高压物理-绪论课件

第一章绪论超硬材料国家重点实验室主要内容高压科学的重要意义高压科学与技术的发展1.1高压科学的重要意义高压科学的定义：

研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。

由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技术。（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复杂的物理-化学过程。（5）压力的单位Pa(帕斯卡)是国际压力单位(＝1N/m2)1MPa＝106Pa，1GPa＝109Pa

bar(巴)是常用压力单位(=106dyn/cm2)atm(大气压)称为标准大气压=1.013×105

Pa1bar＝105Pa＝0.9869atm

1bar≈1atm10kbar=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对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段物质科学PTX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。石墨C-BN（1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保存在常温常压（RTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料；（2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的Gibbs自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物；MeNC3N4、BCNMe+1/2N2MeN高温高压金刚石h-BN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I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言；(1)超导转变温度的同位素效应的启示

Tc∞1/M1/2(2)1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是一种室温超导体。(3)这一点也可以以电-声子耦合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强，从而提高超导转变温度。II、金属氢：固态氢金属化的可能机制(1)能带重叠机制H2晶体分子受压σ1s*σ1sσ1s*

1s1sσ1s

σ1s*σ1s满带空带H2分子在高压下的原子化.+.+--dA1A2a1a2D.+.+--dB1B2b1b2两个H2分子在靠近的过程中，当D>>d，电子a1,a2受A1，A2质子的作用，形成分子；随着D逐渐减小，电子a1,a2受B1，B2质子的作用组建增强；当D~d时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金属的状态。对金属氢的研究主要围绕以下几个问题：金属化机制在金属化过程中一系列特定点的确定结构超导电性磁性稳定性与可利用性含H金属化合物的对应研究LiH、MgH2、Ni2H…...3.本学科的特点及内容特点：边缘学科，与材料科学、地学、天体物理学、化学、生物等相结合。造成缺点：目前为止还没有一套规范、统一、完备的教材。2.与技术的结合非常密切：与高能物理、同步辐射技术3.理论与实验结合，思考与操作相结合，强调动手能力内容：高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压下各种物化性质的仪器分析。凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度、压力的关系。它表征了物质的基本热力学性质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的信息，是高压物理物理关心的基本问题之一。高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理学研究的极为丰富的探索领域1.2高压科学与技术的发展动高压静高压1.典型的高温高压装置及其温度范围2.高压技术发展的历史回顾1946年，Bridgman获诺贝尔物理奖——对高压物理的突出贡献。1959年，金刚石对顶砧（DAC）时代。1965年，VanValkenburg在DAC中引入了钻孔的金属片1972年，Forman，Piermarini，Barnett，Block测试了高压下红宝石荧光。1973年，Piermarini，Barnett，Block将传压介质引入DAC压腔。1977年，Bruas首次将DAC与同步辐射XRD结合起来。1978年，Mao和Bell设计了Mao-Bell型DAC，引入了倒角，将压力提高到170GPa，将红宝石表压扩展到100GPa以上。Bridgman对高压物理的贡献P.W.

Bridgman(美国哈佛大学教授，1882-1961)因为在高压物理领域的开拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。发明和发展了高压设备与技术，获得10GPa。提出了“大质量支撑”原理和“多级加压”原理测量了一系列元素和化合物材料的高压物性（压缩率、电导率、热导率、状态方程、粘性、抗张强度）超高压物理研究的历史美国芝加哥大学的Lawson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(DiamondBomb)，腔体压力达到3GPa，可以进行X射线研究。美国国家标准局NBS（现美国国家标准技术研究所NIST的前身）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，1958年Weir,Valkenberg,Lippincott,Bunting共同设计了现代金刚石对顶砧压机(DiamondAnvilCell-DAC)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。Block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，可利用该现象标定相当高的压力。压力的历史发展Mao,Bell:172GPa(1978)Bell,Mao:185GPa(1979)Bell,Xuet.al.:280GPa(1986)Xu,Maoet.al.:550GPa(1986)Narayanaet.al.342GPaNature(1998)★

固体地球科学

地球深部的物质组成和存在形式

地壳、地幔、地核的相互作用和演化

行星的物质结构★

凝聚态物理、化学和材料科学

极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界

新材料的合成：超硬

工业应用★

生命科学与生物技术

生命的起源

蛋白质折叠和变性高压物理研究的应用领域

高压下的分子固体

利用同步辐射的高压和高温研究

利用X光和中子源的高压谱学研究

固体的谱学

强关联电子体系中的物理性质

由强激光、脉冲辐射产生的冲击波和压力现象

高压科学中的计算物理

合成金刚石和其它超硬材料

高压下新材料的合成和性质

地球物质在压力下的物理性质

水和冰的物理与化学

化学反应和动力学

高压下流体的超临界性质

高压生命科学和生物技术

高压标定和技术AIRAPT-18(2001,北京)国际高压科学与技术会议新材料金属体系