大学物理竞赛拓展

1、1大学物理拓展大学物理拓展 2激光、超导、半导体、激光、超导、半导体、等离子体、凝聚态物质等离子体、凝聚态物质3思考题思考题激光激光2、什么是粒子数的反转分布？二能级、什么是粒子数的反转分布？二能级系统的工作物质能否实现粒子数反转系统的工作物质能否实现粒子数反转分布？为什么？分布？为什么？1、红宝石激光器中，当铬离子在两能级、红宝石激光器中，当铬离子在两能级间跃迁时发射波长为间跃迁时发射波长为694.3nm的激光，试的激光，试计算当温度为计算当温度为300K时，在热平衡条件下时，在热平衡条件下处于该两能级上的离子数的比值。处于该两能级上的离子数的比值。4思考题 3 3、什么是激光产生的必要条件

2、和阈值条、什么是激光产生的必要条件和阈值条件？件？ 4 4、什么是激光器的模式？如何定义横模、什么是激光器的模式？如何定义横模、纵模的？纵模的？ 5 5、试说明激光多普勒冷却的基本原理。、试说明激光多普勒冷却的基本原理。5 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation61 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子

3、组成的系统，在温度由大量原子组成的系统，在温度不太低不太低的的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼玻耳兹曼统计分布：统计分布： E1E2kTEnneN 7 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 11212 kTEEeNN 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;10860112 51012.kTEEeeNN 但是，要产生激光必须使原子激发，并但是，要产生激光必须使原子激发，并要求要求粒子数反转分布，粒子数反转分布，即即 N2 N181 自发辐射自发辐射

4、原子在没有外界干预的情况下，电子原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低自动跃迁到低能级能级 ，这种跃迁称为自发跃迁，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.2E1EhEE12 2 自发辐射自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收.1E2E发光前发光前.。2E1Eh发光后发光后9 设设 N1 、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。能级的原子数。 单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E2 E1自发辐射的原子数：自发辐射的原子数： 2NdtdN 自发自发

5、21E2E1N2N1h Einstein 对自发辐射的处理：对自发辐射的处理：10写成等式写成等式 22121NAdtdN 自发自发 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、 无关的无关的 非相干光非相干光 。112 受激辐射受激辐射 由受激辐射得到的放大了的光是相干由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光光，称之为激光. 原子中处于高能级原子中处于高能级 的电子，会在外的电子，会在外来光子来光子 ( (其频率恰好满足其频率恰好满足 ) ) 的的诱

6、发下向低能级诱发下向低能级 跃迁，并发出与外来光跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子，这叫受激辐射子一样特征的光子，这叫受激辐射.2E1E12EEh12.1E2E.。2E1E 发光前发光前 发光后发光后hhh 受激辐射的光放受激辐射的光放 大示意图大示意图受激辐射受激辐射受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同 -有光的放大作用。有光的放大作用。13E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （ 、） 温度为温度为时时, 频率在频率在 = (E2 - E1) / h 附近，单位频率间隔内附近，单位频率间隔内的的外来光外来光的

7、能量密度。的能量密度。h 14 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：2N)T(dtdN、受激受激 21写成等式写成等式 221NTBdtdN、受激受激 21 B21受激辐射系数受激辐射系数15W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。221NWdtdN21 受激受激则则令令 W21 = B21 （ 、T）16三三 . 吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子上述外来光也有可能被吸收，使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸单位体积中单

8、位时间内因吸收外来光而从收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数： 112NT,dtdN 吸收吸收17写成等式写成等式11212NWdtdN 吸收吸收 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 ( 、T) W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。 11212NT,BdtdN 吸收吸收18A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。 爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的热力学关系，在热力学关系，在 1917年得出年得出1233218BChA 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代爱因斯坦的受激

9、辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。初实验上获得激光奠定了理论基础。B21 = B12193 粒子数反转粒子数反转(population inversion)一一. 能够产生激光必须要求粒子数反转能够产生激光必须要求粒子数反转 表明表明 ，处于低能级的电子数大于，处于低能级的电子数大于高能级的电子数，高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的这种分布叫做粒子数的正常分布正常分布.jiNN ijEE 已知已知kTEnneN 叫做粒子数布居反转，简称叫做粒子数布居反转，简称粒子数反转粒子数反转或称布居反转或称布居反转.ijNN 20粒子数的正常分布粒子数的正常分布iEjE. .。 。iN

