玻璃質材料和無序固體

前言

　　理解無序材料的物理性質及弄懂從超冷液體轉變?yōu)闊o定形固體的本質都是極為困難的，同時也是當代最有挑戰(zhàn)性和最有魅力的問題。因此，針對這個課題開展了大量的科學活動：通過實驗的、經(jīng)過解析理論的，以及采用計算機模擬的。撇開這些努力不談，至今對這一問題還沒有出現(xiàn)被普遍認可和前后一致的看法。這也是造成迄今為止還沒有關于這一課題的有代表性的教科書產(chǎn)生的原因，這同凝聚態(tài)物理的其他大多數(shù)課題（結晶固體、簡單流體以及聚合物復雜流體——液晶）形成了鮮明對照。大多數(shù)已有的教科書講述范圍都相當狹窄，有些只強調無序的結構模型，有些只涉及唯象熱力學方面，甚至只熱衷于對這些系統(tǒng)提供復雜弛豫現(xiàn)象的文獻資料。因而，我們想用我們這本專題論述來填補這一空白，重點是講述玻璃體相變和材料的無定形狀態(tài)的統(tǒng)計力學方法，同時對無序固態(tài)物理學中的重要概念（滲濾、分形，諸如自旋玻璃等無序磁性模型系統(tǒng)等）提出符合教學要求的論述。我們感到本書的題材選取是十分自然的，因為無序固態(tài)與形成玻璃系統(tǒng)的統(tǒng)計力學包括很多共同的內容，簡單問題的許多概念都能夠解釋出現(xiàn)在玻璃系統(tǒng)中的更加復雜的現(xiàn)象。比如，人們不斷努力試圖用滲濾理論去解釋玻璃體結構和玻璃體相變問題，同樣地，人們還試圖采用從自旋玻璃有關問題中獲得的洞察力去描述結構玻璃的物理學。　　因此，本書在重點突出無序凝聚態(tài)系統(tǒng)的那些共同性的方面，強調以統(tǒng)計熱力學作為普遍的理論框架，考慮到發(fā)展切實可行的解析方法的困難，以計算機模擬（Monte Carlo和分子動力學方法）的經(jīng)典方法作為實際研究工具的核心。注意到在處理同二級相變有關的臨界現(xiàn)象等問題時，人們已經(jīng)建立了諸如平均場理論和重整化群等等很好的方法，這些方法都能夠在定性，甚至定量的基礎上描述現(xiàn)象。與此形成對照的是，關于玻璃體和玻璃相變的情況，我們還沒有能夠準確描述現(xiàn)象的平均場理論?！　〔还茉趺凑f，由于過去數(shù)十年的大力研究，我們對玻璃體和其他無序固態(tài)的了解已經(jīng)大大地進步了，因此本書就要努力反映這些進展，并對現(xiàn)在確立的基本事實作出前后一致的描述。反過來說，那些還停留在猜測水準上的很多概念并未作仔細討論。同樣，像電子結構和電子激發(fā)、無定形固態(tài)的光學特性等等許多相關方面，本書也未加討論。因此，本書的選材在一定程度上反映了專家和作者的偏愛，因此這里未加討論的論題不一定就是無關緊要的。 本書選材范圍的限制，反而有利于已經(jīng)掌握基本統(tǒng)計熱力學基礎知識的研究生和博士后研究人員更易理解，因為沒有必要去讀更專門的知識了。事實上，作者之一（K.B.）已經(jīng)就這一課題在美因茨（Mainz）的Johannes Gutenberg大學已經(jīng)講過很多次課了，因此我們認為這是類似課程中的一本極有用的基礎教程。同時，本書各章末尾的大量文獻，即使對于高級研究人員而言也是極有用的參考資料。實際上，我們希望本書在某種程度上將會對玻璃體物理的深入研究產(chǎn)生深刻的影響，因此書中歸納性的事實描述和模型描述的有關知識有利于為將來的研究工作提出正確的問題?！　∽詈?，我們很高興對合作者表示極大的謝意，他們對我們在這一課題中的研究工作作出了重大的貢獻，很多同事的觀點和卓有成效的討論使我們受益匪淺，最后但不是不重要的是，我們要感謝A.Chase女士，感謝她在打印手稿中對我們的寶貴幫助。

內容概要

　　對于研究生而言，玻璃質材料和無序固體是比結晶固體更加廣泛、更加具有挑戰(zhàn)性的研究領域，這也是迄今為止學術界還沒有形成普遍共識和前后統(tǒng)一的理論的一個領域。本書的兩位作者都是該領域的知名專家，成書之前第一作者曾在德國美因茨（Mainz）的Johannes Gutenberg大學講課多年?？梢哉f，這是填補該領域教科書空白的一部力作?！　?全書共分5章，第一章以教科書的方式，簡要評述無序物質的模型和它的統(tǒng)計力學的普遍概念。第二章講述無序物質的結構和動力學。第三章為無序結構的模型，其中以無規(guī)行走來討論柔性聚合物構型的模型，從滲濾理論出發(fā)討論分形結構等。第四章講述無序物質的普遍概念和物理特性，包括聚合物動力學的Rouse模型、應用滲濾問題處理物理系統(tǒng)、分形結構的元激發(fā)、無定形固體的物理性質、自旋玻璃體等。第五章講述超冷流體和玻璃體相變，包括形成玻璃體的唯象模式、慢弛豫模型和玻璃體相變的模-耦合理論等。各章之后都有大量參考文獻，供深入研究參考?！　?這本可讀性較強的教科書將緊緊抓住學生的心，讓你懂得如此廣泛的領域具有許多共同的特征，亦即表明在統(tǒng)計力學的框架內可以給予很好的描述。本書同樣適用于作為研究無定形材料的研究人員、理論工作者和實驗人員的標準教本。

