凝聚態(tài)物理 物理學(xué)

凝聚態(tài)物理物理學(xué)第一頁，共九十一頁，2022年，8月28日與超導(dǎo)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)翁納斯，NobelPrizeinPhysics(1913)巴丁、庫珀和施瑞弗，(1972)江崎玲於奈、賈埃弗；約瑟夫森，(1973)柏諾茨、米勒，(1987)阿布里科索夫、金茨堡和萊格特，(2003)至少四又六分之一第二頁，共九十一頁，2022年，8月28日超導(dǎo)相關(guān)的一個(gè)重要的現(xiàn)象是超流，在1937-1938年期間由俄國物理學(xué)家卡皮察PyotrKapitsa(1894–1984)發(fā)現(xiàn),1978年因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng).卡皮察發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到大約2.2K時(shí)，液氦的粘滯性完全消失，可以毫無阻尼的流動。這一現(xiàn)象命名為超流動性。第三頁，共九十一頁，2022年，8月28日凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)革命性的進(jìn)展是三極管的發(fā)現(xiàn)。1948年,三名在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的物理學(xué)家肖克利WilliamShockley(1910–89),布列頓WalterH.Brattain(1902–87)和巴丁JohnBardeen(1908–91)發(fā)明了三極管。這一發(fā)明引起了電子學(xué)的一次深刻的革命。1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。WilliamShockley(seated),JohnBardeen(left)andWalterH.

Brattain第四頁，共九十一頁，2022年，8月28日在1950年代前后的兩個(gè)凝聚態(tài)物理的最重要的發(fā)現(xiàn)中，有一個(gè)共同的名字：巴丁，這位真正的天才物理學(xué)家也是到目前為止唯一一個(gè)兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家。真正的天才第五頁，共九十一頁，2022年，8月28日在1970年代到1980年代，凝聚態(tài)物理學(xué)在深度和廣度上都有了非常重要的發(fā)展，這里特別要提到的是1981年比尼格GerdBinnig(1947–)羅瑞爾HeinrichRohrer(1933–)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)。這一發(fā)明不僅提供了一個(gè)觀測微觀世界的極好手段，同時(shí)也提供了操縱原子的合適的方法。GerdBinnig(left)

andHeinrichRohrer

第六頁，共九十一頁，2022年，8月28日第七頁，共九十一頁，2022年，8月28日量子霍爾效應(yīng)第八頁，共九十一頁，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)1879年發(fā)現(xiàn)EdwinHerbertHall(1855-1938)第九頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十頁，共九十一頁，2022年，8月28日霍爾系數(shù)霍爾電阻率第十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日1980年8月11日，馮.克里青發(fā)表了量子霍爾效應(yīng)的第一篇文章，1985年獲諾貝爾獎(jiǎng).第十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日第十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的理論朗道能級雜質(zhì)和局域化規(guī)范不變性第十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日Onlyextended

statescarrycurrent!第二十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

1982年,崔琦,H.L.Stomer等發(fā)現(xiàn)具有分?jǐn)?shù)量子數(shù)的霍爾平臺,一年后寫下了一個(gè)波函數(shù),對分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)給出了很好的解釋.目前,對具有分?jǐn)?shù)電荷和分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的研究是一個(gè)十分活躍的前沿課題.第二十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予HorstStomer,崔琦和RobertLaughlin,以表彰他們發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)及對這一新的量子液體的深刻理解.

fortheirdiscoveryofanewformofquantumfluidwithfractionallychargedexcitations.第二十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日HorstStormerDanielC.Tsui(崔琦)

RobertB.Laughlin第二十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日凝聚態(tài)新進(jìn)展，新現(xiàn)象碳納米管，巴基球(C60),石墨烯，…拓?fù)浣^緣體自旋霍爾效應(yīng)自旋量子學(xué)分?jǐn)?shù)電荷，磁單極子，有機(jī)導(dǎo)體等等第二十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日There'sPlentyofRoomattheBottom

