近代物理7.ppt

1、大学物理学电子教案,量子物理（6）,263 激光 26 4 半导体 26 5 超导电性,江苏技师院物理教研室,复 习,氢原子的量子理论简介 氢原子的定态薛定谔方程 三个量子数 氢原子在基态时的径向波函数和电子的分布概率 多电子原子中的电子分布 电子自旋 自旋磁量子数 四个量子数 多电子原子中的电子分布,引言,1物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃,力学、热力学的研究（18世纪下半叶）,蒸汽机的发明和广泛应用,第一次工业革命,电磁学的研究和电磁理论的建立,发电机、电动机、无线电,第二次工业革命（工业电气化）,相对论、量子力学的建立高速、微观,核物理 核能,原子、分子物理 激光,半导体、固体物理

2、 新材料,第三次工业革命（信息化）,当前的物理学正处于第四次大突破的前夜,19世纪末：开尔文：物理学晴朗天空有两朵淡淡的乌云 迈克尔逊莫雷实验 相对论的建立 紫外灾难 量子力学的建立,20世纪末：李政道：两朵乌云 对称性破缺 宇称不守恒 夸克的禁闭 找不到自由的夸克 预示着新的有重大意义的物理规律的诞生,大型强子对撞机LHC 8+8TeV(CERN) 相对论重离子对撞机RHIC 100GeV/每个核子 它们的运行有可能导致重大发现，导致物理学新的重大突破,1991年4月：我国：组织力量、抓住机遇、迎接挑战,2高新技术的主要内容与发展序列,以信息技术为先导 以新材料技术为基础 以新能源技术为支柱

3、 在宏观上向空间及海洋技术发展 在微观上则向生物技术开拓,基础： 相对论 量子力学,内容： 信息技术 新材料技术 新能源技术,263 激光,激光： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为Laser，它表示“辐射的受激发射的光放大”。,激光是20世纪的四项重大的发明之一,一、激光的发明,1916年，爱因斯坦提出受激辐射概念 1946年，布洛赫提出粒子数反转概念 1947年，兰姆和雷瑟福指出通过粒子数反转可以实现受激辐射 1948年，柏塞尔发现粒子数反转现象，提出负温度的概念，1952年，与布洛赫获得诺贝尔奖 1949

4、年，卡斯特勒发明光泵，1971年获得诺贝尔奖 1951年，核自旋能级反转 1952年，韦伯提出微波激射器原理,1954年，汤斯、肖洛和普洛霍洛夫、巴索夫发明氨Maser(微波激射放大器) 1957年，汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案，引人激光的概念 l 958年l 2月，肖洛和汤斯在物理评论上发表红外区和光学激射器，论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。这是激光文上有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖 1960年，梅曼发明第一台激光器红宝石激光器,二、光与原子的相互作用,1、自发辐射,原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程，称为自发辐射。光子的能量为

5、hn =E2-E1,特点： 原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关； 光的振动方向、相位都不一定相同，不是相干光。,hn,E2,E1,2、受激吸收,原子吸收能量为hn =E2-E1的光子，从低能级E1跃迁到高能级E2的过程称为光的吸收，又称为受激吸收。,特点： 不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才会产生 外来光子必须符合hn =E2-E1的条件。,3、受激辐射,原子因受外来光子的刺激而从高能级状态向低能级状态跃迁并辐射光子的过程，称为受激辐射。,特征： 不是自发产生的，必须有外来光子的刺激，且外来光子的频率必须满足hn =E2-E1的条件； 受激辐射出的光子与外来刺激的光子在频率、发

6、射方向、相位及偏振状态等方面完全相同。,在一个入射光子的作用下，获得大量的状态完全相同的光子，即形成了光放大。,三、激光原理,1、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布,在温度为T的平衡态时，原子中的电子处于能级Ei的数目Ni为,原子中处于N2和N1的电子数目之比为,处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布。,为了实现光放大，必须使处于高能级上的电子数大于低能级上的电子数，这种分布与正常分布相反，故叫做粒子数布居反转分布，简称粒子数反转或布居反转。,2、激光工作物质,能够产生粒子数反转的物质，叫做激光工作物质，也叫激活介质。,要有合适的能级结构，如三能级或四能级结构,从外

