物理学与高新技术讲座课件.ppt

1,物理学知识与高新技术讲座,刘昌龙,天津大学理学院,目录,1、引言2、物理学发展简史3、物理学与能源科学4、现代光源激光、同步辐射光源5、物理学与航天技术6、纳米技术简介,1、引言,-研究物质的基本结构、物质运动形式和相互作用的自然科学，涵盖力、热、光、电、磁等性质。,物理学,空间尺度：原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、太阳山哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等。,时间尺度：基本粒子寿命10-25s；宇宙寿命1018s。,微观粒子Microscopic：质子10-15m；介观物质mesoscopic；宏观物质macroscopic；宇观物质cosmological类星体1026m。,1、引言,-是指那些对一个国家或一个地区的政治、经济和军事等各方面的进步产生深远的影响，并能形成产业的先进技术群。,高新技术,高新技术包括六大技术领域：,(一)、信息技术,信息的获取、传递、处理等技术。信息技术以电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。,当前信息技术主要表现在：(1)集成电路；(2)电子计算机；(3)软件技术；(4)通信技术；(5)激光技术。,(二)、生物技术,生物技术是以生命科学为基础，利用生物体和工程原理等生产制品的综合性技术，包括基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程四个领域。生物技术是21世纪技术的核心。它有两个标志性技术：基因工程和蛋白质工程。,(三)、新材料技术,新材料技术是高新技术的物质基础，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料等的开发和利用。它有两个标志：一个是材料设计或分子设计，即根据需要来设计新材料；另一个是超导技术。,1、引言,（四）、新能源技术领域,现代的新能源技术可划分为新能源技术和可再生能源技术，包括核能、太阳能、水能、地热能等。核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志。,（五）、空间技术领域,空间技术即新型高科技航天技术，是探索、开发和利用太空以及地球以外的天体的综合性工程技术，包括对大型运载火箭、巨型卫星、宇宙飞船等空间军事技术的研究与开发。,（六）、海洋技术,海洋技术是21世纪技术的内向拓展，其标志技术是深海挖掘和海水淡化。,1、引言,2、物理学发展简史,古代文明,中国-四大发明、战国时墨经涉及到时间、空间、运动和惯性等，如：,“力，形之所以奋也”：“端具有非半性质”-原子说,考工记、沈括梦溪笔谈、宋应星开工天物：涉及力学、光学、声学和电磁学知识。,遗憾：仅是观察分析，无系统化、定量化、未发展出分门别类的近代科学。,2、物理学发展简史,古希腊文明德谟克利特原子论：不可分割(atom)欧几里得-几何学亚里斯多德-物理学Physics一词的最早来源错误：“运动靠力来维持”、“在地球上重物比轻物落得快”。阿基米德-浮力定律、杠杆、简单机械。,古代阿拉伯阿拉伯数字、印度十进制等,欧洲中世纪科学被作为神学的奴婢而丧失了独立性,2、物理学发展简史,经典物理学的产生和发展,欧洲文艺复兴+天文学的突破+经典力学,尼古拉-格列布斯(1401-1464)：宇宙一切处在运动中，没有固定的中心。,尼古拉-哥白尼(1473-1543)：“日心说”、天体运行论。,莱昂纳多-达芬奇(1452-1519)：实验是认识的来源、“科学是统帅，实践是士兵”、弹道曲线、飞行器。,布鲁诺(1548-1600)：进一步发展“日心说”，宇宙中有无数个世界。,行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上太阳到行星的矢径在相同的时间扫过相同的面积行星绕日的周期的平方与它绕日的椭圆轨道的半长轴R的立方成正比：T2/R3=C,开普勒(1571-1630)：星球之间的总联系，开普勒行星运动三定律。,伽利略(1564-1642)：伽利略相对性原理、惯性系、伽利略变换、自由落体运动、惯性定律。(比萨斜塔实验),Merethink(单纯的思考)Intelligentquestion(聪明的提问),2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,培根(1561-1626)：知识就是力量，归纳、分析、比较、观察和实验的理性方法-新的科学观和思想方法。,牛顿(1642-1727)：完成创立经典力学、自然哲学的数学原理(45岁)-八个定义、万有引力定律、“天上人间的和谐统一”、微积分。,笛卡尔(1596-1650)：运动量守恒、明确提出惯性定律。,惠更斯(1529-1695)：光的波动学说、活力(动能)守恒。,航天技术的发展！