凝聚态物理 物理学

1、凝聚态物理 物理学第1页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一与超导相关的诺贝尔奖翁纳斯，Nobel Prize in Physics (1913)巴丁、库珀和施瑞弗， (1972)江崎 玲於奈、贾埃弗；约瑟夫森， (1973)柏诺茨、米勒， (1987)阿布里科索夫、金茨堡和莱格特， (2003)至少四又六分之一第2页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一超导相关的一个重要的现象是超流， 在1937-1938年期间由俄国物理学家卡皮察 Pyotr Kapitsa (18941984)发现, 1978年因这一发现获得诺贝尔奖.卡皮察发现当温度进一步降低到大约

2、2.2K时，液氦的粘滞性完全消失，可以毫无阻尼的流动。这一现象命名为超流动性。第3页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一凝聚态物理学的一个革命性的进展是三极管的发现。 1948年, 三名在贝尔实验室工作的物理学家肖克利 William Shockley (191089), 布列顿 Walter H. Brattain (190287) 和巴丁John Bardeen (190891) 发明了三极管。 这一发明引起了电子学的一次深刻的革命。1956年获得了诺贝尔物理学奖。William Shockley (seated), John Bardeen (left) and Wa

3、lter H.Brattain 第4页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一在1950年代前后的两个凝聚态物理的最重要的发现中，有一个共同的名字： 巴丁，这位真正的天才物理学家也是到目前为止唯一一个两次获得诺贝尔物理学奖的物理学家。真正的天才第5页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一在1970年代到1980年代， 凝聚态物理学在深度和广度上都有了非常重要的发展，这里特别要提到的是1981年比尼格 Gerd Binnig (1947 ) 罗瑞尔 Heinrich Rohrer(1933 )发明了扫描隧道显微镜(STM)。这一发明不仅提供了一个观测微观世界的极

4、好手段，同时也提供了操纵原子的合适的方法。Gerd Binnig(left)and Heinrich Rohrer 第6页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第7页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一量子霍尔效应第8页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一霍尔效应1879年发现Edwin Herbert Hall (1855-1938)第9页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第10页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一霍尔系数霍尔电阻率第11页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星

5、期一1980年8月11日，冯.克里青发表了量子霍尔效应的第一篇文章，1985年获诺贝尔奖.第12页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第13页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第14页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第15页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第16页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第17页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第18页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一整数量子霍尔效应的理论朗道能级杂质和局域化规范不变性第19页，

6、共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第20页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第21页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Only extended states carry current!第22页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 1982年, 崔琦, H.L. Stomer 等发现具有分数量子数的霍尔平台, 一年后写下了一个波函数, 对分数量子霍尔效应给出了很好的解释.目前, 对具有分数电荷和分数统计的研究是一个十分活跃的前沿课题.第23页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 1998年

7、诺贝尔物理奖授予Horst Stomer, 崔琦和Robert Laughlin, 以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新的量子液体的深刻理解. for their discovery of a new form of quantum fluid with fractionally charged excitations.第24页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Horst Stormer Daniel C. Tsui(崔琦) Robert B. Laughlin 第25页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 凝聚态新进展，新现象碳 纳米管，巴基球(

8、C60), 石墨烯，拓扑绝缘体自旋霍尔效应自旋量子学分数电荷，磁单极子，有机导体等等第26页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Theres Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman第27页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Now, the name of this talk is There is Plenty of Room at the Bottom-not just There is Room at the Bottom. What I have demonstrated is that t

9、here is room-that you can decrease the size of things in a practical way. I now want to show that there is plenty of room.第28页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Philip W. Anderson: More is different (1972)将万事万物还原成简单的基本规律的能力，并不蕴含着从这些规律出发重建宇宙的能力 面对尺度与复杂性的双重困难，重建论的假定就崩溃了。由基本粒子构成的巨大的和复杂的的集聚体的行为并不能依据少数粒子的性质作简单外

10、推就能理解。正好相反，在复杂性的每一个层次之中会呈现全新的性质，而要理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。第29页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第30页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一思考题：量子力学的建立为凝聚态物理奠定了基础，原则上，如果有足够大和足够快的计算机，通过求解薛定谔方程，似乎我们能够解决所有从原子尺度到宏观尺度的问题，包括生命科学的问题。实际情况当然不是这样，似乎不同的层次有自己的规律。如何理解？第31页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一原子核第32页，共91页，2022年，

