第十四章激光和固体的量子理论

第14章激光和固体的量子理论本文档共108页；当前第1页；编辑于星期三\14点33分§14-1激光激光

Laser——LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。（受激发而辐射的光放大）本文档共108页；当前第2页；编辑于星期三\14点33分1.受激吸收如图所示，处于低能态E1的一个原子，在一频率恰好等于的外界光照射时，吸收一个能量为h=(E2–E1)

的光子，并向高能态E2跃迁，这个过程称为受激吸收。一、受激吸收、自发辐射和受激辐射本文档共108页；当前第3页；编辑于星期三\14点33分没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。各个原子自发辐射的光是非相干光2自发辐射本文档共108页；当前第4页；编辑于星期三\14点33分受激辐射(stimulatedradiation)=(En–Em)/h

受激辐射光是与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同的相干光，有光放大作用。受激辐射的光放大为激光的发明奠定了理论基础。原子中处于高能级的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.本文档共108页；当前第5页；编辑于星期三\14点33分二、产生激光的基本条件受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：若E2>E1，则两能级上的原子数目之比本文档共108页；当前第6页；编辑于星期三\14点33分在通常情况下，物质中的原子在低能级上的数目较多，光通过物质时，受激吸收占优势。E1E2宏观上表现为对光的吸收，达不到对光的放大目的。本文档共108页；当前第7页；编辑于星期三\14点33分1.粒子数反转要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数布居反转分布。激活介质的工作模式（三能级系统）为了促使粒子数反转的出现，从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级上的原子激发到高能级上去,这个过程叫做激励（也叫泵浦）.本文档共108页；当前第8页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第9页；编辑于星期三\14点33分亚稳态：一般原子激发态的寿命为10-8

