现代功能材料及其应用

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具体描述

《深入理解量子力学:从基本原理到前沿探索》 书籍简介 本书旨在为物理学、化学、材料科学及工程学领域的研究人员、教师及高年级本科生提供一个深入、严谨且富有洞察力的量子力学导论与进阶探讨。全书围绕量子力学的基本公设、数学形式,及其在解决微观世界复杂问题中的强大应用展开,力求在保持概念清晰的同时,展现该理论的深刻物理图像和广泛的适用性。 第一部分:量子力学的基本公设与数学框架 (Foundational Postulates and Mathematical Framework) 本书伊始,我们将系统回顾经典物理学的局限性,特别是对黑体辐射、光电效应和原子光谱的经典解释失效的分析,为量子力学的诞生奠定历史和实验基础。 1.1 波粒二象性与不确定性原理的深化: 不仅仅停留在德布罗意波和海森堡不确定性关系的表述上,我们将深入探讨这些概念在不同物理情境下的实际含义,例如如何通过测量误差的量子涨落来理解粒子的行为,并引入对量子纠缠的初步概念铺垫。 1.2 希尔伯特空间与算符理论: 本部分是理解现代量子力学的数学核心。我们将详细介绍狄拉克符号(Bra-Ket Notation)的完备性,并严格定义状态矢量空间(希尔伯特空间)的结构。着重阐述可观测量的数学表征——厄米算符,以及本征值问题在确定物理实在中的核心地位。我们将详细推导薛定谔方程的产生,将其视为时间演化算符的基石。 1.3 概率解释与演化方程: 重点剖析波函数的概率诠释(玻恩定则)的物理意义,探讨波函数在不同表象(位置表象、动量表象)之间的转换。随后,我们将详细分析时间依赖薛定谔方程的结构,并引入演化算符 $U(t)$ 的概念,阐明它是如何驱动量子态随时间精确演化的。 第二部分:一维与三维势场中的精确求解 (Exact Solutions in One and Three Dimensions) 此部分是理论与实际应用结合的关键桥梁,通过求解具有对称性的势阱问题,展示量子力学解决实际物理模型的威力。 2.1 简单的势场问题: 详尽分析无限深势阱、有限深势阱和势垒问题。对于势垒,我们将深入探讨隧穿效应的定量计算,并讨论其在扫描隧道显微镜(STM)等现代技术中的应用机理,而不涉及宏观材料性质的探讨。 2.2 谐振子与零点能: 详细求解量子谐振子的能级结构,特别是通过升降算符方法,精确推导出能级间隔相等的原因。零点能的物理意义及其在费米子系统中的体现将是重点讨论对象。 2.3 角动量理论的建立: 引入球坐标系下的薛定谔方程,并着重分析轨道角动量算符 $[hat{L}_x, hat{L}_y]$ 等的对易关系。我们将精确求解角动量本征值方程,导出球谐函数(Spherical Harmonics)$Y_{l}^{m}( heta, phi)$,并解释其在描述空间对称性中的作用。 2.4 氢原子体系的精确解: 这是理论物理的里程碑。本书将详细分解径向方程的求解过程,展示量子数 $n, l, m$ 的物理起源,以及能量本征值与玻尔模型的对比和超越。重点讨论能级的简并性及其背后的对称性原因。 第三部分:多粒子系统与微扰理论 (Multi-Particle Systems and Perturbation Theory) 当系统包含多个粒子或存在弱相互作用时,精确求解变得不可能,微扰理论和对称性分析成为核心工具。 3.1 费米子、玻色子与全同粒子原理: 深入探讨全同粒子体系的波函数对称性要求(泡利不相容原理的量子本质)。详细分析费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计的基础,并对比它们的宏观统计力学差异。 3.2 泡利不相容原理与原子结构: 阐述泡利原理如何决定多电子原子的电子排布,并简要介绍自旋概念的引入。 3.3 时间-不相关的微扰理论: 严格推导一阶和二阶能量修正公式,以及态矢的一阶修正公式。通过氢原子中弱电场(Stark效应)的计算实例,演示该理论的应用流程。 3.4 时间-相关的微扰理论与跃迁: 针对受迫振动问题,推导跃迁概率的公式,特别是对吸收和受激辐射的概率密度函数进行细致分析,为理解光与物质相互作用的半经典理论打下基础。 第四部分:自旋、全角动量与近似方法 (Spin, Total Angular Momentum, and Approximation Techniques) 本部分将超越空间描述的限制,引入内禀属性——自旋,并探讨更高级的求解技术。 4.1 电子自旋与泡利矩阵: 从斯特恩-格拉赫实验(Stern-Gerlach Experiment)出发,引入自旋角动量算符 $hat{S}$ 和泡利矩阵 $sigma_i$。详细讨论二维希尔伯特空间的概念,并理解自旋在磁场中的动力学。 4.2 自旋与轨道角动量的耦合: 深入分析LS耦合(或称Russell-Saunders耦合)的物理图像,推导总角动量算符 $hat{J} = hat{L} + hat{S}$ 及其本征值。通过Clebsch-Gordan系数的初步介绍,解释如何从基态叠加形成总角动量态。 4.3 变分法与WKB近似: 介绍变分原理作为寻找系统基态能量上界的有效工具。WKB近似(Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation)则用于处理势能缓慢变化的系统,特别是探讨量子禁区(Turning Points)附近的行为。 总结与展望 本书的深度和广度旨在让读者不仅掌握量子力学的计算技巧,更能理解其背后的深刻哲学和普适性。全书内容聚焦于量子力学的基本原理、精确解法和核心的近似工具,不涉及凝聚态物理中的能带理论、固态能带结构、晶格振动、超导电性等宏观/统计凝聚态现象,亦不深入探讨量子场论、量子信息处理(如量子计算的算法实现)或量子光学中的非线性效应。它是一部坚实的、以求解薛定谔方程为核心的理论物理教材。