RichardP.Feynman第二十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日Now,thenameofthistalkis``ThereisPlentyofRoomattheBottom‘’---notjust``ThereisRoomattheBottom.‘’WhatIhavedemonstratedisthatthereisroom---thatyoucandecreasethesizeofthingsinapracticalway.Inowwanttoshowthatthereisplentyofroom.第二十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日PhilipW.Anderson:Moreisdifferent

(1972)······將萬事萬物還原成簡單的基本規(guī)律的能力，并不蘊(yùn)含著從這些規(guī)律出發(fā)重建宇宙的能力······

面對尺度與復(fù)雜性的雙重困難，重建論的假定就崩潰了。由基本粒子構(gòu)成的巨大的和復(fù)雜的的集聚體的行為并不能依據(jù)少數(shù)粒子的性質(zhì)作簡單外推就能理解。正好相反，在復(fù)雜性的每一個(gè)層次之中會呈現(xiàn)全新的性質(zhì)，而要理解這些新行為所需要作的研究，就其基礎(chǔ)性而言，與其他研究相比毫不遜色。第二十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日第三十頁，共九十一頁，2022年，8月28日思考題：量子力學(xué)的建立為凝聚態(tài)物理奠定了基礎(chǔ)，原則上，如果有足夠大和足夠快的計(jì)算機(jī)，通過求解薛定諤方程，似乎我們能夠解決所有從原子尺度到宏觀尺度的問題，包括生命科學(xué)的問題。實(shí)際情況當(dāng)然不是這樣，似乎不同的層次有自己的規(guī)律。如何理解？第三十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日原子核第三十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日原子核是基本粒子嗎？第一個(gè)模型，原子核由質(zhì)子和電子構(gòu)成不確定關(guān)系第三十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日J(rèn)amesChadwick發(fā)現(xiàn)中子

1891-197442He+9Be

12C+

10n利用能量和動量守恒得到輻射粒子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1.15倍.JamesChadwick繼續(xù)盧瑟福的實(shí)驗(yàn)，更高能量，不同的靶。AwardedtheNobelPrizein1935

Chadwick假定出射的是中性粒子，---中子.原子核的構(gòu)成：質(zhì)子+中子第三十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日原子數(shù)(質(zhì)子數(shù))中子數(shù)質(zhì)量數(shù)

=Z+N相同Z而不同A的核構(gòu)成了元素的同位素

元素符號第三十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日輻射輻射:以波或粒子的方式發(fā)射能量。

輻射從哪里來？輻射來源于相互作用或衰變.

地球上輻射來源于太陽和放射性同位素.

輻射隨時(shí)通過我們的身體!第三十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日穩(wěn)定核衰變大體上，Z=N的原子核是穩(wěn)定的靜電力與核力的競爭中子衰變，Beta不穩(wěn)定核力的飽和性，Alpha衰變第三十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日鈾系衰變圖鈾系的衰變包含了三種衰變方式：鈾238—釷234--鏷234--鈾234—釷230—鐳226--氡222—釙218--鉛214—鉍214--釙214—鉛210--鉍210—釙210--鉛206第三十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日Alpha粒子(a)鐳

Ra22688質(zhì)子138中子氡

Rn22286質(zhì)子136中子+nnppa(4He)2質(zhì)子2中子

alpha-粒子

(a)

是氦核(電荷=+2)

與元素氦相同，但沒有電子!第三十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日Beta粒子(b)碳C146質(zhì)子8中子氮N147質(zhì)子7中子+e-電子(beta-粒子)一個(gè)中子變成了質(zhì)子+n以后…np+e-+n第四十頁，共九十一頁，2022年，8月28日Gamma粒子(g)核可以處于激發(fā)態(tài).氖Ne2010質(zhì)子10中子