s，但也有些激发态的寿命长达10-3

s甚至长达1s，这种长寿命的激发态称为亚稳态。处于粒子数反转分布的介质称为激活介质，它正是激光器的工作物质。受激辐射占主导地位，宏观上表现为辐射，可实现光的放大。本文档共108页；当前第10页；编辑于星期三\14点33分无谐振腔时受激辐射的方向是随机的①受激辐射可以沿任意方向，且其传播一定距离后就会离开激活介质，难以形成高强度的光束。②激发的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都会携带能量，所以难以形成单色亮度很强的激光束。仅使工作物质处于粒子数反转状态，虽然可以获得光放大，但是还不能获得稳定的激光输出，这是因为：激光产生的必要条件减少振荡模式数本文档共108页；当前第11页；编辑于星期三\14点33分谐振腔对光束方向的选择开放式谐振腔的作用：1.使轴向的光多次反射通过激活介质而不断被放大。2.因对非轴向的光没有反射从而使其较快地离开激活介质以免其进一步激发受激辐射，耗去激发态粒子。以上两因素最终使得激发光束主要沿轴向。本文档共108页；当前第12页；编辑于星期三\14点33分3.沿轴向传输的光将因多光束干涉使得极少数满足干涉相长条件的频率（波长）的光波获得增强，从而实现选频功能，最终在轴向上获得光强最强、模式数目最少的激光振荡。本文档共108页；当前第13页；编辑于星期三\14点33分增益饱和效应N2(x)-N1(x)不随距离x变化,可能吗？No!应减小！理由：光强的增加正是由于高能级原子向低能级受激跃迁的结果。即光放大是以单位体积内集居数反转N2(x)-N1(x)的减小为代价的。所以，增益系数必然随x而减小。光强越大，减小越快！吸收与增益本文档共108页；当前第14页；编辑于星期三\14点33分阈值条件在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗。增益大于损耗的条件称为阈值条件。谐振腔的设计满足阈值条件，才能形成激光输出。阈值条件：G为谐振腔的增益系数,光通过单位长度的激活物质后增加的光强与原光强的比值(或百分比)。r1,r2为两反射镜的反射率本文档共108页；当前第15页；编辑于星期三\14点33分三、激光器激光器主要由三部分组成：工作物质、光学谐振腔和激励能源本文档共108页；当前第16页；编辑于星期三\14点33分按输出方式分：脉冲输出激光器连续输出激光器半导体激光器按工作物质分：气体激光器（如He-Ne，CO2）固体激光器（如红宝石Al2O3）液体激光器激光器的分类本文档共108页；当前第17页；编辑于星期三\14点33分固体激光器-红宝石激光器红宝石激光器红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.035%的铬离子（Cr3+）1960年，梅曼，第一台激光器本文档共108页；当前第18页；编辑于星期三\14点33分铬离子在红宝石中的能级本文档共108页；当前第19页；编辑于星期三\14点33分工作物质：红宝石晶体（Cr2O3-Al2O3）发光的激活粒子：Cr3+（三能级系统）激光波长：694.3nm光谱线宽：0.01~0.1nm偏振特性：既可输出无偏振光，也可输出线偏振光（红宝石为单轴晶体，存在双折射现象）本文档共108页；当前第20页；编辑于星期三\14点33分种类：原子气体激光器产生激光作用的是没有电离的气体原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器产生激光作用的是没有电离的气体分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和准分子激光器。离子激光器典型代表是氩离子激光器和氦镉离子激光器。二、气体激光器本文档共108页；当前第21页；编辑于星期三\14点33分特点：发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍布了从紫外到远红外的整个光谱区(已经观测到的谱线有万余条)；工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高；容易实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达万瓦级的功率输出；转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。本文档共108页；当前第22页；编辑于星期三\14点33分2.氦氖激光器内腔式外腔式本文档共108页；当前第23页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第24页；编辑于星期三\14点33分3、二氧化碳激光器工作物质：CO2、N2和He的混合物激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。本文档共108页；当前第25页；编辑于星期三\14点33分结构构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。本文档共108页；当前第26页；编辑于星期三\14点33分CO2激光器工作原理CO2分子的振动与吸收本文档共108页；当前第27页；编辑于星期三\14点33分激发机理本文档共108页；当前第28页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第29页；编辑于星期三\14点33分液体激光器本文档共108页；当前第30页；编辑于星期三\14点33分半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术：半导体激光器（激光二极管）本文档共108页；当前第31页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第32页；编辑于星期三\14点33分2激光的特性及其应用（1）方向性好激光测距激光束的发散角很小，一般为可用于激光定位、导向、测距等。比普通探照灯窄100多万倍。sr：球面度（steradian）的简称，是立体角的国际单位

本文档共108页；当前第33页；编辑于星期三\14点33分（2）单色性好计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。激光的特性及其应用光缆激光通讯普通光源中单色性最好的氪灯（K186），谱线宽度为4.7×10-3nm，而激光的谱线宽度为10-9nm。可用于计量工作的标准光源。本文档共108页；当前第34页；编辑于星期三\14点33分激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。3.高亮度和高强度亮度是指光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。单位：W/(m2.str)太阳表面的亮度~103W/(cm2.str)目前大功率激光器的输出亮度~1010-17

W/(cm2.str)可用于激光加工、激光手术、激光武器等。本文档共108页；当前第35页；编辑于星期三\14点33分激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。

激光打孔激光打孔论文1激光打孔论文2本文档共108页；当前第36页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第37页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第38页；编辑于星期三\14点33分高能激光武器激光的特性及其应用本文档共108页；当前第39页；编辑于星期三\14点33分低能激光武器本文档共108页；当前第40页；编辑于星期三\14点33分(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。全息照相本文档共108页；当前第41页；编辑于星期三\14点33分科研本文档共108页；当前第42页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第43页；编辑于星期三\14点33分五、激光冷却运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子后，从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。LaserE1E2处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，由于反冲会得到动量。但自发辐射出的光子的方向是随机的，多次自发辐射平均下来并不增加原子的动量。经过多次吸收和自发辐射之后，原子的速度就会明显地减小，而温度也就降低了。本文档共108页；当前第44页；编辑于星期三\14点33分美国斯坦福大学的华裔科学家朱棣文教授用六束激光以不同的角度照射原子气体，使原子处处受阻，集中到光束汇聚点的附近。被激光照射的原子陷于光子的海洋中，运动不断受到阻碍而减速。LaserbeamMagneto-OpticalTrap三维激光冷却本文档共108页；当前第45页；编辑于星期三\14点33分目前，利用激光冷却方法可以将中性原子冷却到20nK。

