物理学专业前沿讲座ppt课件.ppt
2022/11/23,学时：36,物理学讲座,2022/11/23,前言 物理学与核技术 物理学和粒子物理 物理学与宇宙学 物理学和激光技术与工程 物理学与量子技术,内 容,2022/11/23,前 言,技术源于生产活动、生活经验 技术的物质形式：工具,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,2022/11/23,前言,科学知识的源泉：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,2022/11/23,前 言,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、工程技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。,2022/11/23,前言,物理学与科学技术：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明的进程。,2022/11/23,前言,物理学： 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： 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,田湾核电站,2022/11/23,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、X射线、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,1913年玻尔完善原子结构理论:1）定态假设； 2）量子化假设；3）跃迁假设,1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式E=mc2,2022/11/23,原子,原子核+ 核外电子,核衰变,衰变衰变 衰变,一、原子核衰变,2022/11/23,例如，一个铀核衰变成钍核的方程是,衰变： 衰变是指某种原子核（称为母核）因自发放射粒子（ ）而转变成新核（称为子核）的过程。其衰变模式为,特点：1）质量数大于140 2）粒子能量不连续，核内能量量子化,2022/11/23,例如，一个钾核衰变成钙核的方程是, 衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的衰变过程,特点：1）出射电子的能量连续 2）相当于核中的中子转变成质子,2022/11/23,衰变连续能谱,2022/11/23,例如，铊核发生的衰变, 衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而释放出 光子的过程,特点：1）出射光子的能量分立 2）核内部能量非连续,2022/11/23,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)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。,2022/11/23,二、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,2022/11/23,衰变关系,半衰期,衰变规律,总寿命,平均寿命,2022/11/23,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,放射性活度的单位为居里（Ci）,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,2022/11/23,三、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,2022/11/23,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,2022/11/23,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）。,、,2022/11/23,四、原子核的基本性质,1）原子核的电荷 +Ze 天然存在的原子核 Z95 钚 A=241，242，244,2）原子核的质量 一个原子质量单位,2022/11/23,例如，氧核 的质量为 钾核 的质量为 质子和中子的质量可分别表示为 当采用原子质量单位计量时，各原子核的质量都非常接近于整数，因此原子的质量数通常取整数。,2022/11/23,3）原子核的半径 实验表明，原子核的形状大都为球形且没有明显的边界，因而只能用统计意义上的区域半径来表示其尺度大小，即在这个半径以内核物质存在的几率很大，而一旦超过这个半径结果会迅速下降为零。