《现代物理学进展》课程教学大纲

《现代物理学进展》课程教学大纲课程编号：04110902课程性质：专业方向课适合专业：应用物理学先修课程：不需要开设学期：第五学期考核方式：考查或考试总学时数：32-36学分：2（一）课程教学目标通过本课程的学习，使学生了解近、现代物理学的一些基本内容，同时也使学生接触到一些近代物理学的研究成果，为应用物理学专业的本科生提供现代物理的概念基础，掌握物理学各学科研究前沿知识。（二）课程的目的与任务现代物理学进展是为应用物理学专业的学生开设的一门选修课程。该课程主要介绍了一些现代物理学的基本知识和近、现代物理学研究的前沿课题。通过该课程的学习，使学生对现代物理学有较深认识，了解物理学的研究前沿，为自己将来从事物理学教学和科研工作奠定基础。（三）理论教学的基本要求通过本课程的学习，使学生了解近、现代物理学的一些基本内容，同时也使学生接触到一些近代物理学的研究成果，为物理学专业的本科生提供现代物理的概念基础，掌握物理学各学科研究前沿知识。（四）实践教学要求结合课堂学习，安排学生课后查阅相关文献，了解前沿进展，并谈谈自己的感想。（五）教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计第一章量子力学基础概述222第二章量子统计分布简介222第三章扫描探针显微镜与正电子湮灭222第四章正电子湮没和穆斯堡尔谱学222第五章半导体微结构222第六章团簇和纳米管222第七章超导222第八章液晶物理学和生物膜泡弹性理论222第九章激光与非线性光学222第十章激光冷却与捕陷中性原子222第11章玻色-爱因斯坦凝聚222第12章基本粒子的发现与径迹探测器222第13章第14章星体演化及脉冲双星黑洞物理学222第15章微波背景辐射、大爆炸和暴涨宇宙学222第16章弱相互作用宇称不守恒222第17章第18章电弱相互作用的统一等离子体物理与受控核聚变222习题课和复习0-40-40-4总计32-3632-3632-36（六）大纲内容第一章量子力学基础概述教学目的：使学生了解量子力学相关的基本概念和了解宏观水平的量子力学。教学基本要求：（1）了解量子力学基础。（2）了解物质的二象性。（3）了解量子力学态和力学量（4）了解宏观水平的量子力学。教学重点和难点：（1）物质的二象性，德布罗意假说及不确定关系（2）量子力学态和力学量，本征函数与本征值问题教学内容：1.1物质的二象性，德布罗意假说及不确定关系1.2量子力学态和力学量，本征函数与本征值问题1.3态随时间的演化，定态1.4周期势，能带1.5宏观水平的量子力学，约瑟夫森效应1.6量子力学理论架构的发展第二章量子统计分布简介教学目的：使学生了解量子统计分布相关的基本概念。教学基本要求：（1）了解量子统计分布的基础。（2）了解统计假设。（3）了解量子统计分布函数。教学重点和难点：（1）统计假设（2）量子统计分布函数教学内容：2.1统计假设及玻耳兹曼因子1）温度的引入热平衡条件2）统计配分函数3)能量分配定理2.2量子统计分布函数全同粒子理论分布函数：A增强因子与禁戒因子；B精细平衡原理；C玻色子分布函数；D费米-狄拉克分布函数。2.3低温下的固体比热1)杜隆-珀替定律2)爱因斯坦的改进3)德拜对爱因斯坦方法的改进第三章扫描探针显微与正电子湮灭教学目的：使学生了解现代显微技术和正电子湮灭教学基本要求：（1）了解扫描隧道显微镜（2）了解单原子测量和控制教学重点和难点（1）隧道效应的应用（2）单原子的控制教学内容：3.1引言显微镜的发展历史光学显微镜显微技术的改进3.2扫描隧道显微镜原理结构历史：工作模式：1）恒高度模式2）恒相互作用强度模式影响分辨率的因素：1）针尖与样品表面的距离。2）针尖顶部曲率半径的大小隧道电流：扫描隧道显微镜结构：3.3扫描探针显微镜1）原理2）产生的必然性3）种类原子力显微镜：化学力显微镜：力调制显微镜：磁力显微镜：扫描热显微镜3.4单原子测量和控制小结：第四章正电子湮没和穆斯堡尔谱学教学目的：使学生了解正电子。教学基本要求：（1）了解正电子（2）了解正电子湮灭教学重点和难点：（1）反粒子与普通粒子的区别和联系。（2）正电子湮灭。