7、界输入能量（Pump）： 泵浦，抽运，激励，光泵。,光激励； 电激励； 热激励； 化学激励,3、光学谐振腔,引入： 为了产生激光,构成： 两个放置在工作物质两边的平面反射镜组成，一个是全反射镜，一个是部分反射镜。,作用： 产生和维持光谐振,选频作用： 满足l=kl /2的条件。因而激光的单色性很好。,四、激光器,1、激光器的组成,激光工作物质：有能够产生粒子数反转分布的能级结构，能够产生受激辐射； 光学谐振腔：实现光放大，限制激光的传输方向，且具有选频的作用，提高激光的单色性； 激励能源：提高能量，将粒子激发到高能级状态。,2、激光器的分类,按工作物质分： 气体激光器： He-Ne，CO2，A

8、r+，Kr+ 固体激光器： 红宝石，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石(YAG) 半导体激光器： GaAs 液体激光器：若丹明6G染料激光器，掺钕二氯氧化硒（SeOCl2:Nd+3） 自由电子激光器,按输出方式分： 连续激光器 脉冲激光器 重复脉冲激光器 模式可调激光器,按激励方式分： 光激励 电激励 化学激光器,按输出波长范围： 远红外 中红外 近红外 可见光 近紫外 真空紫外 X光,3、常见激光器及其特性,4、典型激光器,氦氖气体激光器,在氦氖混合气体中，产生受激辐射的是氖原子，氦原子只起传递能量的作用。,红宝石激光器,工作物质是棒状的红宝石晶体。棒的两端面镀上反射膜。激励是利用脉冲氙灯发出强烈的光脉

9、冲进行的。常装有聚光器，还附有冷却设备。,五、激光的特性和应用,1、激光的特性,方向性好 单色性好 能量集中 相干性好,2、激光的应用,方向性好：定位、导向、激光测距、激光雷达 单色性好：精度测量、激光通信、等离子测试 能量集中：打孔、焊接、切割、手术、激光核聚变 相干性好：激光干涉仪、全息照相,六、激光的新发展,扩展了激光的波长范围 现在已经能制成波长自亚毫米到紫外波段的激光器。1997年发明的自由电子激光器，波长可以从红外延伸到紫外范围。,激光的功率大大提高 二氧化碳激光器的连续功率已达10kW，脉冲激光器的瞬时功率可达1014W。,高功率固体激光 华光装置（109W） 中国科技大学 星光

10、装置（1011W）中国科学院上海光机所 神光装置（1012W）中国科学院上海光机所 天光装置（1015W）中国科学院上海光机所(2005),几种激光武器 激光干扰武器 激光致盲武器 激光防空武器,化学激光器 氟化氘中红外化学激光 氧碘化学激光,自由电子激光,准分子激光,激光器已能实现小型化,无粒子数反转激光器初见端倪,264 半导体,一、固体的能带,1、能带的形成,完全分离的两个氢原子能级,两个氢原子靠得很近得能级,六个氢原子靠得很近得能级,原子的的外层电子因原子间的相互影响较强，能级分裂造成的能量范围大，能级较宽，内层电子则因相互影响较弱而能带较窄。,2、禁带,由于原子的每个能级在晶体中要分

11、裂成相应的一个能带，在两个相邻能带间，可能有一个不被允许的能量间隔，这个能量间隔称为禁带。,3、能带的分类：满带、不满带和空带,满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。,二、绝缘体、导体和半导体,1、绝缘体,能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大于3eV。 由于满带中的电子不参与导电，一般外加电场又不足以将满带中的电子激发到空带，此类晶体导电性

12、极差，称为绝缘体。,2、半导体,导电能力介于导体与绝缘体之间的晶体称为不同，它的能带结构也只有满带和空带，与绝缘体的能带相似，差别在于禁带宽度不同，半导体的禁带宽度一般较小，在2eV以下。,3、导体,一价碱金属，价带为不满带； 二价碱金属，价带为满带，但满带与空带紧密相接或部分重叠； 其它金属的能带，其价带为不满带，且与空带方式重叠。 当外电场作用于晶体时，价带中的电子可以进入较高能级，从而可以形成电流，这正是导体具有良好导电性能的原因。,三、本征半导体和杂质半导体,1、本征半导体,纯净无杂质的半导体称为本征半导体，如硅、锗等。由于本征半导体的禁带宽度较小，所以当外场作用于晶体时，少量电子可以

