高壓物理——緒論

1、n高壓科學(xué)的重要意義高壓科學(xué)的重要意義n高壓科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展高壓科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展（1）高壓：12（15）kbar P 5 GPa（2）不同領(lǐng)域?qū)Α案邏骸钡暮x理解 傳統(tǒng)生物學(xué)：100-102 bar 深海火山口細(xì)菌： 102-103 bar 分子生物學(xué)： 102-103 bar 化學(xué)材料科學(xué) 物理學(xué)： 100-102 GPa102-103 bar （水熱溶劑熱）（3）高壓物理學(xué)： 研究凝聚態(tài)物質(zhì)在高壓這一極端條件下的力、熱、光、電等物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化規(guī)律的學(xué)科。（4）高壓下，物理學(xué)與化學(xué)在很大程度上是密不可分的，物質(zhì)的電子狀態(tài)，能帶結(jié)構(gòu)的改變必然引起其化學(xué)性質(zhì)的變化，而物質(zhì)的高壓相變本身就是

2、復(fù)雜的物理-化學(xué)過程。（5）壓力的單位Pa (帕斯卡帕斯卡)是國際壓力單位是國際壓力單位 (1N/m2 )1MPa106 Pa，1 GPa109 Pabar (巴巴)是常用壓力單位是常用壓力單位 (=106dyn/cm2)atm (大氣壓大氣壓)稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1.013105 Pa1bar105Pa0.9869atm1bar1atm 10kbar=1GPa 壓力 壓縮原子間距 改變電子結(jié)構(gòu) 原子重組 電子激發(fā) 能級調(diào)諧 自旋重排 電子相變 結(jié)構(gòu)相變 高壓新相 新數(shù)據(jù) 新現(xiàn)象 新結(jié)構(gòu) 新性質(zhì) 新規(guī)律 新材料 新理論2. 壓力的效應(yīng) 是指在壓力的作用下，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)

3、象。 在壓力的作用下，物質(zhì)的狀態(tài)、晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有些還會以新的高壓相存在著，這些高壓相可能具有新的優(yōu)異性能。例1. 壓力P是與溫度T同樣重要的熱力學(xué)參數(shù)n壓力與溫度、組分是任何體系的三個獨立物理參量，壓力的作用是任何其它手段無法代替的n壓力可改變物質(zhì)內(nèi)部的各種相互作用，改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)n出現(xiàn)高密度態(tài)和新的高壓相，在百萬巴下每種物質(zhì)平均出現(xiàn)5個相變n在高壓下以新的基態(tài)存在，出現(xiàn)了異于周期表的新價態(tài)，產(chǎn)生奇異的化學(xué)反應(yīng)n對于驗證理論模型和發(fā)展新理論提供有效的手段物質(zhì)物質(zhì)科學(xué)科學(xué)PTX以半導(dǎo)體Si為例：（1）P=0 GPa至P=10GPa，V/V=-5%; T=0 K至Tm=141

4、0oC，V/V=1.8%。例2. 高溫高壓（HPHT）技術(shù)是合成新材料的有效手段，表明高壓科學(xué)研究成果具有重大的實際應(yīng)用價值和技術(shù)價值。例3. 在高壓作用下，物質(zhì)會發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變；原為液態(tài)的物質(zhì)會凝固結(jié)晶；原為晶態(tài)的物質(zhì)可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)的變化，在很高壓力下，半導(dǎo)體、絕緣體甚至一些分子固體都可能進入金屬態(tài)。 金屬氫的研究是這個方面一個典型的例子.+.+D.+.+ApparatusP（GPa）T（K）Gas apparatus 氣壓裝置 231800Piston-Cylinder 活塞-圓筒裝置 52300Bridgman anvil unsupported supported 5

5、202300Belt or Girdle apparatus 202300多砧系統(tǒng)4000Shock wave 沖擊波不低于80800不低于5000Bridgman對高壓物理的貢獻對高壓物理的貢獻超高壓物理研究的歷史超高壓物理研究的歷史1941年，年，Bridgman開始高壓金剛石的合成實驗開始高壓金剛石的合成實驗 。Coes首次合成出了科石英首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅酸鹽礦物。柯石及其它硅酸鹽礦物?？率⑹怯⑹荢iO2的高密度相，即高壓相。的高密度相，即高壓相。1955年，美國通用電氣公司的年，美國通用電氣公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等等人，

