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当代物理前沿专题填空题答案当代物理前沿专题（一）原子能及其和平利用1、1897年，汤姆孙在放电管中发现阴极是 电子 流，他建立的原子模型称 带葡萄干的蛋糕 模型。卢瑟福发现自由放射线中射线是 氦 离子流，他提出了类似 太阳系 的原子模型来解释 粒子 散射实验,进而测定原子核的电荷数，他的学生 威德威克 分析了约里奥. 居里夫妇的实验发现了中子。依万宁柯、海森堡建立原子核的 原子中子 模型。2、原子核可以写成元素，其中A为 质量 数，Z为 电荷 数，Z相同A不同的元素称为 同位素 。3、原子核在结合过程中所释放的能量称为 结合能 ，平均结合能BA最大值为8.8Mev，其相应的的A 60 。凡原子核演化向该值 趋势必定释放原子能。4、原子能可能的释放模式为： 衰变 、 裂变 、 聚变 、 碎裂 ，在裂变过程中，1千克燃耗相当于 2万 吨TNT黄色炸药。5、裂变有两种模式：一种是 裂变，重核自发分裂成两半；一种是在 中子 作用下引发的裂变。核裂变都要释放 200Mev 的能量，而原子核碎裂反应也放出这么多能量，但都是一个 吸热 反应，然而这一反应能放出大量 中子 ，所以很有用。6、 中子 对235、239Pu或233的核的诱发裂变，是人类迄今为止大量释放原子能的主要形式。原子弹爆炸的原理就是利用这种不断增殖的 链式 反应引起强烈爆炸。人们控制这种反应中中子产生的速率，就能缓慢地释放核能，核反应堆（核电站）按控制方式不同，划分为 慢 中子堆和 快 中子堆。6、实现核聚变需约 几千 电子伏特，即几千万的高温条件，目前人们仅知道用 原子弹 去触发某氢弹，受控热核反应设想有2种，一是 磁 约束，一是 惯性 约束。7、目前油的储量仅够人类使用 70 年，煤可供 500 年，天然铀和钍将是可燃物的20 倍，海水中的氘可供人类 用 107年，所以 受控热核 反应的研究一直备受关注。8、可再生能源是说与地球上存在着某种 可持续的“永久”的能源，不可以再生能源是指储藏在各种物质形态 中的能源。水能，风能，太阳能属于可再生 能源。煤，石油属于不可再生 能源。铀，钍，氘属于不可再生 能源，潮汐能来自地球自转 的旋转动能。当代物理前沿专题（二）半导体1、1948年巴丁.布拉顿，肖克莱发明了 晶体管 ，带来了现代电子学的革命。 1958 年集成电路问世,1968年硅大规模集成电路实现大生产，标志着进入了 微电子 时代，21世纪将是 光电子 信息时代。2、1970年，江崎和朱兆祥提出了 超晶格 概念，两年后在一种 分子束外延设备上得以实现，这导致了高电子迁移率的晶体管（HEMT）的出现和 量子霍尔 效应的发现。3、量子阱，超晶格是由两种材料组成的，能使半导体的自由电子局限在一个平面内运动，称为 二维电子气 ，由于杂质和电子运动在不同平面里，一个使得杂质对电子的散射作用大大 减小 ，所以大大 提高 了电子迁移率，选择不同的材料，设计不同的禁带宽度和光学器件称为 能带剪裁 工程。4、量子阱，量子点中的电子运动分别具有一维 和零维 的特点，受量子的限制效应，原来电子运动的能带会分裂成一系列分裂的量子能级 ，用它们制成的激光器，预计阈值电流进一步降低 ，达到A 量数，且特征温度大大提高 。5、当器件长度小于电子平均自由程的所谓 介观 系统中，电子输运不再遵循欧姆定律，完全由它的 波动 性决定。6、通常用迁移率e/m*表征半导体导电性能，其中弛豫时间表示固体电子运动，两次碰撞之平均自由 时间，m*表示电子的 等效 质量。7、按量子力学的泡利原理，每个能带能填充 2N 个电子（N为固体中原子数），金属大多数是一价的，所以只填充能带的一半，该带称 导 带，半导体平均每个原子有4个价电子，恰能填满能带，称 价 带，导带和价带之间称 禁 带，绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，大约为 1 eV。半导体掺杂形成n型和p型半导体，n型靠 电子 导电，p型靠 空穴 导电。