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1、现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 1我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31学时：学时：3636 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 2我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31? 前言前言? 物理学与核技术物理学与核技术 ? 物理学和粒子物理物理学和粒子物理? 物理学与宇宙学物理学与宇宙学? 物理学和激光技术与工程物理学和激光技术与工程? 物理学与
2、量子技术物理学与量子技术内内 容容现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 3我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31前 言技术源于生产活动、生活经验技术源于生产活动、生活经验 技术的物质形式：工具技术的物质形式：工具在人类历史上，技术的出现先于科学。在人类历史上，技术的出现先于科学。 科学从技术的探索与运用中诞生科学从技术的探索与运用中诞生现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 4我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到
3、愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31前言前言 科学知识的源泉：科学知识的源泉：一是由于生产发展的需要一是由于生产发展的需要二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣感性认识理性认识思考思考自然界内在的规律观察观察分析分析归纳归纳现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 5我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31前前 言言科学（首先是物理科学首先是物理科学）的革命，引发了生产技术的革命，使人们对基础科学、应用科学、工程
4、技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。哥白尼哥白尼19世纪世纪17世纪世纪16世纪世纪爱因斯坦爱因斯坦麦克斯韦麦克斯韦牛顿牛顿20世纪世纪科学独立存在科学独立存在有了完整的体系有了完整的体系现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 6我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31前言前言 物理学与科学技术：物理学与科学技术： 互相促进、携手并进、相互渗透；互相促进、携手并进、相互渗透； 与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会的发
5、展；会的发展； 从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文明的进程。明的进程。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 7我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31前言前言 物理学：物理学： 对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用；对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用； 工程技术：工程技术： 直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的疆域，并为之提供了丰富精致的环境条
6、件和研究手段。疆域，并为之提供了丰富精致的环境条件和研究手段。在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。一、物理学与核技术一、物理学与核技术 田湾核电站田湾核电站现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 9我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导 19世纪末，相继发现了放射性、原子光谱、世纪末，相继发现了放射性、原子光
7、谱、X射射线、和电子线、和电子 1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造 1913年玻尔完善原子结构理论年玻尔完善原子结构理论:1）定态假设；）定态假设； 2）量子化假设；）量子化假设；3）跃迁假设）跃迁假设1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式提出了质能关系及其著名表达式E=mc2 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 10我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快
8、，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31原子原子原子核原子核+ 核外电子核外电子核衰变核衰变衰变衰变衰变衰变 衰变衰变一、原子核衰变一、原子核衰变现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 11我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31例如，一个铀核衰变成钍核的方程是例如，一个铀核衰变成钍核的方程是 衰变：衰变： 衰变是指某种原子核（称为母核）衰变是指某种原子核（称为母核）因自发放射粒子（因自发放射粒子（ ）而转变成新核（称为）而转变成新核（称为子核）的过程。其
9、衰变模式为子核）的过程。其衰变模式为 He42HeYX422AZAZHeThU422349023892特点：特点：1）质量数大于质量数大于140140 2）粒子能量不连续，粒子能量不连续，核内能量量子化核内能量量子化现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 12我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31例如，一个钾核衰变成钙核的方程是例如，一个钾核衰变成钙核的方程是 衰变：衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的原子核通过自发放射粒子而完成的衰变过程衰变过程特点：特点：1）出射电子的
10、能量连续）出射电子的能量连续 2）相当于核中的中子转变成质子）相当于核中的中子转变成质子vAZAZeYX1veCaK40204019现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 13我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31衰变连续能谱 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 14我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31例如，铊核发生的衰变例如，铊核发生的衰变 衰变
11、：衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而处于激发态的原子核因发生跃迁而释放出释放出 光子的过程光子的过程 特点：特点：1）出射光子的能量分立）出射光子的能量分立 2）核内部能量非连续）核内部能量非连续AZAZ XX*TlTl20881*20881现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 15我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31放射性: 然放射性、人工放射性 天然放射性元素的原子序数都大于81，并依次形成三个质量数分别为4n、4n+2和4n+3的放射系，即钍(Th)系、铀(U)
12、系和锕(Ac)系。唯有在人工放射条件下，才能见到质量数是4n+1的镎(Np)放射系，原因是该系各原子核衰变得较快，以致无法长期存在。 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 16我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31二、衰变速率 卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱为原来的1/2，而在2分钟和3分钟之内依次降低到原来的1/4与1/8；直至按时间平方反比规律衰减现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 17我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样
