物理學(xué)導(dǎo)論市公開課獲獎?wù)n件

1、大學(xué)物理導(dǎo)論 凝聚態(tài)物理前沿周劍平陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院zhoujp.10.19第1頁第1頁College of Physics and Information Technology, SNNU什么是物理學(xué)?物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律學(xué)科。沒有物理學(xué)，便不會有當(dāng)今科學(xué)技術(shù)！ 只有經(jīng)過精心組織,才干匯聚起如此浩瀚龐大又扎實有據(jù)真理,也和表述才干一樣,將雜亂無章整理得井然有序才干是一個富有創(chuàng)造性才干,可能簡直就是同一才干不同側(cè)面。從原先無數(shù)孤立現(xiàn)象真理之中涌現(xiàn)了存在于它們之間關(guān)系真理:用這種方式一個世界就創(chuàng)造出來了。 Hugo von Hoffmannstahl參考書目馮端金國

2、鈞 凝聚態(tài)物理學(xué)（上卷）高等教育出版社 張禮 近代物理學(xué)進展（第2版）清華大學(xué)出版社 第2頁第2頁College of Physics and Information Technology, SNNU什么是物理學(xué)? 處于這日益專業(yè)化時代之中,得以結(jié)識到基本物理概念也許應(yīng)用于一大批看起來五花八門問題,是令人欣慰。在理解某一領(lǐng)域所取得進展經(jīng)常能夠應(yīng)用于其它領(lǐng)域,這不但對材料科學(xué)眾多領(lǐng)域是確實,對廣義而言物質(zhì)結(jié)構(gòu)亦復(fù)如此。作為闡述例證,為理解磁性、超流動性與超導(dǎo)電性所發(fā)展概念也被推廣和應(yīng)用于多樣領(lǐng)域,如核物質(zhì),弱與電磁互相作用,高能物理學(xué)中夸克結(jié)構(gòu)與眾多液晶相。 John Bardeen第3頁第3頁

3、College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同層次從原子物理學(xué)到原子核物理學(xué),最后進入粒子物理學(xué),處處可見還原論蹤跡。氣體、液體與固體都被分解為分子或原子匯集體;原子又被分解為原子核與電子;原子核被分解為質(zhì)子和中子;這些再被分解為夸克、膠子。在每個還原階段中呈現(xiàn)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)粒子,曾被誤認(rèn)為基本粒子。在每一還原階段,長度尺寸急劇縮短而能量尺度急劇上升。第4頁第4頁College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同層次理論辦法：量子物理、統(tǒng)計物理與典型物理凝聚現(xiàn)象：有序化

4、，對稱性減少白紙稱為無極，畫上一個圓圈，稱為無極生太極（宇宙），中間一條曲線分成黑白兩個部分，稱為太極生兩儀，第5頁第5頁College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同層次宇宙學(xué)、粒子物理奇妙銜接/note/74562266/第6頁第6頁College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)世界時間尺度大爆炸宇宙年齡：130 200億年 1018 s 星系形成：50億年地球年齡：4.6109 年 = 1017 s大氣形成：8108 年 = 1016 s生命誕生：約40億年脊椎

5、動物： 約6億年人類出現(xiàn) ： 約500萬年地球地球公轉(zhuǎn) 3107 s地球自轉(zhuǎn) 2.6106 s百米跑 10 s市電周期 10-2 s中子壽命 10-3 s介子壽命 10-8 10-17 s中間玻色子壽命 10-24 s第7頁第7頁College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)世界質(zhì)量層次1050 s 10-30 , 共計跨越了80個數(shù)量級 科學(xué)基本原理之一：萬物都是由難以觀測到微小粒子構(gòu)成。第8頁第8頁College of Physics and Information Technology, SNNU自然界基本互相作用種類引力弱力電