8、n型和p型相接触区域形成 Pn结 ，耗尽层中有一个内建电场，方向由 n 指向p 区，将阻止电子和空穴 扩散 。9、p-n结两端加正向电压，原平衡破坏， 减弱 了原来的内建场，电子和空穴扩散增加，总的电流是由这2部分电流 之和 这称 复合电流 。加反向电压，电流是靠耗尽区中产生的电子和空穴提供电流值 很小 称为 产生 电流。10、半导体晶体管中三个区别称 发射 区 基 区 集电 区 其中 基 区很薄，晶体管电流放大系数= Ic/Ib，通常为 100 左右。11、每块集成电路由成千上万个 MOS 晶体管组成，包括了三层 硅 、 二氧化硅 、 金属 ，p型衬底上两个几区分别称 源 区和 漏 区，在它们的上面有一个金属栅称 栅 极。12、MOS晶体管栅极上加正向电压时，源区和漏区之间的P区空穴 被耗尽 ，当正电压超过 阈值电压 时，P区中就会感应出电子，形成一个n型电子沟道，称 反型层，MOS晶休管起一个 开关 作用，其延迟时间等于 RC 。13、光电探测器实质上是一个 反向偏置的二极菅。当入射光子hEg时，耗尽区内产生电子空穴 对，被电场分开，形成光电流。检测这个光电流就可以知光信息 的强弱。非耗尽区内产生的载流子也形成电流，但影响光电二极菅的响应时间 所以应扩大耗尽区 减少p区和n区。14、太阳电池是利用n结的 光生伏特 效应，原理与光电探测器类似，但不加 反向偏置 电压。理论上太阳电池极限效率 32 。15、制备半导体单晶主要有两种方法：直拉 法（又称切克劳斯基法）和区熔 法。16、直拉法能生长直径较大 （125mm）的单晶，但难以提高单晶的纯度 ，区熔法可制备高纯 单晶，对锗和一些化合物半导体可用水平 区熔法。其生长尺寸较 小。单晶硅要用悬浮区熔法，这不仅能生成高纯度的高阻单晶，且已能生产250mm 的单晶。17、制造集成电路常采用平面工艺，其工序有（1） 氧化 （2） 光刻 （3） 扩散掺杂 （4） 金属化 18、在一无所知的情况下为了在 两 个并列的互不相关的可然性之间进行判断，所需的信息量为 信息单位 ，并以 bit 表示,2n种可能性中的一个其信息量为 n bit,仙农定义信息量公式为:信息量log 2( 可能性 数目)，每个字符（32个可能性）有 5 bit信息量。19、信息过程包括信息 获取 、 存储 、 传输 、 处理 。20、光刻的极限是由光的 波长决定的，根据现有的器件原理和工艺条件，半导体器件的极限是线宽0.1 m，集成度接近1010bit,基片面积1cm2。21、砷化镓 特别适合作集成光电子系统的材料。硅是间接 能带材料。目前科学家正寻求使硅发光的方法，1990年英国的Canhan，首次在室温下观测到多孔硅的可见光 光致发光。22、量子阱发光峰的波长随外加电场的增加会发生红移，这称量子斯塔克 效应，用该效应制成的光双稳器件自由光器件（SEED）的光输出同输入功率不成线性 关系。23、分子电子学以物质的 分子 和其他的微观组分为单元，与微电子的区别还在于用 多值 数字形式，而不是用 二进制 数字形式来信息处理。 当代物理前沿专题（三）1、1954年（美）汤斯 成功地制造出氨分子振荡器，产生出波长为1.25 cm的相干电磁辐射；可用作频率标准（即分子钟 ）。2、激光器的发展起点是 肖洛 和斯汤 ，在红外光学激射器中提出光激射器理论设想了一种新式共振腔（称为 开放腔 ），用两块平行放置的高 反射镜 组成，既控制了腔内 模式 数目，也起降低 自发辐射 作用，又降低了本底噪声，而且给出了激光器的振荡条件：光学材料内处于高能的原子数要比在低能态原子数发出的量（称 阈值粒子反转密度 ），达到振荡阈值所必须供给激光材料的能量或功率（即 阈值泵浦能量或功率 ）。3、1960年5月（美）休斯实验室梅曼 采用红宝石 做工作物质，用氙灯 做泵浦源，制成世界上第一台激光器，1961 年9月我国第一台激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所王之江 领导设计下研制成功。1964年， 钱学森 教授给Lasert起了个中文名称为“激光”。