1、1大學物理拓展大學物理拓展 2激光、超導、半導體、激光、超導、半導體、等離子體、凝聚態物質等離子體、凝聚態物質3思考題思考題激光激光2、什么是粒子數的反轉分布？二能級、什么是粒子數的反轉分布？二能級系統的工作物質能否實現粒子數反轉系統的工作物質能否實現粒子數反轉分布？為什么？分布？為什么？1、紅寶石激光器中，當鉻離子在兩能級、紅寶石激光器中，當鉻離子在兩能級間躍遷時發射波長為間躍遷時發射波長為694.3nm的激光，試的激光，試計算當溫度為計算當溫度為300K時，在熱平衡條件下時，在熱平衡條件下處于該兩能級上的離子數的比值。處于該兩能級上的離子數的比值。4思考題 3 3、什么是激光產生的必要條件

2、和閾值條、什么是激光產生的必要條件和閾值條件？件？ 4 4、什么是激光器的模式？如何定義橫模、什么是激光器的模式？如何定義橫模、縱模的？縱模的？ 5 5、試說明激光多普勒冷卻的基本原理。、試說明激光多普勒冷卻的基本原理。5 普通光源普通光源-自發輻射自發輻射 激光光源激光光源-受激輻射受激輻射 激光又名鐳射激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“輻射的受激發射光放大輻射的受激發射光放大”。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation61 粒子數按能級的統計分布粒子數按能級的統計分布 原子的激發原子的激發 由大量原子

3、組成的系統，在溫度由大量原子組成的系統，在溫度不太低不太低的的 平衡態，原子數目按能級的分布服從平衡態，原子數目按能級的分布服從 玻耳茲曼玻耳茲曼統計分布：統計分布： E1E2kTEnneN 7 若若 E2 E 1，則兩能級上的原子數目之比，則兩能級上的原子數目之比 11212 kTEEeNN 數量級估計：數量級估計：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;10860112 51012.kTEEeeNN 但是，要產生激光必須使原子激發，并但是，要產生激光必須使原子激發，并要求要求粒子數反轉分布，粒子數反轉分布，即即 N2 N181 自發輻射自發輻射

4、原子在沒有外界干預的情況下，電子原子在沒有外界干預的情況下，電子會由處于激發態的高能級會由處于激發態的高能級 自動躍遷到低自動躍遷到低能級能級 ，這種躍遷稱為自發躍遷，這種躍遷稱為自發躍遷. 由自發由自發躍遷而引起的光輻射稱為自發輻射躍遷而引起的光輻射稱為自發輻射.2E1EhEE12 2 自發輻射自發輻射 受激輻射和吸收受激輻射和吸收.1E2E發光前發光前.。2E1Eh發光后發光后9 設設 N1 、N2 單位體積中處于單位體積中處于E1 、E2 能級的原子數。能級的原子數。 單位體積中單位時間內，單位體積中單位時間內， 從從E2 E1自發輻射的原子數：自發輻射的原子數： 2NdtdN 自發自發

5、21E2E1N2N1h Einstein 對自發輻射的處理：對自發輻射的處理：10寫成等式寫成等式 22121NAdtdN 自發自發 21 自發輻射系數，單個原子在單位自發輻射系數，單個原子在單位 時間內發生自發輻射過程的概率。時間內發生自發輻射過程的概率。 各原子自發輻射的光是獨立的、各原子自發輻射的光是獨立的、 無關的無關的 非相干光非相干光 。112 受激輻射受激輻射 由受激輻射得到的放大了的光是相干由受激輻射得到的放大了的光是相干光，稱之為激光光，稱之為激光. 原子中處于高能級原子中處于高能級 的電子，會在外的電子，會在外來光子來光子 ( (其頻率恰好滿足其頻率恰好滿足 ) ) 的的誘

