現(xiàn)代物理學(xué)與工程技術(shù)1

物理學(xué)在工程技術(shù)中的應(yīng)用(yìngyòng)

共三十六頁一、物理學(xué)與核能(hénéng)工程技術(shù)田灣核電站共三十六頁原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

19世紀(jì)末，相繼(xiāngjì)發(fā)現(xiàn)了x射線、放射性和電子

1911年盧瑟福提出了原子的核式模型

1913年玻爾完善了原子結(jié)構(gòu)理論1905年愛因斯坦提出了相對(duì)性理論；提出了四維時(shí)空的新概念;提出了質(zhì)能關(guān)系及其著名表達(dá)式E=mc2

20世紀(jì)初葉，是物理學(xué)革命的年代。2025/1/5共三十六頁原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子(zhōngzǐ);海森堡和伊凡寧柯分別獨(dú)立提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的模型

1934年約里奧-居里夫婦成功地用人工方法產(chǎn)生了放射性同位素

1939年哈恩和斯特拉斯曼在實(shí)驗(yàn)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

2025/1/5共三十六頁對(duì)核結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的研究(yánjiū)，使人們認(rèn)識(shí)到原子核結(jié)合能隨原子量變化的規(guī)律：一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)釋放能量；某些輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，會(huì)釋放能量；E=ΔMC2ΔM----質(zhì)量虧損，一次核聚變時(shí)放出的能量要比核裂變時(shí)大四倍以上。原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)(jīchǔ)與先導(dǎo)

2025/1/5共三十六頁原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定(diàndìng)了裂變核能與聚變核能應(yīng)用的基礎(chǔ)。核能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)還必須進(jìn)一步解決一系列應(yīng)用物理學(xué)和工程技術(shù)上的問題。

原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)(jìshù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

E=MC22025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

1)

核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時(shí)，必須突破諸多的關(guān)鍵問題：

可裂變材料的選取和制備(zhìbèi)；確定實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所必須的裂變物質(zhì)的最小體積（臨界體積）或臨界質(zhì)量；達(dá)到臨界與裂變點(diǎn)火的技術(shù)途徑；2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其精確的時(shí)空控制；將流體力學(xué)，中子核物理等耦合在一起的全過程數(shù)值(shùzí)模擬，整套物理參數(shù)；核部件與非核部件的加工，材料相容性研究及結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)；核試驗(yàn)的方法，核試驗(yàn)診斷理論與測(cè)試技術(shù)等。2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

2)核聚變放能是氫彈的物理基礎(chǔ)。制造氫彈必須創(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(rúhé)利用原子彈爆炸的能量產(chǎn)生高溫、高壓來點(diǎn)燃聚變材料，并使之自持燃燒；氫彈2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

掌握輻射輸運(yùn)的規(guī)律、輻射流體力學(xué)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(dāng)?shù)牟牧虾颓擅畹臉?gòu)形實(shí)現(xiàn)熱核爆炸；特殊(tèshū)效應(yīng)的核武器（如中子彈等）還需進(jìn)行特殊(tèshū)的設(shè)計(jì)等。2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

問題的解決是物理工作和工程技術(shù)緊密交叉結(jié)合的過程：如,核爆炸的物理診斷(wùlǐzhěnduàn)學(xué)，就是為了弄清核武器爆炸后快速而復(fù)雜的物理過程、各種物理量隨時(shí)、空的變化規(guī)律，從而做到不僅知其然，而且知其所以然。有意思的是，幾個(gè)核國家突破氫彈的工作是“英雄所見略同”。

兩個(gè)太陽2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

3）明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源。基于核裂變反應(yīng)堆的核電站由核島和常規(guī)島構(gòu)成在核島內(nèi)要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形式(xíngshì)釋放出來；通過常規(guī)島轉(zhuǎn)換成電能供人使用。2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

在核燃料的選擇、制備、控制(kòngzhì)方法、結(jié)構(gòu)和安全設(shè)計(jì)等方面需解決一系列的工程、技術(shù)問題。2025/1/5共三十六頁核武器與核能(hénéng)

基于核聚變反應(yīng)堆的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個(gè)希望。要實(shí)現(xiàn)熱核燃料的“點(diǎn)火”，并有凈能量輸出；必須控制(kòngzhì)熱核聚變反應(yīng)的速率；是一項(xiàng)有難度的大科學(xué)工程；目前處于前期實(shí)驗(yàn)研究階段。2025/1/5共三十六頁核工程技術(shù)的發(fā)展深化(shēnhuà)著物理學(xué)的研究

核爆炸的物理環(huán)境：瞬時(shí)的快變的高溫(gāowēn)高密度等離子體和混合輻射場。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。輻射場本身也可能是非平衡的。2025/1/5共三十六頁核工程技術(shù)的發(fā)展深化(shēnhuà)著物理學(xué)的研究

再如，一般情況下，可用線性的波爾茲曼方程來描述中子輸運(yùn)過程；但在發(fā)生劇烈(jùliè)熱核聚變的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，中子之間的碰撞已不可忽略，于是提出了非線性中子輸運(yùn)方程及其解法。

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核武器物理和工程發(fā)展的過程中，形成了一個(gè)新興的交叉學(xué)科——高能量密度物理學(xué)。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(wēndù)超過400ev，電磁波強(qiáng)度超過3×1015w/cm2的物質(zhì)狀態(tài)；在核武器物理領(lǐng)域，“高能量密度”特指溫度超過103ev，壓力超過107atm，高密度的物質(zhì)狀態(tài)。核工程技術(shù)(jìshù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