4、1916年 爱因斯坦 发现在受激吸收跃迁和自发辐射跃迁之间还存在第三种能态跃迁过程 受激辐射 跃迁5、 负 温度是对光源中处于高能态的原子数目比处于低能态的原子数多的一种状态表述，这时系统处于热力学 非平衡 状态。6、只要对原子泵浦到高能态的速率比离开这个能态的速率高就可造成负温度状态，主要方法有：（1）光 泵浦（2）气体放出 泵浦（3）注入电流 泵浦（4）化学 泵浦。7、激光器由三部分组成（1） 工作物质 （2） 共振腔 （3） 泵浦源 。8、对工作物质的要求是（1） 光学 性质均匀，透明稳定。（2）有能级寿命（有较长的能级，称 亚稳定 能级。（3）有较高的 量子 效率。共振腔的主要作用（1） 正反馈 作用（2） 选模 作用。9、从波动观点说，模是电路波动的一种型类 。即存在于空腔中各种不同频率的 驻波 。从粒子观点看，模代表了可以相互区分的 光子态 。沿同一传播方向，按频率区分光子态称 纵 模，按辐射传播方向区分光子态称 横 模。用TEMmn表示横模的阶数。m=n=0为基 模。其余称高阶 模。对纵横受共振腔长L限制两个模的频率间隔为C/2L ，又辐射频率必须在光学增益带宽 内，则振荡模数很少。10、共振腔的Q值（品质因子）是描述共振腔光学 损耗 大小的量,Q=2 （腔内存储能量）（每秒损失的能量）激光振荡能量阈值与Q值有关，Q值高阈值 低 。让Q突变的方法即Q开关。常用Q开关有：（1）可饱和吸收体Q开关，属 被动 Q开关，（2） 电光 Q开关（克尔盒，普克尔盒）。（3） 机械 Q开关。11、让激光器中各模之间建立稳定的 相位 关系，形脉冲宽度 极窄 ，功率极高的，激光技术叫锁模。12、目前功率最大的激光器为 钕玻璃 激光器（1014W），其次是 CO2 激光器， 半导体 激光器体积最小，使用寿命却 很长 。13、激光的特性：（1） 方向性 好，（2） 单色性 好，（3） 相干性 好，（4） 脉冲宽度窄 。14、固激光有很好的单色性和相干性，则用它作计量检测能获 很高的计量精度 。激光用于信息处理主要是（1）光盘 、（2）光通信 （3）光计算 。强激光的应用有（1）激光加工 、（2）激光分离同位素 、（3）激光核聚变 。激光还大量应用于医学、生物、军事和科学实验，激光产业有（1）激光加工 产业，（2）激光印刷 产业（3）激光光盘 产业，（4）光纤通信 产业（5）激光医疗 产业和激光武器等。当代物理前沿专题（四） 超导电性1、 1908年昂纳斯 发现超导现象，1933年迈斯纳和奥森菲发现迈斯纳 效应，证明超导体不是理想 导体，是一种宏观量子 现象，基本性质（1）零电阻效应 （2）迈斯纳 效应。2、 1898年杜瓦 得到液氢（20K）。1908年昂纳斯得到液氦 （4.251.5K）发现汞在4.2K以下电阻为0 。（纯铜不是超导体，即使几mK，有1011m）3、 电阻突然消失的温度称超导体 临界温度TC，当TTC时，当外磁场超过 某位HC（T）或电流越过 某值IC（T）时超导性被坏，HC（T）和IC（T）分别称临界磁场 和临界电流 。4、 对理想导体由电流密度J=E/可见，当J0时0，则0，由0可见，不随时间 变化，但迈斯纳效应证明不论超导体内原有无磁场B0，一旦进入超导态， 只要B0小于 临界磁场B0就为0 。5、 戈特和卡西米尔的二流体 唯象模型法：超导态下正常 电子受晶格振动散射超流电子 电子处于某一能凝聚态，不受晶格散射。6、 伦敦兄弟建立超导的唯象理论。认为超导电流 不遵守欧姆定律（=），因为超导电子没有阻力，则在电场中作加速运动即m*=e，则。伦敦方程成功解释了 迈斯纳效应。7、 1950年提出的金兹堡朗道理论是从热力学 角度研究超导性，认为正常态向超导态的转变是一个有序化 过程，金兹堡朗道方程可以解释混合态的许多性质。8、 1950年麦克斯韦发现超导体的同位素 效应，MTC常量，离子质量M反映 晶格的性质,临界温度TC反映电子 性质，晶格振动的能量子称声子 。同位素效应反应了电子声子相互作用与超导电性有关。弗洛里希提出电子声子相互作用是高温下引起电阻 的原因，低温下导致超导电性 。