6、發下向低能級誘發下向低能級 躍遷，并發出與外來光躍遷，并發出與外來光子一樣特征的光子，這叫受激輻射子一樣特征的光子，這叫受激輻射.2E1E12EEh12.1E2E.。2E1E 發光前發光前 發光后發光后hhh 受激輻射的光放受激輻射的光放 大示意圖大示意圖受激輻射受激輻射受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同相位及傳播方向均相同 -有光的放大作用。有光的放大作用。13E2E1N2N1全同光子全同光子h 設設 （ 、） 溫度為溫度為時時, 頻率在頻率在 = (E2 - E1) / h 附近，單位頻率間隔內附近，單位頻率間隔內的的外來光外來光的

7、能量密度。的能量密度。h 14 單位體積中單位時間內，從單位體積中單位時間內，從E E 受激輻射的原子數：受激輻射的原子數：2N)T(dtdN、受激受激 21寫成等式寫成等式 221NTBdtdN、受激受激 21 B21受激輻射系數受激輻射系數15W21 單個原子在單位時間內發生單個原子在單位時間內發生 受激輻射過程的概率。受激輻射過程的概率。221NWdtdN21 受激受激則則令令 W21 = B21 （ 、T）16三三 . 吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外來光也有可能被吸收，使原子上述外來光也有可能被吸收，使原子 從從E1E2。單位體積中單位時間內因吸單位體積中單

8、位時間內因吸收外來光而從收外來光而從 E1E2 的原子數：的原子數： 112NT,dtdN 吸收吸收17寫成等式寫成等式11212NWdtdN 吸收吸收 B12 吸收系數吸收系數令令 W12=12 ( 、T) W12 單個原子在單位時間內發生單個原子在單位時間內發生 吸收過程的概率。吸收過程的概率。 11212NT,BdtdN 吸收吸收18A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數。稱為愛因斯坦系數。 愛因斯坦借助于物體與輻射場間的平衡的愛因斯坦借助于物體與輻射場間的平衡的熱力學關系，在熱力學關系，在 1917年得出年得出1233218BChA 愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代愛因斯坦的受激

9、輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎。初實驗上獲得激光奠定了理論基礎。B21 = B12193 粒子數反轉粒子數反轉(population inversion)一一. 能夠產生激光必須要求粒子數反轉能夠產生激光必須要求粒子數反轉 表明表明 ，處于低能級的電子數大于，處于低能級的電子數大于高能級的電子數，高能級的電子數， 這種分布叫做粒子數的這種分布叫做粒子數的正常分布正常分布.jiNN ijEE 已知已知kTEnneN 叫做粒子數布居反轉，簡稱叫做粒子數布居反轉，簡稱粒子數反轉粒子數反轉或稱布居反轉或稱布居反轉.ijNN 20粒子數的正常分布粒子數的正常分布iEjE. .。 。iN

10、jNijEE 粒子數反轉分布粒子數反轉分布jEiE.。 。jNiNijEE 粒子數正常分布和粒子數布居反轉分布粒子數正常分布和粒子數布居反轉分布21從從E2 E1 自發輻射的光，可能引起自發輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。受激輻射過程，也可能引起吸收過程。能夠產生激光要求能夠產生激光要求吸收吸收受激受激 dtdNdtdN122122 N2 N1（ 粒子數反轉）粒子數反轉） B21=B12W21=W12 22122121NWNT,BdtdN 受激受激 11211212NWNT,BdtdN 吸收吸收吸收吸收受激受激 dtdNdtdN1221由由可得可得23粒子數反轉狀態粒子數反

11、轉狀態E1E2怎樣才能實現粒子數反轉呢？怎樣才能實現粒子數反轉呢？1）提供足夠的能量；）提供足夠的能量；2）原子在激發態多）原子在激發態多“呆呆” 一會；一會；3）減小損失，不斷放）減小損失，不斷放 大。大。24 實現原子系統粒子數反轉并產生受激幅射光實現原子系統粒子數反轉并產生受激幅射光放大的條件放大的條件 （ 即：即：激光產生的必要條件激光產生的必要條件）有足夠的能量輸入系統有足夠的能量輸入系統-激勵源激勵源要有能級合適的工作物質要有能級合適的工作物質要有一個能使受激幅射和光放大過程要有一個能使受激幅射和光放大過程持續的光學諧振腔。持續的光學諧振腔。25有足夠的能量輸入系統有足夠的能量輸入