,2、物理学发展简史,如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。,我不知道世人将如何看待我，但是在我看来，我不过是海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴，但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢。,2、物理学发展简史,电磁学和热(力)学的发展十九世纪,吉伯(1544-1603)：摩擦生电富兰克林(1706-1790)：运用风筝将“天电”引入实验室卡文迪许(1731-1810)：实验上证明静电力与距离的平方成反比库仑(1736-1806)：建立的静电的库仑定律伏打(1745-1827)：发明电池、电学研究进入动电阶段欧姆(1784-1854)：电路的欧姆定律奥斯特(1777-1851)：电流的磁效应，电与磁的结合安培(1775-1836)：电流之间相互作用的安培定律法拉第(1791-1867)：确立了电磁感应定律,麦克斯韦(1831-1879)：将法拉第思想发展成完整的电磁场理论，建立了微分形式的“麦克斯韦方程组”，预言了电磁波存在-导致无线电通信发明,该领域实验和理论发展-能源、通信等的基础！,2、物理学发展简史,热力学与统计物理的建立和发展,2、物理学发展简史,十八至十九世纪随着热能的开发利用，使得热学得到了充分的发展：1850年左右-基本确立了能量转化和守恒定律；1851年-建立了热力学第二定律；1901年-确立了热力学第三定律-绝对零度不可能达到十九世纪末-经麦克斯韦、玻尔兹曼到吉布斯等努力由分子运动论逐步发展到统计物理学-热学与热力学的微观理论的完善,该领域实验和理论发展-能源、工农业的发展！,蒸汽机-实现热能转化为机械能(动力利用),历史上第一台蒸汽机是在1711年纽科曼(T.Newcomen)发明的，但热能转化为机械能的效率很低。,1765年英国的瓦特(J.Watt)发明了分离冷凝器，大大地提高了热机效率。,卡诺：热机效率提高,2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,瓦特发明的蒸汽机示意图,瓦特发明的蒸汽机实物,到了19世纪末，经典物理学(力学、声学、电磁学、热学与热力学和光学)看起来似乎很完善了。,1900年开尔文元旦祝词中说道：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家们这要做一些零碎的修补工作就行了”；,但又说道：“在物理学晴朗的天空远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”；-热辐射实验，及紫外灾难-迈克尔孙-莫雷实验,导致了量子理论、相对论!-近代物理,2、物理学发展简史,20世纪与物理学有关的科技上重大发明和发现,2、物理学发展简史,续表-,2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,1900年：提出能量子，标志量子力学诞生普朗克,1905年：爱因斯坦建立狭义相对论；1911年：卢瑟福发现原子核；1913年：玻尔建立量子论；1925-26：海森堡、薛定谔建立量子力学；1950年后：粒子物理的研究20世纪上半期：物理学研究天然存在的“物”之“理”；20世纪下半期：人工材料制备，如纳米科学,二十一世纪物理学的发展主要在：真空理论、类星体能量之谜、暗物质之谜、超对称、粒子物理学、暗能量之谜、宇宙起源、物理学的统一、计算物理学、高温超导体、生物学、基因组学、广义相对论、量子力学、恒星和行星的形成等。,2、物理学发展简史,十九世纪：化学家在实验室制成了一系列的化合物，促进了化学工业的发展，可以说19世纪是化学世纪。二十世纪：相对论和量子力学的建立标志现代物理的诞生，物理学不仅深入探讨物质本质，而且促进了技术的飞速发展，电视、激光、电脑、原子能、航天技术、信息产业均建立在物理学研究成果之上，可以说二十世纪是物理学世纪。二十一世纪：生物学世纪？信息世纪？,2、物理学发展简史,能源的重要性,人类生活和经济发展的基础，社会发展和进步的动力。,能源科学的发展过程,向大自然索取能源先进能源技术的使用新能源的不断开发,围绕能源的开发和利用，形成了一门综合交叉特色学科能源科学。涉及物理、化学、材料、自动化、环境等,3、物理学与能源科学,火的使用18世纪初蒸汽机的发明和使用19世纪初电能的使用20世纪下半叶原子能的使用-核电站,与物理学发展密切相关。,物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用提供了理论和实验基础,3、物理学与能源科学能源,重点研究化石能源高效洁净利用与转化的物理化学基础，高性能热功转换及高效节能储能中的关键科学问题，可再生能源规模化利用原理和新途径，电网安全稳定和经济运行理论，大规模核能基本技术和氢能技术的科学基础等。