大學(xué)物理競賽拓展

大學(xué)物理拓展

1激光、超導(dǎo)、半導(dǎo)體、

等離子體、凝聚態(tài)物質(zhì)

2思考題激光2、什么是粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布？二能級系統(tǒng)的工作物質(zhì)能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？為什么？1、紅寶石激光器中，當(dāng)鉻離子在兩能級間躍遷時發(fā)射波長為694.3nm的激光，試計(jì)算當(dāng)溫度為300K時，在熱平衡條件下處于該兩能級上的離子數(shù)的比值。3思考題3、什么是激光產(chǎn)生的必要條件和閾值條件？4、什么是激光器的模式？如何定義橫模、縱模的？5、試說明激光多普勒冷卻的基本原理。4

普通光源-----自發(fā)輻射

激光光源-----受激輻射激光又名鐳射(Laser)，它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation5§1粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計(jì)分布原子的激發(fā)由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：

E1E26若E2>E

1，則兩能級上的原子數(shù)目之比數(shù)量級估計(jì)：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;但是，要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā)，并要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即

N2>N171自發(fā)輻射

原子在沒有外界干預(yù)的情況下，電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級自動躍遷到低能級，這種躍遷稱為自發(fā)躍遷.由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射.

§2自發(fā)輻射受激輻射和吸收.發(fā)光前.。發(fā)光后8設(shè)N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級的原子數(shù)。

單位體積中單位時間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：E2E1N2N1hEinstein對自發(fā)輻射的處理：9寫成等式

Ａ21自發(fā)輻射系數(shù)，單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。

各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的非相干光。102受激輻射由受激輻射得到的放大了的光是相干光，稱之為激光.

原子中處于高能級的電子，會在外來光子(其頻率恰好滿足)的誘發(fā)下向低能級躍遷，并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子，這叫受激輻射.11..。發(fā)光前發(fā)光后受激輻射的光放大示意圖受激輻射受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同------有光的放大作用。12E2E1N2N1全同光子h設(shè)（、Ｔ）溫度為Ｔ時,頻率在

=(E2-E1)/h附近，單位頻率間隔內(nèi)的外來光的能量密度。h13

單位體積中單位時間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：寫成等式

B21受激輻射系數(shù)14W21單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。則令 W21=B21（、T）15三.吸收(absorption)E2E1N2N1h

上述外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2。單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從E1E2的原子數(shù)：16寫成等式

B12吸收系數(shù)令W12=Ｂ12(、T)W12

單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。17A21、B21、B12稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦借助于物體與輻射場間的平衡的熱力學(xué)關(guān)系，在1917年得出愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。B21=B1218§3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)一.能夠產(chǎn)生激光必須要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)表明，處于低能級的電子數(shù)大于高能級的電子數(shù)，這種分布叫做粒子數(shù)的正常分布.已知叫做粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)，簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或稱布居反轉(zhuǎn).19粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布20從E2

E1自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。能夠產(chǎn)生激光要求21

N2>N1（

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）

B21=B12W21=W12由可得22粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？1）提供足夠的能量；2）原子在激發(fā)態(tài)多“呆”一會；3）減小損失，不斷放大。23實(shí)現(xiàn)原子系統(tǒng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激幅射光放大的條件（即：激光產(chǎn)生的必要條件）有足夠的能量輸入系統(tǒng)--激勵源要有能級合適的工作物質(zhì)要有一個能使受激幅射和光放大過程持續(xù)的光學(xué)諧振腔。24有足夠的能量輸入系統(tǒng)--激勵源激勵--從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程（又稱“激發(fā)”、“抽運(yùn)”或“泵浦”）。A）光泵抽運(yùn)如紅寶石激光器B）電子碰撞如氬離子激光器C）化學(xué)反應(yīng)如氟化氘激光器等。D）共振轉(zhuǎn)移如He--Ne激光器。25要有能級合適的工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的原子系統(tǒng)稱為“工作物質(zhì)”所謂能級合適是指存在“亞穩(wěn)態(tài)能級”，即存在激發(fā)態(tài)壽命=10-3秒左右的能級（一般原子系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)壽命只有10-8秒）E1E3E2激發(fā)能量亞穩(wěn)態(tài)能級26二．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例