12、系統-激勵源激勵源激勵激勵-從外界吸收能量，使原子系統的原子從外界吸收能量，使原子系統的原子不斷從低能態躍遷到高能態能級以實現粒子不斷從低能態躍遷到高能態能級以實現粒子數反轉的過程（又稱數反轉的過程（又稱“激發激發”、“抽運抽運” 或或 “泵浦泵浦”）。）。 A）光泵抽運）光泵抽運如紅寶石激光器如紅寶石激光器B）電子碰撞）電子碰撞如氬離子激光器如氬離子激光器C）化學反應）化學反應 如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。D）共振轉移）共振轉移 如如He-Ne激光器激光器 。26要有能級合適的工作物質要有能級合適的工作物質產生激光的原子系統稱為產生激光的原子系統稱為“工作物質工作物質”所謂能級合適是

13、指存在所謂能級合適是指存在“亞穩態能級亞穩態能級”，即存在激，即存在激發態壽命發態壽命 =10-3秒左右的能級（一般原子系統的秒左右的能級（一般原子系統的激發態壽命只有激發態壽命只有10-8秒）秒）E1E3E2激激發發能能量量亞穩態能級亞穩態能級27二粒子數反轉舉例二粒子數反轉舉例 1、二能級系統的分析、二能級系統的分析 對二能級系統，在泵浦光的照射下，處于對二能級系統，在泵浦光的照射下，處于能級能級E1上的粒子吸收入射光子的能量被激發到上的粒子吸收入射光子的能量被激發到能級能級E2，使能級，使能級E2的粒子數增加的粒子數增加-受激吸收。受激吸收。 在泵浦光的照射下，同時也發生受激輻射在泵浦光

14、的照射下，同時也發生受激輻射過程。過程。開始時，因為開始時，因為，受激吸收過程占優勢。，受激吸收過程占優勢。21NN 但當能級但當能級E2上的粒子數增加后，受激輻射過程加強，上的粒子數增加后，受激輻射過程加強，這時這時N2的增加變得緩慢。的增加變得緩慢。這樣，即使泵浦光十分強，至多只能達到這樣，即使泵浦光十分強，至多只能達到21NN 因此對二能級系統，用光泵法不可能實現粒子數因此對二能級系統，用光泵法不可能實現粒子數反轉。反轉。282、He Ne 氣體激光器的粒子數反轉氣體激光器的粒子數反轉 He -Ne 激光器中激光器中He是輔助物質，是輔助物質，Ne是是激活物質激活物質，He與與 Ne 之

15、比為之比為51 1011。29亞穩態亞穩態 電子碰撞電子碰撞 碰撞轉移碰撞轉移 亞穩態亞穩態30He-Ne 激光管的工作原理激光管的工作原理 由于由于電子的碰撞電子的碰撞, ,He被被激發激發( (到到2 23 3S和和2 21 1S能級能級) )的的概率比概率比 Ne 原子被激發的原子被激發的概率大。概率大。 He 的的2 23 3S，2 21 1S這兩個能級都是亞穩態，這兩個能級都是亞穩態，集集聚了較多的原子。聚了較多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S與與 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產

16、生能量的非常容易產生能量的“共振轉移共振轉移”；He 把能把能量傳遞給量傳遞給Ne而回到基態，而而回到基態，而 Ne則被激發到則被激發到 5 5S 或或 4 4S態。態。 31 正好正好Ne的的5 5S，4 4S也也是是亞穩態，下能級亞穩態，下能級 4 4P，3 3P 的壽命比上能級的壽命比上能級5 5S，4 4S要短得多要短得多，這樣就可，這樣就可以形成粒子數的反轉。以形成粒子數的反轉。要產生激光，除了增加上能級的粒子數外，要產生激光，除了增加上能級的粒子數外， 還要設法減少下能級的粒子數還要設法減少下能級的粒子數32 放電管做得比較細放電管做得比較細（毛（毛細管）細管），可使原子與管壁，可