著者信息

图书目录

第一章 功能材料概论
第二章 导电高分子材料
第三章 具化学功能的高分子材料
第四章 具有选择分离功能的高分子材料
第五章 高分子试剂及固相合成
第六章 高分子液晶
第七章 生物医用药用功能材料
第八章 功能复合材料
第九章 功能玻璃
第十章 功能陶瓷
第十一章 智能材料与结构
第十二章 贮氢材料及载能系统
第十三章 超导材料
第十四章 现代功能材料及应用展望

图书序言

图书试读

用户评价

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這本《現代功能材料及其應用》對於我這樣一個對環保議題相當關切的讀者來說,提供了相當多的啟發。書中對於綠色材料、可回收材料的論述,讓我看到了科技發展與環境永續之間的連結。像是書中提到的生物可降解塑膠、環保塗料,以及用於廢水處理的功能性材料,這些都與我們日常生活中的環保實踐息息相關。台灣在推動循環經濟、減少塑膠污染方面,一直有許多努力,這本書的內容正好呼應了這些在地趨勢。 我特別喜歡書中對這些材料的「應用場景」的描繪。不只是告訴你它是什麼,更讓你了解它能做什麼,以及在什麼情境下能發揮最大效益。例如,用於建築的節能隔熱材料,或是用於電子產品的無毒環保材料,這些都讓我看到,原來我們每天接觸的許多產品,背後都有這麼多關於材料創新的努力。書中對於材料的生命週期、生產過程中的環境影響等方面的探討,也讓我更加警惕,並思考如何在消費行為上做出更負責任的選擇。

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初次翻閱《現代功能材料及其應用》,我原以為會是一本枯燥的學術著作,但事實證明我大錯特錯。書中關於「智慧材料」和「自癒材料」的章節,簡直讓我大開眼界。我一直覺得,材料應該是靜態的、被動的,但書中提到的材料,卻能夠根據環境變化而改變性質,甚至在受損後自行修復,這聽起來就像是現實版的「變形金剛」。書中對於這些材料的微觀結構、觸發機制,以及潛在的應用,都做了非常詳盡的介紹。 我尤其對書中關於「應力感應材料」和「形狀記憶合金」的應用感到興奮。想像一下,我們的手機螢幕,如果能夠在受到刮擦時自動修復,或是我們使用的衣服,能夠根據天氣冷暖自動調整保暖度,這些都將會是多麼令人驚嘆的體驗。台灣在精密製造和奈米科技領域的發展,為這些高度複雜的材料應用提供了溫床。這本書讓我深刻體會到,材料科學的進步,正在以前所未有的速度,將我們帶入一個更智慧、更便利的未來。

