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1、物理学导论物理学导论你现在浏览的是第一页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU什么是物理学什么是物理学?物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。没有物理学，便不会有当今的科学技术！没有物理学，便不会有当今的科学技术！只有通过精心组织只有通过精心组织,才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据的真理才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据的真理,也也和表述才能一样和表述才能一样,将杂乱无章整理得井然有
2、序的才能是一种富有创造性的将杂乱无章整理得井然有序的才能是一种富有创造性的才能才能,也许简直就是同一才能的不同侧面。从原先无数孤立现象的真也许简直就是同一才能的不同侧面。从原先无数孤立现象的真理之中涌现了存在于它们之间关系的真理理之中涌现了存在于它们之间关系的真理:用这种方式一个世界就创造用这种方式一个世界就创造出来了。出来了。Hugo von Hoffmannstahl参考书目参考书目冯端金国钧冯端金国钧 凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社 2003张礼张礼 近代物理学进展（第近代物理学进展（第2版）清华大学出版社版）清华大学出版社 2009你现在浏览的是第
3、二页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU什么是物理学什么是物理学?处在这日益专业化的时代之中处在这日益专业化的时代之中,得以认识到基本物理概念可能应用于得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门的问题一大批看起来五花八门的问题,是令人欣慰的。在理解某一领域所获得是令人欣慰的。在理解某一领域所获得的进展常常可以应用于其它领域的进展常常可以应用于其它领域,这不仅对材料科学的众多领域是确这不仅对材料科学的众多领域是确实
4、的实的,对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证,为理解磁性、为理解磁性、超流动性与超导电性所发展的概念也被推广和应用于多样的领域超流动性与超导电性所发展的概念也被推广和应用于多样的领域,如核物如核物质质,弱与电磁相互作用弱与电磁相互作用,高能物理学中的夸克结构与众多的液晶相。高能物理学中的夸克结构与众多的液晶相。John Bardeen你现在浏览的是第三页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Techno
5、logy,SNNU物质结构的不同层次物质结构的不同层次从原子物理学到原子从原子物理学到原子核物理学核物理学,最终进入粒最终进入粒子物理学子物理学,处处可见还原处处可见还原论的踪迹。论的踪迹。气体、液体与固体都被分气体、液体与固体都被分解为分子或原子的聚集体解为分子或原子的聚集体;原子又被分解为原子核原子又被分解为原子核与电子与电子;原子核被分解为原子核被分解为质子和中子质子和中子;这些再被分这些再被分解为夸克、胶子。在每解为夸克、胶子。在每个还原阶段中呈现为准个还原阶段中呈现为准稳态的粒子稳态的粒子,曾被误认为曾被误认为基本基本粒子。在每一还粒子。在每一还原阶段原阶段,长度的尺寸急剧长度的尺寸
6、急剧缩短而能量的尺度急剧上缩短而能量的尺度急剧上升。升。你现在浏览的是第四页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质结构的不同层次物质结构的不同层次理论方法：理论方法：量子物理、统计物理与经量子物理、统计物理与经典物理典物理凝聚现象凝聚现象：有序化，对称性降低有序化，对称性降低白纸白纸称为无极，画上一个称为无极，画上一个圆圈圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生
7、两仪，一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，你现在浏览的是第五页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质结构的不同层次物质结构的不同层次宇宙学、粒子物理的奇妙衔接宇宙学、粒子物理的奇妙衔接http:/ of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度宇宙年龄：宇宙