目前，通过电子散射方法测定的核半径与其质量数的立方根成正比,，,2022/11/23,或者说核体积同质量数成正比,例如， 的半径仅有,核物质密度基本保持一致，即有,2022/11/23,4）原子核的自旋 原子核的自旋应当由其内部核子的自旋角动量以及轨道角动量共同组成，是原子核内禀特性的一种直接反映,实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子和中子）的核自旋均为零，而所有奇奇核（拥有奇数个质子和中子）以及所有奇偶核（拥有奇数个核子）的核自旋则分别为整数和半整数。,2022/11/23,5）原子核内的核力 核力是指广泛存在于核子之间，并足以克服库仑斥力而最终促使核子结合成核的吸引作用。这种作用最早出自海森堡提出的粒子交换概念，但它的有效机制是由日本物理学家汤川秀树揭示出来的。1935年汤川秀树指出，核力在本质上是一种介子（因质量介于电子与质子之间而得名）交换作用，其交换力程为,2022/11/23,力程应当等于,介子有三种带电状态，即带有正电 和负电的 以及不带电的介子的,2022/11/23,核子交换介子的作用图像,2022/11/23,核力的基本特征：（1）属于强作用，是电磁作用强度的100多倍；（2）为短程力，其有效力程大约仅有 ；（2）与电荷无关，即不同核子间的核力基本相同，从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发生核力作用，因为如果假定不是这样，那么质量数越大的核，其核力作用也会越强，结果就必然导致核密度的增加。,2022/11/23,5）原子核的结合能 实验表明，所有原子核（除氕核外）的质量总要略小于其内部核子的质量之和，即,从而造成所谓的质量亏损,2022/11/23,亏损质量对应着相对论能量,例如，氘核的质量其质量亏损是,对应的结合能,2022/11/23,平均结合能比结合能 代表了拆散原子核时所必须对每个核子付出的能量,拥有更大比结合能的原子核其状态会更加稳定；反之，则稳定性较差,2022/11/23,比结合能随质量数的分布曲线,2022/11/23,一些核素的结合能和比结合能（单位 ）,2022/11/23,1核反应分类 本质上,核反应是一种受激衰变过程，要促使一个原子核发生反应，就必须用其他核或粒子去尽可能地接近它，以便在核力作用范围内引起其内部结构的扰动。例如，历史上第一个人工核反应(1919年卢瑟福),五、原子核反应,第一个在加速器上实现的核反应,2022/11/23,目前，人们掌握和认识的核反应已经达到上千种，并且这些反应可以一般地写作如下形式 A+a=B+b A、a分别表示靶核和入射粒子，B、b分别代表剩余核和出射粒子。,2022/11/23,核反应总体上可按如下几个标准划分 1）靶核质量标准 依据靶核质量数A的大小对核反应进行分类，也即以 、 和 三个区间段，将核反应区分为轻核反应、中等核反应与重核反应。 2)入射粒子能量标准 如果以入射粒子的能量水平为区分，核反应的表现大致不外乎低能、中能以及高能反应等三种类型。,2022/11/23,其中，入射粒子能量在140Mev之下的为低能核反应，它最多仅能产生3至4个出射粒子，而能量在140MeV到1Gev之间的中能核反应则可以使靶核散裂成许多碎片，唯有能量达到1GeV之上的高能核反应，才有机会产生出质量更大的介子。 3) 入射粒子类型标准 从入射粒子的种类入手，人们通常会将核反应划分为中子核反应、带电粒子核反应，以及光核反应等基本类型，它们分别对应着入射粒子为中子、带电粒子和光子的核反应。此外，如果以出入射粒子的相同与否相区分，则核反应还会表现为散射与转变过程。,2022/11/23,2.原子核的裂变与聚变 *反应能 Q0，Q0的反应分别称为放能与吸能反应，其中而人们最关注的是原子核的裂变与聚变反应。 1）核裂变 从概念上讲，核裂变是指一个重核分裂为若干中等质量核的过程，它包括自发裂变与诱发裂变两种类型。,2022/11/23,其中，自发裂变意指原子核在未受其他粒子轰击是所自发产生的裂变，而诱发裂变则对应着重核在遭受外部轰击下所进行的裂变反应。由于中等核的比结合能比重核要大，结果使得裂变过程不仅能够产生能量，同时还表现出了惊人的产能效率。例如，一次裂变所释放出的能量可以高达百兆电子伏以上，为化学反应产能率的上千万倍。 1938年哈恩和史特斯曼发现中子轰击铀核的裂变现象,2022/11/23,意大利物理学家费米敏锐地注意到这一反应的价值，他进而推测指出，如果在裂变的产物中出现中子，那它就有可能诱发出新的反应，从而使整个反应以连锁形式不断进行，直至在反应进程及能量释放方面出现一种可怕的失控状态核爆炸。,2022/11/23,2022/11/23,2）核聚变 与裂变反应的方向相反，在自然界中还存在着一种由轻原子核聚合成较重原子核的核聚变反应，简称核聚变。在聚变过程中，由于参与反应的轻微原子核拥有更小的比结合能，因此当它们聚合生成较重原子核时就会释放出更大的能量。 