9、 超导态的电子能谱与正常金属不同 。在费米能EF附近有个半宽度为的电子不存在的能量间隔称超导能隙 。10、 库柏发现超导态是由正则动量 （机械动量与场动量之和）为0的超导电子组成。它是动量空间的凝聚 现象。当电子间交换声子产生的吸引作用大于库仑 排斥作用时，费米面附近的两电子的能量比两个独立的电子总能量低形成 库柏电子对。最佳的配对方式是动量 相反同时自旋相反 的库柏电子对。11、 超导性量子 理论是巴丁，库柏，施瑞其在1951年提出的称BCS 理论，是目前唯一成功的超导微观 理论。可以定量描述能隙，热学和大多数电磁性质，还可以得到磁通量子化 的结论。12、 不论是金属绝缘体超导体（NIS ）的结还是超导体绝缘体超导体（SIS）的结，当绝缘介质厚约102103，隧道电流都是正常 电子穿越势垒，称正常电子隧道 效应，若SIS结的绝缘层只有10 左右时，出现库柏电子对隧道效应，即为约瑟夫森隧道 效应。电子对穿过势垒后仍保持着 配对 状态。13、 第一类超导体相干长度 ，界面能为正值，不存在混合态，只有1 个临界磁砀，应用于弱电，第二类超导体， ，界面能为负值。有2 个临磁场，当外加磁场加到HC1和HC2之间时，超导体处于混合态。即体内既有超导态又有正常态 部分，钒、铌、锝以及大多数合金和化合物 超导体都属于第二类超导体，常主用于强电。14、 高温超导体都由导通 层（铜氧层）和载流子 层组成，相干长度短 ，不均匀性 ，各向异性 是基本特性，晶界上存在弱连接和磁通钉扎等是弱点。15、 超导体在强电方面用于（1）受检热核反应和凝聚态物理研究的强磁场 （2）核磁共振 （NMR）用的均匀磁场，（3）制造发电机的电动机的纸圈 （4）用于高速列车上磁悬浮 线圈，（5）用于轮船和潜艇的磁流体和电磁推进 系统。16、 （SQUID）超导量子干涉仪是约瑟夫森 效应的一个应用，外磁场加到含2个SIS结的超导电路上使最高超导电流随磁场 变化，有很高的测磁灵敏度，用于生物磁学（探测大脑、心脏磁场等）、地磁场等研究。当代物理前沿专题（五） 声学1、德国人克拉尼 是实验声学的创始人，英国人瑞利 所著的声学理论是一部总经典声学理论的巨著，水声学的奠基者是法国人朗之万 。德国人亥姆霍兹奠定了语言声学基础。最早提出音律中十二平均律 的是我国明朝朱载育 。1、 声强级定义为lg(I/Io)dB,由P2/C决定了声压级为20lg(p/p0) dB，空气声学中P020a,水声学中P0 1 a2、 由声功率反射系数r（2C2 1C1）/（2C2 1C1），可见两种媒质声阻抗（）相近则r 很小 ，水下的声音岸上听不到是因为水和空气的声阻抗差 很大。 3、 声波遇到障碍物时，就绕其边缘延展引起声衍射 ，声波遇到线度小于 波长的障碍物时，声波朝各方向散射，波长小 的声波具有较强的散射效应。4、 听到声音的条件是： 声源 ， 媒质 。人能感受到的声波频率范围约2020000 HZ，次声波的范围为10420 HZ，超声波范围为21041014 HZ,语言信号频率为10010000 HZ，其主频带1004000 ZH，电话语言频带定在3003400 HZ.5、 日常说话声功率范围为 1061W，平均约102 W,人耳能感受到的声强度范围为1021 wm2，相差1012倍，所以声波相差120 dB.6、 现在多数国家采用的噪声标准是每日小时工作声级小于90 dB,住宅区室外声级3545 dB,正常说话声级65 dB.7、 响度不仅与声强有关，还与频率 有关，响度级的单位是Phon (方)，一个声音的响度级等于等响的1000 HZ纯音的声压级,响度的单位是sone , 40 方一宋，每增加10方响度增加一倍。8、 音调主要与频率有关，但也于强度 有关，音调单位为mel (美)，它是以1000HZ，40 Phon的纯音作基准，定为1000mel .9、 音乐上把一个倍频过程(f到2f)称为一个八度 。又把它按频率比 21/12 分成 12等份，每等份称一个半音 ，其百分之一称一个音分。音分数 1200log2(f2/f1) 。10、 对房间音质有影响的决定性因素是混响 ，声场分布 和噪声 贝 。