8、年龄：130 200亿年亿年 1018 s 星系形成：星系形成：50亿年亿年地球年龄：地球年龄：4.6109 年年=1017 s大气形成：大气形成：8108 年年=1016 s生命的诞生：约生命的诞生：约40亿年亿年脊椎动物：脊椎动物：约约6亿年亿年人类出现人类出现：约约500万年万年地球公转地球公转 3107 s地球自转地球自转 2.6106 s百米跑百米跑 10 s市电周期市电周期 10-2 s中子寿命中子寿命 10-3 s介子寿命介子寿命 10-8 10-17 s中间玻色子寿命中间玻色子寿命 10-24 s你现在浏览的是第七页，共66页CollegeCollege of Physics
9、and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质世界的质量层次物质世界的质量层次1050 s 10-30,共计跨越了共计跨越了80个数量级个数量级 科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。微小粒子组成的。你现在浏览的是第八页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU自
10、然界的基本相互作用自然界的基本相互作用种类种类引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力强力作用对象作用对象所有粒子所有粒子大多数粒子大多数粒子带电粒子带电粒子强子强子作用距离作用距离(cm)10-1010-13相对强度相对强度(10-13 cm)传递作用的传递作用的基本粒子基本粒子引力子？引力子？中间玻色子中间玻色子光子光子()胶子胶子(g)110-3810-13 103的的介介电电材材料料总总伴伴随随着着铁铁电电和和弛弛豫豫行行为为，从从而而使使r敏敏感感于于温温度度的的变变化化，导导 致致 器器 件件 的的 稳稳 定定 性性 降降 低低。图图.弛豫性铁电体的介电温谱弛豫性铁电体的介电温谱2000年
11、年，类类钙钙钛钛矿矿结结构构的的CaCu3Ti4O1 2材材料料高高介介电电、低低损损耗耗、介介电电响响应应的的高高热热、高高频频稳稳定定性性等等良良好好的的性性能能。图图.CCTO试样的介电频谱和温谱试样的介电频谱和温谱良好的综合性能，使其有望良好的综合性能，使其有望在在高密度能量存储高密度能量存储、薄膜器薄膜器件件、高介电电容器高介电电容器等一系列等一系列高新技术领域中获得广泛的高新技术领域中获得广泛的应用。应用。方向方向2 2：巨介电：巨介电CCTOCCTO的研究的研究国家自然基金（国家自然基金（2009-20112009-2011年）年）你现在浏览的是第五十二页，共66页College
12、College of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU工作进展工作进展:A:A位位SrSr取代取代CuCu降介电损耗降介电损耗图图.CaCu3-xSrxTi4O12介电频谱介电频谱总结：总结：Sr与与Ti形成第二相增形成第二相增强了晶界的绝缘性，降低了强了晶界的绝缘性，降低了漏导损耗。漏导损耗。刘鹏，贺颖，李俊，朱刚强，边小兵,物理物理学报学报 56(2007)5489 慕春红，刘 鹏，贺 颖，张 丹，孟 玲，边小兵，物理学报物理学报 2008年第四期 P.Liu
13、,C.H.Mu,Y.He,J.P.Zhou,J.Alloys.Compd.471(2009)137Solid State Ionics206(2009)262近期完成的论文近期完成的论文你现在浏览的是第五十三页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU图图 铁电材料介电偏压曲线铁电材料介电偏压曲线用于集成相控阵天线的铁电体材料研究用于集成相控阵天线的铁电体材料研究十一五军工预研项目十一五军工预研项目E图图5-2 移相器原理示意图
14、移相器原理示意图可调电介质可调电介质微微波波输输入入信信号号微微波波输输出出信信号号金属电极金属电极电电场场方方向向方向方向3 3：移相器：移相器P Liu,J L Ma,et al.,Mater.Chem.Phys.(published)你现在浏览的是第五十四页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU方向方向3 3：反铁电体电学性能与极化弛豫机制：反铁电体电学性能与极化弛豫机制国家基金支持项目，国家基金支持项目，2005-2
15、008年年图2 PLZST反铁电陶瓷在不同偏置电场下的介电温度谱（从上到下频率分别为f=0.1,1,10,100 kHz）完成论文完成论文完成论文完成论文：1.1.偏置电场诱导的偏置电场诱导的PLZSTPLZST反铁电反铁电极化弛豫现象极化弛豫现象 科学通报，科学通报，5353：17551755（20082008）2.2.(Pb(Pb0.940.94LaLa0.040.04)(Zr)(Zr0.55-x0.55-xSn0.45TiSn0.45Tix x)O)O3 3反反铁电陶瓷的电学性能研究铁电陶瓷的电学性能研究 陕西师范大学学报陕西师范大学学报你现在浏览的是第五十五页，共66页CollegeC
