1、物理學(xué)導(dǎo)論第1頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU什么是物理學(xué)?物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科。沒有物理學(xué)，便不會(huì)有當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)！ 只有通過精心組織,才能匯聚起如此浩瀚龐大又扎實(shí)有據(jù)的真理,也和表述才能一樣,將雜亂無章整理得井然有序的才能是一種富有創(chuàng)造性的才能,也許簡(jiǎn)直就是同一才能的不同側(cè)面。從原先無數(shù)孤立現(xiàn)象的真理之中涌現(xiàn)了存在于它們之間關(guān)系的真理:用這種方式一個(gè)世界就創(chuàng)造出來了。 Hugo von Hoffmannstahl參考書目馮端金國(guó)鈞 凝聚態(tài)物理學(xué)（

2、上卷）高等教育出版社 2003張禮 近代物理學(xué)進(jìn)展（第2版）清華大學(xué)出版社 2009第2頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU什么是物理學(xué)? 處在這日益專業(yè)化的時(shí)代之中,得以認(rèn)識(shí)到基本物理概念可能應(yīng)用于一大批看起來五花八門的問題,是令人欣慰的。在理解某一領(lǐng)域所獲得的進(jìn)展常常可以應(yīng)用于其它領(lǐng)域,這不僅對(duì)材料科學(xué)的眾多領(lǐng)域是確實(shí)的,對(duì)廣義而言的物質(zhì)結(jié)構(gòu)亦復(fù)如此。作為闡述的例證,為理解磁性、超流動(dòng)性與超導(dǎo)電性所發(fā)展的概念也被推廣和應(yīng)用于多樣的領(lǐng)域,如核物質(zhì),弱與電磁相互作用,高能物

3、理學(xué)中的夸克結(jié)構(gòu)與眾多的液晶相。 John Bardeen第3頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次從原子物理學(xué)到原子核物理學(xué),最終進(jìn)入粒子物理學(xué),處處可見還原論的蹤跡。氣體、液體與固體都被分解為分子或原子的聚集體;原子又被分解為原子核與電子;原子核被分解為質(zhì)子和中子;這些再被分解為夸克、膠子。在每個(gè)還原階段中呈現(xiàn)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的粒子,曾被誤認(rèn)為基本粒子。在每一還原階段,長(zhǎng)度的尺寸急劇縮短而能量的尺度急劇上升。第4頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，

4、星期五College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次理論方法：量子物理、統(tǒng)計(jì)物理與經(jīng)典物理凝聚現(xiàn)象：有序化，對(duì)稱性降低白紙稱為無極，畫上一個(gè)圓圈，稱為無極生太極（宇宙），中間一條曲線分成黑白兩個(gè)部分，稱為太極生兩儀，第5頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次宇宙學(xué)、粒子物理的奇妙銜接第6頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and

5、 Information Technology, SNNU物質(zhì)世界的時(shí)間尺度大爆炸宇宙年齡：130 200億年 1018 s 星系形成：50億年地球年齡：4.6109 年 = 1017 s大氣形成：8108 年 = 1016 s生命的誕生：約40億年脊椎動(dòng)物： 約6億年人類出現(xiàn) ： 約500萬年地球地球公轉(zhuǎn) 3107 s地球自轉(zhuǎn) 2.6106 s百米跑 10 s市電周期 10-2 s中子壽命 10-3 s介子壽命 10-8 10-17 s中間玻色子壽命 10-24 s第7頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information

6、 Technology, SNNU物質(zhì)世界的質(zhì)量層次1050 s 10-30 , 共計(jì)跨越了80個(gè)數(shù)量級(jí) 科學(xué)的基本原理之一：萬物都是由難以觀察到的微小粒子組成的。第8頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU自然界的基本相互作用種類引力弱力電磁力強(qiáng)力作用對(duì)象所有粒子大多數(shù)粒子帶電粒子強(qiáng)子作用距離(cm)10-1010-13相對(duì)強(qiáng)度(10-13 cm)傳遞作用的基本粒子引力子？中間玻色子光子()膠子 (g)110-3810-13103的介電材料總伴隨著鐵電和弛豫行為，從而使r敏感