,国家中长期科学和技术发展规划纲要,能源可持续发展中的关键科学问题,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,能源的分类,来自地球外天体的能量,-海洋中的氘(D)、氚(T)等聚变能资源,-风能、水能、海洋能,-太阳辐射能,-化石能源(煤、石油、天然气),地球本身蕴藏的能量,-地热能,-地壳中储存的裂变燃料(铀),地球、月亮和太阳等天体相互作用而产生的能量，如潮汐能等。,能源与环境,氮氧化物(NO、NO2)；SO2；悬浮颗粒物；CO；碳氢化合物(CH4、C2H6等),污染来源于：,煤、石油等燃料的燃烧(70%以上)；汽车等排出的废气；工业生产中产生的废气,能源的利用带来地球环境的污染(大气和水资源),在大气中的主要污染物：,举例：,-1吨普通煤：10kgSO2，8kg氮氧化物，11kg粉尘,-1吨高硫石油：50kgSO2，10kg氮氧化物,3、物理学与能源科学能源,大气污染对全球的危害：,臭氧层破坏；,对人体、动植物会产生致命的伤害,酸雨问题；,温室效应；,-SO2,-氮氧化合物,与大气中的水蒸气作用,-CO2的作用,-臭氧与NO、H、Cl等的反应,3、物理学与能源科学能源,人口的极度膨胀(60亿)；工业的飞速发展，导致能源消耗的快速增长；不可再生能源(化石能源、裂变能铀)的有限性；目前世界能源消耗模式仍以化石能源为主；-专家预测：化石能源中石油、天然气大概能维持三、四十年，煤炭维持一、二百年。能源危机日趋严重。,能源危机,结论：,必须开发和利用新的能源-氢能、太阳能、核能等！,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,新能源例子,干净的氢能,优点：,-热值高（汽油的3倍）,-易燃烧（高功率）,-来源广（海水）,-燃烧污染少(水、少量氮的氢化物),难题：,氢的制备,-电解水,-电化学方法,-如何利用太阳能制氢光化学分解法,氢的储存,3、物理学与能源科学能源,太阳能,太阳是一个巨大的能源-太阳内部不断进行的核聚变反应，表面温度：6000K；中心温度：1.5107K。太阳能以辐射的形式传播。其利用途径主要有：,光电转换形式,利用太阳能电池可将太阳辐射能转化为电能；太阳能电池目前一般采用半导体材料来制成。,其物理基础：爱因斯坦提出光电效应(诺贝尔物理奖),3、物理学与能源科学能源,光热转换形式,-利用光与物质相互作用引起化学反应；光化学电池。,-仿生技术研究植物的光合作用。,如太阳能热水器,太阳能利用，还有：,人类已有建设空间太阳能电站的设想，即在地球静止轨道建立太阳能电站，将能量转换成微波定向发送到地球上加以利用-人造太阳。,3、物理学与能源科学能源,原子能(核能）的和平利用,十九世纪末到二十世纪初，近代物理的出现和发展的必然,-揭开近代物理的序幕的三大发现：X射线(伦琴，1895)、放射性(贝克勒尔，1896)和电子(汤姆逊，1897)的三大发现；,-1905年，爱因斯坦提出狭义相对论及其著名的质能关系表达公式：,-1911-13年：卢瑟福背散射实验研究揭示了原子的有核模型；,-1932年，查德威克发现中子(原子核由中子和质子构成),3、物理学与能源科学能源,-中子与其它原子核碰撞实验开始，如：,1934年，E.Fermi开始采用n轰击各种元素靶；1938年，约里奥居里夫人采用慢中子轰击铀盐靶，分离出了类“镧(La)”的放射性核素；1939年，O.Hahn,F.Strassmann重复居里夫人的实验，标志着核裂变现象的真正发现-慢中子轰击铀靶产生两块质量差不多的碎片；1947年，钱三强和何泽慧夫妇发现了三裂变和四裂变现象，,爱因斯坦的相对论及核裂变现象的发现开创了原子核物理和核能应用的新时代，这亦是人类未来新能源科学研究的开端,随后，N.Bohr提出了采用液滴模型来解释裂变。,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,裂变链和裂变能释放及分配,-轻重碎片的动能170MeV-裂变中子的动能5MeV-和的能量15MeV-中微子的能量10MeV,一次裂变平均放出2.4个中子，释放约200MeV的能量，,1kg235U裂变释放能量2500吨标准煤燃烧放出的热能。,问题是如何维持裂变反应的自持进行？如何控制裂变反应的速率？,自持-不必靠外界不断地用中子轰击铀靶而启动一个“反应堆”,链式反应的可能性及可控性,一次U裂变中产生平均2.4个中子中(第一代中子)，-后续U裂变的中子来源,中子增殖,3、物理学与能源科学能源,瞬发中子-高温碎片中在很短时间内蒸发出来。链式反应中中子增殖快，无法控制！缓发中子-处在激发态的裂变产物所放出的。寿命长，链式反应有可能可控！,链式反应的可控-缓发中子,一次U裂变中产生平均2.4个中子中，包含：,缓发中子-几率小，100次裂变约1.58个,3、物理学与能源科学能源,可控链式反应的实现,维持链式反应的充分必要条件,中子产生数-中子消耗数1,(n,f)反应产生第二代中子(n,)反应消耗第一代中子,第二代中子的产生数:,链式反应中子源泉,3、物理学与能源科学能源,中子必须慢化,2.4个裂变中子的总动能5MeV，即一个中子的平均动能约为2.0MeV，属于快中子。