chapter 12: Corrosion and Materials Degradation This crucial engineering topic addresses chemical and electrochemical degradation. The fundamentals of electrochemistry—including electrode potentials, galvanic cells, and the Nernst equation—are applied to understand the mechanisms of uniform corrosion, pitting, and stress corrosion cracking. Mitigation strategies, including cathodic protection and the use of passive films, are discussed in detail, emphasizing how materials selection and protective coatings directly impact service life. Appendices Mathematical Tools: Vector Algebra and Tensor Notation Review. Data Tables: Physical Constants, Common Crystal Structure Parameters, Diffusion Coefficients. Selected Solutions to Core Problems.

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刚看到这本书的标题——《Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)》——我就被深深吸引了。我一直以来都对固态材料的电子行为非常感兴趣，特别是那些能够帮助我们理解和预测材料性质的计算方法。而“团簇方法”这个概念，在我看来，是一种非常有前景的研究路径，它提供了一种将复杂的固体系统分解成更易于处理的原子团簇，从而进行计算模拟的可能性。我设想这本书会详细介绍团簇方法的基本原理，包括如何构建具有代表性的团簇模型来模拟块体材料的电子结构，以及如何选择合适的量子化学计算方法来求解这些团簇的电子性质。我尤其感兴趣的是，这本书将如何解释团簇方法在研究材料表面、界面、纳米材料以及缺陷等非均匀体系中的优势。这些体系的电子性质往往与体相材料存在显著差异，而团簇方法似乎能够更精确地捕捉到这些局部效应。我期待书中能有丰富的实例，展示如何利用团簇方法来计算材料的电子态密度、能带结构、费米面、功函数等关键参数，并通过这些参数来解释材料的导电性、光学吸收、催化活性等重要的物理化学性质。我希望这本书不仅仅是理论的讲解，更是一本能够提供实践指导的工具书，能够帮助我理解如何运用这些方法来解决实际的材料科学问题，从而加速新材料的发现和开发。这本书对我而言，是一次深入探索材料微观世界的绝佳机会，我期待它能够为我的研究提供坚实的理论基础和有力的计算工具。

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《Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)》——仅仅是这个书名，就足以激起我作为一名材料科学爱好者的浓厚兴趣。我对“团簇方法”在解析固态材料电子性质方面的应用尤为好奇，它似乎提供了一种将复杂的宏观体系分解为更易于理解和计算的微观单元的研究途径。我期待这本书能深入浅出地阐述团簇方法的理论基础，包括如何构建具有代表性的团簇模型来模拟块体材料的电子结构，以及如何利用量子化学计算方法来求解这些团簇的电子性质。我尤其希望书中能够重点介绍团簇方法在研究那些块体理论难以有效描述的体系中的应用，例如材料的表面、界面、纳米结构以及点缺陷等。这些体系的电子特性往往对材料的整体性能起着决定性作用，而团簇方法似乎能够提供更精确的描述。我设想这本书会提供大量的实际计算案例，展示如何利用团簇方法来计算和解释诸如材料的导电性、光学响应、催化活性等重要的电子相关性质，从而帮助读者掌握一种强大的分析工具，并为设计具有特定功能的新型材料提供理论指导。这本书对我来说，将是一次深入探索材料微观世界的绝佳机会，我期待它能够为我带来深刻的洞见和实用的研究方法。

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“Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)”——这个书名犹如一盏明灯，照亮了我长期以来在材料电子性质研究领域探索的道路。我对“团簇方法”这个概念尤其着迷，它似乎为我们提供了一种更精细、更灵活的视角来理解固态材料中成千上万原子的集体行为。我设想这本书将深入讲解团簇方法的理论基础，从微观量子力学的角度出发，阐述如何通过模拟有限大小的原子团簇来近似无限的晶格，并求解其电子结构。我迫不及待地想知道，书中会如何处理团簇模型的大小、形状以及边界效应等关键问题，以及它们对计算结果的影响。此外，我希望这本书能够重点介绍团簇方法在研究那些块体材料理论难以有效描述的体系中的优势，例如材料的表面、界面、纳米尺寸材料以及缺陷等。这些体系的电子性质往往具有独特的局域特性，而团簇方法恰恰能够提供高度的灵活性来捕捉这些细节。我期待书中能够提供丰富的计算示例，展示如何利用团簇方法来预测和解释诸如材料的能带结构、电子密度分布、态密度、功函数、光学吸收光谱以及催化活性等重要的电子相关性质。这本书对我而言，不仅仅是一本理论教科书，更是一本能够指导我进行实际计算和数据分析的实用指南，它将极大地提升我理解和设计新型功能材料的能力。