17、使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 3 S態的態的Ne原子可以將能量原子可以將能量交給管壁發生交給管壁發生“無輻射躍無輻射躍遷遷”而回到基態。而回到基態。 這樣可及時減少這樣可及時減少3 3S態的態的Ne原子數，有利于原子數，有利于Ne原子的原子的下能級下能級4 4P與與3 3P態的態的“抽空抽空”。334 增益系數增益系數激光器內受激輻射光激光器內受激輻射光來回傳播時，并存著來回傳播時，并存著 增益增益光的放大；光的放大；損耗損耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射鏡處必要（包括一端的部分反射鏡處必要 的激光輸出）等。的激光輸

18、出）等。激光形成階段：增益損耗激光形成階段：增益損耗激光穩定階段：增益損耗激光穩定階段：增益損耗增益增益損耗損耗34 一激光在工作物質內傳播時的凈增益一激光在工作物質內傳播時的凈增益 設設0處，光強為處，光強為I0 I +dx I + d I 有有 d I Idx 寫成等式寫成等式 d I = G I dx 其中，其中，G為增益系數為增益系數 (gain coefficient)35 即單位長度上光強增加的比例。即單位長度上光強增加的比例。IdxdIG 一般一般G不是常數。不是常數。為簡單起見，先近似地為簡單起見，先近似地認為認為G是常數。是常數。 x0II0IdIGdx0IIlnGx Gx0

19、eII 增益系數增益系數36 二二 . 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗考慮激光在兩端反射鏡處的損耗 I0 激光從左反射鏡出發時的光強。激光從左反射鏡出發時的光強。 I1 經過工作物質后，經過工作物質后，被右反射鏡反射被右反射鏡反射 出發時的光強。出發時的光強。I0 輸出輸出全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡I11R2RLI2 再經過工作物質，再經過工作物質，并被左反射鏡反射并被左反射鏡反射 出發時的光強。出發時的光強。I2R1、R2 左、右兩端反射鏡的左、右兩端反射鏡的反射率反射率.37顯然有顯然有I 1 = R 2 I 0 eGLI 2 = R 1 I 1 eGL = R 1 R 2 I 0

20、 e2GLI 2 = R 1 I 1 eGL 所以所以I0I11R2RLI238在激光形成階段在激光形成階段即即 R1 R2 e2GL 1mGRRlnLG 21121或或 要求要求 I2 / I0 1式中式中 Gm閾值增益閾值增益，產生激光的最小增益。，產生激光的最小增益。 在激光穩定階段在激光穩定階段 即即 mGRRlnLG 21121光強增大到一定程度后光強增大到一定程度后要求要求 I2 / I0 = 139 當光強增大到一定程度，當光強增大到一定程度，G下降到下降到m時，時，增益增益=損耗，激光就達到了穩定。損耗，激光就達到了穩定。通常稱通常稱 mGRRlnLG 21121 為閾值條件。

21、為閾值條件。 ( threshold condition)405光學諧振腔光學諧振腔 縱模與橫模縱模與橫模 激光器有兩個反射鏡，它們構成一個激光器有兩個反射鏡，它們構成一個光學諧振腔。光學諧振腔。激勵能源激勵能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光 1.使激光具有極好的使激光具有極好的方向性方向性（沿軸線）；（沿軸線）； 2.增強增強光放大光放大作用（延長了工作物質）；作用（延長了工作物質）； 3.使激光具有極好的使激光具有極好的單色性單色性（選頻）。（選頻）。41 光在粒子數反轉的工作物質中往返傳播，光在粒子數反轉的工作物質中往返傳播，使諧振腔內的光子數不斷增加，從而獲得使諧振腔內