它与铀-235裂变的几率很小，仅是热中子的1/500。,如何慢化？,轻元素作为慢化剂，如水(H2O)、重水(D2O)、石墨等。,性能差些但易处理,性能好但难处理,3、物理学与能源科学能源,使用3%的低浓缩铀-235：铀同位素的浓缩技术是核心技术,3、物理学与能源科学能源,用控制棒控制反应速率,缓发中子的数量会影响反应堆的反应速率，实际操作采用镉棒来吸收热中子。,石墨慢化剂镉棒吸收热中子铀棒核燃料,有利于增加第二代中子产生数，从而实现链式反应,裂变能的和平利用核电站,采用压水堆,高压含B水作为慢化剂和冷却剂低浓UO2作为核燃料两个回路系统,设有三道屏障,燃料包壳压力壳安全壳,3、物理学与能源科学能源,田湾核电站（压水堆）工作原理示意图,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,核电站的核心装置-反应堆,石墨慢化剂镉棒吸收热中子铀棒核燃料,裂变反应自持发生-不必靠外界不断地用中子轰击铀靶而启动一个“反应堆”(2)控制裂变反应的速率,目的：,使用3%的低浓缩铀-235：铀同位素的浓缩技术是核心技术,3、物理学与能源科学能源,链式裂变反应,基本原理,裂变能量,冷却剂,水加热,驱动汽轮发电机组发电,我国自行设计建造的第一座核电站，1991年并网发电成功。,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,核电站的现状,-1954年，前苏联建成了第一个核电站；,-目前全世界已有30多个国家和地区核电站(600座)；,-欧洲某些国家如法国、瑞典、比利时等，原子能发电已占总电量的40-50%。,-我国大陆目前已有6座核电站13台机组投入商业运行，如秦山、大亚湾、田湾和岭澳等)，装机容量为1080.8万千瓦，还有多座核电站在建；此外台湾地区还有6座核电站,-正在研究的可控热核聚变将是未来新型能源开发的重点。,3、物理学与能源科学能源,裂变能的非可控利用-原子弹,不加控制的链式反应,高度浓缩的铀235(90%)或钚239,胖子，1945.8.9，长崎，内爆式钚弹,小男孩，1945.8.6，广岛，枪式铀弹,长崎核爆,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,核电站的优势和发展,优势：,-核电成本低，一座百万千瓦级压水核电站，仅需要30吨核燃料，仅消耗1吨U-235；热电站。需要原煤250万吨。-环境污染小，核电站周围居民每年所受的剂量只有天然本底的1%左右。-运行安全可靠。,发展,核燃料U-235只占天然铀的0.72%，92.8%是U-238没有利用。,快中子,Pu-239,中子增殖和裂变能释放,驱动汽轮发电机组发电,实现核燃料Pu-239的增殖,3、物理学与能源科学能源,核废料的处理,核废料：燃烧后的元件-U-235，Pu-239，裂变碎片(高放射性废物),处理方法-深埋-分离-嬗变技术-化学分离再放入反应堆，通过核反应生成短寿命的核素,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,-1989年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站事故；,-2007年7月16日日本东京以西某核电站发生核泄漏事故；-2011年4月12日日本大地震引发的福岛核电站的核泄漏事件。,核电站引发的核安全问题,辐射生物效应！辐射防护！,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,可控热核聚变反应,U资源的有限性：必须寻找更为理想的能源-聚变能的利用,常见的聚变反应,每个核子放出3.5MeV能量，是核裂变的4倍,-D可以从海水中提取(D2O，1/6700)-T通过以下增殖反应得到：,3、物理学与能源科学能源,关键问题,如果使两个D核接近10-14米，才能发生核反应，则必须克服势垒高度(排斥能)：,每个D核72keV,在温度T时，D核的动能：,3、物理学与能源科学能源,在108K以上的高温，原子都已经完全电离，形成了物质的第四态-等离子体。-如何约束这些等离子体？,(2)离子间相互库仑碰撞引起的韧致辐射损失会导致能量损失，因此要得到能量增益，除了有足够高的温度以外，还必须对等离子体的密度n及约束时间的乘积n有要求。,对于D-T反应，Lawson判据-点火条件：,3、物理学与能源科学能源,如何对等离子体实行约束？,引力约束,磁场约束,惯性约束,引力约束,太阳等发光恒星其发光来源于内部轻核聚变导致的热能辐射；,太阳的巨大质量所产生的引力，把太阳上的高温等离子体约束在一起维持热核反应的进行。,3、物理学与能源科学能源,惯性约束核聚变激光核聚变,氢弹本质上是靠惯性约束来实现聚变反应的-靠裂变方式点火，即利用原子弹爆炸的惯性力将高温等离子体约束一定的时间，且在原子弹爆炸的高温高压的条件下，使D、T发生核聚变。,王淦昌提出：,利用强激光从许多方向上同时照射D和T的混合燃料丸，在激光的高能量照射下很快使D-T的微球表面形成等离子体。