1997NobelPrizewinnersChu朱棣文Cohen-TannoundjiPhillips本文档共108页；当前第46页；编辑于星期三\14点33分§14-2固体的能带结构固体分为晶体和非晶体两大类。本节的固体指的是晶体。晶体：具有大量分子、原子或离子有规则周期性排列的点阵（称晶格）结构。晶体的一些各向异性的物理性质与其内在的周期性结构有关。本文档共108页；当前第47页；编辑于星期三\14点33分电子能级以硅为例，硅最外层只有4个电子，故还有4个空量子态。最高的能级则是空的。空量子态或空能级的存在说明一旦低层电子得到能量就可能跃迁到这些空能级上去。

最里层的量子态、电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低．越外层的量于态，电子受原于核束缚越弱，能量越高．一固体的能带固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。

电子的填充原则：

（１）服从泡利不相容原理（２）服从能量最小原理本文档共108页；当前第48页；编辑于星期三\14点33分能级：量子态的能量只能取某些特定的值，而不能是随意．能级图用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的确定能量E1、E2，E3、……，每一量子态所取的确定能量称为能级．本文档共108页；当前第49页；编辑于星期三\14点33分共有化：半导体是大量原子组成的晶体，因为原子之间距离很近，所以，某一个原子上的电子不仅受到这个原子的作用，还要受到相邻原子的作用；相邻原子上的电子轨道(量子态)将发生一定程度的相互交迭．通过轨道的交迭，电于可以从一个原于转移到相邻的原子上去，它将不再是固定在个别原子上的运动，而是穿行于整个晶体的运动．电于运动的这种质变称为“共有化”，电子成为整个晶体共有电子在原于之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的量子态之间发生转移．如图，3S层的电子只能转移到相邻原子内3S层…。本文档共108页；当前第50页；编辑于星期三\14点33分电子共有化原子中电子的势能大量原子构成的晶体中电子的势能为周期势对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子，也有一定的贯穿概率。价电子不再为单个原子所有，而为整个晶体所共有的现象称为电子共有化。本文档共108页；当前第51页；编辑于星期三\14点33分能带：当N个原子组成晶体后，每个价电子的运动都受到其他原子核的影响，它们的能级也会发生变化。根据泡利不相容原理．一块晶体中的电子运动状态不能相同。为了容纳原来属于N个单个原于的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子能级就必须分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级，将这些互相靠的很近的能级所占据的能量区域称为能带二、能带的形成本文档共108页；当前第52页；编辑于星期三\14点33分晶体中的能带单个原子中的能级晶体中若有N（很大）个原子，每一个能级分裂成N个靠得很近的能级，两能级的间距约10-22eV—能带。本文档共108页；当前第53页；编辑于星期三\14点33分内层电子的能带较窄，外层电子的能带较宽。能带的宽度与晶格常数、能带序数（s带、p带、d带…）等因数有关。本文档共108页；当前第54页；编辑于星期三\14点33分三、满带、导带和禁带按照泡里不相容原理每一能带最多能容纳的电子数为2N(2l+1)个。按照能量最小原理，电子从最低的能带开始填充。深层能级对应的能带是被电子填满的，对应的能带为满带；最外层价电子对应的能带为价带；该带可以是满带，也可以是被电子部分填充的；本文档共108页；当前第55页；编辑于星期三\14点33分在相邻的两个能带之间，可以有不存在电子稳定能态的能量区域，称为禁带。价带之上的能带没有分布电子，称为空带。未排满电子的价带和紧靠价带的空带又称为导带。本文档共108页；当前第56页；编辑于星期三\14点33分绝缘体中价带和导带隔着一个宽的禁带，电子由价带到导带需外界供给能量，使电子激发，使电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。四、导体、半导体和绝缘体绝缘体：价带满，且禁带宽（Eg=3～6eV）按能带论，不同的导电性能，是因为它们的能带结构不同。本文档共108页；当前第57页；编辑于星期三\14点33分晶体中并非所有电子，并非所有的价电子都参与导电。只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。导体：价带不满或满带与其它空带有交叠。另一些导体中如Mg,Be,Zn等二价金属，虽然有满带，但导带和满带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。有些导体，如Na,K,Cu,Al，Ag等金属，并没有满带存在本文档共108页；当前第58页；编辑于星期三\14点33分半导体价带与导带间，如果存在外界作用，则价带中的电子获得能量，可能跃迁到导带中，这样导带中出现了导电电子。而在价带中出现了这个电子留下的空位，叫空穴。空穴顺电场方向运动，这种导电为空穴导电，属于电子导电的一种。