典型反应例如,2022/11/23,等价于目前实现聚变反应的方式有引力约束、磁约束与惯性约束机制,2022/11/23,被寄予厚望的磁约束聚变反应装置托克马克环流器（Tokamak）,2022/11/23,惯性约束机制,2022/11/23,对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合能随原子量变化的规律：一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；某些轻核聚合成重核时将释放比前者大4倍以上的能量；E= MC2 M-质量亏损。,原子核物理学的新发现是核技术的基础与先导,2022/11/23,原子核物理的发现，奠定了裂变核能与聚变核能应用的基础。核能应用的实现还必须进一步解决一系列应用物理学和工程技术上的问题。,原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导,E=MC2,2022/11/23,核武器与核能,1) 核裂变能（原子能）被用来制造原子弹时，必须突破诸多的关键问题： 可裂变材料的选取和制备；确定实现链式裂变反应所必须的裂变物质的最小体积（临界体积）或临界质量；达到临界与裂变点火的技术途径；,2022/11/23,核武器与核能,高能炸药研究，爆轰物理规律及其精确的时空控制；将流体力学，中子核物理等耦合在一起的全过程数值模拟，整套物理参数；核部件与非核部件的加工，材料相容性研究及结构工程设计；核试验的方法，核试验诊断理论与测试技术等。,2022/11/23,核武器与核能,2) 核聚变放能是氢弹的物理基础。制造氢弹必须创造性地解决一系列问题：必要的热核燃料（如氘和氚或锂等）的制备；如何利用原子弹爆炸的能量产生高温、高压来点燃聚变材料，并使之自持燃烧；,氢弹,2022/11/23,核武器与核能,掌握辐射输运的规律、辐射流体力学及高温高密度等离子体物理、状态方程、高剥离度原子参数；利用适当的材料和巧妙的构形实现热核爆炸；特殊效应的核武器（如中子弹等）还需进行特殊的设计等。,2022/11/23,核武器与核能,问题的解决是物理工作和工程技术紧密交叉结合的过程：如,核爆炸的物理诊断学，就是为了弄清核武器爆炸后快速而复杂的物理过程、各种物理量随时、空的变化规律，从而做到不仅知其然，而且知其所以然。有意思的是，几个核国家突破氢弹的工作是 “英雄所见略同”。,两个太阳,2022/11/23,核武器与核能,3）明智的人类把核能用于和平目的，作为洁净的能源。基于核裂变反应堆的核电站由核岛和常规岛构成在核岛内要使核能以可控的、安全的、长期持续的形式释放出来；通过常规岛转换成电能供人使用。,2022/11/23,核武器与核能,在核燃料的选择、制备、控制方法、结构和安全设计等方面需解决一系列的工程、技术问题。,2022/11/23,核武器与核能,基于核聚变反应堆的聚变电站是解决人类未来能源问题的一个希望。要实现热核燃料的“点火”，并有净能量输出；必须控制热核聚变反应的速率；是一项有难度的大科学工程；目前处于前期实验研究阶段。,2022/11/23,核工程技术的发展深化着物理学的研究,核爆炸的物理环境：瞬时的快变的高温高密度等离子体和混合辐射场。揭示了高温高密度等离子体的某些特有规律，如非平衡燃烧需用“三温方程”描述。辐射场本身也可能是非平衡的。,2022/11/23,核工程技术的发展深化着物理学的研究,再如，一般情况下，可用线性的波尔兹曼方程来描述中子输运过程；但在发生剧烈热核聚变的区域和时间内，中子之间的碰撞已不可忽略，于是提出了非线性中子输运方程及其解法。,2022/11/23,核武器物理和工程发展的过程中，形成了一个新兴的交叉学科高能量密度物理学。广义地，“高能量密度”是指能量超过1011J/m3，或压力超过1兆巴，温度超过400ev，电磁波强度超过31015w/cm2的物质状态；在核武器物理领域，“高能量密度”特指温度超过103ev，压力超过107atm，高密度的物质状态。,核工程技术的发展深化着物理学的研究,2022/11/23,核工程技术的发展深化着物理学的研究,进行高能量密度物理研究的装置包括：激光惯性约束聚变装置基于脉冲功率技术的Z箍缩装置长脉冲（s）功率装置 （如美国 的Atlas）等,神光II装置,2022/11/23,核技术的发展深化着物理学的研究,研究的内容包括：材料特性可压缩流体动力学辐射流体动力学核聚变物理天体物理等。,是以大科学工程为手段研究基础物理学,2022/11/23,核工程技术的发展深化着物理学的研究,可 见： 物理学引领工程技术,生产力,反哺物理学,工程技术,2022/11/23,一、原子核的基本性质,1.原子核的电荷 莫塞莱（H.G.J.Moseley）定律,X射线的特征频率v,2.原子核的质量 A=Z+N,3.原子核的半径1）核力作用半径 2）电荷分布半径,2022/11/23,4.原子核的自旋与磁矩,5.原子核的结合能,6.