16、ollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU高温压电高温压电PbNbPbNb2 2O O6 6基材料：基材料：以上以上3 3个图分别为不同材料在不个图分别为不同材料在不同频率的介电常数随温度变化同频率的介电常数随温度变化的曲线，由图见在室温到的曲线，由图见在室温到400400介电常数随温度变化很小，居介电常数随温度变化很小，居里温度都在里温度都在500500以上，适合以上，适合于高温传感器材料应用于高温传感器材料应用你现在浏览的是第五十六页，共66页Col
17、legeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C的同素异形体的同素异形体金刚石金刚石颜色：常见的为浅黄色、浅黄褐色、颜色：常见的为浅黄色、浅黄褐色、浅黄绿色、褐色，无色浅黄绿色、褐色，无色(浅黄白、浅黄白、白、优白白、优白)占有一定数量，玫瑰占有一定数量，玫瑰色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、茶色十分稀少色、茶色十分稀少硬度：摩氏硬度硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度，新摩氏硬度15熔点：金刚石熔点达熔点：金刚石熔点达40
18、00，在，在空气中燃烧温度为空气中燃烧温度为8501000化学稳定性：化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融的硝酸钠、硝化学稳定性：化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融的硝酸钠、硝酸钾、碳酸钠中溶解。酸钾、碳酸钠中溶解。你现在浏览的是第五十七页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C的同素异形体的同素异形体石墨石墨石墨具有很好的导热和石墨具有很好的导热和导电性能，由于其层状导电性能，由于其层状结构，显示各向
19、异性，结构，显示各向异性，导热、导电性质沿着层导热、导电性质沿着层状网络方向传播得好，状网络方向传播得好，但曾与曾之间不好，网但曾与曾之间不好，网络结构本身很稳定，但络结构本身很稳定，但网之间结合力不强。网之间结合力不强。1）耐高温型：石墨的熔点为耐高温型：石墨的熔点为385050，沸点为，沸点为4250，石墨强度随温度提高而，石墨强度随温度提高而加强，在加强，在2000时，石墨强度提高一倍。时，石墨强度提高一倍。2）导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。铅等金属材料。3）润滑性：润
20、滑性：4）化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。5）可塑性：石墨的韧性好，可年成很薄的薄片。可塑性：石墨的韧性好，可年成很薄的薄片。你现在浏览的是第五十八页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C的同素异形体的同素异形体石墨烯石墨烯(2010年诺贝尔物理年诺贝尔物理奖奖)石墨烯即为石墨烯即为“单层石墨片单层石
21、墨片”一直以来一直以来,科学家们认为科学家们认为,单层的石单层的石墨烯是不可稳定能存在的墨烯是不可稳定能存在的用透明胶将石墨一层一层剥开用透明胶将石墨一层一层剥开石墨烯有特殊的力学性质，当石墨烯有特殊的力学性质，当片状物足够大之后，结构是稳片状物足够大之后，结构是稳定的，而且强度超过单层铁强定的，而且强度超过单层铁强度的一百倍。一张一米见方的度的一百倍。一张一米见方的石墨烯可承重大约石墨烯可承重大约4公斤，也就公斤，也就是说，如果用一米见方的石墨烯是说，如果用一米见方的石墨烯做成吊床，一直猫可以安安稳稳做成吊床，一直猫可以安安稳稳地躺在上面睡觉地躺在上面睡觉石墨烯有着众多的奇特性质石墨烯有着众
22、多的奇特性质,单层的晶体能够稳定单层的晶体能够稳定地存在地存在;石墨烯片层实际上并不是平坦的石墨烯片层实际上并不是平坦的,而是波状的而是波状的;Geim报道称报道称,石墨烯中电子是没有质量的石墨烯中电子是没有质量的,以恒定的以恒定的速率移动速率移动,和光子的行为极为相似和光子的行为极为相似,不管石墨烯中的电不管石墨烯中的电子带有多大的能量子带有多大的能量,电子的运动速率都约是光子运动电子的运动速率都约是光子运动速率的三百分之一速率的三百分之一;半整数半整数量子霍尔效应。石墨量子霍尔效应。石墨烯的电子具有自旋量子特性。烯的电子具有自旋量子特性。你现在浏览的是第五十九页，共66页CollegeCo
23、llege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C的同素异形体的同素异形体碳纳米管碳纳米管(1991年发现年发现)可以看成是由一片石墨烯卷成的无缝管可以看成是由一片石墨烯卷成的无缝管纳米碳管比重只有钢的三分之一，而抗拉强度纳米碳管比重只有钢的三分之一，而抗拉强度可以达到钢的可以达到钢的100倍以上，导电能力是铜的倍以上，导电能力是铜的1000倍以上，且兼具倍以上，且兼具金属金属的的性质与性质与半半导导体体性質，故性質，故应用范围极广应用范围极广分子导线分子导