11、5月20日，19点23分，星期一原子核是基本粒子吗？第一个模型，原子核由质子和电子构成不确定关系第33页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一James Chadwick 发现中子1891-197442 He + 9 Be 12 C + 10 n利用能量和动量守恒得到辐射粒子的质量是质子质量的1.15 倍. James Chadwick继续卢瑟福的实验，更高能量，不同的靶。Awarded the Nobel Prize in 1935 Chadwick 假定出射的是中性粒子，- 中子.原子核的构成： 质子 + 中子第34页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期

12、一原子数(质子数)中子数质量数 = Z + N相同Z而不同A的核构成了元素的同位素 元素符号第35页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一辐射辐射: 以波或粒子的方式发射能量。辐射从哪里来？辐射来源于相互作用或衰变.地球上辐射来源于太阳和放射性同位素 .辐射随时通过我们的身体!第36页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一稳定核 衰变大体上，Z=N 的原子核是稳定的静电力与核力的竞争中子衰变，Beta不稳定核力的饱和性，Alpha 衰变第37页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一铀系衰变图铀系的衰变包含了三种衰变方式：铀238钍234-镤

13、234-铀234钍230镭226-氡222钋218-铅214铋214-钋214铅210-铋210钋210-铅206 第38页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Alpha 粒子 (a)镭Ra22688 质子138 中子氡Rn22286 质子136 中子+nnppa (4He)2 质子2 中子 alpha-粒子 (a) 是氦核(电荷 = +2) 与元素氦相同，但没有电子!第39页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Beta 粒子 (b)碳C146 质子8 中子氮N147 质子7 中子+e-电子(beta-粒子)一个中子变成了质子+n以后n p + e- +

14、 n第40页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Gamma 粒子 (g)核可以处于激发态.氖Ne2010 质子10 中子(激发态)10 质子10 中子(基态)+gamma氖Ne20gamma 粒子是高能光子 第41页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Gamma Rays氖Ne20+高能电磁辐射氖Ne20第42页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一原子核的结合能第43页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一比结合能 B/A 随质量数 A 的变化第44页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第45页，

15、共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一2022/9/3上海交通大学物理系 马红孺2022/9/3上海交通大学物理系 马红孺宇宙的 演化超铁元素是如何形成的？第46页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 力程非常短( 3fm)，有饱和性每一核子只能和少数核子相互作用;核力和核模型 核力是吸引力，以此克服库仑力而形成核在极小的距离( 0.4fm) 内是排斥的; 核力是已知的最强的力; 在核子之间：np(电荷独立性)、nn、pp(电荷对称性)核力都一样 .第47页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一汤川核力的交换模型 1947年发现了质量为14

16、0MeV/c2且具有强相互作用的p介子 ( 电磁作用交换 g )第48页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一原子核的液滴模型分别由盖莫夫于1928 年，玻尔于1935年提出的应用到核反应第49页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一核的半衰期 t1/2从数十秒到十亿年.第50页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一衰变事件是统计性的第51页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一半衰期 t1/2是这样定义的：当t = t1/2时，N = N0/2第52页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 放射性衰变应

17、用14C年代测定 (t1/2 = 5.57103a) CO2中的14C 是恒定的，生命参与碳循环第53页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一a 衰变简单的模型第54页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一b 衰变Z + 1; N 1; A = A看起来象核中 n p + e第55页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一可是所有发射的电子的能量都小于这个值动量和能量守恒要求存在第三颗粒子1927年，泡利提出存在一个“不可检测的、很轻的、中性粒子” .费米称这一粒子为中微子，并于1934年提出核b衰变理论 . 假定核b衰变实际上是核里面中子的

18、衰变第56页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一实验测得中子的平均寿命为 (0.9350.014)102s中微子:是至今所有已知粒子中最为丰富的. 中微子1956 年科文和任斯首先在实验室中检测到了中微子.地球对于中微子而言是完全透明的.和其它物质的作用十分微弱，很难检测.第57页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一吴健雄等所作的实验证实了李政道和杨振宁关于弱相互作用中宇称可能不守恒的论点.第58页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一正 b 衰变第59页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 穆斯堡尔效应 原子的反冲

19、:共振吸收共振吸收不能发生第60页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一激发态 t 10 8s, DEt h ( 10 15eV s)能级宽度 DE 10 7eV 2EA Eg eV，mc2 931MeVA EA 1010eV mc2我们作数量级估计激发态有有限的寿命. 第61页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一共振仍然是可能的.发射 吸收第62页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一核能级的间隔或相应的g光子能量的量级为MeV, 至少 Eg 105eV核的静能和原子的相近 , EA eVt 10 10sDE 10 5eV第63页，共9