22、的光子數不斷增加，從而獲得很強的光，這種現象叫做光振蕩很強的光，這種現象叫做光振蕩.加強光須滿足加強光須滿足駐波條件駐波條件2knl 42由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節，由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節，所以有所以有光程光程 2kknL ( k=1、2、3、) k真空中的波長真空中的波長Lk=1k=2k=3knLk2 n 諧振腔內媒質的折射率諧振腔內媒質的折射率43 可以存在的頻率為可以存在的頻率為nLckckk2 相鄰兩個縱模頻率的間隔為相鄰兩個縱模頻率的間隔為nLck2 數量級估計：數量級估計： 1； n1.0； c108 m sZknLc 88105 . 11121032 l激光器

23、輸出的每一個諧振頻率成為一個激光器輸出的每一個諧振頻率成為一個縱模。縱模。44 激光除了有縱向駐波模式外，還有橫激光除了有縱向駐波模式外，還有橫向駐波模式。向駐波模式。產生的原因：產生的原因：對不同空間分對不同空間分布損耗不同。布損耗不同。l激光束橫截面上光強的穩定分布模式稱為激光束橫截面上光強的穩定分布模式稱為橫模。橫模。455 激光的特性及其應用激光的特性及其應用一、激光加工一、激光加工 高光功率密度高光功率密度-機械加工，如焊接、打機械加工，如焊接、打孔、切割、熱處理、劃片光刻孔、切割、熱處理、劃片光刻 無實體接觸、加工精度高、積變小無實體接觸、加工精度高、積變小二、激光精密計量二、激光

24、精密計量 三、激光信息處理三、激光信息處理光盤光盤激光通訊激光通訊長度基準長度基準 1m誤差誤差測距測速測距測速激光準直激光準直質量檢測質量檢測 0.05m810m46激光光纖通訊激光光纖通訊由于光波的頻率由于光波的頻率比電波的頻率高比電波的頻率高好幾個數量級，好幾個數量級， 一根極細的光纖一根極細的光纖 能承載的信息量，能承載的信息量，相當于圖片中這相當于圖片中這麼粗的電纜所能麼粗的電纜所能承載的承載的信息量。信息量。471、 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM) 用一根鎢探針或用一根鎢探針或硅探針在距試樣表硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度面幾毫微米的高度上反復移動上反復移動,來探測來探測固體

25、表面的情況。固體表面的情況。激光激光-原子力顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱鏡棱鏡檢測器檢測器反饋機構反饋機構接計算機接計算機微芯片微芯片壓電換能器壓電換能器壓電控制裝置壓電控制裝置四、激光在科學實驗中的應用四、激光在科學實驗中的應用1986年賓尼希研制了原年賓尼希研制了原子力顯微鏡子力顯微鏡48 探針尖端在工作時處于受迫振動狀態，探針尖端在工作時處于受迫振動狀態，其頻率接近于探針的共振頻率。其頻率接近于探針的共振頻率。 探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力的作用時，其共振頻率發生變化，吸引力的作用時，其共振頻率發生變化，

26、因而振幅也隨之改變。因而振幅也隨之改變。 為了跟蹤尖端的振動情況，將一束激光分為了跟蹤尖端的振動情況，將一束激光分成兩束，成兩束，這兩束光重新會合后發生干涉，根這兩束光重新會合后發生干涉，根據干涉的情況可知探針振動的變化情況。據干涉的情況可知探針振動的變化情況。49 用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質量。用的硅表面的質量。 據此可探知試樣表面的原子起伏情況。據此可探知試樣表面的原子起伏情況。可檢測出尺度小至可檢測出尺度小至 5毫微米毫微米的表面起伏變化。的表面起伏變化。 隨著微電子電路技術的進展，硅基片隨著微電子電路技術的進展，硅基片表面的不平坦

27、度如果超過幾個原子厚度就表面的不平坦度如果超過幾個原子厚度就將被認為是不合格的。將被認為是不合格的。502 2、激光多普勒冷卻與光學粘膠、激光多普勒冷卻與光學粘膠. . 20世紀世紀80年代，激光冷卻和捕陷原子年代，激光冷卻和捕陷原子的方法在理論和實驗上取得重大突破。的方法在理論和實驗上取得重大突破。 隨著激光技術和原子、分子物理學隨著激光技術和原子、分子物理學的發展，經過近的發展，經過近20年的努力，可將中性年的努力，可將中性原子冷卻到原子冷卻到20nK，捕陷在空間小區域達，捕陷在空間小區域達幾十分鐘之久。其最基本的物理機制是幾十分鐘之久。其最基本的物理機制是多普勒冷卻和光學粘膠多普勒冷卻和