11、 声波发出声音到衰减了60 dB，所需时间称混响时间。混响时间除与房间的声吸收有关外还与房间体积和声音频率有关。12、 超声波特点有（1）听不见 （2）波长小 （3）与物质有相互作用 。13、 超声波因波长小导致（1）声源尺寸小 且指向性好 （2）易被微小障碍物散射 。14、 超声在液体中的空化效应可导致声致发光 、声致自由基 机械作用（ 粉碎乳化）化学反应活性加强、高分子解聚等效应。15、 因为声波可透入任何媒质（固、夜、气，不论透明不透明），因此利用超声来检查媒质中是否有障碍物 存在 存在 及障碍物有哪些 特征 特征，称超声检测。超声在医学中最突出的应用有B超 和多普勒 血流计。16、 声表面波在一块压电单晶基片表面浅处 传播声波，它的波形容易由选择换能器 的几何形状和基片上附加的一些结构调控。17、 空气中声速约340 m/s,在淡水中约1440 m/s，在钢中约5000 m/s,在海洋中声速是温度 ，盐度 ，深度 的函数。18、 声呐（sonar-由声音，导航，测距英文词类构成）是用声波判断水中物体存在， 位置和类型 的设备。它有两种工作方式（1）主动 声纳（2）被动 声纳。19、 定点浪高仪、回声测深仪、地形地貌仪都是主动 声呐，海流计是利用 多普勒效应进行测速的，声呐方程是用于设计声呐 与对声呐性能 作出预估的工具。20、 声信号数字处理中，时间上的量化称采样 ，幅度上的量化称分层 ，奈奎斯特采样定理是：若信号带宽有限，则只需2 信带宽的采样频率进行采样就可以恢复原始信号。21、 目前电话数字传输系统主 频率是8K HZ，一般声信号处理采用1416 bit的分层。22、 传统的模似信号磁带式录音机的动态范围约40 dB，频带2008000 HZ，现代数字式录音机的采样频率为44.1K HZ ，频带约20k HZ ，动态范围 60 dB。23、 DSP芯片是数字信号处理 芯片，它不是采用冯.诺伊曼结构，而是采用并行处理的哈佛 结构。克服了数据流中的瓶颈 。24、 语言频率有两种（1）长时平均 频谱，（2）短时 频谱。从声源看，语言声源可分为（1）准周期 激励，（2）噪声激励 （3）脉冲 激励。25、 双耳效应的主要作用来自声音达到两耳的时间差 ，其用来判断声源的方向和 距离，觉察波源 运动，从嘈杂环境中，倾听较弱的声音。26、 白 噪声是一种频谱连续且均匀的噪声，红 噪声是频谱连续且振幅随频率升高而降低的噪声。160dB以的强噪声可以损坏建筑物。海洋噪声的来源有 自然 的（如风、雨和鱼的发声）， 人为 的（如航船噪声）。27、 波动方程的解是与初始 条件和边界 条件有关的。有两种方法：（1） 简谐波 理论（2）射线 理论，其中射线 理论很直观，但不能给出精确解。28、 海洋分层（1）深度为0150m为表面 层，150300m为季节温跃 层，3001000m为主温跃 层，1000m以上称深海等温 层。当代物理前沿专题（六）空间物理学填空1、 空间物理学主要研究太阳活动 、月球 、行星磁层 、行星电离层 、行星大气 等空间区域的物理过程和规律，这些物理过程对航天 事业和人类的生态环境 产生重要影响。2、 大气层按它的物理性质可分成对流 层、平流 层、中间 层、热层 、和外逸层，按大气成分可分为均质 层，非匀质 层和外逸 层。中高层大气指 平流层以上的大气层； 磁层是地球通过磁场控制的区域，它的外围被太阳风包围； 日球是指由太阳风和行星际磁场组成的区域（约距太阳100个天文单位的区域）。3、 对流层的高度在极区约9 Km，在赤道可达17 km左右，平均每升高1km温度下降6.5 k。天气 现象都发生在对流层。4、 平流层顶约50 km高处，水平运动较强，达到120 km/h，温度随高度的增加而增加 ，臭氧层在这层内，浓度最高的高度在2025 km之间。5、 高度约5085km之间称中间层，温度随高度增加而降低 。这层光化 反应十分强烈，气辉和极光 来自这一层。6、 中间层上面是热层，其温度随高度迅速增加 ，并受太阳活动影响很大，热层顶约300500 km不等，该层大气原子氧对航天器具有很强的腐蚀 能力。