1、二能級系統(tǒng)的分析

對二能級系統(tǒng)，在泵浦光的照射下，處于能級E1上的粒子吸收入射光子的能量被激發(fā)到能級E2，使能級E2的粒子數(shù)增加-受激吸收。在泵浦光的照射下，同時也發(fā)生受激輻射過程。開始時，因?yàn)?，受激吸收過程占優(yōu)勢。但當(dāng)能級E2上的粒子數(shù)增加后，受激輻射過程加強(qiáng)，這時N2的增加變得緩慢。這樣，即使泵浦光十分強(qiáng)，至多只能達(dá)到因此對二能級系統(tǒng)，用光泵法不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。272、HeNe氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。28亞穩(wěn)態(tài)

電子碰撞

碰撞轉(zhuǎn)移

亞穩(wěn)態(tài)29He-Ne激光管的工作原理由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級)的概率比Ne原子被激發(fā)的概率大。

He的23S，21S這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，集聚了較多的原子。由于Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S或4S態(tài)。

30正好Ne的5S，4S也是亞穩(wěn)態(tài)，下能級4P，3P的壽命比上能級5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級的粒子數(shù)31放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3

S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷”而回到基態(tài)。這樣可及時減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于Ne原子的下能級4P與3P態(tài)的“抽空”。32§4增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來回傳播時，并存著

增益——光的放大；損耗——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射鏡處必要的激光輸出）等。激光形成階段：增益＞損耗激光穩(wěn)定階段：增益＝損耗增益損耗33

一．激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時的凈增益設(shè)ｘ＝0處，光強(qiáng)為I0

ｘ

I

ｘ+dx

I+dI有dI

Idx寫成等式dI=GIdx其中，G為增益系數(shù)(gaincoefficient)34

即單位長度上光強(qiáng)增加的比例。一般G不是常數(shù)。為簡單起見，先近似地認(rèn)為G是常數(shù)。增益系數(shù)35

二.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗

I0

激光從左反射鏡出發(fā)時的光強(qiáng)。

I1

經(jīng)過工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射出發(fā)時的光強(qiáng)。

I0輸出全反射鏡部分反射鏡I1LI2

再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射出發(fā)時的光強(qiáng)。I2R1、R2

左、右兩端反射鏡的反射率.36顯然有I

1=R

2I

0eGLI

2=R1I

1eGL

=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

所以I0I1LI237在激光形成階段即R1

R2e2GL>1或要求I2/I0>1式中Gm—閾值增益，產(chǎn)生激光的最小增益。

在激光穩(wěn)定階段即光強(qiáng)增大到一定程度后要求I2/I0=138當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度，G下降到Ｇm時，增益=損耗，激光就達(dá)到了穩(wěn)定。通常稱為閾值條件。(thresholdcondition)39§5光學(xué)諧振腔縱模與橫模激光器有兩個反射鏡，它們構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。40

光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中往返傳播，使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加，從而獲得很強(qiáng)的光，這種現(xiàn)象叫做光振蕩.加強(qiáng)光須滿足駐波條件41由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波長Lk=1k=2k=3n—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率42可以存在的頻率為

相鄰兩個縱模頻率的間隔為

數(shù)量級估計(jì)：

Ｌ～1ｍ；

n～1.0；c～３×108ms激光器輸出的每一個諧振頻率成為一個縱模。43激光除了有縱向駐波模式外，還有橫向駐波模式。產(chǎn)生的原因：對不同空間分布損耗不同。激光束橫截面上光強(qiáng)的穩(wěn)定分布模式稱為橫模。44§5激光的特性及其應(yīng)用一、激光加工高光功率密度-機(jī)械加工，如焊接、打孔、切割、熱處理、劃片光刻無實(shí)體接觸、加工精度高、積變小二、激光精密計(jì)量