28、光學粘膠51 當原子運動時，由于當原子運動時，由于多普勒效應，被共振吸收多普勒效應，被共振吸收的光的頻率為的光的頻率為 原子吸收光子后，自發輻射發射光子回原子吸收光子后，自發輻射發射光子回到基態，接著再吸收、再輻射連續不斷。到基態，接著再吸收、再輻射連續不斷。 設原子沿某方向以速度設原子沿某方向以速度v作一維運動，激作一維運動，激光束迎面照射原子。原子靜止時，吸收頻率等光束迎面照射原子。原子靜止時，吸收頻率等于其本征頻率于其本征頻率 的概率最大，即共振吸收。的概率最大，即共振吸收。0)1 (0cv激光多普勒冷卻原理：激光多普勒冷卻原理：52 每次吸收一個迎面而來的光子，原子每次吸收一個迎面而來

29、的光子，原子都會損失動量而減速。原子每次發射的光都會損失動量而減速。原子每次發射的光子無特定傳播方向，因此原子因自發輻射子無特定傳播方向，因此原子因自發輻射損失的動量平均為損失的動量平均為0。平均每次降低的速率為平均每次降低的速率為chvm0mchv0 隨著原子的減速，多普勒頻移也將變小。隨著原子的減速，多普勒頻移也將變小。這種在激光作用下原子減速的方法叫做多普這種在激光作用下原子減速的方法叫做多普勒冷卻。勒冷卻。53光學粘膠光學粘膠 原子在兩個頻率相同而傳播方向相反的光原子在兩個頻率相同而傳播方向相反的光波場中作一維無規則運動，無論原子速度是正波場中作一維無規則運動，無論原子速度是正還是負，

30、總是優先吸收迎面而來的光子而被逐還是負，總是優先吸收迎面而來的光子而被逐漸減速、冷卻。漸減速、冷卻。 54推廣到三維情形，采用三組兩兩相對傳播推廣到三維情形，采用三組兩兩相對傳播且互相垂直的且互相垂直的6束激光，同時照射原子團，束激光，同時照射原子團，在在6束激光的交匯處，原子不斷吸收和發射束激光的交匯處，原子不斷吸收和發射光子，原子與光子不斷交換動量，原子在光子，原子與光子不斷交換動量，原子在激光交匯處的運動猶如在粘稠介質中的無激光交匯處的運動猶如在粘稠介質中的無規運動，被不斷減速。朱棣文等把這種狀規運動，被不斷減速。朱棣文等把這種狀態形象地稱為態形象地稱為“光學粘膠光學粘膠”55超導超導思

31、考題思考題1、什么是超導體，超導體有哪些特性？、什么是超導體，超導體有哪些特性？3、超導磁懸浮是什么效應的直接結果？、超導磁懸浮是什么效應的直接結果？試描述超導磁懸浮列車的工作原理。試描述超導磁懸浮列車的工作原理。2、金屬低溫超導理論最基本的出發點是、金屬低溫超導理論最基本的出發點是什么？試用什么？試用BCS理論模型解釋超導電性理論模型解釋超導電性56 4.00 4.20 4.400.1500.1000.0500.000K/T)/(R一一 超導體的轉變溫度超導體的轉變溫度*cT：臨界溫度臨界溫度4.20K附附近近汞汞的的電電阻阻突突降降為為零零在在1911年，荷蘭萊登大學年，荷蘭萊登大學 Pr