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当我的目光落在“Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)”这个书名上时，一种强烈的学术探求欲油然而生。我长期以来一直致力于理解物质的微观世界，尤其是电子在固体中的行为如何决定了宏观的物理化学性质。而“团簇方法”这个词组，在我看来，提供了一种化繁为简、深入本质的研究视角。我预感这本书将系统地阐述团簇方法在电子性质研究中的理论基础，例如如何选取具有代表性的原子团簇来模拟块体材料的电子结构，以及如何利用量子化学计算方法来求解团簇的电子态。我尤其期待书中能够深入探讨团簇方法在研究表面、界面、纳米材料和缺陷等复杂体系中的独特优势。这些体系往往表现出与体相材料截然不同的电子行为，而团簇方法似乎能够提供更精确的描述。我希望这本书能够包含丰富的案例研究，展示如何应用团簇方法来计算和解释诸如材料的导电性、光学响应、催化活性、磁性等重要的电子相关性质。我设想这本书将不仅仅是理论的介绍，更是一本能够指导实践的宝典，帮助我掌握一套强大的分析工具，从而能够更有效地进行材料的设计和优化，甚至可能启发新的研究思路。这本书对我而言，是一扇通往揭示材料电子本质的窗口，我期待它能够为我带来深刻的洞见和实用的技能。

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看到《Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)》这个书名，我脑海中立刻浮现出对固态材料电子行为深入探究的画面，尤其是通过“团簇方法”这一强大工具。我一直对如何从原子尺度理解材料的宏观性能充满好奇，而团簇方法似乎提供了一种非常有效的方式，将复杂的固体系统分解为可管理的小单元进行分析。我期待这本书能够系统地介绍团簇方法的理论框架，包括如何构建有代表性的团簇模型来近似块体材料的电子环境，以及如何利用量子化学计算方法来求解这些团簇的电子结构。我尤其希望书中能够详细阐述团簇方法在研究那些块体理论难以有效描述的体系，例如材料的表面、界面、纳米结构以及点缺陷等方面的应用。这些体系往往表现出独特的电子特性，而团簇方法似乎能够提供更精确的描述。我设想这本书会提供丰富的计算示例，展示如何利用团簇方法来计算和解释诸如材料的导电性、光学响应、催化活性等重要的电子相关性质，从而帮助读者掌握一种强大的分析工具，并为设计具有特定功能的新型材料提供理论指导。这本书对我来说，将是一次深入材料微观世界的绝佳机会，期待它能够为我带来深刻的洞见和实用的研究方法。

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翻开这本书的扉页，我首先被它所传达的研究视角所吸引——“团簇方法”。这个词组本身就带有一种化繁为简的智慧，似乎预示着一种能够将庞大、复杂的固态系统分解成更小、更易于管理的单元进行分析的技术。我脑海中浮现的是，如何通过模拟一小群原子（也就是“团簇”）的行为，来推断出大量原子组成的宏观固体材料的电子特性。这是一种非常迷人的方法，因为它可能克服了直接模拟整个晶体的计算上的巨大挑战。我特别好奇的是，这本书会如何解释团簇方法的数学和物理基础。例如，它是否会讨论如何选择合适的团簇尺寸和几何构型，以确保其能够有效地代表块体材料的电子性质？它是否会详细介绍求解团簇电子结构的常用计算方法，比如量子化学方法（如Hartree-Fock、密度泛函理论）的适用性？我期待看到书中对于不同类型团簇模型（如小型团簇、表面团簇、缺陷团簇等）的讨论，以及它们各自的优缺点和适用范围。此外，我希望这本书能够深入探讨团簇方法如何能够捕捉到固态材料中一些关键的电子现象，例如表面吸附、催化反应、量子尺寸效应等。这些现象往往与材料的局部电子结构密切相关，而团簇方法恰恰能够很好地模拟这些局部环境。我设想这本书会提供一些实际的计算示例，展示如何使用这些方法来计算材料的电子密度、态密度、功函数、电荷分布等关键参数，并通过这些参数来解释材料的化学反应活性、导电性、光学吸收等性质。这本书在我看来，不应仅仅是理论的讲解，更应该是一本能够指导实践的工具书，帮助我理解如何将这些抽象的计算方法应用于真实的材料研究中，从而更有效地进行材料的设计和优化。

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这本书的书名——《Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)》——一经映入眼帘，就仿佛在我脑海中勾勒出了一幅充满学术深度和研究前沿的画面。作为一个长期在材料科学领域探索的读者，我对“电子性质”、“固态”、“团簇方法”以及“基础材料研究”这些关键词组合在一起所蕴含的潜力感到由衷的兴奋。我预想这本书不仅仅是枯燥的理论堆砌，而更像是一扇通往理解物质微观世界运作机制的窗户，特别是通过团簇方法这一强大工具来解析固态材料复杂的电子行为。我期待它能够深入浅出地介绍团簇方法在计算固态材料电子性质方面的理论基础，例如如何构建有效的团簇模型来近似无限晶格，以及这些模型如何在量子力学框架下进行求解。我脑海中浮现的，是各种抽象的计算流程，比如基于密度泛函理论（DFT）的计算，以及如何将计算结果与实验观测到的电子性质（如能带结构、电子密度分布、光学性质、输运性质等）进行关联。我相信，这本书必然会详细阐述团簇方法在解决某些特定材料体系问题上的优势，比如表面、界面、纳米材料、缺陷等，这些地方的电子性质往往无法简单地用块体理论来描述。我期待它能提供丰富的案例研究，展示如何运用这些方法来预测和解释新材料的电子特性，从而指导实验设计，加速新材料的发现和应用。这本书的副标题“Fundamental Materials Research”更是让我看到了它扎根于基础科学研究的决心，我希望它能提供坚实的理论框架和严谨的计算方法，帮助我更深刻地理解电子在固体中的行为规律，为我在材料科学领域的进一步研究奠定坚实的基础，甚至启发新的研究方向。我迫不及待地想通过这本书，掌握一种强大的分析工具，从而能够更有效地理解和设计具有特定电子功能的材料。