2025/1/5共三十六頁核工程技術(shù)的發(fā)展深化(shēnhuà)著物理學(xué)的研究

進(jìn)行高能量密度物理研究的裝置包括：激光(jīguāng)慣性約束聚變裝置基于脈沖功率技術(shù)的Z箍縮裝置長脈沖（μs）功率裝置（如美國的Atlas）等神光II裝置2025/1/5共三十六頁核工程技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)深化著物理學(xué)的研究

研究(yánjiū)的內(nèi)容包括：材料特性可壓縮流體動(dòng)力學(xué)輻射流體動(dòng)力學(xué)核聚變物理天體物理等。是以大科學(xué)工程為手段研究基礎(chǔ)物理學(xué)2025/1/5共三十六頁核工程技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)深化著物理學(xué)的研究可見：

物理學(xué)引領(lǐng)(yǐnlǐng)工程技術(shù)生產(chǎn)力反哺物理學(xué)工程技術(shù)2025/1/5共三十六頁二、物理學(xué)和激光技術(shù)(jìshù)與工程

激光加工(jiāgōng)設(shè)備共三十六頁光物理的基礎(chǔ)研究(yánjiū)孕育了激光器的誕生19世紀(jì)(shìjì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)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(yīng)的概念，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1900年普朗克引入的能量量子的概念

基礎(chǔ)性、探索性研究2025/1/5共三十六頁光物理的基礎(chǔ)研究(yánjiū)孕育了激光器的誕生激光走向新技術(shù)(jìshù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段1954年研制成第一臺(tái)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的概念和理論設(shè)計(jì)1960年美國的梅曼研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。我國的第一臺(tái)激光器于1961年在長春光機(jī)所創(chuàng)制成功

2025/1/5共三十六頁激光技術(shù)(jìshù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響

激光(jīguāng)的特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度2025/1/5共三十六頁四十多年來，激光器的品種迅速(xùnsù)增加：固體激光器半導(dǎo)體激光器固體激光器（半導(dǎo)體激光泵浦）化學(xué)激光器（HF/DF激光、氧碘化學(xué)激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光技術(shù)與工程(gōngchéng)的迅速發(fā)展及其深刻影響2025/1/5共三十六頁自由電子激光器x射線激光器準(zhǔn)分子激光器金屬(jīnshǔ)蒸氣激光器等。

激光(jīguāng)技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光2025/1/5共三十六頁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(zhǔn)連續(xù)波到各種(ɡèzhǒnɡ)短脈沖、超短脈沖的激光。連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上；超短脈沖：納秒皮秒費(fèi)秒阿秒

脈沖功率密度則可高達(dá)1020瓦/cm2以上。

激光(jīguāng)技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2025/1/5共三十六頁輸出(shūchū)激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：長至亞毫米（太赫茲）短至x射線γ激光也在探索中，分立的激光譜線達(dá)幾千條；輸出激光的光束質(zhì)量，好的可達(dá)近衍射極限。激光技術(shù)與工程(gōngchéng)的迅速發(fā)展及其深刻影響2025/1/5共三十六頁

激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在：①激光光譜技術(shù)比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提高了百億倍；②激光為信息技術(shù)開拓了豐富的頻率(pínlǜ)資源；激光技術(shù)與工程的迅速(xùnsù)發(fā)展及其深刻影響布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎(chǔ)；光存儲(chǔ)、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術(shù)等，提供了全新的多樣化的信息服務(wù)?？刹脸⌒凸獗P的刻錄母盤2025/1/5共三十六頁③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(jìn)行(jìnxíng)精確的切削和表面改性做精密的醫(yī)療手術(shù)作用于微型靶實(shí)現(xiàn)激光核聚變。激光技術(shù)與工程的迅速(xùnsù)發(fā)展及其深刻影響2025/1/5共三十六頁④激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)、測(cè)距激光雷達(dá)激光陀螺激光引信激光致盲傳感器高能(gāonéng)強(qiáng)激光武器等。激光技術(shù)與工程(gōngchéng)的迅速發(fā)展及其深刻影響ABLABL2025/1/5共三十六頁激光應(yīng)用本身(běnshēn)及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

非線性光學(xué)成為一個(gè)重要研究領(lǐng)域：激光與介質(zhì)（含大氣）相互作用時(shí)產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)的物理本質(zhì)和規(guī)律。產(chǎn)生的條件、特性、機(jī)理：受激拉曼散射自聚焦熱暈光學(xué)和頻與倍頻(bèipín)相干瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)等2025/1/5共三十六頁激光(jīguāng)應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

非線性光學(xué)材料及非線性光學(xué)效應(yīng)的幾種應(yīng)用：擴(kuò)展激光的波長范圍發(fā)展非線性光學(xué)相位共軛技術(shù)光學(xué)雙穩(wěn)為研究非線性系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)行為提供實(shí)用(shíyòng)的手段；超短、超強(qiáng)激光將對(duì)強(qiáng)場超快科學(xué)、相對(duì)論非線性物理、天體物理及宇宙學(xué)的研究提供新的手段和極端條件。2025/1/5共三十六頁激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段(shǒuduàn)又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

激光光譜學(xué)的高靈敏度和高分辨率：可用于對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、能譜、瞬態(tài)的變化和微觀動(dòng)力學(xué)進(jìn)行(jìnxíng)深入研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原子和分子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，更精確地確定基本物理常數(shù)的數(shù)值；1995年人們利用激光冷卻的辦法，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦1926年預(yù)言的Bose-Einstein凝聚；Bose-Einstein凝聚態(tài)2025/1/5共三十六頁激光還在物理學(xué)與其它基礎(chǔ)科學(xué)的交叉學(xué)科研究中，發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用如化學(xué)物理學(xué)生物物理學(xué)（以激光為手段的分子(fēnzǐ)雷達(dá)成為生命活細(xì)胞研究的工具就是一例）等激光應(yīng)用(yìngyòng)本身及其提供的研究手段