这种高温等离子体在向外飞溅的同时，可产生很强的向内的惯性约束，使内层D和T混合物的密度迅速增加，温度增加，从而诱发核聚变。,磁约束装置,可控热核聚变最有希望的途径是利用磁约束，即利用磁场将高温高密度等离子体约束在一定的容积中，且能维持足够长的时间，达到点火条件。,尚差一个量级！,3、物理学与能源科学能源,美国的TFTR(tokomakfusiontestreactor)日本的JT-60欧洲JET(jointeuropeantorus)前苏联的T-15中国合肥等离子所等多家单位,3、物理学与能源科学能源,EAST全超导托卡马克装置主机（中国）,3、物理学与能源科学能源,最新进展,3、物理学与能源科学能源,ITER计划-“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”,InternationalThermonuclearExperimentalReactor,2005年6月28日，在莫斯科召开了有中国、欧盟、美国、日本、韩国和俄罗斯参加的六方会议上，决定由六方共同出资在法国南部的卡达拉舍建造一座国际热核聚变实验反应堆(ITER)，为当前等离子体物理研究和以后的聚变电厂的建设搭起桥梁。ITER装置俗称“人造太阳”,投资100亿欧元（中国10亿欧元），2006年建设，预计2016年投入运行，中国可享受全部知识产权。,激光器的发明与原子能、半导体、计算机是20世纪齐名的重大科技成就，在许多方面有着重要的应用。,在工农业生产、医疗卫生、通讯、军事、文化艺术、能源等等。,4、现代光源激光、同步辐射,光源分为：照明光源和非照明光源。,四代照明光源：白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯、LED(即半导体照明)。,照明光源,引言,光发射二极管(LightEmittingDiode)一种可将电能转变为光能的半导体发光器件(固态光源)。,-目前，红色LED光效到100lm/W，绿色LED到50lm/W，单个LED的光通量可达到几十流明。高光效、高亮度的白光LED的也已开发成功，已用于照明领域。,如：LED,-效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品,4、现代光源激光、同步辐射,LED结构LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。材料化合物半导体，有机材料等单晶Si？,4、现代光源激光、同步辐射,-1895年11月8日伦琴发现X射线-一种特殊照明光源，应用于材料、医疗、工业等领域；应用最快-3个月后在维也纳的医院应用1901年12月第一个诺贝尔物理学奖,非照明光源-X射线、激光、同步辐射光源等,X射线,恩格斯：,“当真理碰到鼻子尖上时候，还是没有得到真理的人”！,4、现代光源激光、同步辐射,激光被称为是创造奇迹的光，是照亮21世纪的光。,激光,激光光源出现在1960年后，是人类人工制造光源历史上的一次革命性变化。,Laser:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation-辐射的受激发射光放大,1964年10月钱学森建议称为激光,4、现代光源激光、同步辐射,普通光源的发光(电灯、太阳),发光过程：受激吸收+自发辐射,包括多种波长成分,射向四面八方(光强弱),特点：,4、现代光源激光、同步辐射,激光产生的条件及其原理,(1)材料要求存在亚稳态能级,亚稳态能级-受激辐射后，由于不满足跃迁定则，电子在该能级上的寿命特别长(ms-s)，不容易发退激到低的能级。,条件：,(2)亚稳态能级上原子的数目必须多于低能级,4、现代光源激光,困难,能级上原子数密度满足：,也就是说：原子几乎分布在低能级，即基态上！,4、现代光源激光、同步辐射,实现方法-粒子数反转,Pump-“泵浦”以维持处于上能级的粒子束比下能级多。,激励源是实现粒子数反转的关键。,激励源：,电激励(气体放电-电子激发介质原子),光激励(脉冲光源照射介质物质),热激励,化学激励,4、现代光源激光、同步辐射,激光的产生-受激辐射,受激辐射-处在亚稳态的电子可以在外加光的诱发和刺激下迅速地跃迁到低能级，放出光子-光子是被“激”出来。,E2为亚稳态能级,总的效果为：一个入射光子作用下，出射了两个全同的光子原来的光信号被放大了。,激光-受激过程中产生并被放大的光。,4、现代光源激光、同步辐射,1917年爱因斯坦提出了受激辐射，他在理论上预言了原子发生受激辐射的可能性。,1958年美国微波领域的科学家汤斯(C.H.Towns)和肖洛(A.I.Schawlaw)在红外与光学激射器中提出了受激辐射的可能性-粒子数反转。,1958年前苏联巴索夫和普罗霍洛夫发表了实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议。,1960年美国加州休斯实验室的梅曼(T.H.Mainman)制成了世界上第一台红宝石激光器。