7、 均质层顶约80 km处，其大气成份不变 。非均质层的平均分子量随高度逐渐降低 。外逸层的空气分子可能摆脱地球引力。8、 在比较小的高度范围内,大气密度 和压力 是随高度指数下降的。9、 太阳常数为1353 w.m2，用来度量太阳的电磁辐射能 。（平均日地距离处）10、 太阳电磁辐射覆盖了全部 电磁波谱，波长范围10410-14 Hz主要的电磁辐射能量集中在可见光 和红光 部分（占总辐射通量90以上）且比较稳定。紫外部分虽占成分很小，但变化十分剧烈 。11、 大气层吸收了太阳辐射中波长短于0.32 um的部分。波长长于10m无线电波由于电离层 的反射达不到地面，红外部分也有不少被水气 和二氧化碳的吸收。能达到地面的辐射波段称为大气窗 。12、 太阳辐射通过光致激发 、光致离解 、和光致电离 ，最终转化为高层大气的热 能。13、 电离层指5060 km以上到几千公里之间的大气电离 部分。最大电子密度约在300 km高处，称“F层”，夜晚在100 km的高度有具峰值称“E层”。14、 电离层的电子生成率Qn，其中n为大气密度 ，为入射的高能电磁辐射强度 ，为电离截面。15、 电离层电子密度越高折射系数越大 ，电磁波频率越低折射系数越大 。当电磁波频率高于临界频率 时，可以通过电离气体，根据电离层的结构，临界频率最高约20M HZ。16、 极光是来自太阳 和磁层 的高能带电粒子进入高层大气所激发光现象，高度分布在701000 km范围内集中在100200 km之间。17、 地磁场近似为偶极 磁场，即均匀磁化球的磁场B=M(1+3cos2)1/2/r3，其中M7.951015T.m3即地球的磁偶极矩 ，地球的磁轴不平行于自旋轴，两者夹角为110 偶极子中心偏离地心约451 km。18、 地磁场的月变化在赤道 区中高度大，高纬区赤道区相位相反 。磁暴分“急始型”和“缓始型”急始型磁暴往往在太阳上出现大耀斑 以后发生。缓始型常常具有27 天重现性，这数字等于太阳自转 时间。地磁指数随太阳活动周11 年变化，一年中春秋季扰动明显高于 夏冬季。19、 空间除均匀磁场外还有与它垂直的均匀电场或引力场存在。则带电粒子将与磁场和外力都垂直 方向上漂移 。电场对正负电荷漂移方向相同 ，重力对正负电荷漂移方向相反。如果带电粒子处在的磁场与其垂直方向上有个梯度，则也会发生漂移，其方向与电荷正负有关 。能量越高，漂移速度越大 ，漂移过程中磁矩m 是守恒 的。20、 若带电粒子的初速与地磁场夹角（投掷角）不是90，将沿磁感应 线作螺旋 运动。随着磁感强度B增加前进速度变慢，到达粒子的“镜点 ”粒子将沿磁感应线返回，到达另一半球的镜点。如此往复振荡。能量越高的粒子达到的区域离地面域近 。21、 带电粒子在偶极场中。由回旋、 振荡、 漂移 三种运动合成。地面上纬度越高能到达的粒子能量越低，能到达某点的最低值称“ 截止刚度”。22、 太阳风是由于日冕膨胀而形成的带电粒子 流。主要由数量相等的电子 和质子组成，称等离子体 。太阳风向外运动其压力达到与星际空间物质压力平衡而终止。这个界面内称为日层 ，其半径约50100 天文单位。23、 因等离子体有很高的导电率 ，使等离子体与磁场 互相“冻结”在一起。太阳风把太阳表面的磁场一同带出来形成行星际磁场 因太阳有自旋，该磁场具有扇形 结构。24、 太阳表面剧烈扰动时发出大量能量很高的质子，称太阳宇宙线 ，这样的事件称“太阳质子事件 ”。25、 地球磁场在太阳风的作用下形成“磁层 ”，其内有大量捕获的高能带电粒子形成辐射 带，等效极坐标“R”描述该带R为等效距离 ，是等效纬度 。磁层的背阳方向有条很大的尾巴称磁尾 ，长度达1000 个地球半径以上。26、 空间物理学的研究有：地面观测 、火箭观测、 卫星探测 和 理论研究。空间环境对航天器的主要影响有：高层大气 密度对其轨道的影响； 原子氧对其表面的剥蚀效应；高能带电粒子的辐射剂量效应；单粒子事件效应；等离子体对其的 充电效应；地球磁场对其姿态的影响。