6、及瑞典人，及瑞典ASEA公司的研究人員首次合成出人造金剛石。公司的研究人員首次合成出人造金剛石。Wentof合成了硬度僅次于金剛石的超硬材料立方氮化硼合成了硬度僅次于金剛石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈佛大學(xué)于哈佛大學(xué)于1933年啟動地球物理科學(xué)方面的一項研究計劃，年啟動地球物理科學(xué)方面的一項研究計劃，1952年年Birch發(fā)表了發(fā)表了“地球內(nèi)部的彈性和組成地球內(nèi)部的彈性和組成”的論文。的論文。美國美國Carnegie地球物理實驗室創(chuàng)立于地球物理實驗室創(chuàng)立于1907年，設(shè)計了最初的年，設(shè)計了最初的高壓釜，奠定了水熱合成法的基礎(chǔ)，研究了高溫高壓下的相高壓釜，奠定了水熱合成法的基礎(chǔ)，研究了高溫高

7、壓下的相平衡、花崗巖的形成機理。平衡、花崗巖的形成機理。超高壓物理研究的歷史超高壓物理研究的歷史美國芝加哥大學(xué)的美國芝加哥大學(xué)的Lawson和湯定元設(shè)計了最早的一臺金剛石和湯定元設(shè)計了最早的一臺金剛石壓腔裝置，稱為金剛石釜壓腔裝置，稱為金剛石釜(Diamond Bomb)，腔體壓力達到，腔體壓力達到3GPa，可以進行，可以進行X射線研究。射線研究。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NBS（現(xiàn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（現(xiàn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST的前身）的前身）對高壓物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了兩大重要貢獻：對高壓物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了兩大重要貢獻：對 金 剛 石壓 腔 的 設(shè) 計進 行 了 重 大 改 進 ，對

8、 金 剛 石壓 腔 的 設(shè) 計進 行 了 重 大 改 進 ， 1958年年 Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同設(shè)計了現(xiàn)代金剛石對頂共同設(shè)計了現(xiàn)代金剛石對頂砧壓機砧壓機(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用該高壓光學(xué)裝置的原型，用該高壓光學(xué)裝置首次觀測了偏光顯微鏡下的結(jié)晶形態(tài)、進行了紅外光譜測量。首次觀測了偏光顯微鏡下的結(jié)晶形態(tài)、進行了紅外光譜測量。Block等人發(fā)現(xiàn)了紅寶石熒光等人發(fā)現(xiàn)了紅寶石熒光R線隨壓力而發(fā)生線性位移的現(xiàn)象，線隨壓力而發(fā)生線性位移的現(xiàn)象，可利用該現(xiàn)象標(biāo)定相當(dāng)高的壓力。可利用該現(xiàn)象標(biāo)定相當(dāng)高的壓力。壓力的歷史發(fā)展

9、壓力的歷史發(fā)展Mao, Bell:172GPa (1978)Bell, Mao:185GPa (1979)Bell, Xu et.al.:280GPa (1986)Xu, Mao et.al.:550GPa (1986)Narayana et.al.342GPa Nature(1998) 固體地球科學(xué)固體地球科學(xué) 凝聚態(tài)物理、化學(xué)和材料科學(xué)凝聚態(tài)物理、化學(xué)和材料科學(xué) 生命科學(xué)與生物技術(shù)生命科學(xué)與生物技術(shù)高壓物理研究的應(yīng)用領(lǐng)域高壓物理研究的應(yīng)用領(lǐng)域 AIRAPT國際會議：每國際會議：每2年舉行一次年舉行一次 1985年后的會議上頒發(fā)年后的會議上頒發(fā)Bridgman高壓科學(xué)杰出貢獻獎高壓科學(xué)杰出貢

10、獻獎國際高壓物理學(xué)研究歷史發(fā)展國際高壓物理學(xué)研究歷史發(fā)展AIRAPT-18 (2001,北京北京)國際高壓科學(xué)國際高壓科學(xué)與技術(shù)會議與技術(shù)會議EPHRG2002“High Pressure Research Across the Sciences ” 國際高壓物理研究現(xiàn)狀國際高壓物理研究現(xiàn)狀張紹忠張紹忠曾留學(xué)哈佛大學(xué)（曾留學(xué)哈佛大學(xué)（1925-1927），師從，師從Bridgman全國第一屆高壓物理學(xué)術(shù)研討會是全國第一屆高壓物理學(xué)術(shù)研討會是1978年在廣州召開年在廣州召開物理所與高能所合作建立了同步輻射高壓站物理所與高能所合作建立了同步輻射高壓站 物理所利用物理所利用DAC技術(shù)獲得了技術(shù)獲得了180GPa的最高壓力的最高壓力 (1989)“中國高壓科學(xué)在中國高壓科學(xué)在21世紀(jì)初葉的發(fā)展前景世紀(jì)初葉的發(fā)展前景”香山會議香山會議 (2000)2001年成立高壓研究中心年成立高壓研究中心毛河光獲得了毛河光獲得了2002年度年度“中國政府友誼獎中國政府友誼獎”國內(nèi)高壓物理研究歷史國內(nèi)高壓物理研究歷史吉林大學(xué)吉林大學(xué)(超硬材料國家重點實驗室超硬材料國家重點實驗室) 中科院