三、激光信息處理光盤激光通訊長度基準(zhǔn)1m誤差測距測速激光準(zhǔn)直質(zhì)量檢測0.0545激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。461、原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動,來探測固體表面的情況。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置四、激光在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用1986年賓尼希研制了原子力顯微鏡47探針尖端在工作時處于受迫振動狀態(tài)，其頻率接近于探針的共振頻率。探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力的作用時，其共振頻率發(fā)生變化，因而振幅也隨之改變。為了跟蹤尖端的振動情況，將一束激光分成兩束，這兩束光重新會合后發(fā)生干涉，根據(jù)干涉的情況可知探針振動的變化情況。48用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。據(jù)此可探知試樣表面的原子起伏情況?？蓹z測出尺度小至5毫微米的表面起伏變化。隨著微電子電路技術(shù)的進(jìn)展，硅基片表面的不平坦度如果超過幾個原子厚度就將被認(rèn)為是不合格的。492、激光多普勒冷卻與光學(xué)粘膠.20世紀(jì)80年代，激光冷卻和捕陷原子的方法在理論和實(shí)驗(yàn)上取得重大突破。隨著激光技術(shù)和原子、分子物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過近20年的努力，可將中性原子冷卻到20nK，捕陷在空間小區(qū)域達(dá)幾十分鐘之久。其最基本的物理機(jī)制是多普勒冷卻和光學(xué)粘膠50當(dāng)原子運(yùn)動時，由于多普勒效應(yīng)，被共振吸收的光的頻率為原子吸收光子后，自發(fā)輻射發(fā)射光子回到基態(tài)，接著再吸收、再輻射連續(xù)不斷。設(shè)原子沿某方向以速度v作一維運(yùn)動，激光束迎面照射原子。原子靜止時，吸收頻率等于其本征頻率的概率最大，即共振吸收。激光多普勒冷卻原理：51每次吸收一個迎面而來的光子，原子都會損失動量而減速。原子每次發(fā)射的光子無特定傳播方向，因此原子因自發(fā)輻射損失的動量平均為0。平均每次降低的速率為隨著原子的減速，多普勒頻移也將變小。這種在激光作用下原子減速的方法叫做多普勒冷卻。52光學(xué)粘膠原子在兩個頻率相同而傳播方向相反的光波場中作一維無規(guī)則運(yùn)動，無論原子速度是正還是負(fù)，總是優(yōu)先吸收迎面而來的光子而被逐漸減速、冷卻。

53推廣到三維情形，采用三組兩兩相對傳播且互相垂直的6束激光，同時照射原子團(tuán)，在6束激光的交匯處，原子不斷吸收和發(fā)射光子，原子與光子不斷交換動量，原子在激光交匯處的運(yùn)動猶如在粘稠介質(zhì)中的無規(guī)運(yùn)動，被不斷減速。朱棣文等把這種狀態(tài)形象地稱為“光學(xué)粘膠”54超導(dǎo)思考題1、什么是超導(dǎo)體，超導(dǎo)體有哪些特性？3、超導(dǎo)磁懸浮是什么效應(yīng)的直接結(jié)果？試描述超導(dǎo)磁懸浮列車的工作原理。2、金屬低溫超導(dǎo)理論最基本的出發(fā)點(diǎn)是什么？試用BCS理論模型解釋超導(dǎo)電性554.004.204.400.1500.1000.0500.000一超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度***：臨界溫度4.20K附近汞的電阻突降為零在1911年，荷蘭萊登大學(xué)Prof.K.Onnes首次發(fā)現(xiàn)汞在4.20K附近電阻突然下降為0。臨界溫度高于35K的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)56二超導(dǎo)體的主要特性1

直流零電阻率當(dāng)（臨界電流）時，電導(dǎo)率電阻率，當(dāng)（臨界電流），電流在超導(dǎo)體內(nèi)流動時，導(dǎo)體內(nèi)任意兩點(diǎn)間無電勢差，整個超導(dǎo)體是等勢體。57超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)o2臨界磁場能破壞超導(dǎo)態(tài)的外磁場的臨界值為臨界磁場的最大值。超導(dǎo)態(tài)不僅與導(dǎo)體溫度有關(guān)，還與外磁場強(qiáng)度有關(guān)。即使T<Tc,外磁場很強(qiáng)也會破壞超導(dǎo)態(tài)58超導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)3

邁斯納效應(yīng)又因?yàn)槌瑢?dǎo)體的截面積不變，好象穿過超導(dǎo)體的磁場線被排斥出去了-完全抗磁性。處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場不隨時間變化59SN灰色小球?yàn)槌瑢?dǎo)小球。紅色圓環(huán)有持久的穩(wěn)恒電流通過。由于超導(dǎo)材料的抗磁性，小球被懸浮于空中，這就是通常說的磁懸浮。邁斯納效應(yīng)說明：當(dāng)有外磁場時，超導(dǎo)表面要形成表面電流以產(chǎn)生退磁場，使內(nèi)部磁場為0。外磁場越強(qiáng)這種表面電流越大，表面電流過大會破壞超導(dǎo)性，使其變成正常態(tài)。60三超導(dǎo)電性的BCS理論晶體局部區(qū)域的畸變晶體點(diǎn)陣正常位置晶體點(diǎn)陣畸變位置