6、磁力強力作用對象所有粒子大多數(shù)粒子帶電粒子強子作用距離(cm)10-1010-13相對強度(10-13 cm)傳遞作用基本粒子引力子？中間玻色子光子()膠子 (g)110-3810-13103介電材料總伴伴隨鐵電和弛豫行為，從而使r敏感于溫度改變，造成器件穩(wěn)定性減少。圖. 弛豫性鐵電體介電溫譜，類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CaCu3Ti4O12材料高介電 、低損耗、介電響應(yīng)高熱、高頻穩(wěn)定性等良好性能。圖. CCTO試樣介電頻譜和溫譜VS.良好綜合性能，使其有望在高密度能量存儲、薄膜器件、高介電電容器等一系列高新技術(shù)領(lǐng)域中取得廣泛應(yīng)用。方向2：巨介電CCTO研究國家自然基金（-）第52頁第52頁College

7、of Physics and Information Technology, SNNU工作進展: A位Sr取代Cu降介電損耗圖. CaCu3-xSrxTi4O12介電頻譜總結(jié)：Sr與Ti形成第二相增強了晶界絕緣性，減少了漏導(dǎo)損耗。劉鵬，賀穎，李俊，朱剛強，邊小兵, 物理學(xué)報 56 () 5489 慕春紅，劉 鵬，賀 穎，張 丹，孟 玲，邊小兵，物理學(xué)報 第四期 P. Liu, C.H. Mu, Y. He, J.P. Zhou, J. Alloys. Compd. 471 () 137Solid State Ionics206 () 262近期完畢論文第53頁第53頁College of Ph

8、ysics and Information Technology, SNNU圖 鐵電材料介電偏壓曲線用于集成相控陣天線鐵電體材料研究十一五軍工預(yù)研項目E圖5-2 移相器原理示意圖可調(diào)電介質(zhì)微波輸入信號微波輸出信號金屬電極電場方向方向3：移相器P Liu, J L Ma, et al., Mater. Chem. Phys. (published)第54頁第54頁College of Physics and Information Technology, SNNU方向3：反鐵電體電學(xué)性能與極化弛豫機制國家基金支持項目，-圖2 PLZST反鐵電陶瓷在不同偏置電場下介電溫度譜（從上到下頻率分別為f=

9、0.1,1,10,100 kHz） 完畢論文：偏置電場誘導(dǎo)PLZST反鐵電極化弛豫現(xiàn)象 科學(xué)通報，53：1755（）(Pb0.94La0.04)(Zr0.55-xSn0.45Tix)O3反鐵電陶瓷電學(xué)性能研究 陜西師范大學(xué)學(xué)報第55頁第55頁College of Physics and Information Technology, SNNU高溫壓電PbNb2O6基材料：以上3個圖分別為不同材料在不同頻率介電常數(shù)隨溫度改變曲線，由圖見在室溫到400介電常數(shù)隨溫度改變很小，居里溫度都在500以上，適合于高溫傳感器材料應(yīng)用第56頁第56頁College of Physics and Informa

10、tion Technology, SNNUC同素異形體金剛石顏色：常見為淺黃色、淺黃褐色、淺黃綠色、褐色，無色(淺黃白、白、優(yōu)白)占有一定數(shù)量，玫瑰色、粉紅色、淺藍色、綠色、黑色、茶色十分稀少硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度15熔點：金剛石熔點達4000，在空氣中燃燒溫度為8501000化學(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在酸、堿中均不分解，在熔融硝酸鈉、硝酸鉀、碳酸鈉中溶解。第57頁第57頁College of Physics and Information Technology, SNNUC同素異形體石墨石墨含有較好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，由于其層狀結(jié)構(gòu)，顯示各向異性，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性質(zhì)沿著層狀網(wǎng)絡(luò)方向傳播得