10、jNijEE 粒子数反转分布粒子数反转分布jEiE.。 。jNiNijEE 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布粒子数正常分布和粒子数布居反转分布21从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。能够产生激光要求能够产生激光要求吸收吸收受激受激 dtdNdtdN122122 N2 N1（ 粒子数反转）粒子数反转） B21=B12W21=W12 22122121NWNT,BdtdN 受激受激 11211212NWNT,BdtdN 吸收吸收吸收吸收受激受激 dtdNdtdN1221由由可得可得23粒子数反转状态粒子数反

11、转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的能量；）提供足够的能量；2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆” 一会；一会；3）减小损失，不断放）减小损失，不断放 大。大。24 实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光放大的条件放大的条件 （ 即：即：激光产生的必要条件激光产生的必要条件）有足够的能量输入系统有足够的能量输入系统-激励源激励源要有能级合适的工作物质要有能级合适的工作物质要有一个能使受激幅射和光放大过程要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的光学谐振腔。持续的光学谐振腔。25有足够的能量输入系统有足够的能量输入

12、系统-激励源激励源激励激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称数反转的过程（又称“激发激发”、“抽运抽运” 或或 “泵浦泵浦”）。）。 A）光泵抽运）光泵抽运如红宝石激光器如红宝石激光器B）电子碰撞）电子碰撞如氩离子激光器如氩离子激光器C）化学反应）化学反应 如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。D）共振转移）共振转移 如如He-Ne激光器激光器 。26要有能级合适的工作物质要有能级合适的工作物质产生激光的原子系统称为产生激光的原子系统称为“工作物质工作物质”所谓能级合适是

13、指存在所谓能级合适是指存在“亚稳态能级亚稳态能级”，即存在激，即存在激发态寿命发态寿命 =10-3秒左右的能级（一般原子系统的秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有激发态寿命只有10-8秒）秒）E1E3E2激激发发能能量量亚稳态能级亚稳态能级27二粒子数反转举例二粒子数反转举例 1、二能级系统的分析、二能级系统的分析 对二能级系统，在泵浦光的照射下，处于对二能级系统，在泵浦光的照射下，处于能级能级E1上的粒子吸收入射光子的能量被激发到上的粒子吸收入射光子的能量被激发到能级能级E2，使能级，使能级E2的粒子数增加的粒子数增加-受激吸收。受激吸收。 在泵浦光的照射下，同时也发生受激辐射在泵浦光

14、的照射下，同时也发生受激辐射过程。过程。开始时，因为开始时，因为，受激吸收过程占优势。，受激吸收过程占优势。21NN 但当能级但当能级E2上的粒子数增加后，受激辐射过程加强，上的粒子数增加后，受激辐射过程加强，这时这时N2的增加变得缓慢。的增加变得缓慢。这样，即使泵浦光十分强，至多只能达到这样，即使泵浦光十分强，至多只能达到21NN 因此对二能级系统，用光泵法不可能实现粒子数因此对二能级系统，用光泵法不可能实现粒子数反转。反转。282、He Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He -Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质激活物质，He与与 Ne 之

15、比为之比为51 1011。29亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态30He-Ne 激光管的工作原理激光管的工作原理 由于由于电子的碰撞电子的碰撞, ,He被被激发激发( (到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级) )的的概率比概率比 Ne 原子被激发的原子被激发的概率大。概率大。 He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，这两个能级都是亚稳态，集集聚了较多的原子。聚了较多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的能量几乎相等，当两种原子相碰时的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产

16、生能量的非常容易产生能量的“共振转移共振转移”；He 把能把能量传递给量传递给Ne而回到基态，而而回到基态，而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S态。态。 31 正好正好Ne的的5 5S，4 4S也也是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P，3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，4 4S要短得多要短得多，这样就可，这样就可以形成粒子数的反转。以形成粒子数的反转。要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数还要设法减少下能级的粒子数32 放电管做得比较细放电管做得比较细（毛（毛细管）细管），可使原子与管壁，可

17、使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，碰撞频繁。借助这种碰撞，3 3 S态的态的Ne原子可以将能量原子可以将能量交给管壁发生交给管壁发生“无辐射跃无辐射跃迁迁”而回到基态。而回到基态。 这样可及时减少这样可及时减少3 3S态的态的Ne原子数，有利于原子数，有利于Ne原子的原子的下能级下能级4 4P与与3 3P态的态的“抽空抽空”。334 增益系数增益系数激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着 增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要（包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。的激光输