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這本《現代功能材料及其應用》真是讓人驚喜連連,尤其是對於我們這些長期在台灣這塊土地上,感受著科技發展脈動的讀者而言。書中對於「功能材料」的定義和分類,我認為非常貼切,也很符合我們在產業第一線的觀察。像是書中提到的半導體材料,那絕對是台灣的驕傲,從基礎的矽晶圓製程,到先進的邏輯晶片、記憶體,再到近年來蓬勃發展的第三代半導體,書中都有相當深入的探討,而且不只是停留在理論層面,更連接了實際的應用,例如在手機、電腦、電動車等領域的關鍵作用。 我特別欣賞書中對於「應用」的闡述,它不是孤立地介紹材料的特性,而是深入剖析這些材料是如何被整合進現有的產品,或是如何催生出全新的產品。這對於我們這些希望了解材料科學如何實際落地,如何為我們的生活帶來改變的讀者來說,是非常有價值的。例如,書中談到的智慧穿戴裝置,裡面使用的生物感測材料、柔性顯示材料,以及節能的電池材料,這些都是我們日常生活中已經在使用,或者即將普及的科技。作者的敘述方式,讓我能夠更清晰地看到,材料的創新是如何一步步推動科技的進步,進而影響我們生活的方方面面。

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讀了《現代功能材料及其應用》,我腦海裡浮現的畫面,不單單是實驗室裡的精密儀器,更是台灣的工業園區裡,那些忙碌運轉的生產線。書中對於新興功能材料的介紹,例如用於再生能源的太陽能電池材料,或是用於高效率儲能的電池技術,這些都讓我覺得離我們很近。台灣在太陽能產業的發展,儘管面臨一些挑戰,但其背後的材料科學研究,一直是我們關注的焦點。書中詳細介紹了不同類型的太陽能電池,像是矽基、鈣鈦礦、有機太陽能電池,以及它們在效率、成本、穩定性上的優劣勢,這讓我對未來的能源發展有了更清晰的認識。 更讓我印象深刻的是,書中不只談論現有的技術,更展望了未來的可能性。例如,在醫療領域,生物相容性材料、藥物釋放載體,這些聽起來像是科幻小說的內容,在書中被條理分明地解析,讓我對未來的精準醫療、再生醫學有了更具體的想像。尤其是在台灣,醫療科技的發展也是一個重要的方向,許多生技公司都在積極投入相關研究。這本書就像一個橋樑,連結了材料科學的深度知識和我們對未來生活的美好期待,讓我感覺到科技的進步是如此觸手可及。

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這本《現代功能材料及其應用》在「建築與結構」這個面向的探討,讓我覺得非常貼地氣。台灣位處地震帶,對於建築的安全性要求極高,書中關於「高性能混凝土」、「結構補強材料」的介紹,正好與我們的實際需求契合。我了解到,原來建築不再只是單純的鋼筋水泥堆砌,而是融入了越來越多高科技的材料。 書中關於「自癒混凝土」的描述,更是讓我驚嘆。想像一下,牆壁上的裂縫能夠自行修補,這不僅能延長建築壽命,更能節省大量的維護成本。此外,書中對「智慧型建築材料」的探討,例如能夠調節溫度的變色玻璃、吸收污染物的塗料,這些都讓我覺得,未來的建築將會更加環保、舒適、人性化。這本書讓我看到了材料科學,如何從根本上改變我們居住的環境,讓生活品質得到實質性的提升。

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《現代功能材料及其應用》在探討「能源」這個主題時,真的觸動了我內心最深處的關懷。尤其是在台灣,能源自主和綠色轉型,是我們社會一直關注的議題。書中對新一代電池技術,例如鋰硫電池、固態電池的介紹,讓我看到未來儲能領域的巨大潛力。台灣的電池芯廠、儲能系統整合商,都在積極佈局,這本書的內容,恰好提供了這些產業發展背後的理論基礎和技術前瞻。 書中對於「超級電容器」的論述也十分精彩,它介於電池和傳統電容器之間,具有充放電速度快、壽命長的優點,在電動車、風力發電等領域的應用前景廣闊。我特別欣賞書中將不同類型的儲能材料進行比較,從性能、成本、安全性等方面進行分析,這對於我們理解各種技術路線的發展方向,具有極大的幫助。這本書讓我感覺,科學家們正在不懈努力,為我們的下一代,尋找更清潔、更可靠的能源解決方案。