13、一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31衰变关系半衰期tNNddt eNtN0)(/T2ln2/1衰变规律总寿命00|d|NtNt平均寿命 1dd10000ttetNtNNt t现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 18我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31核物质的放射强度由该物质的放射性活度单位时间内发生衰变的核的数量表示 tntneIeNNtNI00d|d| 放射性活度的单位为居里（Ci）110s107 . 3C
14、i1在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq)表示每秒衰变一次的计量 Bq107 . 3Ci110现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 19我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31三、原子核的组成三、原子核的组成 1) 由氢的原子核质子组成2）由质子和电子组成3）由质子与一种中性粒子中子组成 1919年，卢瑟福提出中子概念 1932年，查德威克发现中子 nCHeHe101269442现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 20我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，
15、为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而结合成原子核，其理论后果是导致相互作用的粒子交换机制，成为现代场论的思想基础。 电子与核子的性质 ee内禀性质电子质子中子电荷(e)-e+e0质量(MeV/c2)0.5110938.27231939.56563自旋1/21/21/2平均寿命1031a 20s现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 21我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的
16、生物2022-7-31 原子核通常用符号 表示， 其中，具有相同质子数与相同中子数的核称为同种核素，而具有相同质子数与不同中子数，以及具有不同质子数与相同质量数的核则分别被称为同位素（如氢元素有三种同位素： 、 和 ）和同量异位素（如 和 等）。 XAZH11H21H31、 H31He32 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 22我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31四、原子核的基本性质四、原子核的基本性质 1）原子核的电荷）原子核的电荷 +Ze 天然存在的原子核 Z0
17、，QN1 /kTEiiCeNkTEEe)(NN12123812 eNN现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 125我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31四能级结构存在亚稳态 激励频率连锁辐射频率 hEE)(14hEE)/-(2332现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 126我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31*光学谐振腔现代物理学现代物理学工程技
18、术工程技术Page 127我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响 激光的激光的特性特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性单色性相干性高亮度现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 128我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 四十多年来，激光器的品种迅速增加：四十多年来，激光器的
19、品种迅速增加： 固体激光器固体激光器 半导体激光器半导体激光器 气体激光器（气体激光器（CO2激光、氦氖激光激光、氦氖激光）激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 129我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 准分子激光器准分子激光器 自由电子激光器自由电子激光器 x射线激光器射线激光器 金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响铜蒸气
20、激光现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 130我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31固体激光器固体激光器 以掺杂离子的绝缘晶体为工作物质 特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 131我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31半导体激光器半导体激光器 以半导体为工作物质，将电能直接转化为光能 特点：1）能量置换
21、效率(50)高；2）无功热量小、频率稳定性更好；3）结构简单、寿命长。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 132我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 133我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31气体激光器 以气体或蒸气为工作物质 特点：输出光束的质量好 ，功率大现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 13
22、4我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31化学光器 以化学反应实现粒子数反转并进而产生受激辐射的激光器 特点：1）将化学能直接转换成光能；2）宽输出光谱；3）功率大 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 135我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光器的输出水平不断提高：激光器的输出水平不断提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、
23、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒超短脉冲：纳秒 皮秒皮秒 费秒费秒 阿秒阿秒 脉冲功率密度则可高达脉冲功率密度则可高达1020瓦瓦/cm2以上以上。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 136我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）长
24、至亚毫米（太赫兹）短至短至x射线射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；p输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 137我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光应用的开创性表现在激光应用的开创性表现在 ： 激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光技术与
25、工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响 布满全球的光纤网，加上卫星通信布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；网，形成了信息高速公路的基础； 光存储、激光全息、激光照排、打光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。的多样化的信息服务。 可擦除小型光盘的刻录母盘现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 138我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光可在很小的区域上