20、1页，2022年，5月20日，19点23分，星期一共振吸收是不可能的发射吸收第64页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一1958年穆斯堡尔 ( 1961 Nobel Prize)把放射性核和吸收原子放在晶体中 (晶体的质量可能比单个核大1020倍 )D E 10 5eV EA eV穆斯堡尔效应仪器检测器吸收物源第65页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一hn hn DE 105eV hn 100keVu 3cm/s第66页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一 裂变和聚变 1932年查德威克发现了中子 (1935 Nobel Prize

21、). 费米在罗马用中子轰击各种元素得到了新的放射性元素 ( 1938 Nobel Prize).1939年德国化学家汉恩和斯特劳斯曼证实其中有一个元素不是新的，而是钡 .第67页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一几星期后，麦特娜及其外甥弗里希搞清了这一过程 并命名为核裂变.一个典型的裂变过程是第68页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第69页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一Nuclear fssion is a chain reaction that occurs when a fssionable nucleus is bo

22、mbarded by neutrons, causing the nucleus to split. This type of reaction releases a large amount of energy. Nuclear fssion reactions are utilized in nuclear reactors.第70页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一第一个核反应堆是由费米及其合作者在芝加哥大学组装的1942年12月2日达到临界状态 第71页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一裂变产物的质量分布第72页，共91页，2022年，5月2

23、0日，19点23分，星期一 美籍意大利裔物理学家恩里科费米的“链式反应”理论使原子核裂变反应成为现实。 1942年12月2日，在芝加哥大学的体育场的看台下，世界上第一座用碳作减速剂的核反应堆竣工落成。人类进入了原子能时代。第73页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一A test of a nuclear fssion bomb, popularly known as an atomic bomb, took place in Bikini lagoon July 1, 1946, creating a characteristic mushroom cloud. The b

24、omb was dropped from Super Fortress “Daves Dream” and a remote controlled camera on Bikini Island took this photograph.(APImages)第74页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸第75页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一大亚湾核电站夜景第76页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一热核聚变2H 2H之间的库仑势垒是 第77页，共91页，2022年，5月20日，19点23分

25、，星期一可控热核聚变(1)足够高的粒子密度n，以保证足够的碰撞频率. (2)足够高的温度，使氘首先离化 2H D + e成等离子体，然后克服库仑势垒. (3)足够长的约束时间 t.第78页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一In deuterium-tritium fusion a helium atom, a neutron, and energy are produced.第79页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一1952年10月31日，第一颗氢弹爆炸1967年6月17日 中国第一颗氢弹的蘑菇云在西部升起。第80页，共91页，2022年，5月20日

26、，19点23分，星期一International Thermonuclear Experimental Reactor第81页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一理论物理学家讨论粒子物理学第82页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一美国物理学会会议第83页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一钱三强 (1913-1992) ，浙江省湖州市人，1913年生，男，中共党员，核物理学家，中国科学院院士。 二、钱骥 (1917-1983)， 江苏省金坛县人，1917年生，男，中共党员，空间技术和空间物理专家。第84页，共91页，2022年，5月

27、20日，19点23分，星期一江苏省无锡市人，1922年生，男，中共党员，冶金学和航天材料专家。 四、赵九章 (1907-1968)， 浙江省吴兴县人，1907年生，男，地球物理学家，中国科学院学部委员。五、邓稼先 (1924-1986)， 安徽省怀宁县人，1924年生，男，中共党员，核物理学家，中国科学院学部委员。第85页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一六、王淦昌 (1907-1998)江苏省常熟县人， 1907年生，男，中共党员，核物理学家，中国科学院院士。 六、王淦昌 (1907-1998)，江苏省常熟县人， 1907年生，男，中共党员，核物理学家，中国科学院院士。七、彭桓武 (1915- )， 湖北省麻城市人，1915年生，男，物理学家，中国科学院院士。八、程开甲 (1918- )， 江苏省吴江市人， 1918年生，男，中共党员，核武器技术专家，中国科学院院士。 第86页，共91页，2022年，5月20日，19点23分，星期一九、黄纬禄 (1916- )安徽省芜湖市人，1916年生，男，中共党员，火箭技术专家，中国科学院院士，国际宇航科学院院士。十、屠守锷 (1917- )， 浙江省湖州市人， 1917年生，男，中共党员，火箭技术和结构强度专家，中国科学院院士，国