当代物理前沿专题（七）混沌现象1、“混沌”是 确定论 系统所表现的随机行为的总称，混沌运动的随机性不是由外界的 随机 因素引起的，它根于系统本身的非线 性的相互作用。2、“确定论系统”指描述该系统的数学模型是不包含任何 随机 因素的完全的确定的方程，过去常常认为这样的方程，初始条件确定了，则任一状态可 精确预言 且初始条件的微小变化，对以后影响 不大。 3、朗之万方程是一个典型的随机方程，不K与满足一定关系时，方程的解最终与初始 条件无关。4、自然界中最常见的运动形态，往往既不是完全确定 的，也不是 完全随机 5、非线性是对线性关系的 偏离 线性关系是互不相干的独立贡献，而非线性是 相互作用 ；线性关系保持讯号频率成份 不变 ，而非线性使频率结构 变化 ，非线性是引起 突变 原因。6、逻辑斯蒂方程是一种差分方程：Xn+1= Xn(1- Xn)，也是标准的 虫口 方程， 的取值不同结果大不相同。当较小时，对任何初值X0其Xn都趋于一个固定值，即终态对初值 不 敏感，所有初值被“吸引”到固定点，称是一个 吸引子 ，较大时，结果是两个数交替，是一条 周期 轨道，仍对初值不敏感，当 继续增大时，出现周期4、8最终达到 混沌 区（n）这叫做 倍周期分岔 道路。令n次分岔值记n则n=A/n ，其中 3.5699 =4.669216091 由该式可算出任何周期n 的n值。当略大于时，iXi 图不是周期 轨道，很象随机起伏，但似乎又有些结构。我们称在周期窗口起点附近进入混沌运动称 阵发混沌 道路。7、1975年，李天岩和约克在周期3意味着混沌论文中证明：只要映射中存在着 周期3轨道,由不同初值出发的两条轨道就会有时很近，有时很远，把这定义为 混沌。8、1972年，菇厄尔和塔肯斯在讨论 湍流 发生机制时引进 奇怪吸引子 的概念，其运动轨道对 初值 极为敏感。9、李雅普诺夫指数描述了不同初值的轨道相互 分离 的平均速度，周期窗口对应 负 李雅普诺夫指数，而混沌区对应 正 指数。9、 喇叭的噪声，地磁场的随机反向，厄尔尼诺现象，瑞流，生物节律和脑电波都可能属混沌 现象。10、 混沌研究中当澄清的问题有：混沌现象并不新；混沌并不 神秘；混沌不是议论；混沌是正在发展的理论。完全的决定论和纯碎的概率都是抽象的 极限情况，真正的自然界介于二者之间。对 混沌现象的研究，使人们从确定论和概率论的人为对立中解脱出来。12、数学摆的 角位移 和角速度是两个动力学变量，它们张成了一个 相 平面，其中的每一点代表系统的一种可能 状态 。当数学摆成强迫摆时，调节 参数 可出现永不重复的混沌运动。当代物理前沿专题（八） 非线性非平衡的自组织1、 1900年法国人贝纳德对金属盘内液体加热，发现当上下温度差达到一定程度时，液体发生规律对流。这种空间周期结构的出现称贝纳德 效应。2、 （苏）别络乌索夫和扎包廷斯基在柠檬酸和丙二酸自糖化反应中发现Br和Ce4+浓度随时间作周期变化（溶液在两种色彩间变化），这种反应简称Bz 反应，又称 化学钟反应。3、 人体内糖的无氧代谢即“ 糖酵解”可看作生化系统中的自组织 ，其多种酶和中间产物的浓度作周期性 变化或进入混沌。4、 丝状液晶盒的平板间加直流电压，达阈值时，液晶内将出现对流不稳定性，形成空间周期性花级， 这称作威廉姆斯 畴，再提高电压达阈值，规则对流消失出现 湍流，入射光强烈蓁散射射，意味着混沌出现：这是液晶与电场作用下，从无 序到 有序现象。5、“自组织”过程是指具有一定功能的 非线 性的 多体 系统在离开 平衡 态时从无序到规则或不规则的序的过程。普利高称该序为 耗散结构 ，哈肯从研究 激光 入手，建立自组织理论称为 协同学 。6、若坐标系发生 平移 、 旋转 、标度改变、镜面反射等变换，系统状态或规律得到相同的描述就说系统具有 对称 性。系统对每种变换的不变性，可视为一 对称元素 ，对称元素越多，对称程度越 高 。系统自组织过程中，对称无素比无序时少了，称系统发生了 自发的对称破缺 。7、与外界进行物质、 能量 交流的系统称为开系，开系可处于平衡态，也可处于非平衡态，自组织总是在 非平衡 下发生，非平衡态可以是空间均匀的或不均匀时，BZ反应是空间 均匀 的，贝纳德效应是空间 不均匀 的，非平衡态可以是定态，也可以是非定态，贝纳德花纹处于 定 态。