,1964年汤斯、巴索夫和普罗霍洛夫分享诺贝尔物理奖。,激光研究简史,4、现代光源激光、同步辐射,中国：,1961年8月中国科学院长春光学精密机械研究所自主建成了我国第一台红宝石激光器。,1987年6月中国科学院上海光学精密机械研究所成功研制了1012瓦大功率脉冲激光系统-神光装置,4、现代光源激光、同步辐射,2019/12/15,78,可编辑,神光I（上海）,1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石脉冲激光器,中国第一台红宝石激光器,4、现代光源激光、同步辐射,激光器的结构和工作原理,(一)、激光的工作介质,(二)、激励源,(三)、谐振腔,结构,梅曼的红宝石脉冲激光器,4、现代光源激光、同步辐射,红宝石激光器：,有意思的现象：纯净的宝石是无色透明的，那么宝石的颜色是怎么来的呢？,缺陷工程-DefectEngineering,4、现代光源激光、同步辐射,激光的特性及其应用,(一)、方向性好,(二)、亮度高,激光是现代亮度最高的光源！,激光的主要特性,(三)、单色性好,激光的谱线宽度一般在10-8nm以下，其他最好的光源，如Kr灯，其谱线宽度也仅为0.4710-2nm。,(四)、相干性好,4、现代光源激光、同步辐射,激光的应用,应用于工农业生产、医疗卫生、通讯、军事、文化艺术、能源等等。,(1)激光“诱发突变”培育良种-周期短，见效快。,如：,利用了激光的高功率的特点！,(2)激光在加工领域中的应用,4、现代光源激光、同步辐射,激光的亮度要比太阳高100亿倍，不用聚焦就可以点燃木块，烧熔金属。利用激光的高功率以及好的方向性，可以进行：,微加工-如微米孔,精细切割,用一台2500W的CO2激光器来切割5mm厚的钢板，1分钟可以前进2米，且切面光滑。,激光在头发上打出的方孔,能焊常法不能焊的难熔金属，可以切割出不同的形状。,4、现代光源激光、同步辐射,紫外激光在头发上打的圆孔,4、现代光源激光、同步辐射,(3)激光通信,普通光源-单色性差，不能用于通信载波，相当于多套广播或电视节目。,激光-单色性、方向性好，用于光通信系统中一个关键性的器件光纤(光导纤维)。,高锟，1966（33岁）,首次从理论上论证了光导纤维作为光波传输手段的可能性,光纤-1970年美国康宁玻璃公司拉出了第一根可实用的光纤，以超纯石英为基本材料，由两层5-10m的纤芯和折射率较低的石英包层(100m，外面包有塑料护套。光缆千百根光纤电信息光信息电信息,4、现代光源激光、同步辐射,(4)激光在物理基础研究方面的应用,1997年美国斯坦福大学华裔科学家朱棣文与法国和美国的其他两位科学家分享当年的诺贝尔物理奖。,获奖原因-激光冷却囚禁气体原子实验方面杰出贡献。,4、现代光源激光、同步辐射,如钠原子的温度被冷却到240微K。,新一代原子钟，制造原子显微镜等。,频率稍低于原子内部某一跃迁频率的激光从三维方向同时射向原子，由于多普勒效应，原子接受到的光频率高于激光源频率，刚好达到跃迁频率，发生共振吸收，原子每吸收一个光子会获得在光传播方向上的一个动量，使原子的动量减少，速度减慢。,基本原理,应用,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射光源的发现和特性,同步辐射光源的发现,韧致辐射：一个带电粒子打到金属靶上突然减速时，会伴随连续的X射线谱发射，其物理根源在于具有加速度的粒子会发射电磁辐射。,加速器：30年代发明了加速器，直线加速器、回旋加速器，可以将粒子的能量加速到GeV。,直线加速器：加速的能量越高，加速器的长度越长。如：美国斯坦福大学的直线加速器的长度3公里，电子可以加速到5GeV。,4、现代光源激光、同步辐射,回旋加速器：D型盒，交变的电场，粒子加速到相应的能量需要的尺寸较小。,电磁辐射：粒子加速一方面不断得到能量，另一方面由于电磁辐射而损失能量-粒子加速得到的能量有所限制。,电磁辐射导致的能量损失率：,结论：轻粒子的电磁辐射能量损失占主导地位。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射的发现,偶然的发现，光源历史的变革！,1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室，调试一台新设计的70MeV的电子同步加速器，该加速器的显著特点，真空室是透明的，目的为了观测加速器运行过程中装置的运行状况。这个小小的变化导致了一个伟大的发现。,技工“蓝白色的弧光”排除气体放电同步辐射,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射：在加速器中，电子在加速过程中所产生的辐射，因此同步辐射的波长依赖于加速电子的能量。,电子,40MeV：黄色,30MeV：红色,20MeV：看不到发光,光强逐渐减弱,同步辐射现象的发现尽管轰动了科学界，然而当时并没有意识到它的重要应用前景，相反，由于它的存在，导致了人们一个极为头疼的问题，电子的能量加速有所限制。