教学内容：4.1正电子与正电子湮没谱学1）正电子e+：2）轻子：3）正电子与电子的2γ湮没4）正电子源：5）固体物理应用正电子的原理：6）狄拉克在理论上的预言7）狄拉克真空：8）安德森及其发现正电子的工作：4.2正电子湮没技术的基本原理与实验方法1）基本原理：2）赵忠尧的发现3）理论基础4）正电子湮没的应用5）传统正电子湮没技术：A：正电子湮没寿命谱测量；B：2γ湮没辐射的角关联测量；C：湮没γ辐射能量的多普勒增宽的测量。4.3正电子湮没技术对固体缺陷的研究1）缺陷捕获效应特点：应用：2）2γ湮没辐射的角关联测量：特点：应用：3）缺陷对正电子湮没的影响（a）正电子捕获效应。（b）正电子寿命变长。（c）电子湮没所得的动量分布曲线。（d）角关联曲线。所以：空位能捕获正电子，使正电子寿命边长，动量分布曲线变窄。4.4正电子束与微孔固体的研究1）形成正电子束（Ps）原子以后再湮没。2）正电子束：3）两种状态的Ps波函数：i）撞击湮没：ii）自旋交换：4.5慢正电子束1）原理2）慢正电子束的获得途径第五章半导体微结构教学目的：使学生了解半导体的物理机制教学基本要求：（1）了解半导体能带理论（2）了解量子阱与超晶格教学重点和难点：（1）半导体能带理论（2）半导体微结构教学内容：5.1晶体管的发现1）什么是晶体管2）晶体管与诺贝尔物理学奖3）研究历史：（1）第一阶段：最初的点接触型。（2）第二阶段：面结合型。5.2半导体能带理论1原子、分子与固体2金属、半导体与绝缘体固体能带结构介绍A电子共有化：B、能带（energyband）：一般规律：越是外层电子，能带越宽，△E越大；点阵间距越小，能带越宽，△E越大；两个能带有可能重叠。能带最多容纳电子数：2N(2l+1)有关能带被占据情况的名词：1）满带：排满电子2）价带：能带中一部分能级排满电子——亦称导带3）空带：未排电子4）禁带：不能排电子5.3半导体微结构：量子阱与超晶格1）原理2）量子阱3）超晶格4）典型例子5.4量子隧穿1）原理2）隧道二极管5.5半导体微结构光子存储1）传统光子存储的困难2）超晶格光子存储器5.6超晶格量子点高优值热电材料1）塞贝克（Seebeck）效应。2）帕尔贴效应3）热电材料优质第六章团簇和纳米管教学目的：使学生了解团簇物理教学基本要求：（1）了解什么是团簇（2）了解碳纳米管教学重点和难点：（1）团簇与固体物理和原子分子物理的区别（2）碳纳米管的力学特性教学内容：6.1引言1）团簇2）碳纳米管3）团簇的特点：1）物理性质；2）具有独特的尺度、结构和组成特征；3）物理性质依赖于团簇的尺寸；4）所采用的研究方法和手段与单个原子和固体的不同；5）连接原子分子物理领域和凝聚态物理领域的桥梁；6）呈现新的物理和化学性质，例如幻数等。6.2团簇物理1）团簇的稳定性与幻数2）五次对称性3）库仑爆炸4）团簇的熔化与凝固、相变5）磁学性质6）光学性质7）金属团簇催化活性8）理论模型6.3富勒烯（C60）1）富勒烯（Fullerene)是一种碳的同素异形体。2）研究历史3）富勒烯的物理性质a）C60的结构及其对称性结构：由二十面体截去十二个顶角得到对称性：Ih对称性，含有120个对称操作元素b）C60的振动谱与电子结构c）固态C60结构与相变6.4碳纳米管研究的进展1）什么是碳纳米管2）基本性质第七章超导教学目的：使学生了解超导以及超导的微观机制。教学基本要求：（1）了解超导的零电阻特征（2）了解超导的完全抗磁性（3）了解超导的BCS微观机制教学重点和难点：（1）零电阻特征（2）完全抗磁性（3）超导的微观机制教学内容：7.1引言1）研究历史：理论方面：实验方面：7.2零电阻特征发现：超导态：7.3磁性质：完全抗磁性和临界磁场1）迈斯纳效应：2）临界磁场：3）两类超导体（a）类型1:软超导体（b）类型2：硬超导体7.4其他物理性质7.5伦敦方程1）目的2）伦敦方程的第一个方程：3）物理意义4）伦敦方程对迈斯纳效应的解释：7.6BCS理论及其预见1）重要性：解决超导微观机理。并获得了1972年的诺贝尔物理学奖。2）理论基础：电子、声子相互作用的多体系量子力学。3）优点：可以解释常规超导体中的众多基本问题，和唯象理论不能解释的现象。