1957年美國物理學(xué)家巴丁、庫珀、施里弗三人共同創(chuàng)立了近代超導(dǎo)微觀理論，這就是常稱的BCS理論.電子運(yùn)動過程中引起晶格向它聚攏的微小畸變，造成局部正電荷集中61當(dāng)電子e1快速離開正電區(qū)域后，晶格由于慣性還來不及恢復(fù)，此時該正電區(qū)域?qū)﹄娮觘1和附近的電子e2產(chǎn)生吸引。如撇開晶格作用不看，兩電子之間表現(xiàn)出吸引力。電子與晶格的作用可能會瞬間產(chǎn)生電子與電子間微弱吸引作用。62實(shí)際上，晶格的局部畸變不會只停留在某處，它會以格波的形式傳遍晶格個部分。聲子：晶體中由點(diǎn)陣的振動產(chǎn)生畸變而傳播的格波的能量子稱聲子.在一定條件下，電子與電子通過傳遞聲子而引起相互吸引，但其引力大于排斥力時，形成電子庫柏對庫珀對：兩個電子通過交換聲子而耦合起來，成為束縛在一起的電子對稱為庫珀對.63庫珀對兩個電子之間的距離約，自旋與動量均等值而相反，所以每一庫珀對的動量之和為零.當(dāng)時金屬內(nèi)的庫珀對開始形成，這時所有的庫珀對都以大小和方向均相同的動量運(yùn)動，金屬導(dǎo)體就具有了超導(dǎo)電性.

庫珀對的數(shù)量十分巨大，當(dāng)它們向同一方向運(yùn)動時，就形成了超導(dǎo)電流.64根據(jù)BCS理論，拆散一個庫柏對所需的最小能量是溫度的函數(shù)，在T=0K時最大，約為3kBTc，溫度升高其數(shù)值減小，當(dāng)溫度達(dá)到Tc時數(shù)值為零，意味著Tc之上不再產(chǎn)生庫柏對，轉(zhuǎn)為正常態(tài)。溫度低于Tc時，晶格振動的能量小于庫柏對的結(jié)合能，因此不可能通過聲子與庫柏對的碰撞來拆散它們。所以一旦庫柏對被驅(qū)動就不再受聲子影響繼續(xù)向同一方向運(yùn)動，即作物阻力運(yùn)動，先形成超導(dǎo)電流。65四超導(dǎo)的應(yīng)用前景P.3771強(qiáng)磁場中國科學(xué)院合肥等離子體研究所建造的HT-7托克馬克裝置66超導(dǎo)電纜的終端三芯絞合型超導(dǎo)電纜END2低損耗電能傳輸673

磁懸浮列車68半導(dǎo)體思考題：1.固體中電子的排布遵從什么原理？2.半導(dǎo)體的能帶特點(diǎn)？3.何謂pn結(jié)？有何特性？4.試說明光生伏特效應(yīng)。69一固體的能帶+完全分離的兩個氫原子能級+70兩個氫原子靠得很近時的能級分裂

六個氫原子靠得很近時的能級分裂

固態(tài)晶體的能帶量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。71離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖72二.能帶中電子的排布固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。

排布原則：

１.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）

２.服從能量最小原理P359在一個原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的量子態(tài)

電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起。73每個能級有個量子態(tài)每個能級容納個電子每個能帶容納個電子

金屬鈉的各能帶上電子的分布

為角量子數(shù)n為主量子數(shù)參見課本351頁74有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞

3．滿帶排滿電子，不能導(dǎo)電1．價(jià)帶（導(dǎo)帶）部分能級被電子排滿。在電場作用下，這些電子可以導(dǎo)電亦稱導(dǎo)帶

2．空帶（導(dǎo)帶）未排電子。躍遷進(jìn)入空帶的電子可以導(dǎo)電

亦稱導(dǎo)帶4．禁帶（不能排電子）75晶體的能帶禁帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶（非滿帶）空帶價(jià)帶（滿帶）導(dǎo)帶76導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率溫度系數(shù)禁帶價(jià)帶正非滿帶負(fù)較小滿帶負(fù)較大滿帶導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的比較77絕緣體Eg空帶半導(dǎo)體Eg空帶導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體Eg空帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶78三本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體1本征半導(dǎo)體：純凈的無雜質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)帶禁帶滿帶空穴電子鍺晶體中的正常鍵電子被激發(fā)，晶體中出現(xiàn)空穴792雜質(zhì)半導(dǎo)體

電子型（簡稱n

型）半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶施主能級施主能級五價(jià)原子砷摻入四價(jià)硅中，多余的價(jià)電子環(huán)繞離子運(yùn)動80

空穴型（簡稱

p

型）半導(dǎo)體空穴

三價(jià)原子硼摻入四價(jià)鍺晶體中，空穴環(huán)繞離子運(yùn)動價(jià)帶導(dǎo)帶受主能級受主能級81四pn結(jié)pnpnpn