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對於我這種對3C產品情有獨鍾的讀者來說,《現代功能材料及其應用》裡的內容,簡直就是一本「解剖」我們生活中的科技產品的寶典。書中對顯示材料的深入剖析,從早期的LCD、LED,到現在的OLED,以及未來可能出現的Micro-LED,每一個技術的演進,都離不開材料科學的突破。台灣在顯示器產業的發展,曾經引領全球,雖然近年面臨競爭,但其背後的材料技術,至今仍是我們的強項。 我最感興趣的是書中關於「量子點材料」的介紹。它能夠帶來更鮮豔的色彩、更高的能效,這對於我們追求極致影音體驗的消費者來說,無疑是巨大的福音。此外,書中對於高分子材料在輕量化、高強度方面的應用,也讓我聯想到台灣在自行車、運動器材等領域的優勢。這本書讓我從一個消費者的角度,重新審視了這些我們習以為常的產品,原來它們的背後,蘊藏著如此豐富而前沿的材料科學知識。

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《現代功能材料及其應用》一書,在「資訊通訊」這個主題的著墨,讓我對於我們日常使用的各種電子設備,有了更深層次的理解。書中對「高速通訊材料」,例如用於光纖傳輸的特殊玻璃,以及用於無線通訊的介電材料,都有詳細的介紹。台灣在全球半導體和電子產品製造中的地位,使得這些材料的發展與應用,顯得尤為重要。 我尤其對書中關於「儲存材料」的發展趨勢感到興奮。從傳統的硬碟,到現在的SSD,再到未來可能出現的更高速、更大容量的儲存技術,材料的進步是推動這些變革的根本動力。書中對「奈米材料」在電子元件中的應用的描繪,更是讓我看到了微觀世界的無限可能。這本書讓我感覺,我們每天使用的智慧手機、電腦,都凝聚了無數關於材料科學的智慧結晶。

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讀完《現代功能材料及其應用》,我對「交通運輸」這個領域的未來充滿了無限想像。書中對「輕量化材料」在汽車、飛機製造中的應用,進行了詳盡的闡述。台灣的汽車零組件產業,以及正在蓬勃發展的航空產業,都將從這些新材料的應用中獲益匪淺。 我特別對書中關於「碳纖維複合材料」和「鋁合金」在汽車輕量化上的應用印象深刻。這些材料不僅能顯著降低車輛重量,提高燃油經濟性,更能增強車輛的結構強度,提升安全性。此外,書中對「電動車電池材料」的探討,也是我非常關注的重點。如何提高電池的能量密度、縮短充電時間,一直是電動車產業面臨的挑戰,而材料科學的進步,正是解決這些難題的關鍵。這本書讓我深刻體會到,材料的創新,正以前所未有的速度,推動著交通運輸的革命。

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這本《現代功能材料及其應用》對於我這位對「醫療健康」領域充滿好奇的讀者來說,簡直是一場知識的饗宴。書中對「生物相容性材料」的介紹,讓我深刻理解到,為什麼有些醫療植入物能夠在人體內長期存在而不會引起排斥。從人工關節到心臟支架,再到牙科植體,這些都離不開材料科學的支撐。 我特別對書中關於「藥物釋放載體」的探討感到驚嘆。想像一下,能夠精準地將藥物傳遞到病灶部位,並在預設的時間內釋放,這將會極大地提高治療效果,同時減少副作用。台灣在生技醫藥領域的發展,也日益受到重視,這本書的內容,正好為這些前沿研究提供了重要的理論依據。此外,書中對「醫療影像材料」的介紹,也讓我了解到,為什麼我們能夠看到體內複雜的結構,這都歸功於材料科學的進步。這本書讓我深刻體會到,材料科學的發展,正在以前所未有的速度,改善著我們的健康福祉。

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