18、出）等。激光形成阶段：增益损耗激光形成阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗增益增益损耗损耗34 一激光在工作物质内传播时的净增益一激光在工作物质内传播时的净增益 设设0处，光强为处，光强为I0 I +dx I + d I 有有 d I Idx 写成等式写成等式 d I = G I dx 其中，其中，G为增益系数为增益系数 (gain coefficient)35 即单位长度上光强增加的比例。即单位长度上光强增加的比例。IdxdIG 一般一般G不是常数。不是常数。为简单起见，先近似地为简单起见，先近似地认为认为G是常数。是常数。 x0II0IdIGdx0IIlnGx Gx0

19、eII 增益系数增益系数36 二二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗 I0 激光从左反射镜出发时的光强。激光从左反射镜出发时的光强。 I1 经过工作物质后，经过工作物质后，被右反射镜反射被右反射镜反射 出发时的光强。出发时的光强。I0 输出输出全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜I11R2RLI2 再经过工作物质，再经过工作物质，并被左反射镜反射并被左反射镜反射 出发时的光强。出发时的光强。I2R1、R2 左、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率反射率.37显然有显然有I 1 = R 2 I 0 eGLI 2 = R 1 I 1 eGL = R 1 R 2 I 0

20、 e2GLI 2 = R 1 I 1 eGL 所以所以I0I11R2RLI238在激光形成阶段在激光形成阶段即即 R1 R2 e2GL 1mGRRlnLG 21121或或 要求要求 I2 / I0 1式中式中 Gm阈值增益阈值增益，产生激光的最小增益。，产生激光的最小增益。 在激光稳定阶段在激光稳定阶段 即即 mGRRlnLG 21121光强增大到一定程度后光强增大到一定程度后要求要求 I2 / I0 = 139 当光强增大到一定程度，当光强增大到一定程度，G下降到下降到m时，时，增益增益=损耗，激光就达到了稳定。损耗，激光就达到了稳定。通常称通常称 mGRRlnLG 21121 为阈值条件。

21、为阈值条件。 ( threshold condition)405光学谐振腔光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模 激光器有两个反射镜，它们构成一个激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。41 光在粒子数反转的工作物质中往返传播，光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的光子数不断增加，从而获得使谐振腔内

22、的光子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象叫做光振荡很强的光，这种现象叫做光振荡.加强光须满足加强光须满足驻波条件驻波条件2knl 42由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有所以有光程光程 2kknL ( k=1、2、3、) k真空中的波长真空中的波长Lk=1k=2k=3knLk2 n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率43 可以存在的频率为可以存在的频率为nLckckk2 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为nLck2 数量级估计：数量级估计： 1； n1.0； c108 m sZknLc 88105 . 11121032 l激光器

23、输出的每一个谐振频率成为一个激光器输出的每一个谐振频率成为一个纵模。纵模。44 激光除了有纵向驻波模式外，还有横激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。向驻波模式。产生的原因：产生的原因：对不同空间分对不同空间分布损耗不同。布损耗不同。l激光束横截面上光强的稳定分布模式称为激光束横截面上光强的稳定分布模式称为横模。横模。455 激光的特性及其应用激光的特性及其应用一、激光加工一、激光加工 高光功率密度高光功率密度-机械加工，如焊接、打机械加工，如焊接、打孔、切割、热处理、划片光刻孔、切割、热处理、划片光刻 无实体接触、加工精度高、积变小无实体接触、加工精度高、积变小二、激光精密计量二、激光

24、精密计量 三、激光信息处理三、激光信息处理光盘光盘激光通讯激光通讯长度基准长度基准 1m误差误差测距测速测距测速激光准直激光准直质量检测质量检测 0.05m810m46激光光纤通讯激光光纤通讯由于光波的频率由于光波的频率比电波的频率高比电波的频率高好几个数量级，好几个数量级， 一根极细的光纤一根极细的光纤 能承载的信息量，能承载的信息量，相当于图片中这相当于图片中这麽粗的电缆所能麽粗的电缆所能承载的承载的信息量。信息量。471、 原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或用一根钨探针或硅探针在距试样表硅探针在距试样表面几毫微米的高度面几毫微米的高度上反复移动上反复移动,来探测来探测固体

25、表面的情况。固体表面的情况。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置四、激光在科学实验中的应用四、激光在科学实验中的应用1986年宾尼希研制了原年宾尼希研制了原子力显微镜子力显微镜48 探针尖端在工作时处于受迫振动状态，探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。其频率接近于探针的共振频率。 探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，吸引力的作用时，其共振频率发生变化，

