凝聚态物理 物理学

凝聚态物理物理学第一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日与超导相关的诺贝尔奖翁纳斯，NobelPrizeinPhysics(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二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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PyotrKapitsa(1894–1984)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2.2K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。第三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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WilliamShockley(1910–89),布列顿WalterH.Brattain(1902–87)和巴丁JohnBardeen(1908–91)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。WilliamShockley(seated),JohnBardeen(left)andWalterH.

Brattain第四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日在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。真正的天才第五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日在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GerdBinnig(1947–)罗瑞尔HeinrichRohrer(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好手段，同时也提供了操纵原子的合适的方法。GerdBinnig(left)

andHeinrichRohrer

第六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日量子霍尔效应第八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日霍尔效应1879年发现EdwinHerbertHall(1855-1938)第九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日霍尔系数霍尔电阻率第十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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.第十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日Onlyextended

statescarrycurrent!第二十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

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,R.B.Laughlin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.第二十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日1998年诺贝尔物理奖授予HorstStomer,崔琦和RobertLaughlin,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.

fortheirdiscoveryofanewformofquantumfluidwithfractionallychargedexcitations.第二十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日HorstStormerDanielC.Tsui(崔琦)

RobertB.Laughlin第二十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日凝聚态新进展，新现象碳纳米管，巴基球(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，有机导体等等第二十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日There'sPlentyofRoomattheBottom

RichardP.Feynman第二十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日Now,thenameofthistalkis``ThereisPlentyofRoomattheBottom‘’---notjust``ThereisRoomattheBottom.‘’WhatIhavedemonstratedisthatthereisroom---thatyoucandecreasethesizeofthingsinapracticalway.Inowwanttoshowthatthereisplentyofroom.第二十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日PhilipW.Anderson:Moreisdifferent

(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。第二十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第三十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日思考题：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？第三十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日原子核第三十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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三十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日JamesChadwick发现中子

1891-197442He+9Be

12C+

10n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.JamesChadwick继续卢瑟福的实验，更高能量，不同的靶。AwardedtheNobelPrizein1935

Chadwick假定出射的是中性粒子，---中子.原子核的构成：质子+中子第三十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日原子数(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

元素符号第三十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日辐射辐射: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!/U238.html第三十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日稳定核衰变大体上，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衰变第三十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日铀系衰变图铀系的衰变包含了三种衰变方式：铀238—钍234--镤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第三十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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!第三十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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…np+e-+n第四十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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

第四十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日GammaRays氖Ne20+高能电磁辐射氖Ne20第四十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日原子核的结合能第四十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日比结合能

B/A随质量数

A

的变化第四十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日2023/6/16上海交通大学物理系马红孺2023/6/16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？第四十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日力程非常短(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：n–p(电荷独立性)、n–n、p–p(电荷对称性)核力都一样

.第四十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日汤川核力的交换模型

1947年发现了质量为140MeV/c2且具有强相互作用的p介子

(~电磁作用交换

g)第四十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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四十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日核的半衰期

t1/2从数十秒到十亿年.第五十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日衰变事件是统计性的第五十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日半衰期t1/2是这样定义的：当t=t1/2时，N=N0/2第五十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日放射性衰变应用14C年代测定

(t1/2=5.57×103a)

CO2中的14C是恒定的，生命参与碳循环第五十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日a

衰变简单的模型第五十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日b

衰变Z+1;N–1;A=A看起来象核中

np+e第五十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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衰变第五十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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.第五十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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.第五十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日正

b

衰变第五十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

穆斯堡尔效应

原子的反冲:共振吸收共振吸收不能发生第六十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日激发态t

~10–8s,DE·t

~h(~10–15eV·s)能级宽度

DE~10–7eV>>2EA

Eg

~eV，mc2~931MeV×A

EA~10–10eV<<mc2我们作数量级估计激发态有有限的寿命.第六十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日共振仍然是可能的.发射

吸收第六十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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第六十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日共振吸收是不可能的发射吸收第六十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日1958年穆斯堡尔

(1961NobelPrize)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

)DE~10–5eVEA~eV穆斯堡尔效应仪器检测器吸收物源第六十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日hn–hn'~DE~10–5eVhn'~100keVu~3cm/s第六十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

裂变和聚变

1932年查德威克发现了中子

(1935NobelPrize).

费米在罗马用中子轰击各种元素得到了新的放射性元素

(1938NobelPrize).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

.第六十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日几星期后，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六十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第六十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日Nuclearfssionisachainreactionthatoccurswhenafssionablenucleusisbombardedbyneutrons,causingthenucleustosplit.Thistypeofreactionreleasesalargeamountofenergy.Nuclearfssionreactionsareutilizedinnuclearreactors.第七十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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

第七十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日裂变产物的质量分布第七十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

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。第七十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日Atestofanuclearfssionbomb,popularlyknownasanatomicbomb,tookplaceinBikinilagoonJuly1,1946,creatingacharacteristicmushroomcloud.ThebombwasdroppedfromSuperFortress“Dave’sDream”andaremotecontrolledcameraonBikiniIslandtookthisphotograph. (AP Images)第七十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸第七十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日大亚湾核电站夜景第七十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日热核聚变2H–2H之间的库仑势垒是

第七十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日可控热核聚变(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

2HD+e成等离子体，然后克服库仑势垒.(3)足够长的约束时间

t.第七十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日Indeuterium-tritiumfusionaheliumatom,aneutron,andenergyareproduced.第七十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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。第八十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日InternationalThermonuclearExperimentalReactor第八十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日理论物理学家讨论粒子物理学第八十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日美国物理学会会议第八十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日钱三强(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。第八十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日江苏省无锡市人，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。第八十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日六、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。第八十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日九、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