7、于溫度的變化，導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性降低。圖. 弛豫性鐵電體的介電溫譜2000年，類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CaCu3Ti4O12材料高介電 、低損耗、介電響應(yīng)的高熱、高頻穩(wěn)定性等良好的性能。圖. CCTO試樣的介電頻譜和溫譜VS.良好的綜合性能，使其有望在高密度能量存儲(chǔ)、薄膜器件、高介電電容器等一系列高新技術(shù)領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。方向2：巨介電CCTO的研究國(guó)家自然基金（2009-2011年）第52頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU工作進(jìn)展: A位Sr取代Cu降介電損耗圖. CaCu3-

8、xSrxTi4O12介電頻譜總結(jié)：Sr與Ti形成第二相增強(qiáng)了晶界的絕緣性，降低了漏導(dǎo)損耗。劉鵬，賀穎，李俊，朱剛強(qiáng)，邊小兵, 物理學(xué)報(bào) 56 (2007) 5489 慕春紅，劉 鵬，賀 穎，張 丹，孟 玲，邊小兵，物理學(xué)報(bào) 2008年第四期 P. Liu, C.H. Mu, Y. He, J.P. Zhou, J. Alloys. Compd. 471 (2009) 137Solid State Ionics206 (2009) 262近期完成的論文第53頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technol

9、ogy, SNNU圖 鐵電材料介電偏壓曲線用于集成相控陣天線的鐵電體材料研究十一五軍工預(yù)研項(xiàng)目E圖5-2 移相器原理示意圖可調(diào)電介質(zhì)微波輸入信號(hào)微波輸出信號(hào)金屬電極電場(chǎng)方向方向3：移相器P Liu, J L Ma, et al., Mater. Chem. Phys. (published)第54頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU方向3：反鐵電體電學(xué)性能與極化弛豫機(jī)制國(guó)家基金支持項(xiàng)目，2005-2008年圖2 PLZST反鐵電陶瓷在不同偏置電場(chǎng)下的介電溫度譜（從上到下頻率

10、分別為f=0.1,1,10,100 kHz） 完成論文：偏置電場(chǎng)誘導(dǎo)的PLZST反鐵電極化弛豫現(xiàn)象 科學(xué)通報(bào)，53：1755（2008）(Pb0.94La0.04)(Zr0.55-xSn0.45Tix)O3反鐵電陶瓷的電學(xué)性能研究 陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)第55頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU高溫壓電PbNb2O6基材料：以上3個(gè)圖分別為不同材料在不同頻率的介電常數(shù)隨溫度變化的曲線，由圖見在室溫到400介電常數(shù)隨溫度變化很小，居里溫度都在500以上，適合于高溫傳感器材料應(yīng)用第5

11、6頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNUC的同素異形體金剛石顏色：常見的為淺黃色、淺黃褐色、淺黃綠色、褐色，無色(淺黃白、白、優(yōu)白)占有一定數(shù)量，玫瑰色、粉紅色、淺藍(lán)色、綠色、黑色、茶色十分稀少硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度15熔點(diǎn)：金剛石熔點(diǎn)達(dá)4000，在空氣中燃燒溫度為8501000化學(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在酸、堿中均不分解，在熔融的硝酸鈉、硝酸鉀、碳酸鈉中溶解。第57頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics an

12、d Information Technology, SNNUC的同素異形體石墨石墨具有很好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，由于其層狀結(jié)構(gòu)，顯示各向異性，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性質(zhì)沿著層狀網(wǎng)絡(luò)方向傳播得好，但曾與曾之間不好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身很穩(wěn)定，但網(wǎng)之間結(jié)合力不強(qiáng)。1） 耐高溫型：石墨的熔點(diǎn)為385050，沸點(diǎn)為4250，石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。 2） 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。 3） 潤(rùn)滑性：4） 化學(xué)穩(wěn)定性：石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。5） 可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。 第58頁，共