半导体：价带满，但禁带窄（Eg=0.1～1.5eV）本文档共108页；当前第59页；编辑于星期三\14点33分导体半导体绝缘体电阻率温度系数禁带价带负较小满带正非满带负较大满带本文档共108页；当前第60页；编辑于星期三\14点33分§14-3半导体一、电子和空穴当半导体中电子从满带跃迁到导带后，满带中就出现了空位，称为空穴。电子导电：导带中的电子在外电场作用下的定向运动。空穴导电：满带中存在空穴的情况下，电子在满带内的迁移，相当于空穴沿相反方向运动，等效一个带正电的粒子的运动。本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体导带上的电子和满带上的空穴总是成对出现的，兼有电子导电和空穴导电——本征导电。空带满带Eg本文档共108页；当前第61页；编辑于星期三\14点33分在n型半导体中空带满带施主能级EiEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴…少数载流子电子…多数载流子2.杂质的影响(1)n型半导体:四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,极易形成电子导电。该能级称为施主能级。

本文档共108页；当前第62页；编辑于星期三\14点33分空带E'i满带受主能级Eg在p型半导体中电子…少数载流子空穴…多数载流子SiSiSiSiSiSiSiB+(2)p型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素(如Ｂ、Ga、Ｉn等)形成空穴型半导体，称p型半导体。这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，极易产生空穴导电。该能级称受主能级。本文档共108页；当前第63页；编辑于星期三\14点33分三、电阻率和温度的关系导体的电阻率随温度的升高而增大。半导体的电阻率随温度的升高而急剧地下降。解释：由于半导体中的电子吸收能量后，受激跃迁到导带的数目增多。可以制成热敏电阻。本文档共108页；当前第64页；编辑于星期三\14点33分四、半导体的光电导现象在光照射下，半导体中的电子吸收光子的能量后，从满带或施主能级向导带跃迁，或从满带向受主能级跃迁，使载流子增多，从而增加了导电能力，这种现象称为光生载流子，又称为内光电效应。利用半导体的光电导现象可以制成光敏电阻。本文档共108页；当前第65页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第66页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第67页；编辑于星期三\14点33分光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射对于非本征型可以检测波长很长的辐射光敏电阻(LDR)和它的符号：

符号本文档共108页；当前第68页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第69页；编辑于星期三\14点33分五、pn

结将p型半导体和n型半导体相互接触，由于n区的电子向p区扩散，p区的空穴向n区扩散，在交界处形成了pn结（pnjunction）。在交界面附近，p型区中的空穴被扩散来的电子复合，产生负电荷的积累，n型区中的电子被扩散来的空穴复合，产生正电荷的积累。结果在交界面处形成了电偶层。本文档共108页；当前第70页；编辑于星期三\14点33分电偶层的电场阻碍电子和空穴的进一步扩散，最后形成一稳定的电势差U0。pn