(激發(fā)態(tài))10質(zhì)子10中子

(基態(tài))+gamma氖Ne20gamma粒子是高能光子

第四十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日GammaRays氖Ne20+高能電磁輻射氖Ne20第四十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日原子核的結(jié)合能第四十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日比結(jié)合能

B/A隨質(zhì)量數(shù)

A

的變化第四十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日第四十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日2023/3/14上海交通大學(xué)物理系馬紅孺2023/3/14上海交通大學(xué)物理系馬紅孺宇宙的演化超鐵元素是如何形成的？第四十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日力程非常短(3fm)，有飽和性──每一核子只能和少數(shù)核子相互作用;核力和核模型

核力是吸引力，以此克服庫侖力而形成核．在極小的距離(0.4fm)內(nèi)是排斥的;核力是已知的最強(qiáng)的力;在核子之間：n–p(電荷獨(dú)立性)、n–n、p–p(電荷對稱性)核力都一樣

.第四十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日湯川核力的交換模型

1947年發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為140MeV/c2且具有強(qiáng)相互作用的p介子

(~電磁作用交換

g)第四十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日原子核的液滴模型分別由蓋莫夫于1928年，玻爾于1935年提出的應(yīng)用到核反應(yīng)第四十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日核的半衰期

t1/2從數(shù)十秒到十億年.第五十頁，共九十一頁，2022年，8月28日衰變事件是統(tǒng)計(jì)性的第五十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日半衰期t1/2是這樣定義的：當(dāng)t=t1/2時(shí)，N=N0/2第五十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日放射性衰變應(yīng)用14C年代測定

(t1/2=5.57×103a)

CO2中的14C是恒定的，生命參與碳循環(huán)第五十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日a

衰變簡單的模型第五十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日b

衰變Z+1;N–1;A=A看起來象核中

np+e第五十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日可是所有發(fā)射的電子的能量都小于這個(gè)值動量和能量守恒要求存在第三顆粒子1927年，泡利提出存在一個(gè)“不可檢測的、很輕的、中性粒子”

.費(fèi)米稱這一粒子為中微子，并于1934年提出核b衰變理論

.假定核b衰變實(shí)際上是核里面中子的衰變第五十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)測得中子的平均壽命為

(0.9350.014)×102s中微子:是至今所有已知粒子中最為豐富的.中微子1956年科文和任斯首先在實(shí)驗(yàn)室中檢測到了中微子.地球?qū)τ谥形⒆佣允峭耆该鞯?和其它物質(zhì)的作用十分微弱，很難檢測.第五十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日吳健雄等所作的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了李政道和楊振寧關(guān)于弱相互作用中宇稱可能不守恒的論點(diǎn).第五十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日正

b

衰變第五十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

穆斯堡爾效應(yīng)

原子的反沖:共振吸收共振吸收不能發(fā)生第六十頁，共九十一頁，2022年，8月28日激發(fā)態(tài)t

~10–8s,DE·t

~h(~10–15eV·s)能級寬度

DE~10–7eV>>2EA

Eg

~eV，mc2~931MeV×A

EA~10–10eV<<mc2我們作數(shù)量級估計(jì)激發(fā)態(tài)有有限的壽命.第六十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日共振仍然是可能的.發(fā)射

吸收第六十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日核能級的間隔或相應(yīng)的g光子能量的量級為MeV,至少

Eg~105eV核的靜能和原子的相近

,EA~eVt

~10–10sDE~10–5eV第六十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日共振吸收是不可能的發(fā)射吸收第六十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日1958年穆斯堡爾

(1961NobelPrize)把放射性核和吸收原子放在晶體中

(晶體的質(zhì)量可能比單個(gè)核大1020倍

)DE~10–5eVEA~eV穆斯堡爾效應(yīng)儀器檢測器吸收物源第六十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日hn–hn'~DE~10–5eVhn'~100keVu~3cm/s第六十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日

裂變和聚變

1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子

(1935NobelPrize).