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“Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)”——这个书名本身就激起了我强烈的好奇心。作为一名对材料科学充满热情的研究者，我一直在寻找能够深入理解材料电子行为的有效工具。而“团簇方法”这个术语，对我来说，不仅代表了一种计算手段，更是一种思维方式的转变。我设想这本书将引导我穿越宏观固体的复杂性，聚焦于构成它的基本原子单元，并通过模拟这些单元的相互作用，来揭示整个材料的电子特性。我迫不及待地想了解，团簇方法是如何在微观层面捕捉到材料的电子结构，比如电子的能量分布、动量分布以及它们在空间中的分布。我期待书中能够详细阐述基于量子力学原理的团簇模型的构建过程，例如如何选择合适的基组、如何处理边界条件（如果适用的话），以及如何利用各种量子化学计算方法来求解团簇的电子波函数和能量。特别地，我希望书中能够详细介绍如何利用团簇方法来研究那些块体理论难以描述的现象，比如材料表面的电子态、纳米结构中的量子限制效应、点缺陷附近的电子局域化等。我相信，这本书会提供丰富的案例研究，展示如何将团簇方法应用于理解和预测诸如半导体材料的光电性质、金属催化剂的活性、磁性材料的磁畴结构等关键问题。我期待它能帮助我掌握一种强大的分析框架，从而能够更深入地理解材料的本质，并为设计具有特定功能的新型材料提供理论指导。这本书在我看来，应该是一本能够启发思维、指导实践的学术著作，能够帮助我更有效地开展材料科学的研究。

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仅仅是书名——《Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)》——就已经勾起了我内心深处的研究兴趣。作为一个在材料科学领域摸索多年的读者，我深知理解固态材料的电子性质是掌握其性能的关键。而“团簇方法”，对我来说，是一种充满吸引力且极具潜力的研究范式，它暗示了一种将复杂的宏观体系分解为可控的微观单元进行深入分析的可能性。我设想这本书将围绕着团簇方法展开，详细阐述其理论框架，包括如何构建能够有效代表块体材料电子特性的团簇模型，以及如何运用量子力学计算方法来求解这些团簇的电子结构。我尤其期待书中能够重点介绍团簇方法在研究那些块体理论难以描述的复杂体系中的应用，例如材料的表面、界面、纳米结构以及点缺陷等区域的电子行为。这些局部区域的电子特性往往对材料的整体性能起着决定性作用。我希望这本书能够提供大量的实际计算案例，展示如何通过团簇方法来预测和解释诸如材料的导电性、光学特性、化学反应活性等重要的电子相关性质。这本书对我来说，不仅仅是一本学术著作，更可能是一本能够指引我进行创新性研究的工具书，它将帮助我更深刻地理解材料的内在机制，并为设计具有特定功能的新型材料提供坚实的理论支持和实践指导。

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“Electronic Properties of Solids Using Cluster Methods (Fundamental Materials Research)”——这本书的书名本身就蕴含着一种强大的学术魅力。作为一名在材料科学领域不断探索的读者，我一直对如何从根本上理解固态材料的电子行为抱有浓厚的兴趣。而“团簇方法”这个概念，在我看来，是一种化繁为简、直击本质的研究策略，它允许我们聚焦于材料的基本组成单元，并通过模拟它们的相互作用来揭示宏观性质。我设想这本书将详细阐述团簇方法的理论基础，包括如何选取合适的团簇模型来准确反映块体材料的电子环境，以及如何利用各种量子化学计算技术来求解团簇的电子结构。我尤其期待书中能够深入探讨团簇方法在研究那些块体材料理论难以有效描述的体系中的应用，比如材料的表面、界面、纳米结构以及缺陷等。这些体系的电子性质往往是决定材料功能特性的关键。我希望这本书能够提供丰富的实际计算案例，展示如何利用团簇方法来预测和解释诸如材料的导电性、光学吸收、化学反应活性等重要的电子相关性质，从而帮助我更有效地进行材料的设计和优化。这本书对我而言，将是一次深入理解材料微观世界的绝佳机会，期待它能够为我的研究提供坚实的理论基础和有力的计算工具。

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