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射的装置,以北京正负电子对撞机为例：,一机二用，同步辐射和正负电子对撞。,加速器长204米，电子加速能量2.2GeV。,第一代同步辐射装置,组成：电子直线加速器和储存环(240.4m)。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射的特性,辐射光的波长覆盖面大，且连续可调,亮度：每秒钟从单位面积向单位立体角发出的能量范围在光子能量的千分之范围内的光子数。,波长：4103610-2nm，从中红外到硬X射线。,3.5keV,4、现代光源激光、同步辐射,有强的辐射功率,目前大功率的X光管所输出的射线的最大功率约为W，同步辐射的功率可以达到几万，甚至几十万W，如北京同步辐射装置的辐射功率为万W。,有很好的准直性,同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所张的角度小，有很好的准直性。而X光管产生的X射线是各相同性的，向四面八方发射。,4、现代光源激光、同步辐射,具有很高的亮度,由于是在很小的角度内发射出来的，所以同步辐射具有很高的亮度。如第一代同步辐射装置北京同步辐射装置，其发光亮度，现代第三代同步辐射装置的亮度可以达到：。,亮度：每秒钟从单位面积向单位立体角发出的能量范围在光子能量的千分之范围内的光子数。,4、现代光源激光、同步辐射,脉冲光源，有特定的时间结构,在加速器中，电子是以束团的形式运动，电子运动的速度接近光速。,脉冲宽度-脉冲持续的时间：,如北京同步辐射装置，l=3cm，脉冲周期T=0.8微秒,4、现代光源激光、同步辐射,可以利用这个特定的时间结构，来研究物质的动态和瞬变过程，如在生命科学中对细胞进行活体动态研究，可以利用脉冲光把活体动态变化的照片一幅幅拍下来。,很小，亮度大，短时间曝光照片清楚,如T=0.8s，则在8s时间内可以拍10幅照片。,4、现代光源激光、同步辐射,偏振光,在电子轨道面中的同步辐射光是100%的偏振光，这是普通X光所没有的特性，利用同步辐射光的偏振性，可以研究生物分子和磁性材料的旋光性。,高度稳定性,由于同步辐射光是在电子加速过程中发射出来的，因此只要保持电子能量和束流强度的稳定性，就可以保证同步辐射光的稳定性，这有利于用来进行高精度、高分辨率和重复性的实验。,目前，利用高性能加速器，可以使得电子束流在加速器中稳定循环运行几十小时。,4、现代光源激光、同步辐射,“光谱纯”的光,同步辐射光是非常“纯”的光，这是由于它是在高真空条件下产生的，其他发光，如气体放电等被排除了。,利用这种干净的光，可以作微量元素分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射装置的发展,至今，同步辐射装置发展已经经历了三代。,4、现代光源激光、同步辐射,中国：,北京同步辐射装置属于第一代装置。,目前，上海正在建造的同步辐射装置属于第三代装置。,1991年建成的合肥国家同步辐射装置属于第二代装置。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射的应用,生命科学,利用同步辐射装置开展应用研究的50%的课题跟生命科学有关。,-生物大分子(蛋白质、病毒等)的结构；-研究生化反映过程中结构随时间变化的动态过程；-辐射对细胞的作用。,X射线显微束-含水量多的活体生物样品(如细胞)的动态过程进行显微观测。,4、现代光源激光、同步辐射,医学,同步辐射用于医学诊断成像。,材料科学,不仅可以进行常规的晶格结构的测试，即所谓的布拉格衍射，而且用于复杂大分子以及非晶态物质的结构研究。,微加工,利用短波长、高亮度的X光对硅芯片进行更细微的光刻，如激光，光刻极限：0.2微米。,4、现代光源激光、同步辐射,同步辐射的应用机器广泛，详细情况可以参见参考资料：,洗鼎昌，神奇的光-同步辐射，长沙：湖南教育出版社，1994,4、现代光源激光、同步辐射,5、物理学与航天技术,自古以来，深幻莫测的宇宙一直深深地吸引着人类的视线，人类也一直渴望着能够有朝一日离开地球，飞向星球。,“嫦娥奔月”、,古希腊“伊卡尔飞向太阳”,我国明代万虎用“飞龙”尝试飞天(14世纪末),月球上的一座环形山-万虎山,关键的问题？-万有引力,5、物理学与航天技术,万有引力定律的发现,牛顿与苹果树的故事？天大的牛顿苹果树,问题：月亮为什么不掉下来？,(1)伽利略平抛原理引力存在,(2)开普勒第三定律,(3)牛顿第二、第三定律,牛顿的万有引力定律，揭示了宇宙万物间必须遵循的引力规律，将天上和人间和谐地统一了起来。,准确预言彗星的出现，以及后来的天王星、海王星和冥王星的发现-该定律在天体观测中的不可动摇的地位。,5、物理学与航天技术,月亮的运动可以比作一个抛体,地球的引力使得它的运动偏离直线,其曲线的弯曲程度正好与地球的弯曲程度相同-所以月亮永远不会掉到地球上来。,5、物理学与航天技术,5、物理学与航天技术,1781年，(英)赫歇尔(F.W.Herchel)-天王星,运动轨道的摄动,新的行星？