現(xiàn)代物理學與工程技術1

1、2016“”生態(tài)、環(huán)保、節(jié)約生態(tài)、環(huán)保、節(jié)約21世紀工程師的歷史責任Page 1物理學在工程技術中的應用 一、物理學與核能工程技術一、物理學與核能工程技術 田灣核電站田灣核電站現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 3原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導 19世紀末，相繼發(fā)現(xiàn)了世紀末，相繼發(fā)現(xiàn)了x射線、放射性和電子射線、放射性和電子 1911年盧瑟福提出了原子的核式模型年盧瑟福提出了原子的核式模型 1913年玻爾完善了原子結構理論年玻爾完善了原子結構理論 1905年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時空的年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時空的新概念新概念 ;提出了質能關系

2、及其著名表達式提出了質能關系及其著名表達式E=mc2 20世紀初葉，是物理學革命的年代世紀初葉，是物理學革命的年代。2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 4原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子;海森堡和伊凡寧柯分別海森堡和伊凡寧柯分別獨立提出了原子核由質子和中子組成的模型獨立提出了原子核由質子和中子組成的模型 1934年約里奧年約里奧-居里夫婦成功地用人工方法產生了放射性同位素居里夫婦成功地用人工方法產生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在實驗上發(fā)現(xiàn)中子轟擊年

3、哈恩和斯特拉斯曼在實驗上發(fā)現(xiàn)中子轟擊下的鈾核裂變以及梅特納和弗里什的理論解釋下的鈾核裂變以及梅特納和弗里什的理論解釋 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 5u對核結構和質量的研究，使人們認識到原子核結合能隨原子量變化的規(guī)律：一個重核分裂成兩個中等質量的核時，會釋放能量；一個重核分裂成兩個中等質量的核時，會釋放能量；某些輕核聚合成一個較重的核時，會釋放能量；某些輕核聚合成一個較重的核時，會釋放能量；lE= MC2 M-質量虧損，質量虧損，l一次核聚變時放出的能量要比核裂變時大四倍以上。一次核聚變時放出的能量要比核裂變時大四倍以上。原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎

4、與先導原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導 2CE2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 6 原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定了裂變核能裂變核能與聚變核能聚變核能應用的基礎。 核能應用的實現(xiàn)還必須進一步解決一系列應用物應用物理學理學和工程技術工程技術上的問題。 原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導 E=MC22022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 7核武器與核能 1) 核裂變能（原子能）被用來制造原子彈核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時，必須突破諸多的關鍵問題：時，必須突破諸多的關鍵問題： 可裂

5、變材料的選取和制備；可裂變材料的選取和制備； 確定實現(xiàn)鏈式裂變反應所必須的裂確定實現(xiàn)鏈式裂變反應所必須的裂變物質的最小體積（臨界體積）或變物質的最小體積（臨界體積）或臨界質量；臨界質量； 達到臨界與裂變點火的技術途徑；達到臨界與裂變點火的技術途徑；2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 8核武器與核能核武器與核能 高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其精確的時空控制；律及其精確的時空控制；將流體力學，中子核物理等將流體力學，中子核物理等耦合在一起的全過程數(shù)值模耦合在一起的全過程數(shù)值模擬，整套物理參數(shù)；擬，整套物理參數(shù)；核部件與非核部件的加工，核部件與非核

6、部件的加工，材料相容性研究及結構工程材料相容性研究及結構工程設計；設計；核試驗的方法，核試驗診斷核試驗的方法，核試驗診斷理論與測試技術等。理論與測試技術等。 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 9核武器與核能核武器與核能 2) 核聚變放能是氫彈的物理基礎。制造核聚變放能是氫彈的物理基礎。制造氫彈必須創(chuàng)造性地解決一系列問題：氫彈必須創(chuàng)造性地解決一系列問題： 必要的熱核燃料（如氘和氚或鋰等）的制備； 如何利用原子彈爆炸的能量產生高溫、高壓來點燃聚變材料，并使之自持燃燒；氫彈氫彈2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 10核武器與核能核武器與核能