26、因而振幅也随之改变。因而振幅也随之改变。 为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，成两束，这两束光重新会合后发生干涉，根这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。据干涉的情况可知探针振动的变化情况。49 用于检查微电路成品，检查制作微电路用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。用的硅表面的质量。 据此可探知试样表面的原子起伏情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。可检测出尺度小至可检测出尺度小至 5毫微米毫微米的表面起伏变化。的表面起伏变化。 随着微电子电路技术的进展，硅基片随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦

27、度如果超过几个原子厚度就表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。将被认为是不合格的。502 2、激光多普勒冷却与光学粘胶、激光多普勒冷却与光学粘胶. . 20世纪世纪80年代，激光冷却和捕陷原子年代，激光冷却和捕陷原子的方法在理论和实验上取得重大突破。的方法在理论和实验上取得重大突破。 随着激光技术和原子、分子物理学随着激光技术和原子、分子物理学的发展，经过近的发展，经过近20年的努力，可将中性年的努力，可将中性原子冷却到原子冷却到20nK，捕陷在空间小区域达，捕陷在空间小区域达几十分钟之久。其最基本的物理机制是几十分钟之久。其最基本的物理机制是多普勒冷却和光学粘胶多普勒冷却和

28、光学粘胶51 当原子运动时，由于当原子运动时，由于多普勒效应，被共振吸收多普勒效应，被共振吸收的光的频率为的光的频率为 原子吸收光子后，自发辐射发射光子回原子吸收光子后，自发辐射发射光子回到基态，接着再吸收、再辐射连续不断。到基态，接着再吸收、再辐射连续不断。 设原子沿某方向以速度设原子沿某方向以速度v作一维运动，激作一维运动，激光束迎面照射原子。原子静止时，吸收频率等光束迎面照射原子。原子静止时，吸收频率等于其本征频率于其本征频率 的概率最大，即共振吸收。的概率最大，即共振吸收。0)1 (0cv激光多普勒冷却原理：激光多普勒冷却原理：52 每次吸收一个迎面而来的光子，原子每次吸收一个迎面而来

29、的光子，原子都会损失动量而减速。原子每次发射的光都会损失动量而减速。原子每次发射的光子无特定传播方向，因此原子因自发辐射子无特定传播方向，因此原子因自发辐射损失的动量平均为损失的动量平均为0。平均每次降低的速率为平均每次降低的速率为chvm0mchv0 随着原子的减速，多普勒频移也将变小。随着原子的减速，多普勒频移也将变小。这种在激光作用下原子减速的方法叫做多普这种在激光作用下原子减速的方法叫做多普勒冷却。勒冷却。53光学粘胶光学粘胶 原子在两个频率相同而传播方向相反的光原子在两个频率相同而传播方向相反的光波场中作一维无规则运动，无论原子速度是正波场中作一维无规则运动，无论原子速度是正还是负，

30、总是优先吸收迎面而来的光子而被逐还是负，总是优先吸收迎面而来的光子而被逐渐减速、冷却。渐减速、冷却。 54推广到三维情形，采用三组两两相对传播推广到三维情形，采用三组两两相对传播且互相垂直的且互相垂直的6束激光，同时照射原子团，束激光，同时照射原子团，在在6束激光的交汇处，原子不断吸收和发射束激光的交汇处，原子不断吸收和发射光子，原子与光子不断交换动量，原子在光子，原子与光子不断交换动量，原子在激光交汇处的运动犹如在粘稠介质中的无激光交汇处的运动犹如在粘稠介质中的无规运动，被不断减速。朱棣文等把这种状规运动，被不断减速。朱棣文等把这种状态形象地称为态形象地称为“光学粘胶光学粘胶”55超导超导思

31、考题思考题1、什么是超导体，超导体有哪些特性？、什么是超导体，超导体有哪些特性？3、超导磁悬浮是什么效应的直接结果？、超导磁悬浮是什么效应的直接结果？试描述超导磁悬浮列车的工作原理。试描述超导磁悬浮列车的工作原理。2、金属低温超导理论最基本的出发点是、金属低温超导理论最基本的出发点是什么？试用什么？试用BCS理论模型解释超导电性理论模型解释超导电性56 4.00 4.20 4.400.1500.1000.0500.000K/T)/(R一一 超导体的转变温度超导体的转变温度*cT：临界温度临界温度4.20K附附近近汞汞的的电电阻阻突突降降为为零零在在1911年，荷兰莱登大学年，荷兰莱登大学 Pr