結(jié)的伏安特性曲線82pnp

偶電層

n----------++++++++++空穴電子動平衡時

p型與n型接觸區(qū)域的電勢變化83五光生伏特效應(yīng)Pn光

這種由光的照射，使pn結(jié)產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng).END84等離子體等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。85普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運(yùn)動加劇，使粒子之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當(dāng)溫度高達(dá)百萬K到1億K，所有氣體原子全部電離．電離出的自由電子總的負(fù)電量與正離子總的正電量相等．這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體．等離子體和普通氣體性質(zhì)不同，普通氣體由分子構(gòu)成，分子之間相互作用力是短程力，僅當(dāng)分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運(yùn)動論描述．86在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運(yùn)動時，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場；電荷定向運(yùn)動引起電流，產(chǎn)生磁場．電場和磁場要影響其他帶電粒子的運(yùn)動，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場約束作回旋運(yùn)動等．等離子體的這些特性使它區(qū)別于普通氣體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)．87在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。對于整個宇宙來講，幾乎99．9％以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間，空間物理，地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提新的技術(shù)和工藝。88等離子體主要用于以下3方面。①等離子體冶煉：用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點(diǎn)的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬，等離子體冶煉的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品成分及微結(jié)構(gòu)的一致性好，可免除容器材料的污染。②等離子體噴涂：許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨耐腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基體（部件）上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層，這可大大提高噴涂質(zhì)量。③等離子體焊接：可用以焊接鋼、合金鋼；鋁、銅、鈦等及其合金。特點(diǎn)是焊縫平整，可以再加工,沒有氧化物雜質(zhì),焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金，切割厚度大。89凝聚態(tài)物質(zhì)思考題1、比較晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)及液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。2、什么是分形？何謂自相似性？3、介觀系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？4、什么是納米科學(xué)技術(shù)？有哪些應(yīng)用前景？5、簡述STM的工作原理與工作方式。90晶態(tài)91結(jié)構(gòu)：周期性對稱性：平移對稱性、旋轉(zhuǎn)對稱性晶格:分子(原子,離子)的周期排列稱為晶格。結(jié)構(gòu)長程有序。在理想晶體模型中，所有分子(原子,離子)的排列都完全有序。晶體中的任何一個或一組基本單元都可以通過平移一定距離或旋轉(zhuǎn)一定角度而于其它單元重合。若旋轉(zhuǎn)，則稱n重旋轉(zhuǎn)對稱性。物理性質(zhì)：各向異性受周期結(jié)構(gòu)的限制，只能有2、3、4、6重旋轉(zhuǎn)軸。結(jié)構(gòu)測定：X射線衍射（1912勞厄）92勞厄斑點(diǎn)鉛板單晶片照像底片單晶片的衍射1912年勞厄?qū)嶒?yàn)愛因斯坦：“物理學(xué)中最美的實(shí)驗(yàn)”93非晶態(tài)非晶態(tài)固體是相對于晶態(tài)固體而言的，是固態(tài)物質(zhì)的另一種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。玻璃、橡膠、塑料等都是非晶態(tài)固體非晶態(tài)固體的特點(diǎn)：原子排列長程無序，不具有周期性。不可能逐個給出所有原子的位置坐標(biāo)，只能用統(tǒng)計(jì)的方法對位置的無序進(jìn)行描述，引入徑向分布函數(shù)法來描述非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)。94準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：原子的排列雖然沒有周期性，但卻長程有序。介于晶體與非晶體之間。具有5重對稱軸。1984年D.Shechtman等人首次在極冷的合金的電子衍射照片中發(fā)現(xiàn)了具有5次軸的20面體新相。95液晶1888年液晶現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者Reinitzer奧地利植物生理學(xué)家物質(zhì)的熱相變過程中出現(xiàn)固體和液體之間的白濁液體96液晶具有液體的流動性，粘滯性（力學(xué)性質(zhì)）。和晶體的各向異性（光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)）；是介于液體和晶體的性質(zhì)之間的中間狀態(tài)。近晶相、向列相、膽甾相97近晶相液晶的層狀結(jié)構(gòu)位置無序指向有序98圓盤狀向列相液晶分子質(zhì)心位置完全無序，但分子傾向于沿特定方向排列，并不排成層。具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，是顯示器件的主要材料。99螺旋軸膽甾相液晶的螺旋構(gòu)造100所謂自相似對稱性又叫分形，是指一類無窮嵌套