7、掌握輻射輸運的規(guī)律、輻射流體力學及高溫高密度等離子體物理、狀態(tài)方程、高剝離度原子參數(shù)； 利用適當?shù)牟牧虾颓擅畹臉嬓螌崿F(xiàn)熱核爆炸； 特殊效應的核武器（如中子彈等）還需進行特殊的設計等。 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 11核武器與核能核武器與核能 問題的解決是物理工作和工程技術緊密交叉結合的過程：問題的解決是物理工作和工程技術緊密交叉結合的過程：u如如,核爆炸的物理診斷學，就是為了弄清核武器爆炸后快核爆炸的物理診斷學，就是為了弄清核武器爆炸后快速而復雜的物理過程、各種物理量隨時、空的變化規(guī)律，速而復雜的物理過程、各種物理量隨時、空的變化規(guī)律，從而做到不僅知其然，而

8、且知其所以然。從而做到不僅知其然，而且知其所以然。u有意思的是，幾個核國家突破氫彈的工作是有意思的是，幾個核國家突破氫彈的工作是 “英雄所見英雄所見略同略同”。 兩個太陽兩個太陽2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 12核武器與核能核武器與核能 3）明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源。明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源。u基于核裂變反應堆的核電站由核島和常規(guī)島構成基于核裂變反應堆的核電站由核島和常規(guī)島構成在核島內要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形在核島內要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形式釋放出來；式釋放出來；通過常規(guī)島轉換成電能供人使用。

9、通過常規(guī)島轉換成電能供人使用。2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 13核武器與核能核武器與核能 u在核燃料的選擇、制備、控制方法、結構和安全設計等方面需解決一系列的工程、技術問題。2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 14核武器與核能核武器與核能 基于基于核聚變反應堆核聚變反應堆的聚變電站是解決人類未的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個希望。來能源問題的一個希望。要實現(xiàn)熱核燃料的“點火”，并有凈能量輸出；必須控制熱核聚變反應的速率；是一項有難度的大科學工程；目前處于前期實驗研究階段。 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術

10、Page 15核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 核爆炸的物理環(huán)境：核爆炸的物理環(huán)境：u瞬時的快變的高溫高密度等離子體和混合輻射場。u揭示了高溫高密度等離子體的某些特有規(guī)律，如非平衡燃燒需用“三溫方程”描述。u輻射場本身也可能是非平衡的。2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 16核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 再如，再如，u一般情況下，可用線性的波爾茲曼方程來描述中子輸運過程；u但在發(fā)生劇烈熱核聚變的區(qū)域和時間內，中子之間的碰撞已不可忽略，于是提出了非線性中子輸運方程及其解法。 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技

11、術Page 17 核武器物理和工程發(fā)展的過程中，形成了一個新興的交叉學科高能量密度物理學。u廣義地，“高能量密度”是指能量超過1011J/m3，或壓力超過1兆巴，溫度超過400ev，電磁波強度超過31015w/cm2的物質狀態(tài)；u在核武器物理領域，“高能量密度”特指溫度超過103ev，壓力超過107atm，高密度的物質狀態(tài)。核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 18核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 進行高能量密度物理研究的裝置包括：進行高能量密度物理研究的裝置包括

12、： 激光慣性約束聚變裝置激光慣性約束聚變裝置 基于脈沖功率技術的基于脈沖功率技術的Z箍縮裝置箍縮裝置 長脈沖（長脈沖（s）功率裝置）功率裝置 （如美國（如美國 的的Atlas）等等神光II裝置2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 19核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 研究的內容包括：研究的內容包括： 材料特性材料特性 可壓縮流體動力學可壓縮流體動力學 輻射流體動力學輻射流體動力學 核聚變物理核聚變物理 天體物理等。天體物理等。是以大科學工程為手段研究基礎物理學是以大科學工程為手段研究基礎物理學2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工