費(fèi)米在羅馬用中子轟擊各種元素得到了新的放射性元素

(1938NobelPrize).1939年德國化學(xué)家漢恩和斯特勞斯曼證實(shí)其中有一個(gè)元素不是新的，而是鋇

.第六十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日幾星期后，麥特娜及其外甥弗里希搞清了這一過程

并命名為核裂變.一個(gè)典型的裂變過程是第六十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日第六十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日Nuclearfssionisachainreactionthatoccurswhenafssionablenucleusisbombardedbyneutrons,causingthenucleustosplit.Thistypeofreactionreleasesalargeamountofenergy.Nuclearfssionreactionsareutilizedinnuclearreactors.第七十頁，共九十一頁，2022年，8月28日第一個(gè)核反應(yīng)堆是由費(fèi)米及其合作者在芝加哥大學(xué)組裝的．1942年12月2日達(dá)到臨界狀態(tài)

第七十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日裂變產(chǎn)物的質(zhì)量分布第七十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

美籍意大利裔物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”理論使原子核裂變反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)。1942年12月2日，在芝加哥大學(xué)的體育場的看臺下，世界上第一座用碳作減速劑的核反應(yīng)堆竣工落成。人類進(jìn)入了原子能時(shí)代。第七十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日Atestofanuclearfssionbomb,popularlyknownasanatomicbomb,tookplaceinBikinilagoonJuly1,1946,creatingacharacteristicmushroomcloud.ThebombwasdroppedfromSuperFortress“Dave’sDream”andaremotecontrolledcameraonBikiniIslandtookthisphotograph.?(AP?Images)第七十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日1964年10月16日中國第一顆原子彈爆炸第七十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日大亞灣核電站夜景第七十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日熱核聚變2H–2H之間的庫侖勢壘是

第七十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日可控?zé)岷司圩?1)足夠高的粒子密度n，以保證足夠的碰撞頻率.(2)足夠高的溫度，使氘首先離化

2HD+e成等離子體，然后克服庫侖勢壘.(3)足夠長的約束時(shí)間

t.第七十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日Indeuterium-tritiumfusionaheliumatom,aneutron,andenergyareproduced.第七十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日1952年10月31日，第一顆氫彈爆炸1967年6月17日中國第一顆氫彈的蘑菇云在西部升起。第八十頁，共九十一頁，2022年，8月28日InternationalThermonuclearExperimentalReactor第八十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日理論物理學(xué)家討論粒子物理學(xué)第八十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日美國物理學(xué)會會議第八十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日錢三強(qiáng)(1913-1992)，浙江省湖州市人，1913年生，男，中共黨員，核物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士。二、錢驥(1917-1983)，江蘇省金壇縣人，1917年生，男，中共黨員，空間技術(shù)和空間物理專家。第八十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日江蘇省無錫市人，1922年生，男，中共黨員，冶金學(xué)和航天材料專家。四、趙九章(1907-1968)，浙江省吳興縣人，1907年生，男，地球物理學(xué)家，中國科學(xué)院學(xué)部委員。五、鄧稼先(1924-1986)，安徽省懷寧縣人，1924年生，男，中共黨員，核物理學(xué)家，中國科學(xué)院學(xué)部委員。第八十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日六、王淦昌(1907-1998)江蘇省常熟縣人，1907年生，男，中共黨員，核物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士。

六、王淦昌(1907-1998)，江蘇省常熟縣人，1907年生，男，中共黨員，核物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士。七、彭桓武(1915-)，湖北省麻城市人，1915年生，男，物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士。八、程開甲(1918-)，江蘇省吳江市人，1918年生，男，中共黨員，核武器技術(shù)專家，中國科學(xué)院院士。第八十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日九、黃緯祿(1916-)安徽省蕪湖市人，1916年生，男，中共黨員，火箭技術(shù)專家，中國科學(xué)院院士，國際宇航科學(xué)院院士。十、屠守鍔(1917-)，浙江省湖州市人，1917年生，男，中