4）缺点：无法解释非常规超导体中的部分问题，但是载流子配对思想仍然适用。7.7金兹堡-朗道理论和磁通量子化1）基本理论2）两个方程——G-LI和G-LII，两个边界条件3）基本假设4）第I类、第II类超导体判据：7.8约瑟夫森效应1）约瑟夫森结。2）直流的约瑟夫森效应：3）交流的约瑟夫森效应第八章液晶物理学和生物膜泡弹性理论教学目的：使学生了解液晶物理教学基本要求：（1）了解液晶相（2）了解基本的液晶物理模型教学内容：8.1引言1）介绍2）液晶相3）物理条件8.2液晶相类别（1）热致液晶：（2）溶致液晶：8.3指向矢和形变1）基本模型2）基本特征第九章激光与非线性光学教学目的：使学生了解激光与非线性光学教学基本要求：（1）了解激光的产生机制（2）了解强场光学的非线性效应（3）了解激光在现在科技中的地位教学重点和难点：（1）激光的产生机制（2）非线性光学教学内容：9.1激光器的发明与发展1）涉及激光的诺贝尔奖2）自发发射3）受激发射4）传统光源的缺点5）电子振荡器的缺点6）在光与物质相互作用的过程中，包含：自发发射、光吸收和受激发射7）布居数（粒子数）反转8）几种常见激光器红宝石激光器：He-Ne激光器：GaAs半导体激光器：9.2激光的应用9.3激光光谱学1）多普勒宽度：（Dopplerbroadening）2）激光光谱学：3）饱和吸收光谱法9.4非线性光学1）线性光学2）高阶极化3）光的二阶非线性效应4）光的三阶非线性效应5）光的高阶非线性效应6）高次谐波产生机制9.5超快激光的获得及应用1）超快激光2）激光可以连续输出，也可以脉冲输出。3）超快激光的特点（1）超短的脉冲宽度：（2）超强的峰值功率密度：（3）超高的脉冲重复频率：第十章激光冷却与捕陷中性原子教学目的：使学生了解激光冷却的物理机制教学基本要求：（1）了解激光冷却和捕陷原子研究的意义（2）了解激光冷却原子的物理机制教学重点和难点：（1）激光冷却和捕陷原子教学内容：10.1激光冷却和捕陷原子研究的意义1）20世纪70年代中期开始的激光冷却与捕获中性原子技术的研究2）1997年诺贝尔物理学奖3）什么叫激光冷却？4）温度的新认识5）不同温度定义（a）多普勒冷却极限温度（b）量子反冲极限温度10.2激光冷却和捕陷中性原子研究的历史发展1）激光冷却的发展历史2）原子束的减速3）冷却后原子的囚禁：（a）光陷阱缺点（b）磁陷阱缺陷。10.3蒸发冷却与波色-爱因斯坦凝聚（1）什么是波色-爱因斯坦凝聚？（2）玻色-爱因斯坦凝聚性质（a）BEC的静态性质（b）BEC的动态特性（c）BEC的相干性（d）BEC的宏观物质波性质（e）BEC的转动，涡旋和超流性质第十一章玻色-爱因斯坦凝聚教学目的：使学生了解玻色-爱因斯坦凝聚教学基本要求：（1）了解玻色-爱因斯坦凝聚教学重点和难点：（1）玻色-爱因斯坦凝聚教学内容：11.1序参量，相位相干性1）玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。2）起源：3）原理：4）表征相变的序参数11.2BEC的宏观量子体系描述1）BEC的宏观量子体系是由单变量波函数来描述的2）不同位置处相位的联系3）超流体是无旋的▽×v=04）昂萨格-范因曼涡旋量子化条件5）BEC的相干性BEC的相干性实验证实,BEC相位相干性已经由凯特利研究组在实验中证实。（i）在磁-光阱中形成长椭球状的BEC，用聚焦在平面的激光束将凝聚体一分为二。（ii）然后去掉激光阱，两团凝聚体自由下落并膨胀，他们重叠后会发生干涉。（iii）用光照明以探测一个切片内的原子密度，结果发现干涉条纹。（iv）原子距离较小的两团干涉条纹间的距离较大，距离较大的干涉条纹较小。11.3格罗斯-皮塔耶夫斯基方程，凝聚体的基态和集体激发态1）在极低温度时的薛定谔方程2）定态GP方程：利用含时和不含时的GP方程可以研究凝聚体的基态、激发态和偏振态的演化。3）凝聚体的基态。4）凝聚体的集体激发态第十二章基本粒子的发现与径迹探测器教学目的：使学生了解基本粒子教学基本要求：（1）了解基本粒子教学重点和难点：（1）基本粒子属性（2）高能粒子实验教学内容：12.1第一代基本粒子1）第一代基本粒子2）电子3）质子4）中子4）正电子5）反粒子6）π介子12.2核力与交换力的概念1）两个荷电粒子之间的作用力是通过光子的交换来实现的。