原子核的比结合能,2022/11/23,比结合能曲线,2022/11/23,强相互作用力 2103牛顿 短程力 1fm 具有饱和性的交换力 介子与电荷无关 与自旋有关 自旋平行力大于反平行,二、核力,三、核模型,液滴模型壳模型集体模型 既考虑核子的独立运动，又考虑形变、转动、振动等集体运动,2022/11/23,四、原子核的衰变及衰变规律,衰变 衰变衰变,2022/11/23,二、粒子物理和粒子探测,2022/11/23,基本粒子的发现,电子 e-光子质子p他质量Q=+1,mp =938.3MeV 中子n质量Q=0, mn =939.6MeV,2022/11/23,Dirac理论,1928年相对论量子力学,2022/11/23,正电子的发现,1932年美国物理学家安德森发现高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一个电子和一个质量与之相同且带单位正电荷的粒子 正电子,2022/11/23,狄拉克理论的意义,提出狄拉克海概念，使人们重新评价真空真空不空不仅电子有反粒子，一切基本粒子都有其反粒子。科学实验进一步证实了这个想法，从1953年起人们又陆续发现了反质子、反中子、反介子等一系列反粒子。正粒子与反粒子具有相同的质量、自旋、寿命以及相反的电荷和磁矩等。按照正反物质对称的观点，人们相信，在自然界中必然会存在反原子、反物质、反天体，乃至反物质世界。,2022/11/23,粒子的内禀属性,全同性：粒子所表现出的一个最基本的特征就是全同性 质量 不同种粒子之间的差别主要反映在粒子的运动性质和相互作用性质的不同，并通过一些特征物理量体现出来。所有粒子都有其自身确定的质量，并与运动速度有关（例如最重的Z0粒子，质量为m=91.1882 GeV，约为电子的178451倍）,2022/11/23,寿命与宽度 许多粒子都不稳定，从而表现出一定的寿命(如z =2.64310-25s)，并且与粒子质量分布宽度之间满足如下关系 其中粒子衰变规律为电荷 电荷量子化 ，其精度范围 1931年狄拉克指出存在磁单极g,2022/11/23,自旋 所有粒子都有确定的自旋角动量，称为粒子的自旋。粒子自旋角动量可以由一个自旋量子数S来表示，其大小等于 按照自旋可以将粒子分成两类：一类是自旋量子数取整数（即s=0,1,2）的玻色子；另一类是自旋量子数取半整数奇数倍（即s=1/2,3/2,5/3）的费米子 同位旋 1932年海森堡提出同位旋概念，认为与电子自旋的空间取向相似，中子与质子也完全能够视为是同一粒子的两种取向状态，只不过这种取向不是发生在常规的空间，而是在一种抽象的同位旋空间 。同位旋概念与自旋概念的相似性，不仅表现在它们具有完全相同的数学结构，而且也体现出相同守恒律，即同位旋守恒,2022/11/23,和角动量守恒，并且拥有相同的数学表述。在同位旋空间中，同位旋矢量的取向是量子化的, 其量子数常以I表示,2022/11/23,基本相互作用,对自然界各种作用过程的归纳与总结揭示出四种基本相互作用：引力作用、电磁作用、强作用以及弱作用。它们是造成自然界一切现象的根源，并且在不同空间范围内发挥作用。具体地说，引力和电磁作用是遵循平方反比规律的长程力，而强作用和弱作用则属于衰减更快的短程力。正因为存在力程上的差别，人们很早就认识到引力作用与电磁作用的存在，但强作用和弱作用只是在原子核物理发展之后才逐步被揭示出来。,2022/11/23,1）引力作用 引力作用是存在于一切物体之间的一种长程吸引作用，也是目前已知四种作用中最弱的一种作用。在1687年牛顿在其出版的自然哲学之数学原理一书中就已经明确提出了万有引力概念。牛顿引力理论虽然完成了运动在宏观世界的统一，但它割裂了时间和空间的本质联系。只有等到时空一体的概念确立之后，爱因斯坦才从广义相对论的等效原理出发，进一步阐明了引力作用在本质上的几何意义。,2022/11/23,2）电磁作用 作为一种带电粒子间的长程作用，电磁作用不仅普遍存在于宏观范围，而且在微观领域也同样占有主导地位。例如，原子就是由电子与原子核结合成的电磁作用系统，而就其本质而言，人们司空见惯的诸如摩擦力、弹力，以及流体的压力与浮力等相互作用力，也无一不是源于物体内部分子间的电磁作用。并且可以毫不夸张地说，电磁作用其实还是人们目前认识得最为深刻和应用最为广泛的一种作用。,2022/11/23,3）强作用 正如我们此前已经指出的那样，强作用被认为是将中子和质子束缚组成原子核的力，这种力不但具有作用强度大和作用力程短的特点，同时还表现出了趋向平衡的性质。这就是，在平衡距离以外强作用将以吸引为主，但在小距离处则会转化为排斥趋势。,2022/11/23,4）弱作用 弱作用比强作用更弱，力程也更短，大约只有110-17m。弱作用的存在主要是制约衰变等一类放射性过程，例如诱发中子衰变的力量就是源于弱作用的结果。,2022/11/23,四种基本相互作用的特征比较,2022/11/23,自然界中的四种基本相互作用，这些作用最终被归结为一种所谓的粒子交换机制。