结附近的能带也发生了弯曲。本文档共108页；当前第71页；编辑于星期三\14点33分在p-n结的p型区接电源负极，n型区接电源正极（称为反向偏压）。这时电偶层电场被增强，不利于空穴向n区运动，电子向p区运动，电路被阻断，但有少数载流子在电场作用下移动形成反向电流。二极管由p-n结构成，所以二极管具有单向导电性。p-n结的伏安特性本文档共108页；当前第72页；编辑于星期三\14点33分在p-n结的p型区接电源正极，n型区接电源负极（称为正向偏压）。这时电偶层电场被削弱，有利于空穴向n区运动，电子向p区运动，形成正向电流。本文档共108页；当前第73页；编辑于星期三\14点33分光生伏特效应由光的照射使pn结产生电动势的现象，叫做光生伏特效应.内建电场本文档共108页；当前第74页；编辑于星期三\14点33分太阳方舟－全长315m，最高位置（两边）高37.1米，中央高31.6m，底部宽13.7m，顶部宽4.3m，重量3000t。最大功率630kW，年发电量53万kWh,预计每年可以减排95吨。本文档共108页；当前第75页；编辑于星期三\14点33分BP赠送广东省政府的光伏礼品50kW光伏电站BPSolar在报纸上整板广告(广州日报、深圳商报等)假如我们追不上太阳，就将太阳拴在马背上石油在一天天减少，但太阳每天都升起本文档共108页；当前第76页；编辑于星期三\14点33分光伏建筑组件的结构与发展瑞士生产的太阳电池建筑材料-电池瓦和德国的透光型非晶硅电池窗本文档共108页；当前第77页；编辑于星期三\14点33分德国，光伏幕墙10kW德国，光伏走廊10kW本文档共108页；当前第78页；编辑于星期三\14点33分德国透光型光伏屋顶22.2kW本文档共108页；当前第79页；编辑于星期三\14点33分德国，装饰性光伏候车棚本文档共108页；当前第80页；编辑于星期三\14点33分双面太阳电池适合围栏、道路隔音墙等本文档共108页；当前第81页；编辑于星期三\14点33分光伏屋顶－光伏发电在城市发展的首推形式本文档共108页；当前第82页；编辑于星期三\14点33分§14-5团簇和纳米材料一、团簇团簇（cluster）是由几个到几百个原子、分子或离子所组成的相对稳定的集体，空间尺度大约在0.1~10mm，是介于微观和宏观之间的一种形态（称为介观）。相对稳定的团簇中所包含的原子个数称为幻数（magicnumber）。如Na：8，20，40，58，92，…C：20，24，28，32，36，50，60，70，…NaCl：5，9，14，16，18，23，…本文档共108页；当前第83页；编辑于星期三\14点33分C60是由60个碳原子构成的空心大分子，外形酷似足球，称为足球烯，又称布基球（Buckball）或富勒体（Fullerene）。固态C60类似于Ga-As的半导体，在其中掺入碱金属（K、Rb或Cs），它将转变为超导体。本文档共108页；当前第84页；编辑于星期三\14点33分C60的衍生物可做为“分子滚珠”和“分子润滑剂”在高技术发展中起重要作用；其他应用：利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用；将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池…本文档共108页；当前第85页；编辑于星期三\14点33分二、纳米材料一般把尺度在1~100nm之间的微粒或由微粒加工成块状或薄膜的固体材料称为纳米材料。纳米材料包括纳米金属、金属化合物、陶瓷以及非晶态材料等。纳米微粒包含102~104个原子，表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大，使纳米材料的具有很高的表面活性。

表面效应如金属纳米微粒在空气中会燃烧。本文档共108页；当前第86页；编辑于星期三\14点33分当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件被破坏。