32、of. K. Onnes 首次发首次发现汞在现汞在4.20K附近电阻突然下降为附近电阻突然下降为0。临界临界温度温度高于高于35K的超的超导体导体称为称为高温高温超导超导57二二 超导体的主要特性超导体的主要特性1 直流直流零电阻率零电阻率当当 （临界电流）时（临界电流）时，ccIITT,电导率电导率电阻率电阻率 ，0当当 （临界电流）（临界电流），ccIITT, 电流在超导体内流动时，导体内任意电流在超导体内流动时，导体内任意两点间无电势差，整个超导体是等势体。两点间无电势差，整个超导体是等势体。582c0c)(1TTHH0cK 0HHT,TH)(cTH超导态超导态正常态正常态oCT2 临界

33、磁场临界磁场能破坏超导态的外磁场的临界值能破坏超导态的外磁场的临界值为临界磁场的最大值。为临界磁场的最大值。 超导态不仅与导体温度有关，还与外磁超导态不仅与导体温度有关，还与外磁场强度有关。即使场强度有关。即使T Tc,外磁场很强也会破外磁场很强也会破坏超导态坏超导态59超导体内超导体内0E0d/dtBcHH外当当0内H0HH3 迈斯纳效应迈斯纳效应tSBtlEd)(dddd又因为超导体的截面积不变，又因为超导体的截面积不变，好象穿过超导体好象穿过超导体的磁场线被排斥的磁场线被排斥出去了出去了-完全抗完全抗磁性。磁性。处于超导态的超处于超导态的超导体内部的磁场导体内部的磁场不随时间变化不随时间

34、变化60SNHI灰色小球为超导小球。红灰色小球为超导小球。红色圆环有持久的稳恒电流色圆环有持久的稳恒电流通过。由于超导材料的通过。由于超导材料的抗抗磁性磁性，小球被悬浮于空中，小球被悬浮于空中，这就是通常说的磁悬浮。这就是通常说的磁悬浮。 迈斯纳效应说明：当有外磁场时，超迈斯纳效应说明：当有外磁场时，超导表面要形成表面电流以产生退磁场，使导表面要形成表面电流以产生退磁场，使内部磁场为内部磁场为0。外磁场越强这种表面电流越。外磁场越强这种表面电流越大，表面电流过大会破坏超导性，使其变大，表面电流过大会破坏超导性，使其变成正常态。成正常态。61三三 超导电性的超导电性的 BCS 理论理论晶晶 体体

35、 局局 部部 区区 域域 的的 畸畸 变变e晶体点阵正晶体点阵正常位置常位置晶体点阵畸晶体点阵畸变位置变位置 1957年美国物理学家巴丁、库珀、施里年美国物理学家巴丁、库珀、施里弗三人共同创立了近代超导微观理论，这就弗三人共同创立了近代超导微观理论，这就是常称的是常称的BCS理论理论 .电子运动电子运动过程中引过程中引起晶格向起晶格向它聚拢的它聚拢的微小畸变，微小畸变，造成局部造成局部正电荷集正电荷集中中62当电子当电子e1快速离开快速离开正电区域后，晶格正电区域后，晶格由于惯性还来不及由于惯性还来不及恢复，此时该正电恢复，此时该正电区域对电子区域对电子e1和附和附近的电子近的电子e2产生吸产

36、生吸引。如撇开晶格作引。如撇开晶格作用不看，两电子之用不看，两电子之间表现出吸引力。间表现出吸引力。 电子与晶格的作用可能会瞬间产生电电子与晶格的作用可能会瞬间产生电子与电子间微弱吸引作用。子与电子间微弱吸引作用。63 实际上，晶格的局部畸变不会只停实际上，晶格的局部畸变不会只停留在某处，它会以格波的形式传遍晶格留在某处，它会以格波的形式传遍晶格个部分。个部分。 声子声子：晶体中由点阵的振动产生畸变：晶体中由点阵的振动产生畸变而传播的格波的能量子称声子而传播的格波的能量子称声子 . 在一定条件下，电子与电子通过传递声在一定条件下，电子与电子通过传递声子而引起相互吸引，但其引力大于排斥力时，子而