13、66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNUC的同素異形體石墨烯(2010年諾貝爾物理獎(jiǎng))石墨烯即為“單層石墨片”一直以來,科學(xué)家們認(rèn)為,單層的石墨烯是不可穩(wěn)定能存在的用透明膠將石墨一層一層剝開石墨烯有特殊的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)片狀物足夠大之后，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，而且強(qiáng)度超過單層鐵強(qiáng)度的一百倍。一張一米見方的石墨烯可承重大約4公斤，也就是說，如果用一米見方的石墨烯做成吊床，一直貓可以安安穩(wěn)穩(wěn)地躺在上面睡覺石墨烯有著眾多的奇特性質(zhì), 單層的晶體能夠穩(wěn)定地存在; 石墨烯片層實(shí)際上并不是平坦的,而是波狀的

14、;Geim報(bào)道稱,石墨烯中電子是沒有質(zhì)量的,以恒定的速率移動(dòng),和光子的行為極為相似,不管石墨烯中的電子帶有多大的能量,電子的運(yùn)動(dòng)速率都約是光子運(yùn)動(dòng)速率的三百分之一;半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。石墨烯的電子具有自旋量子特性。第59頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNUC的同素異形體碳納米管(1991年發(fā)現(xiàn))可以看成是由一片石墨烯卷成的無縫管納米碳管比重只有鋼的三分之一，而抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋼的100倍以上，導(dǎo)電能力是銅的1000倍以上，且兼具金屬的性質(zhì)與半導(dǎo)體性質(zhì)，故應(yīng)用范圍極廣分子導(dǎo)線

15、第60頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNUC的同素異形體富勒烯(1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))看上去是一個(gè)“分子足球”作“分子滾珠”，制成潤(rùn)滑劑第61頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶晶體最基本的特點(diǎn)是具有周期性，即具有平移對(duì)稱性，早在十九世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家就總結(jié)并通過數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，為了滿足晶體的這一性質(zhì)，晶體中只存在n = 1、2、3、4、6五種旋轉(zhuǎn)對(duì)

16、稱軸第62頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶1974年R. Penrose用兩種菱形單元（72，108）和（36，144），按照一定的銜接規(guī)則就可以實(shí)現(xiàn)具有5次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非周期鋪砌。后來陸續(xù)有研究者對(duì)其它旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的圖形實(shí)現(xiàn)了非周期鋪砌，如圖c的八次對(duì)稱性和圖d的十二次對(duì)稱性。第63頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶基于二維的Penros

17、e拼砌，Steinhardt實(shí)現(xiàn)三維空間的堆砌，他發(fā)現(xiàn)利用三基矢夾角分別為63.43和116.57的兩種菱形六面體（如下圖所示），可以構(gòu)造出三維的Penrose準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。第64頁，共66頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)55分，星期五College of Physics and Information Technology, SNNU準(zhǔn) 晶1982年，兩位以色列科學(xué)家D. Shechtman和Blech，無意中在急冷Al6Mn合金中發(fā)現(xiàn)五次對(duì)稱衍射圖，由于兩人的晶體學(xué)基礎(chǔ)一般，就到處請(qǐng)教晶體學(xué)專家，專家們認(rèn)為那不過是晶體學(xué)中常見的五次孿晶，后來他們又去請(qǐng)教法國(guó)CNRS冶金化學(xué)研究所的D. Gratias，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)晶體學(xué)的周期性相矛盾，Gratias認(rèn)為很難被主流接受發(fā)表。1984年秋，Gratias在加州大學(xué)的一次理論物理討論會(huì)中聽了Steinhardt的報(bào)告，發(fā)現(xiàn)他們關(guān)于二十面體理論模型的衍射花樣（圖 1 5a）與Shechtman等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖 1