11、好，但曾與曾之間不好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身很穩(wěn)定，但網(wǎng)之間結(jié)合力不強。1） 耐高溫型：石墨熔點為385050，沸點為4250，石墨強度隨溫度提升而加強，在時，石墨強度提升一倍。 2） 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨導(dǎo)電性比普通非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超出鋼、鐵、鉛等金屬材料。 3） 潤滑性：4） 化學(xué)穩(wěn)定性：石墨在常溫下有良好化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑腐蝕。5） 可塑性：石墨韌性好，可年成很薄薄片。 第58頁第58頁College of Physics and Information Technology, SNNUC同素異形體石墨烯(諾貝爾物理獎)石墨烯即為“單層石墨片”始終以來,科學(xué)家們認(rèn)為,單層石

12、墨烯是不可穩(wěn)定能存在用透明膠將石墨一層一層剝開石墨烯有特殊力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)片狀物足夠大之后，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定，并且強度超出單層鐵強度一百倍。一張一米見方石墨烯可承重大約4公斤，也就是說，假如用一米見方石墨烯做成吊床，始終貓能夠安安穩(wěn)穩(wěn)地躺在上面睡覺石墨烯有著眾多奇特性質(zhì), 單層晶體能夠穩(wěn)定地存在; 石墨烯片層事實上并不是平坦,而是波狀;Geim報道稱,石墨烯中電子是沒有質(zhì)量,以恒定速率移動,和光子行為極為相同,無論石墨烯中電子帶有多大能量,電子運動速率都約是光子運動速率三百分之一;半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。石墨烯電子含有自旋量子特性。第59頁第59頁College of Physics and Informa

13、tion Technology, SNNUC同素異形體碳納米管(1991年發(fā)覺)能夠當(dāng)作是由一片石墨烯卷成無縫管納米碳管比重只有鋼三分之一，而抗拉強度能夠達到鋼100倍以上，導(dǎo)電能力是銅1000倍以上，且兼具金屬性質(zhì)與半導(dǎo)體性質(zhì)，故應(yīng)用范圍極廣分子導(dǎo)線第60頁第60頁College of Physics and Information Technology, SNNUC同素異形體富勒烯(1996年諾貝爾化學(xué)獎)看上去是一個“分子足球”作“分子滾珠”，制成潤滑劑第61頁第61頁College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶晶體最基本特

14、點是含有周期性，即含有平移對稱性，早在十九世紀(jì)，德國科學(xué)家就總結(jié)并通過數(shù)學(xué)嚴(yán)格證實，為了滿足晶體這一性質(zhì)，晶體中只存在n = 1、2、3、4、6五種旋轉(zhuǎn)對稱軸第62頁第62頁College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶1974年R. Penrose用兩種菱形單元（72，108）和（36，144），按照一定銜接規(guī)則就能夠?qū)崿F(xiàn)含有5次旋轉(zhuǎn)對稱非周期鋪砌。以后陸續(xù)有研究者對其它旋轉(zhuǎn)對稱性圖形實現(xiàn)了非周期鋪砌，如圖c八次對稱性和圖d十二次對稱性。第63頁第63頁College of Physics and Information Tech

15、nology, SNNU準(zhǔn) 晶基于二維Penrose拼砌，Steinhardt實現(xiàn)三維空間堆砌，他發(fā)覺利用三基矢夾角分別為63.43和116.57兩種菱形六面體（以下圖所表示），能夠結(jié)構(gòu)出三維Penrose準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。第64頁第64頁College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶1982年，兩位以色列科學(xué)家D. Shechtman和Blech，無意中在急冷Al6Mn合金中發(fā)覺五次對稱衍射圖，由于兩人晶體學(xué)基礎(chǔ)普通，就處處請教晶體學(xué)專家，專家們認(rèn)為那但是是晶體學(xué)中常見五次孿晶，以后他們又去請教法國CNRS冶金化學(xué)研究所D. Gratias，由于試驗結(jié)果與老式晶體學(xué)周期性相矛盾，Gratias認(rèn)為很難被主流接受發(fā)表。1984年秋，Gratias在加州大學(xué)一次理論物理討論會中聽了Steinhardt匯報，發(fā)覺他們關(guān)于二十面體理論模型衍射把戲（圖 1