37、引起相互吸引，但其引力大于排斥力时，形成电子库柏对形成电子库柏对 库珀对库珀对：两个电子通过交换声子而耦：两个电子通过交换声子而耦合起来，成为束缚在一起的电子对称为库合起来，成为束缚在一起的电子对称为库珀对珀对 .64 库珀对两个电子之间的距离约库珀对两个电子之间的距离约 ，自旋与动量均等值而相反，所以每一库珀对自旋与动量均等值而相反，所以每一库珀对的动量之和为零的动量之和为零 .m106cTT 当当 时金属内的时金属内的库珀对库珀对开始形成，开始形成，这时所有的库珀对都以大小和方向均相同的这时所有的库珀对都以大小和方向均相同的动量运动，金属导体就具有了动量运动，金属导体就具有了超导电性超导电

38、性 . 库珀对库珀对的数量十分巨大的数量十分巨大 ，当它们向同，当它们向同一方向运动时，就形成了一方向运动时，就形成了超导电流超导电流 .65 根据根据BCS理论，拆散一个库柏对所需理论，拆散一个库柏对所需的最小能量是温度的函数，在的最小能量是温度的函数，在T=0K时最时最大，约为大，约为3kBTc，温度升高其数值减小，温度升高其数值减小，当温度达到当温度达到Tc时数值为零，意味着时数值为零，意味着Tc之上之上不再产生库柏对，转为正常态。不再产生库柏对，转为正常态。 温度低于温度低于Tc时，晶格振动的能量小于时，晶格振动的能量小于库柏对的结合能，因此不可能通过声子与库柏对的结合能，因此不可能通

39、过声子与库柏对的碰撞来拆散它们。所以一旦库柏库柏对的碰撞来拆散它们。所以一旦库柏对被驱动就不再受声子影响继续向同一方对被驱动就不再受声子影响继续向同一方向运动，即作物阻力运动，先形成超导电向运动，即作物阻力运动，先形成超导电流。流。66四四 超导的应用前景超导的应用前景 P.3771 强磁场强磁场中国科学院合肥等离子体研究所建造的中国科学院合肥等离子体研究所建造的HT-7托克马克装置托克马克装置 67超导电缆的终端超导电缆的终端三芯绞合型超导电缆三芯绞合型超导电缆2 低损耗电能传输低损耗电能传输683 磁悬浮列车磁悬浮列车69半导体半导体思考题：思考题：1.固体中电子的排布遵从什么原理？固体中

40、电子的排布遵从什么原理？2.半导体的能带特点？半导体的能带特点？3. 何谓何谓pn结？有何特性？结？有何特性？4. 试说明光生伏特效应。试说明光生伏特效应。70一一 固体的能带固体的能带ee+s1s2p2完完 全全 分分 离离 的的 两两 个个 氢氢 原原 子子 能能 级级ee+s1s2p2BA71OEr 两个氢原子靠两个氢原子靠得很近时的能级分裂得很近时的能级分裂s1s2p2OErs1s2 六个氢原子靠六个氢原子靠 得很近时的能级分裂得很近时的能级分裂OEr 固态晶固态晶 体的能带体的能带s2 量子力学量子力学计算表明，计算表明，固体中若有固体中若有N个原子，个原子，由于各原子由于各原子间的

41、相互作间的相互作用，对应于用，对应于原来孤立原原来孤立原子的每一个子的每一个能级能级,变成了变成了N条靠得很条靠得很近的能级近的能级,称称为为能带能带。72离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图73二二 . 能带中电子的排布能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带固体中的一个电子只能处在某个能带中的中的 某一能级上。某一能级上。 排布原则：排布原则： . 服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子） . 服从能量最小原理服从能量最小原理 P359 在一个原子中，不可能有两个或在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子两个以上的电子

42、具有完全相同的量子态态 电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。74 每个能级有每个能级有 个个量子态量子态) 12(2l 每个能级容纳每个能级容纳 个电子个电子) 12(2l 每个能带容纳每个能带容纳 个电子个电子Nl) 12(2 金属钠的各金属钠的各 能带上电子的分布能带上电子的分布s 1s2p2s3p3N2N2N6N 为为角量子数角量子数) 1(3210nl，n为主量子数为主量子数参见课本参见课本351页页75 有关能带被占据情况的几个名词有关能带被占据情况的几个名词 3满带满带 排满电子，不能导电排满电子，不能导电1价带（导带）价带（导带） 部分能级被电子排满。