13、程技術工程技術Page 20核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究核工程技術的發(fā)展深化著物理學的研究 可可 見：見： 物理學引領工程技術生產力反哺物理學工程技術2022-5-20二、物理學和激光技術與工程二、物理學和激光技術與工程 激光加工設備現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 22光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生19世紀的科學家們進行了關于電磁波的卓越的研究世紀的科學家們進行了關于電磁波的卓越的研究1905年愛因斯坦提出了光量子和光電效應的概念，年愛因斯坦提出了光量子和光電效應的概念，揭示了輻射的波粒二象性揭示了輻射的波粒二象性 1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念年愛因斯坦提出了

14、受激輻射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基礎性、探基礎性、探索性研究索性研究2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 23光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生激光走向新技術的開發(fā)和工程應用階段激光走向新技術的開發(fā)和工程應用階段1954年研制成第一臺微波激射器年研制成第一臺微波激射器 1958年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光的概念和理論設計的概念和理論設計 1960年美國的梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器；賈萬年美國的梅曼研制成功第一

15、臺紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。我國的第一臺激光器我國的第一臺激光器于于1961年在長春光機所創(chuàng)制成功年在長春光機所創(chuàng)制成功 2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 24激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 激光的激光的特性特性使之在光學應用領域帶來了革命性的變化：使之在光學應用領域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 25 四十多年來，激光器的品種迅速增加：四十多年來，激光器的品種迅速增加： 固體激光器固體激光器 半導體激光器半導體激光器 固體激光器（固體激光器（半導

16、體激光泵浦半導體激光泵浦） 化學激光器（化學激光器（HF/DF激光、氧碘化學激光器、激光、氧碘化學激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光激光、燃料激光、氦氖激光）激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 26 自由電子激光器自由電子激光器 x射線激光器射線激光器 準分子激光器準分子激光器 金屬蒸氣激光器等。金屬蒸氣激光器等。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 27 激光器的輸出水平不斷提高：

17、激光器的輸出水平不斷提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脈沖體制從連續(xù)波、準連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。u連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達百萬焦耳以上；連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達百萬焦耳以上；u超短脈沖：納秒超短脈沖：納秒 皮秒皮秒 費秒費秒 阿秒阿秒 脈沖功率密度則可高達脈沖功率密度則可高達1020瓦瓦/cm2以上以上。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 28p輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：長至亞毫米（太赫茲）長至亞毫米（太赫茲）短至短至x射線射線激光也在探索中，

18、分立的激光譜線達幾千條；激光也在探索中，分立的激光譜線達幾千條；p輸出激光的光束質量，好的可達近衍射極限。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 29 激光應用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在激光應用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在 ： 激光光譜技術比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提 高了百億倍； 激光為信息技術開拓了豐富的頻率資源；激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎；網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎； 光存

19、儲、激光全息、激光照排、打光存儲、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術等，提供了全新印及條碼掃描技術等，提供了全新的多樣化的信息服務。的多樣化的信息服務。 可擦除小型光盤的刻錄母盤2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 30 激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度： 在工業(yè)制造中可進行精確的切削和表面改性在工業(yè)制造中可進行精確的切削和表面改性 做精密的醫(yī)療手術做精密的醫(yī)療手術 作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理

20、學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 31 激光技術開辟了嶄新的軍事應用，包括：激光技術開辟了嶄新的軍事應用，包括：激光瞄準、制導、測距激光瞄準、制導、測距激光雷達激光雷達激光陀螺激光陀螺激光引信激光引信激光致盲傳感器激光致盲傳感器高能強激光武器等。高能強激光武器等。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響ABLABL2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 32激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 非線性光學成為一個重要研究領域：非線性光學成為一個重要研究領域：激光與介質（含大氣）相互作用時產生各種非線性效應的物理本質和規(guī)律。 產生的條件、特性、機理：產生的條件、特性、機理： 受激拉曼散射受激拉曼散射 自聚焦自聚焦 熱暈熱暈 光學和頻與倍頻光學和頻與倍頻 相干瞬態(tài)光學效應等相干瞬態(tài)光學效應等2022-5-20現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 33激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 非線性光學材料非線性光學材料及非線性光學效應非線性光學效應的幾種應用：擴展激光的波長范圍擴展激光的波長范圍發(fā)展非線性光學相位共軛技術發(fā)展非線性光學相