其中，不同相互作用的区别就在于交换粒子的性质不同，以及参与作用的粒子释放和吸收媒介粒子的能力不同。 相互作用虽然在性质上表现出了巨大差异，但它们都有一个共同点，就是需要通过各自不同的媒介粒子场来实现力的传递，并且通过场论机制而逐步走向统一。,2022/11/23,粒子发现,主要从宇宙射线以及加速粒子中寻找更多新粒子，直接导致了20世纪中后期一个粒子大发现。总结起来，尽管粒子在性质上表现得千差万别，但从它们发生碰撞的碎片来看可大致划分为三种类型：1）重子包括质子和中子在内的一类质量更重的费米子；2）介子包括介子在内的一类质量介于电子与质子之间的玻色子，由于介子和重子都能参与强作用，故而合称为强子；3）轻子包括电子在内的一类质量较轻且不参与强作用的费米子。,2022/11/23,粒子的角动量分类,2022/11/23,角动量的空间量子化,2022/11/23,量子排斥效应,2022/11/23,部分粒子实例,2022/11/23,典型粒子的发现 1）正电子 安德森1932,2022/11/23,正电子的产生图像,2022/11/23,1930赵忠尧研究高能射线2.6MeV的吸收规律，发现反常吸收，同时放出0.5MeV的各向同性的光子辐射赵忠尧辐射,2022/11/23,2) 介子 质量是电子的二三百倍，要产生介子需要几百MeV的能量，当时的粒子加速条件只能从宇宙射线（高能质子、粒子、电子与各种原子核）中寻找，因为宇宙线在与大气分子碰撞过程可以产生出介子。1937年，安德森发现质量为电子207倍子，有两种带电状态，即 = ？ 与物质的作用非常弱，很相电子，并且衰变,2022/11/23,子衰变其平均寿命1948年，张文裕发现， 子可以取得原子中的电子而形成原子，被原子核内的质子吸收（称K吸收）后转化为中子,2022/11/23,并释放出一个中微子由于原子中子更靠近核，以致形成屏蔽，容易发生聚变冷聚变该反应形成的径迹是,2022/11/23,2022/11/23,2022/11/23,子不是介子，而是介子的衰变产物 1947年，鲍威尔用气球将设备送到高空去纪录宇宙线，发现 介子，寿命为几乎与发现 同时人们又发现了 寿命为,2022/11/23,中微子衰变,2022/11/23,镍的衰变,2022/11/23,1942年，王淦昌设想用能动量关系验证中微子的存在，因不衰变为三提衰变，不宜确定，只能采用K俘获,2022/11/23,王淦昌建议用Be做实验，同年阿伦完成实验，证明失去的动量和能量刚好符合中微子的要求，是显示中微子存在的第一个实验。1956年，柯温和莱茵斯用200公升水和370加仑的液体闪烁体在核反应堆附近找到中微子存在的直接证据，其探测原理是：当反中微子与水中质子碰撞时会发生反应,2022/11/23,由此放出的正电子经过减速与电子湮灭，并转化为光子。这些光子射入闪烁体后会产生相应的符合信号两个闪烁同时记录到光子信号。同时，作为反应产物的中子也会经多次碰撞被水中掺入的镉(Cd)原子核吸收，直至最终产生若干光子，它们会再进入闪烁体，从而性成一种延迟信号，据此证明水中的确发生了上述反应过程,2022/11/23,2022/11/23,2022/11/23,其他量子数重子数B 中子、质子带有重子数，重子数守恒 轻子数L 电子、中微子带有轻子数，轻子数守恒奇异 数S 指K介子、超子、超子和超子等。奇异粒子有以下特征：一是产生迅速，衰变缓慢，如产生的时间为10-24s，而平均寿命则是10-10s，相差14个量级；二是协同产生，独立衰变，如K+介子和超子通过粒子反应过程 独立衰变,2022/11/23,1953年，美国物理学家盖耳曼引入奇异数 奇异数守恒,2022/11/23,第一代基本粒子,2022/11/23,第一、二代基本粒子,2022/11/23,强子性质,2022/11/23,轻子家族,2022/11/23,轻子的性质,2022/11/23,强子,一切参与强相互作用的粒子，称为强子。强子又可分为两类：一类是自旋为的整数倍的粒子，称为介子，包括带正、负电荷和中性的介子，带正、负电荷和中性的介子以及介子；另一类是自旋为的半整数倍的粒子，称为重子，重子又分为核子（如质子和中子）和超子（粒子的静止质量大于质子，如 等超子）。到目前为止，没有发现轻子有任何结构。,2022/11/23,强子的夸克模型,夸克是组成强子的基本单元，其性质可概括如下1)夸克是自旋为1/2的费米子2) 夸克有红(R)、绿(G)、蓝(B)三色标志，即携带三种色荷 3) 夸克分上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)、底(b)六种味态 4) 重子由三个夸克组成，可以写作qqq，其中每个夸克的重子数是1/3，反夸克为-1/3 例如，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，p=(uud)；中子由两个下夸克和一个上夸克组成，n=(udd) ,2022/11/23,5）介子由夸克和反夸克组成，即 ，例如 介子由一个上夸克和一个反下夸克组 由于正反夸克可以湮没，因而这也正好可以说明自然界中为什么不存在稳定介子态的基本事实6）每一种夸克都对应着一种反夸克，所以总夸克数是36。