43、部分能级被电子排满。在电场作用下，在电场作用下，这些电子可以导电这些电子可以导电亦称亦称导带导带 2空带（导带）空带（导带） 未排电子。跃迁进入空带的电子可以导电未排电子。跃迁进入空带的电子可以导电 亦称亦称导带导带 4禁带禁带（不能排电子）（不能排电子）76晶晶 体体 的的 能能 带带EgE禁禁带带gE禁禁带带导导带带 价带价带 （非满带）（非满带）空带空带 价带价带 （满带）（满带）导导带带77导导 体体 半半 导导 体体 绝绝 缘缘 体体电电 阻阻 率率m)(温度系数温度系数禁禁 带带价价 带带481010正正非满带非满带841010负负较较 小小满满 带带2081010负负较较 大大满

44、满 带带导体、半导体和绝缘体的比较导体、半导体和绝缘体的比较78绝缘体绝缘体 Eg空带空带半导体半导体 Eg空带空带导体导体导体导体导体导体 Eg空带空带导带导带导带导带禁带禁带导带导带满带满带导带导带79三三 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体1 1 本征半导体：纯净的无杂质的半导体本征半导体：纯净的无杂质的半导体gE导带导带禁带禁带满带满带ee空穴空穴电子电子锗晶体中的正常键锗晶体中的正常键eGeGeGeGeGeGeGeGeG电子被激发，晶体中出现空穴电子被激发，晶体中出现空穴eeeGeGeGeGeGeGeGeGeG802 杂质半导体杂质半导体 电子型（简称电子型（简称 n 型）

45、半导体型）半导体价价带带导导带带施主能级施主能级施主能级施主能级iSsAe五价原子砷掺入四价硅中，多余的五价原子砷掺入四价硅中，多余的 价电子环绕离子运动价电子环绕离子运动sAiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS81 空穴型（简称空穴型（简称 p 型）半导体型）半导体eGeGeGeGeGBeGeGeGeGeG空穴空穴 三价原子硼掺入四价锗晶体中，三价原子硼掺入四价锗晶体中， 空穴环绕空穴环绕 离子运动离子运动B价价带带导导带带受主能级受主能级受主能级受主能级82四四 pn 结结p nUIp nUIUIpn 结结 的的 伏伏 安安 特特 性

46、性 曲曲 线线83eeeep np 偶电层偶电层 n- - - - - -+ + + + + +0 x空穴空穴电子电子0Ux0 x动平衡时动平衡时 p 型与型与 n 型接触区域的电势变化型接触区域的电势变化84五五 光生伏特效应光生伏特效应Pneeee光光ee 这种由光的照射，使这种由光的照射，使 pn 结产生电动势结产生电动势的现象，叫做光生伏特效应的现象，叫做光生伏特效应 .85等离子体等离子体 等离子体是由部分电子被剥夺后的等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、成的离子化气体状物质，它是除去固、

47、液、气外，物质存在的第四态。液、气外，物质存在的第四态。86 普通气体温度升高时，气体粒子的热运动普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万分子中的电子被撞掉，当温度高达百万K到到1亿亿K，所有气体原子全部电离电离出的自由，所有气体原子全部电离电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等这电子总的负电量与正离子总的正电量相等这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体体 等离子体和普通气体性质不同，普通气体等离子体和普通气体性质不同，普通气体由

48、分子构成，分子之间相互作用力是短程力，由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述明显效果，理论上用分子运动论描述87 在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁产生电场；

49、电荷定向运动引起电流，产生磁场电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，场电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等等离子体的这些特被磁场约束作回旋运动等等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态性使它区别于普通气体被称为物质的第四态88 在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎的结果。对于整个宇宙来讲，几乎999以以上的物质都是以等离子体态存在

50、的，如恒星和上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。电都可产生等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。

51、提新的技术和工艺。 89 等离子体主要用于以下等离子体主要用于以下3方面。方面。 等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛、钛(Ti)、钽、钽(Ta)、铌、铌(Nb)、钒、钒(V)、钨、钨(W)等金属，等离子等金属，等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。可免除容器材料的污染。 等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一

52、层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。喷涂质量。 等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工加工,没有氧化物杂质没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金

53、，切割厚度大。钢、铝及其合金，切割厚度大。 90凝聚态物质 思考题思考题1、比较晶态、非晶态、准晶态及液晶的结、比较晶态、非晶态、准晶态及液晶的结构特点。构特点。2、什么是分形？何谓自相似性？、什么是分形？何谓自相似性？3、介观系统有哪些特点？、介观系统有哪些特点？4、什么是纳米科学技术？有哪些应用前景？、什么是纳米科学技术？有哪些应用前景？5、简述、简述STM的工作原理与工作方式。的工作原理与工作方式。91晶态92 结构：周期性结构：周期性 对称性：平移对称性、旋转对称性对称性：平移对称性、旋转对称性晶格晶格:分子分子(原子原子,离子离子)的周期排列称为晶格。的周期排列称为晶格。结构长程有序

