高压物理——绪论

1、n高压科学的重要意义高压科学的重要意义n高压科学与技术的发展高压科学与技术的发展（1）高压：12（15）kbar P 5 GPa（2）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：100-102 bar 深海火山口细菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学材料科学 物理学： 100-102 GPa102-103 bar （水热溶剂热）（3）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下的力、热、光、电等物理性质及状态的变化规律的学科。（4）高压下，物理学与化学在很大程度上是密不可分的，物质的电子状态，能带结构的改变必然引起其化学性质的变化，而物质的高压相变本身就是

2、复杂的物理-化学过程。（5）压力的单位Pa (帕斯卡帕斯卡)是国际压力单位是国际压力单位 (1N/m2 )1MPa106 Pa，1 GPa109 Pabar (巴巴)是常用压力单位是常用压力单位 (=106dyn/cm2)atm (大气压大气压)称为标准大气压称为标准大气压=1.013105 Pa1bar105Pa0.9869atm1bar1atm 10kbar=1GPa 压力 压缩原子间距 改变电子结构 原子重组 电子激发 能级调谐 自旋重排 电子相变 结构相变 高压新相 新数据 新现象 新结构 新性质 新规律 新材料 新理论2. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质发生改变的现

3、象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构和电子结构发生变化，有些还会以新的高压相存在着，这些高压相可能具有新的优异性能。例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数n压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的n压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质n出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物质平均出现5个相变n在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的新价态，产生奇异的化学反应n对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段物质物质科学科学PTX以半导体Si为例：（1）P=0 GPa至P=10GPa，V/V=-5%; T=0 K至Tm=141

4、0oC，V/V=1.8%。例2. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段，表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术价值。例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结构或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子.+.+D.+.+ApparatusP（GPa）T（K）Gas apparatus 气压装置 231800Piston-Cylinder 活塞-圆筒装置 52300Bridgman anvil unsupported supported 5

5、202300Belt or Girdle apparatus 202300多砧系统4000Shock wave 冲击波不低于80800不低于5000Bridgman对高压物理的贡献对高压物理的贡献超高压物理研究的历史超高压物理研究的历史1941年，年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验开始高压金刚石的合成实验 。Coes首次合成出了科石英首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅酸盐矿物。柯石及其它硅酸盐矿物。柯石英是英是SiO2的高密度相，即高压相。的高密度相，即高压相。1955年，美国通用电气公司的年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等等人，

6、及瑞典人，及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈佛大学于哈佛大学于1933年启动地球物理科学方面的一项研究计划，年启动地球物理科学方面的一项研究计划，1952年年Birch发表了发表了“地球内部的弹性和组成地球内部的弹性和组成”的论文。的论文。美国美国Carnegie地球物理实验室创立于地球物理实验室创立于1907年，设计了最初的年，设计了最初的高压釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相高压釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高

7、压下的相平衡、花岗岩的形成机理。平衡、花岗岩的形成机理。超高压物理研究的历史超高压物理研究的历史美国芝加哥大学的美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔装置，称为金刚石釜压腔装置，称为金刚石釜(Diamond Bomb)，腔体压力达到，腔体压力达到3GPa，可以进行，可以进行X射线研究。射线研究。美国国家标准局美国国家标准局NBS（现美国国家标准技术研究所（现美国国家标准技术研究所NIST的前身）的前身）对高压物理学的发展产生了两大重要贡献：对高压物理学的发展产生了两大重要贡献：对 金 刚 石压 腔 的 设 计进 行 了 重 大 改 进 ，对

8、 金 刚 石压 腔 的 设 计进 行 了 重 大 改 进 ， 1958年年 Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同设计了现代金刚石对顶共同设计了现代金刚石对顶砧压机砧压机(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用该高压光学装置的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。Block等人发现了红宝石荧光等人发现了红宝石荧光R线随压力而发生线性位移的现象，线随压力而发生线性位移的现象，可利用该现象标定相当高的压力。可利用该现象标定相当高的压力。压力的历史发展

9、压力的历史发展Mao, Bell:172GPa (1978)Bell, Mao:185GPa (1979)Bell, Xu et.al.:280GPa (1986)Xu, Mao et.al.:550GPa (1986)Narayana et.al.342GPa Nature(1998) 固体地球科学固体地球科学 凝聚态物理、化学和材料科学凝聚态物理、化学和材料科学 生命科学与生物技术生命科学与生物技术高压物理研究的应用领域高压物理研究的应用领域 AIRAPT国际会议：每国际会议：每2年举行一次年举行一次 1985年后的会议上颁发年后的会议上颁发Bridgman高压科学杰出贡献奖高压科学杰出贡

10、献奖国际高压物理学研究历史发展国际高压物理学研究历史发展AIRAPT-18 (2001,北京北京)国际高压科学国际高压科学与技术会议与技术会议EPHRG2002“High Pressure Research Across the Sciences ” 国际高压物理研究现状国际高压物理研究现状张绍忠张绍忠曾留学哈佛大学（曾留学哈佛大学（1925-1927），师从，师从Bridgman全国第一届高压物理学术研讨会是全国第一届高压物理学术研讨会是1978年在广州召开年在广州召开物理所与高能所合作建立了同步辐射高压站物理所与高能所合作建立了同步辐射高压站 物理所利用物理所利用DAC技术获得了技术获得了180GPa的最高压力的最高压力 (1989)“中国高压科学在中国高压科学在21世纪初叶的发展前景世纪初叶的发展前景”香山会议香山会议 (2000)2001年成立高压研究中心年成立高压研究中心毛河光获得了毛河光获得了2002年度年度“中国政府友谊奖中国政府友谊奖”国内高压物理研究历史国内高压物理研究历史吉林大学吉林大学(超硬材料国家重点实验室超硬材料国家重点实验室) 中科院