夸克通过色作用结合在一起，其媒介粒子是胶子，胶子共有八种,2022/11/23,夸克的基本性质,2022/11/23,粒子的分类,1）轻子： 61+61=122）夸克 ：63+63=363）规范粒子 :光子 1 中间玻色子、Z 3 胶子g 8 引力子g 1基本粒子总数：12+36+13=61,2022/11/23,基本相互作用,在自然界中的基本相互作用有四种，即电磁作用、弱作用、强作用和引力作用。依据相对论量子理论的观点，粒子之间所存在的相互作用是通过交换媒介粒子来实现的,2022/11/23,相互作用的场论图像,二、激光原来与技术,激光加工设备,2022/11/23,光物理的基础研究孕育了激光器的诞生,19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究,1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性,1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,1900年普朗克引入的能量量子的概念,基础性、探索性研究,2022/11/23,光物理的基础研究孕育了激光器的诞生,激光走向新技术的开发和工程应用阶段,1954年研制成第一台微波激射器,1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计,1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。,我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功,2022/11/23,一、激光原理,1）激光产生的物理基础 *原子能级间的跃迁通常伴随辐射和吸收，即1.自发辐射 2.受激辐射 3.受激吸收,2022/11/23,粒子数正常分布与反转分布分布数分布数比 E=1eV，T=300K *通过光照、放电激励实现粒子数反转 N2N1,2022/11/23,四能级结构存在亚稳态 激励频率连锁辐射频率,2022/11/23,*光学谐振腔,2022/11/23,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：,2022/11/23,四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器气体激光器（CO2激光、氦氖激光）,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,2022/11/23,准分子激光器自由电子激光器x射线激光器金属蒸气激光器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,铜蒸气激光,2022/11/23,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,2022/11/23,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。,2022/11/23,2022/11/23,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,2022/11/23,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,2022/11/23,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、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,2022/11/23,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）短至x射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；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,2022/11/23,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、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。