26、聚焦很高的功率密度：激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度： 在工业制造中可进行精确的切削和表面改性在工业制造中可进行精确的切削和表面改性 做精密的医疗手术做精密的医疗手术 作用于微型靶实现激光核聚变。作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 139我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光通讯激光通讯激
27、光制导与测距激光制导与测距高能强激光武器高能强激光武器激光雷达激光雷达激光陀螺激光陀螺 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响ABLABL现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 140我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光通讯激光通讯 传输信息量大、抗干扰、保密性强 多采用半导体激光器效率高、寿命长、体积小、质量轻、易调制现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 141我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美
28、丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光制导与测距激光制导与测距现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 142我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光测距现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 143我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光武器现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 144我
29、吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展 非线性光学成为一个重要研究领域：非线性光学成为一个重要研究领域：激光与介质（含大气）相互作用时产生各种非线性效应的物理本质和规律。 产生的条件、特性、机理：产生的条件、特性、机理： 受激拉曼散射受激拉曼散射 自聚焦自聚焦 热晕热晕 光学和频与倍频光学和频与倍频 相干瞬态光学效应等相干瞬态光学效应等现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 145我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么
30、把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展 非线性光学材料非线性光学材料及非线性光学效应非线性光学效应的几种应用：扩展激光的波长范围扩展激光的波长范围发展非线性光学相位共轭技术发展非线性光学相位共轭技术光学双稳为研究非线性系统中的动力学行为提供实光学双稳为研究非线性系统中的动力学行为提供实用的手段；用的手段； 超短、超强激光超短、超强激光将对强场超快科学、相对论非线性物理、天体物理及宇宙学的研究提供新的手段和极端条件。现代物理学现
31、代物理学工程技术工程技术Page 146我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展 激光光谱学的高灵敏度和高分辨率： 可用于对物质的结构、能谱、瞬态的变化和微观动力学进可用于对物质的结构、能谱、瞬态的变化和微观动力学进行深入研究，进一步认识原子和分子的超精细结构，更精行深入研究，进一步认识原子和分子的超精细结构，更精确地确定基本物理常数的数值；确地确定基本物理常数的数值； 1995年人
32、们利用激光冷却的办法，在实验室实现了爱因斯年人们利用激光冷却的办法，在实验室实现了爱因斯坦坦1926年预言的年预言的Bose-Einstein凝聚；凝聚；Bose-Einstein凝聚态凝聚态现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 147我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中究中，发挥了巨大的推动作用发挥了巨大的推动作用 如化学物理学如化学物理学 生物物理学（以激光为手段的分子雷达成为生命
33、生物物理学（以激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究的工具就是一例）等活细胞研究的工具就是一例）等 激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 148我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31三、量子技术及应用三、量子技术及应用 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 149我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我
34、的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31量子隧道效应量子隧道效应 隧道效应的本质就是粒子对势垒的穿越问题，对该问题的描述有两种图像：1）经典运动图像 由牛顿方程支配现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 150我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 151我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-312）量子运动
35、图像 由薛定谔方程支配现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 152我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31势函数)()()(ax0,x0ax0VxV0运动模式现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 153我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31量子隧穿 隧穿系数 )222120Em(VaeACD现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 154我吓了一跳
36、，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31扫描隧道显微镜 STM- Scanning Tunnelling Microscopt 在隧道效应的技术应用中，最具影响的是宾尼（Binnig）和罗雷尔（Rohrer）于1981年由研制成的第 三 代 显 微 镜 扫 描 隧 道 显 微 镜现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 155我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 由量子力
37、学可得隧道电流I与势垒宽度d有如下关系： 其中是平均势垒高度，A为常数。由上式可以看出隧道电流的大小与所加的操作电压关系密切，在探针针尖到被测物表面的间距只有几个原子间距时，隧道电流与此间距的关系非常敏感，STM就可以利用探针尖端和金属表面间的隧道电流随原子间距变化的性质探测金属表面结构。 dAUeI现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 156我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 金属探针受一压电陶瓷驱动电压控制，能够沿x、y、z方向扫描移动 ，扫描可达范围10-6米，
38、精度0.10.01 nm（纳米）现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 157我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31恒流模式 将一适当工作电压加在探针与样品之间，当探针在试样表面作二维扫描过程中接入一反馈回路，反馈回路通过调整针尖的高度使隧道电流保持在一定的预设值上，记录下控制探针高度的方向驱动电压，测得试样表面的形貌图。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 158我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我