,1845年，(英)亚当斯(J.Adams)和(法)勒维烈(J.LeVerrier)通过计算，提出了存在新的行星。,海王星“笔尖上的发现”,美天文学家P.LowellandW.Pickering类似计算：冥王星,5、物理学与航天技术,火箭推进原理,人类飞天-必须克服地球对飞行器的万有引力；也就是说必须能够不断地提供一个作用力来克服地球的引力。,1903年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基利用喷气工具研究宇宙空间提出了利用火箭向后喷气产生的反作用力而运动并飞向宇宙的思想，并建立了著名的齐奥尔科夫斯基公式，为现代航天技术奠定了理论基础。,5、物理学与航天技术,5、物理学与航天技术,齐奥尔科夫斯基公式,借助于动量守恒定律：,多级火箭：,一级火箭：,火箭推力,5、物理学与航天技术,5、物理学与航天技术,三个宇宙速度,第一宇宙速度,-在地面发射一航空器，使之绕沿地球的圆轨道运行所需的最小发射速度。,第二宇宙速度,-在地面发射一航空器，使之脱离地球的引力所需的最小发射速度。登上月球或飞向其他行星,第三宇宙速度,-在地面发射一航空器，使之不但要脱离地球的引力场，还要脱离太阳的引力场所需的最小射速度。,5、物理学与航天技术,火箭的基本结构,多极运载火箭工作过程示意图,火箭燃料,5、物理学与航天技术,依赖因素：,燃料喷气速度u质量比Mi/Mf(即燃料的量),实际情况：,常规燃料-偏二甲肼加N2O4，喷气速度u2km/s；非常规燃料-液氢+液氧，u4km/s；由于火箭上必须装备试验仪器，容器必须足够坚固，质量比：Mi/Mf10-20,美国发射“阿波罗”登月飞船的三级运载火箭-“土星5号”为例：,5、物理学与航天技术,航天发展简史,5、物理学与航天技术,-1957.10.4-前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星-“人造卫星1号”(86.3kg)。,-1958.1.31-美国发射自己的第一颗人造卫星-“探险者1号”(8.22kg)发现地球辐射带。,-1970.4.24-中国发射了自己的第一颗人造卫星-“东方红一号”(173kg)。,-随后各种卫星，地球同步卫星，太阳同步卫星等相继升空。-一箭多星技术-全球4000颗以上的卫星，在通讯广播、对地观察、导航定位、科学研究、气象等领域发挥着重要的应用。,5、物理学与航天技术,中国航天技术的发展,三个阶段：1956-1970年：中远程弹道导弹、“长征一号、二号”运载火箭；1970-2005年：各种人造卫星升空、神州五号(2003年)和神州六号(2005)载人飞船送上太空；2005年-绕月探测工程“嫦娥一号”、载人航天工程、北斗卫星导航系统、高分辨率对地观测系统。,东方红通讯,实践科学实验,风云气象,返回式卫星,中国已经发射的各类卫星（一）,5、物理学与航天技术,北斗导航,高分一号对地观测,嫦娥对月观测,中国已经发射的各类卫星（二）,5、物理学与航天技术,人造地球卫星的应用,通信卫星,通信-无线电波的传递,远距离通信-短波无线电和微波无线电,天波电磁波通过电离层,空间波直线传播(距离短),中继通信成本大,通信卫星-中继站,微波穿过电离层，卫星放大后在发射会地球,5、物理学与航天技术,通信卫星,-运动通信卫星,-静止通信卫星(地球同步卫星),5、物理学与航天技术,气象卫星,气象观测,人眼,气象雷达,气象火箭,气象卫星,-地球同步气象卫星,-太阳同步气象卫星,5、物理学与航天技术,地球资源卫星,人员,地球资源的监测、勘察和利用直接关系到了人类的生存和发展。,飞机拍照,卫星拍照,高度优势，拍照面积大,能开展的工作：,-监测地面农作物、地面环境、预测地震等-绘制地面地貌、地质等地图-资源勘测。,5、物理学与航天技术,科学探测卫星,能开展的工作：,-探测地球的大气层、电离层、磁层、极光、重力场等。,太空实验-空间站,和平号空间站自由号国际空间站,5、物理学与航天技术,5、物理学与航天技术,人类第一位宇航员：加加林,5、物理学与航天技术,阿姆斯特朗,5、物理学与航天技术,中国航天第一人杨利伟,神舟5号飞船,发射：2003年10月15日9时00分返回：2003年10月16日6时23分,永远令人铭记的日子和自豪的话语,“我为祖国感到骄傲！”杨利伟,费俊龙,聂海胜,5、物理学与航天技术,神舟6号飞船,6、纳米技术简介,纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等,纳米技术定义,纳米技术分类,6、纳米技术简介,1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。,6、纳米技术简介,灵感的来源,纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作的一次题为在底部还有很大空间的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”,