BZ反应为 非定 态。8、1944年 薛定谔 在什么是生命一书中首先引入了 负熵 来解释自组织现象，孤立系统从有序到无序，称按第 一 类时间箭头演化，开系固负熵流导致从无序到有序，称做按第 二 类时间箭头演化。9、一般自组织发生于远 平衡态，但也有可能在无限靠近 平衡态处实现自组织。普列高津的局域平衡 假设认为系统可以分成子系统，即使系统处于非平衡态亦可将平衡态下引入的熵概念以及有关平衡态的热力学方程应用于该子系。该假设应用于非平衡系统有局限 性。10、环境的 涨落 又称外噪声，对自组织有主要影响，在自组织过程中，系统从无序转变为有序，或从一种序过度到另一种序均和 控制参量 有关，因此是可控制的。11、由大量的个体组成的称作 多体 系统，蒸发是系统在无序或有序 不同序 间的转变，这种转变可以在准静态进行，称 平衡相变 ，若这种转变在非平衡条件下实现，并在非平衡条件下保存，则称 自组织 ，有两种发展前景（自组织理论的研究对象），一是 规则 序，一种是貌似无序的序，即 混沌 。作为新兴的学科自组织理论不仅涉及物理学，且应用于化学、生物学以致 社会科学中。混沌运动的随机性不是外界随机因素引起的，是由系统本身的非线性所致，称决定论系统的“ 内禀随机性”。当代物理前沿专题（九）现代科学中的天文学1、天文学的研究对象是宇宙中大尺度目标和现象。分四个层次：行星 层次、恒星 层次、星系 层次、宇宙 整体。2、天文方法是以观测 为核心，较之其它学科，更多地结合物理理论 ，构造各种物理模型 。3、星光信息中，最直观的是天体的亮位 和方位 ，用来制面天图和星表。最重要的实测依据是天体的光谱 ，探明天体发光体的化学 组成，各种粒子的“ 丰度”、温度 、密度 、电磁场和速度等。4、“三角视差法”以地球公转 直径为基线，测量天体的方位角1和2解三角形算出测定范围几百 光年，“标准烛光”法，测距范围几百万 光年，1912年，勒维发现“ 选父变星”，其光度周期与光度 L之间存在确定关系，于是由亮度公式SL0r2求出r，测量更远的距离要用哈勃 定律：VHD，其中V为星系运行速率，D为距离，H称哈勃系数 ，V可通过测量星系的低色散光谱谱线红移 ，再由多普勒效应得到。测距可达300亿 光年。5、 天文学的几条先验原则：（1）物质的统一 性，（2）人类在宇宙中不具 特殊的优越地位，（3）宇宙间物质是无 限的。6、 科学研究的三部曲为：感性资料积累，资料处理和分析（经验模型），物理解释（物理模型），这些因素分别归为，第谷型 、开普勒型 、牛顿型 。天文学历史上的三次飞跃：行星层次连结 开普勒定律的飞跃；恒星层次连结 赫罗图的飞跃；星系层次连结 哈勃定律的飞跃。7、 赫茨普龙和罗素分别独立发现，由光谱型或由颜色测定所反映的恒星表面温度 与绝对星等或恒星光度 之间有内在关系，赫罗 图蕴含有恒星结构和演化的信息。8、 现代恒星演化模型的前提：所有恒星都是由原始气体云 凝聚而成，恒星核心的核聚变 制约了整个演化过程，各种恒星不同之处在于原始云的质量 和年龄 不同。该模型不仅解释了各种恒星现象的本质，且解释了所有元素 的起源。9、 1916年，爱因斯坦提出了广义相对论 ，主张时空是一个形状依赖于其上物体的弹性薄膜。预言了星光掠过太阳边缘会发生偏折 ；解释了水星 近日点每百年前移43角秒的现象。10、 爱因斯坦首先把广义相对论应用于宇宙学。弗里德曼 从该理论出发论证了宇宙要么膨胀，要么收缩。伽莫夫 开创了对早期宇宙高密状态的研究，提出了大爆炸宇宙学。把大爆炸宇宙学和恒星演化理论衔接起来，形成“ 天文大统一模型”。11、 大爆炸后0.01s，宇宙温度为1011 K，在这之前称“ 极早期宇宙”，约1s温度为1010 K，宇宙只有一些由基本粒子混合而成的“宇宙汤”。约3分钟，温度为109 k，合成氘和氦等轻核的反应开始，无论恒星还是星际物质，氦与氢的比例为13 ；宇宙背景均为3K 辐射，这是大爆炸理论的有力证据。12、 在宇宙极早期四种基本力不可分 。随着降温真空发生了一系列相变。爆炸