54、。结构长程有序。在理想晶体模型中，所有分子在理想晶体模型中，所有分子(原子原子,离子离子)的排列都完全有序。晶体中的任何一个或一组基的排列都完全有序。晶体中的任何一个或一组基本单元都可以通过平移一定距离或旋转一定角度本单元都可以通过平移一定距离或旋转一定角度而于其它单元重合。若旋转而于其它单元重合。若旋转 ，则称，则称n重旋重旋转对称性。转对称性。物理性质：各向异物理性质：各向异性性受周期结构的限制，只能有受周期结构的限制，只能有2、3、4、6重旋转轴。重旋转轴。n2结构测定：结构测定：X射线衍射（射线衍射（1912劳厄）劳厄）93劳劳 厄厄 斑斑 点点铅板铅板单晶片单晶片 照像底片照像底片

55、单晶片的衍射单晶片的衍射19121912年劳厄实验年劳厄实验爱因斯坦：爱因斯坦：“物物理学中最美的实理学中最美的实验验”94非晶态 非晶态固体是相对于晶态固体而言的，是固态非晶态固体是相对于晶态固体而言的，是固态物质的另一种结构状态。玻璃、橡胶、塑料等物质的另一种结构状态。玻璃、橡胶、塑料等都是非晶态固体都是非晶态固体 非晶态固体的特点：原子排列长程无序，不具非晶态固体的特点：原子排列长程无序，不具有周期性。不可能逐个给出所有原子的位置坐有周期性。不可能逐个给出所有原子的位置坐标，只能用统计的方法对位置的无序进行描述，标，只能用统计的方法对位置的无序进行描述，引入径向分布函数法来描述非晶态的结

56、构。引入径向分布函数法来描述非晶态的结构。95准晶态 结构特点：原子的排列虽然没有周期性，但却结构特点：原子的排列虽然没有周期性，但却长程有序。长程有序。 介于晶体与非晶体之间。具有介于晶体与非晶体之间。具有5重对称轴。重对称轴。1984年年D.Shechtman等人首次在极冷的等人首次在极冷的)14. 0(1xMnAlxx合金的电子衍射照片中发现了具有合金的电子衍射照片中发现了具有5次轴的次轴的20面体新相。面体新相。96液晶1888年液晶现象的发现者Reinitzer奥地利植物生理学家物质的热相变过程中出现固体和液体之间 的白浊液体97液晶 具有液体的流动性，粘滞性（力学性质）。具有液体的

57、流动性，粘滞性（力学性质）。 和晶体的各向异性（光学性质、电学性质）；和晶体的各向异性（光学性质、电学性质）； 是介于液体和晶体的性质之间的中间状态。是介于液体和晶体的性质之间的中间状态。近晶相、向列相、胆甾相近晶相、向列相、胆甾相98近晶相液晶的层状结构近晶相液晶的层状结构位置无序指向有序99圆盘状向列相液晶圆盘状向列相液晶 分子质心位置完全无序，但分子倾向于沿分子质心位置完全无序，但分子倾向于沿特定方向排列，并不排成层。特定方向排列，并不排成层。 具有单轴晶体的光学性质，是显示器件的具有单轴晶体的光学性质，是显示器件的主要材料。主要材料。100螺旋轴胆甾相液晶的螺旋构造101 所谓自相似对

58、称性又叫分形，是指一类无穷嵌所谓自相似对称性又叫分形，是指一类无穷嵌套的几何对象具有扩展对称性，适当地取其一部分，套的几何对象具有扩展对称性，适当地取其一部分，加以放大，所得结果与整体完全相同。它是标度变加以放大，所得结果与整体完全相同。它是标度变换不变的。例如换不变的。例如Sierpinski海绵海绵分形（Fractal)102 分形通常指一类具有伸缩对称性或自相似性的分形通常指一类具有伸缩对称性或自相似性的几何图形几何图形 分形图形特点：整体与部分之间存在某种自相分形图形特点：整体与部分之间存在某种自相似性，整体具有多种层次结构，从整体分割出似性，整体具有多种层次结构，从整体分割出来的局部能体现整体的基本特征。来的局部能体现整体的基本特征。 分形无处不在，山川、河流、云朵、曲折的海分形无处