24、线你现在浏览的是第六十页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C的同素异形体的同素异形体富勒烯富勒烯(1996年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖)看上去是一个看上去是一个“分子足球分子足球”作作“分子滚珠分子滚珠”，制成润滑剂，制成润滑剂你现在浏览的是第六十一页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Inform
25、ation Technology,SNNU准准 晶晶晶体最基本的特点是具有周期性，即具有平移对称性，早在十九晶体最基本的特点是具有周期性，即具有平移对称性，早在十九世纪，德国科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的世纪，德国科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的这一性质，晶体中只存在这一性质，晶体中只存在n=1、2、3、4、6五种旋转对称轴五种旋转对称轴你现在浏览的是第六十二页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SN
26、NU准准 晶晶1974年年R.Penrose用两种菱形单元（用两种菱形单元（72，108）和（）和（36，144），），按照一定的衔接规则就可以实现具有按照一定的衔接规则就可以实现具有5次旋转对称的非周期铺砌。后来次旋转对称的非周期铺砌。后来陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌，如图陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌，如图c的八次的八次对称性和图对称性和图d的十二次对称性。的十二次对称性。你现在浏览的是第六十三页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and
27、 Information Technology,SNNU准准 晶晶基于二维的基于二维的Penrose拼砌，拼砌，Steinhardt实现三维空间的堆砌，他发现利用实现三维空间的堆砌，他发现利用三基矢夹角分别为三基矢夹角分别为63.43和和116.57的两种菱形六面体（如下图所示），可的两种菱形六面体（如下图所示），可以构造出三维的以构造出三维的Penrose准周期结构。准周期结构。你现在浏览的是第六十四页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Techno
28、logy,SNNU准准 晶晶1982年，两位以色列科学家年，两位以色列科学家D.Shechtman和和Blech，无意中在急冷，无意中在急冷Al6Mn合金中发现五次对称衍射图，由于两人的晶体学基础一般，就合金中发现五次对称衍射图，由于两人的晶体学基础一般，就到处请教晶体学专家，专家们认为那不过是晶体学中常见的五次孪晶，到处请教晶体学专家，专家们认为那不过是晶体学中常见的五次孪晶，后来他们又去请教法国后来他们又去请教法国CNRS冶金化学研究所的冶金化学研究所的D.Gratias，由于实验结，由于实验结果与传统晶体学的周期性相矛盾，果与传统晶体学的周期性相矛盾，Gratias认为很难被主流接受发表
29、。认为很难被主流接受发表。1984年秋，年秋，Gratias在加州大学的一次理论物理讨论会中听了在加州大学的一次理论物理讨论会中听了Steinhardt的报告，发现他们关于二十面体理论模型的衍射花样（图的报告，发现他们关于二十面体理论模型的衍射花样（图 1 5a）与）与Shechtman等人的实验结果（图等人的实验结果（图 1 5b）完全一致，两人会后这么一碰，）完全一致，两人会后这么一碰，火花就出来了，他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的火花就出来了，他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的 Physical Review Letters，独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速，独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速度先后发表，从此准晶（度先后发表，从此准晶（Quasicrystal）这个新名称诞生了。）这个新名称诞生了。Shechtman也因为准晶的发现，获得了也因为准晶的发现，获得了2011年度年度Nobel化学奖。化学奖。你现在浏览的是第六十五页，共66页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU你现在浏览的是第六十六页，共66页