,可擦除小型光盘的刻录母盘,2022/11/23, 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做精密的医疗手术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,2022/11/23, 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光通讯激光制导与测距高能强激光武器激光雷达激光陀螺,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,ABL,ABL,2022/11/23,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,2022/11/23,激光制导与测距,2022/11/23,激光测距,2022/11/23,激光武器,2022/11/23,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：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：受激拉曼散射自聚焦热晕光学和频与倍频相干瞬态光学效应等,2022/11/23,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,非线性光学材料及非线性光学效应的几种应用：扩展激光的波长范围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用的手段；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。,2022/11/23,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；1995年人们利用激光冷却的办法，在实验室实现了爱因斯坦1926年预言的Bose-Einstein凝聚；,Bose-Einstein凝聚态,2022/11/23,激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中，发挥了巨大的推动作用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,2022/11/23,三、量子技术及应用,2022/11/23,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,2022/11/23,2022/11/23,2）量子运动图像 由薛定谔方程支配,2022/11/23,势函数,运动模式,2022/11/23,量子隧穿,隧穿系数,2022/11/23,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,2022/11/23,由量子力学可得隧道电流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。,2022/11/23,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，精度0.10.01 nm（纳米）,2022/11/23,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。,2022/11/23,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。,2022/11/23,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。,2022/11/23,2022/11/23,STM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。,2022/11/23,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。,2022/11/23,AFM结构示意图,2022/11/23,光子扫描隧道显微镜 PSTM -photon scanning tunnelling 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。,2022/11/23,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”分子生物学、高分子聚合物,2022/11/23,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,2022/11/23,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。,2022/11/23,三维激光冷却,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。,2022/11/23,三维光阱与铷原子团发光照片,2022/11/23,原子阱技术,原子阱由