2）核子之间的相互作用是通过交换π介子而实现的。3）强子(Hadron)4）轻子（lepton）：轻子数守恒：强子：介子、重子等参与强相互作用的粒子。轻子：电子、中微子等J=1/2并且不参与强作用的粒子。12.3Λ超子的发现与Ω超子的寻找1）Λ超子的发现与奇异数S的引入（1）反应时间短暂，属于强相互作用的快过程；（2）的反应时间长，属于弱作用的慢过程。2）同位旋与盖尔曼-西岛关系盖尔曼-西岛关系为强子的分类和结构模型提供了重要的线索和依据。夸克模型12.4同位旋守恒与强子超多重态1）强相互作用的同位旋守恒2）强子超多重态与Ω超子的寻找第十三章星体演化及脉冲双星教学目的：使学生了解星体演化和脉冲双星教学基本要求：（1）了解星体演化（2）了解脉冲双星教学重点和难点：（1）星体演化（2）脉冲双星教学内容：22.1星体演化概述1）维里平衡2）辐射打破平衡3）电子简并压力4）热星5）超新星爆炸、中子星22.2脉冲双星的发现22.3引力波探测—探索宇宙的新窗口1）引力波2）引力波的探测3）引力波的波源（1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。（2）快速旋转的致密天体。（3）随机的引力波背景。（4）超新星或者伽马射线暴爆发。（5）超大质量黑洞。4）天文上的意义第十四章黑洞物理学教学目的：使学生了解黑洞教学基本要求：（1）了解黑洞的形成（2）了解黑洞的探测教学重点和难点：（1）黑洞的形成（2）黑洞的探测教学内容：14.1历史发展简介1）经典黑洞2）Schwarzschild度规视界：恒星黑洞的形成：14.2自由粒子在视界外的运动1）单位最大时间间隔：3）有效势14.3旋转的黑洞1）克尔黑洞是指不随时间变化的绕轴转动的轴对称黑洞。2）原理第十五章微波背景辐射、大爆炸和暴涨宇宙学教学目的：使学生了解微波背景辐射和宇宙学常识教学基本要求：（1）了解微波背景辐射（2）了解大爆炸和暴涨宇宙学教学重点和难点：（1）微波背景辐射（2）暴涨宇宙教学内容：15.1哈勃定律及膨胀的宇宙1）哈勃定律2）物理意义15.2微波背景辐射1）微波背景辐射2）特征3）观测进展4）意义15.3标准大爆炸模型1）标准模型是建立在宇宙学原理和爱因斯坦场方程基础上的宇宙模型，。2）通过求解场方程可得到三个解。15.4暴涨宇宙学1）暴涨2）提出的动机a）为什么宇宙在大尺度如此的均匀？b）为什么宇宙会以如此接近临界的速率膨胀？c）我们的宇宙非常光滑和规则？3）解决了标准宇宙学模型的许多问题第十六章弱相互作用宇称不守恒教学目的：使学生了解弱相互作用教学基本要求：（1）了解弱相互作用（2）了解宇称不守恒教学重点和难点：（1）弱相互作用（2）宇称不守恒教学内容：16.1对称性和守恒定律1）对称性和守恒定律重要性：2）空间反演不变性和宇称守恒（1）空间反演不变性（2）宇称守恒3）粒子的内禀宇称16.2弱作用宇称不守恒问题解决θ-τ疑难的途径：推广：所有弱相互作用中宇称不守恒。16.3CP联合变换和CPT定理第十七章电弱相互作用的统一教学目的：使学生了解电弱相互作用的统一教学基本要求：（1）了解电弱相互作用的统一教学重点和难点：（1）电弱相互作用的统一教学内容：17.1物理学中的统一1）在物理学发展进程中，人们对自然界现象及规律的认识不断深入。2）受电与磁统一的启发，法拉第曾研究过引力与电磁的统一。17.2电磁学理论与局域规范不变性17.3杨振宁-米尔斯规范场1）核子间的强相互作用具有对称性。2）电动力学的规范不变性与电荷守恒有关。3）杨-米尔斯（Yang-Mills）理论，又称规范场理论。4）规范不变性。5）杨-米尔斯（Yang-Mills）理论起源。17.4弱相互作用1）弱相互作用（又称弱力或弱核力）。2）在标准模型中的作用。3）强度4）研究历史5）弱相互作用的性质17.5对称性自发破缺1）对称性自发破缺。2）最简单的对称性自发破缺3）标准模型中的破缺4）自发对称性破缺（spontaneoussymmetrybreaking）5）希格斯机