13、由价带进入空带，同时在价带中留下一个空位，称为空穴，它相当于一个带正电的粒子。,半导体中的电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。进入空带的电子可以导电，称为电子导电，满带中的空穴也能导电，称为空穴导电。电子和空穴统称为载流子。当满带中出现空穴时，在外电场的作用下，满带中的其它电子将去填充空穴，从而有留下新的空穴。,2、杂质半导体,P型半导体（空穴型）：,四价元素Si，Ge，掺三价元素B，Al，In,三价原子将在晶体中代替四价元素的原子，构成四电子结构时，缺少一个电子，相当于出现了空穴。杂质原子称为受主原子，相应的杂质能级称为受主能级。因而P型半导体的导带机构是主要依靠满带中的空穴导电。,N

14、型半导体（电子型）：,四价元素Si，Ge，掺五价元素P，Sb，Td,五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。因而N型半导体的导带机构是主要依靠施主能级激发到导带中的电子导电。,四、pn结,1、 pn结的形成,在一片本征半导体的两侧分别掺入适当的高价和低价杂质，则在交界面两侧的深层内形成pn结。,2、 pn结的导电规律单向导电性,pn结两端没有加电压时，半导体中没有电流； 当pn结两端加上电压时，就有电流通过。 当p型接正极， n型结负极，即电压为正向电压时，电流为正，叫做正向电流；而且随着正向电压的增加，正

15、向电流也随之指数上升。 若p型结负极， n型结正极，即电压为反向电压，电流为负值，称为反向电流，但是随着反向电压的增加，反向流很快达到饱和。,3、 pn结的导电机理,p型中，正载流子的浓度大，负载流子的浓度大。电子从n型扩散到P型中，而空穴则从p型扩散到n型中去。在p型和n型之间的界面上，出现了一个偶电层。,由于偶电层的存在，在pn结的界面附近就有一由n指向p的电场，它将阻碍空穴和电子的扩散，直到达到动态平衡为止。这时pn结的分界面上就存在一定的电势差。,当在pn结两端加上正向电压时， pn结的势垒降低，电子和空穴容易通过势垒，形成电流。当pn结加上反向电压时， pn结之间的势垒增大，电子和空

16、穴难以越过势垒。但仍有少量的电子和空穴越过势垒，形成微弱的电流。由于热激发产生的电子和空穴较少，所以随着外电场的增加，电路中的电流很快就达到饱和。,五、光生伏特效应,当光照射到 pn结附近时，光子会产生电子空穴对，于是在pn结处偶电层内强电场的作用下，电子将移到n型中，而空穴则移到p型中，从而使pn结的两侧分别带上正负电荷。这样在光的照射下，pn结就相当于一个电池。,这种由光的照射，使pn结产生电动势的现象称为光生伏特现象。,利用太阳光照射pn结，产生电能的装置，称为太阳能电池。,4、pn结的作用,pn结具有单向导电性，可以制成晶体二极管作整流器件 把各种类型的半导体适当组合，制成各种晶体管

17、制成各种规模的集成电路，并广泛应用于电子计算机、通讯、雷达、宇航、电视等技术领域。,265 超导电性,一、超导体的转变温度,1、超导现象,超导现象最先发现于1911年。荷兰科学家昂尼斯在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，汞在温度4.2附近时，汞的电阻突然降至零。把金属电阻突然降至零的状态称为超导态，或称超导电性。,2、转变温度,把电阻发生突变的温度称为转变温度或临界温度,汞(Hg) 4.15 1911 铅(Pb) 7.26 1913 铌(Nb) 9.2 1930 氮化铌(NbN) 14.7 1955 铌三锗(Nb3Ge) 23.2 1973 镧钡铜氧(La-Ba-Cu-O) 35 1

18、986 钇钡铜氧(Y-Ba-Cu-O) 90 1987 铋锶铜氧(Bi-Sr-Cu-O) 110 1988 铊钡钙铜氧(Tl-Ba-Ga-Cu-O) 120 1989,二、超导体的主要特性,1、直流零电阻效应,电阻等于零是超导体的最显著的特性。当超导体的温度接近临界温度时，其电导率可视为无限大，因而可以承担很大的电流。只要这个电流不超过临界电流。,只是在直流情况下才有零电阻效应。如果电流随时间变化，那就会有功率耗散，但在低频下功率耗散是很小的，当频率高于1011Hz时其电阻将达到正常金属的电阻值。,2、临界磁场,1914年昂尼斯从实验中发现：对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值Hc时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。这一磁场称为临界磁场。,3、迈斯纳效应,磁感应线不能穿过它的体内，即超导体内的磁场恒等于零。这种现象是1933年迈斯纳和奥克森菲尔德从试验中发