39、的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31恒高模式 断开反馈回路，使探针在被测物表面作二维扫描，扫描过程中保持操作电压及探针针尖高度均为固定值，当探针沿样品表面扫描时，间隙是一个变量，而隧道电流是未知的函数，各点的隧道电流I反映了样品表面的凸凹状况。 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 159我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 STM的隧道电流有56个数量级的变化，适于测量高度起伏不超过0.50.6nm的试样表面。它的纵向分辨率已达到0.005nm，横向分
40、辨率已达到0.2nm，测量精度高。表面三维图像可以直观地显示样品表面原子结构。 由此可见，扫描隧道显微镜是研究固体表面原子结构的有力手段，也为探讨表面吸附、催化和腐蚀等机理，以及利用表面效应制造新型器件提供了方便。扫描隧道探针不仅是观察原子世界的工具，而且还可以用它进行微加工。当针尖与样品间电压大于5V时，相应能量足以引起表面原子迁移、键断裂和一些化学反应。人们正是运用扫描隧道探针移动原子，在硅片上形成原子排列而成金属点、线，或在表面刻线、构图。 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 160我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，
41、证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 161我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31STM的局限性与发展的局限性与发展尽管STM有着其他仪器不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面：1.在恒电流工作模式下， STM对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖
42、半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。 2. STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补扫描隧道显微镜的不足。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 162我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31原子力显微镜 AFM- atomic force microscope 由宾宁等人于1986年发明，其原理是利用探针与样品
43、间的原子力（引力与斥力）随距离变化的关系来测量样品表面的形貌、弹性、硬度等性质，对各种材料均适用。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 163我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31AFM结构示意图现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 164我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31光子扫描隧道显微镜 PSTM -photon scanning tunne
44、lling microscope PSTM利用光子在探针材料与样品表面间形成势垒中的贯穿性质而获得测量信息。分辨率可达纳米量级。现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 165我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31激光冷却与原子捕陷技术1975年提出概念，1985年首次实现。主要应用： 1）消除谱线的热致展宽，提高了光谱学精度与灵敏度； 2）建立高精度的原子频标，将原子钟的精度提高两个量级； 3）开辟原子、分子及光物理新领域； 4）制成能控制20nm10m尺度的“光学镊子”分
45、子生物学、高分子聚合物现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 166我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31 激光冷却的基本思想是：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。速度减小的值为 其减速效果相当 于重力加速度的 10万倍hvMc现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 167我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物202
46、2-7-31 双光束冷却原子，此时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 168我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31三维激光冷却 利用波长为589的黄光冷却钠原子的极限为240K，利用波长为852的红外光冷却铯原子的极限为124K。但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺基小组把铯原子冷却到了2.8的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24的一群钠原子。现代物理学现代物理学工程技术
47、工程技术Page 169我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31三维光阱与铷原子团发光照片现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 170我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31原子阱技术 原子阱由两个平行的电流方向相反的线圈构成，其中心磁场为0，并向四周不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获10
48、12个原子，捕陷时间长达12min。 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 171我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31玻色爱因斯坦凝聚BEC BEC是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的，但长期未被观察到。这是一种宏观量子现象，指的是宏观数目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长大于粒子的间距。同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们的相互作用很弱而间距较小，因而可
49、能达到凝聚的条件。1995年果真观察到了2000个铷原子在170n K温度下和5个钠原子在2K温度下的玻色-爱因斯坦凝聚。 三、广义相对论与宇宙学三、广义相对论与宇宙学 现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 173我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31人类对宇宙的认识 大尺度范围内物质分布均匀各向同性 宇宙学原理 1011星系=1022太阳= 1052kg 宇宙正在膨胀 哈勃定律 V=Hr 宇宙源于150亿年前的一次大爆炸 大爆炸宇宙现代物理学现代物理学工程技术工程技术P
50、age 174我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31空间尺度：从极小到极大最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子夸克1026 m10-20 m10-10 m100 m1010 m1020 m现代物理学现代物理学工程技术工程技术Page 175我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2022-7-31空间尺度（米）空间尺度（米）实物实物10102626宇宙引力半径宇宙引力半径1