小尺寸效应如利用随纳米尺寸减小，光吸收显著增加，产生吸收峰等离子共振频移，由磁有序状态向磁无序状态，由超导相向正常相的转变和声子谱的改变等。声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。本文档共108页；当前第87页；编辑于星期三\14点33分纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。量子尺寸效应能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，必然因量子效应导致纳米晶体材料的光、热、磁、声、电等与常规材料有显著的不同。如特异的光催化性、高光学非线性及电学特征等。本文档共108页；当前第88页；编辑于星期三\14点33分近年来的研究发现某些宏观量如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有穿越宏观系统的势垒而产生变化的隧道效应——宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。本文档共108页；当前第89页；编辑于星期三\14点33分纳米陶瓷的晶粒尺寸极小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此具有高强度和高韧性。应用纳米金属颗粒光的反射率很低，一般低于1%；粒径越小，颜色越深，即粒子的吸光能力越强。用纳米微晶陶瓷可做成永不生锈、锋利无比的陶瓷刀具，轻松地剪裁铁皮、切削钢铁。纳米粉末可在电镜、核磁共振波谱仪和太阳能利用中作光吸收材料，也可用于制作红外热线型检测器的涂料及隐形飞机上的雷达波吸收材料等。本文档共108页；当前第90页；编辑于星期三\14点33分采用纳米粉末作催化剂，具有粒径小、密度小、比表面积大、反应活性高、选择性强等许多优点；纳米磁性微粒具有单磁畴结构，矫顽力很高，用它作为磁记录材料可提高信噪比、改善图象质量。纳米磁性粒子即使不磁化也是永久性磁体。对各种类型的化学反应，尤其对催化氧化、还原和裂解反应都具有很高的活性和选择性；对光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化活性，人们把它称为第四代催化剂。本文档共108页；当前第91页；编辑于星期三\14点33分利用纳米磁性材料的巨磁电阻效应，可使现在我们所使用的磁盘容量增加20倍。纳米粒子粒径小于临界半径(一般为5～10nm)时具有超顺磁性。纳米材料介绍1纳米材料介绍2本文档共108页；当前第92页；编辑于星期三\14点33分§14-4超导体一、超导电现象1908年，荷兰物理学家昂里斯（H.Kammmerlingh-Onnes）实现了氦的液化；1911年，他发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象。1913年，获得诺贝尔物理学奖。本文档共108页；当前第93页；编辑于星期三\14点33分超导电现象

某些材料在温度低于某一温度时，电阻突然降到零的现象。具有超导电性的材料称为超导体，电阻降为零的温度称为转变温度或临界温度（Tc）。本文档共108页；当前第94页；编辑于星期三\14点33分本文档共108页；当前第95页；编辑于星期三\14点33分对于氧化物超导体，其转变温度范围较宽。把电阻下降到90%及10%所对应的温度范围称为转变宽度T。起始转变温度Ts，中点温度Tm，完全转变温度Te

本文档共108页；当前第96页；编辑于星期三\14点33分二、超导体的主要特性1.零电阻

超导体处于超导态时电阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。2.临界磁场与临界电流

材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场（Tc）。临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流（Ic）。本文档共108页；当前第97页；编辑于星期三\14点33分临界磁场与温度有关：临界电流与温度有关：第一类超导体：具有一个临界磁场。本文档共108页；当前第98页；编辑于星期三\14点33分第二类超导体：具有两个临界磁场。可以看到存在有两个确定的临界场,即下临界场Hc1和上临界场Hc2。当外磁场低于Hc1时,超导体处于迈斯纳态,即磁场被排出超导体外。但从Hc1开始，磁场部分地穿透到超导体内部，而且随着磁场的增高,穿透程度也增加(-M减少);一直到达到Hc2时磁场才完全穿透超导体(M=0),这时,超导体过渡到正常态。在Hc1<H<Hc2内的状态，叫做混合态。

本文档共108页；当前第99页；编辑于星期三\14点33分3.迈斯纳效应——完全抗磁性

迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零。不论是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，就把全部磁通量排出体外。

本文档共108页；当前第100页；编辑于星期三\14点33分磁悬浮利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。图是超导磁悬浮的示意图。把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导悬浮列车就是一例。让列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿轨道“