作者簡介

　　Kurt Binder，德國Mainz的Johannes Gutenberg大學理論物理教授，德國物理學會會員、歐洲物理學會會員，德國高等教育研究聯(lián)合會會員。
　　1944年出生于奧地利，1962年進入維也納技術大學學習技術物理，1965年、1967年分別取得該校學士、碩士學位。1967年進入奧地利原子

書籍目錄

ContentsPreface1. Introduction　1.1 Models of Disordered Matter: A Brief Overview　1.2 General Concepts on the Statistical Mechanics of Disordered Matter　　1.2.1 Lattice Models　　1.2.2 Averaging in Random Systems: Quenched versus Annealed Disorder　　1.2.3 "Symmetry Breaking" and "Ergodicity Breaking"　　1.2.4 Configurational Entropy versus "Complexity",and the Kauzmann Paradox2. Structure and Dynamics of Disordered Matter 　2.1 Pair Distribution Functions and the Static Structure Factor 　2.2 Topological Disorder and Bond Orientational Correlations 　2.3 General Aspects of Dynamic Correlation Functions and Transport Properties3. Models of Disordered Structures　3.1 Random Walks: A Simple Model for the Configurations of Flexible Polymers　3.2 Percolation: A First Example of a Fractal Structure　　3.2.1 The Percolation Probability and Percolation Threshold　　3.2.2 Diluted Magnets and Critical Exponents　　3.2.3 The Fractal Dimensionality and the Concept of Finite Size Scaling　　3.2.4 Scaling of the Cluster Size Distribution　　3.2.5 Percolation for Low and High Lattice Dimensions　　3.2.6 Rigidity Percolation　3.3 Other Fractals (Diffusion-Limited Aggregation, Random Surfaces, etc.)　　3.3.1 General Concepts on Fractal Geometry　　3.3.2 Diffusion-Limited Aggregation　　3.3.3 Growth of Random Interfaces　3.4 Random Close Packing　3.5 Continuous Random Networks　3.6 Chemically Realistic Models of Structural Glasses4. General Concepts and Physical Properties of Disordered Matter　4.1 The Rouse Model for Polymer Dynamics: A Simple Example for the Consequences of the Random Walk Picture　4.2 Application of the Percolation Problem to Physical Systems　　4.2.1 Percolation Conductivity and a Naive Treatment of the Elasticity of Polymer Networks　　4.2.2 Excitations of Diluted Magnets Near the Percolation Threshold　　4.2.3 Effective Medium Theory　4.3 Elementary Excitations of Fractal Structures　　4.3.1 Diffusion on a Percolation Cluster: The "Ant in the Labyrinth"　　4.3.2 The Spectral Dimension and Fracton Excitations　　4.3.3 The Sol-Gel Transition Revisited　4.4 Physical Properties of Amorphous Solids　　4.4.1 Two-Level Systems　　4.4.2 Anomalies of Glasses at Intermediate Temperatures:Excess Specific Heat, Thermal Conductivity Plateau, and Boson Peak　4.5 Spin Glasses 　　4.5.1 Some Experimental Facts about Spin Glasses:Systems and Physical Properties 　　4.5.2 Theoretical Models 　　4.5.3 The Replica Method and the Mean Field Theory of the Ising Spin Glass 　　4.5.4 Replica Symmetry Breaking 　　4.5.5 Spin Glasses Beyond Mean Field Theory 　4.6 Variants and Extensions of Spin Glasses 　　4.6.1 p-Spin Interaction Spin Glasses and the Random Energy Model 　　4.6.2 Potts Glasses 　　4.6.3 Quadrupolar Glasses as Models for Diluted Molecular Crystals 　　4.6.4 Atomistically Realistic Models of Diluted Molecular Crystals 　　4.6.5 Spin Models with Quenched Random Fields 5. Supercooled Liquids and the Glass Transition 　5.1 Phenomenology of Glass-Forming Systems 　5.2 Models for Slow Relaxation 　　5.2.1 The Theory of Adam and Gibbs 　　5.2.2 The Free Volume Theory 　　5.2.3 Kinetically Constrained Models 　5.3 The Mode-Coupling Theory of the Glass Transition 　　5.3.1 The Zwanzig-Mori Projection Operator Formalism 　　5.3.2 The Mode-Coupling Approximations 　　5.3.3 The Mode-Coupling Theory of the Glass Transition 　　5.3.4 Predictions of Mode-Coupling Theory 　　5.3.5 The Relaxation Dynamics of Glass-Forming Liquids and Test of the Predictions of MCT 　　5.3.6 Concluding Remarks on Mode-Coupling TheoryIndex

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