32、of. K. Onnes 首次發首次發現汞在現汞在4.20K附近電阻突然下降為附近電阻突然下降為0。臨界臨界溫度溫度高于高于35K的超的超導體導體稱為稱為高溫高溫超導超導57二二 超導體的主要特性超導體的主要特性1 直流直流零電阻率零電阻率當當 （臨界電流）時（臨界電流）時，ccIITT,電導率電導率電阻率電阻率 ，0當當 （臨界電流）（臨界電流），ccIITT, 電流在超導體內流動時，導體內任意電流在超導體內流動時，導體內任意兩點間無電勢差，整個超導體是等勢體。兩點間無電勢差，整個超導體是等勢體。582c0c)(1TTHH0cK 0HHT,TH)(cTH超導態超導態正常態正常態oCT2 臨界

33、磁場臨界磁場能破壞超導態的外磁場的臨界值能破壞超導態的外磁場的臨界值為臨界磁場的最大值。為臨界磁場的最大值。 超導態不僅與導體溫度有關，還與外磁超導態不僅與導體溫度有關，還與外磁場強度有關。即使場強度有關。即使T Tc,外磁場很強也會破外磁場很強也會破壞超導態壞超導態59超導體內超導體內0E0d/dtBcHH外當當0內H0HH3 邁斯納效應邁斯納效應tSBtlEd)(dddd又因為超導體的截面積不變，又因為超導體的截面積不變，好象穿過超導體好象穿過超導體的磁場線被排斥的磁場線被排斥出去了出去了-完全抗完全抗磁性。磁性。處于超導態的超處于超導態的超導體內部的磁場導體內部的磁場不隨時間變化不隨時間

34、變化60SNHI灰色小球為超導小球。紅灰色小球為超導小球。紅色圓環有持久的穩恒電流色圓環有持久的穩恒電流通過。由于超導材料的通過。由于超導材料的抗抗磁性磁性，小球被懸浮于空中，小球被懸浮于空中，這就是通常說的磁懸浮。這就是通常說的磁懸浮。 邁斯納效應說明：當有外磁場時，超邁斯納效應說明：當有外磁場時，超導表面要形成表面電流以產生退磁場，使導表面要形成表面電流以產生退磁場，使內部磁場為內部磁場為0。外磁場越強這種表面電流越。外磁場越強這種表面電流越大，表面電流過大會破壞超導性，使其變大，表面電流過大會破壞超導性，使其變成正常態。成正常態。61三三 超導電性的超導電性的 BCS 理論理論晶晶 體體

35、 局局 部部 區區 域域 的的 畸畸 變變e晶體點陣正晶體點陣正常位置常位置晶體點陣畸晶體點陣畸變位置變位置 1957年美國物理學家巴丁、庫珀、施里年美國物理學家巴丁、庫珀、施里弗三人共同創立了近代超導微觀理論，這就弗三人共同創立了近代超導微觀理論，這就是常稱的是常稱的BCS理論理論 .電子運動電子運動過程中引過程中引起晶格向起晶格向它聚攏的它聚攏的微小畸變，微小畸變，造成局部造成局部正電荷集正電荷集中中62當電子當電子e1快速離開快速離開正電區域后，晶格正電區域后，晶格由于慣性還來不及由于慣性還來不及恢復，此時該正電恢復，此時該正電區域對電子區域對電子e1和附和附近的電子近的電子e2產生吸產

36、生吸引。如撇開晶格作引。如撇開晶格作用不看，兩電子之用不看，兩電子之間表現出吸引力。間表現出吸引力。 電子與晶格的作用可能會瞬間產生電電子與晶格的作用可能會瞬間產生電子與電子間微弱吸引作用。子與電子間微弱吸引作用。63 實際上，晶格的局部畸變不會只停實際上，晶格的局部畸變不會只停留在某處，它會以格波的形式傳遍晶格留在某處，它會以格波的形式傳遍晶格個部分。個部分。 聲子聲子：晶體中由點陣的振動產生畸變：晶體中由點陣的振動產生畸變而傳播的格波的能量子稱聲子而傳播的格波的能量子稱聲子 . 在一定條件下，電子與電子通過傳遞聲在一定條件下，電子與電子通過傳遞聲子而引起相互吸引，但其引力大于排斥力時，子而

37、引起相互吸引，但其引力大于排斥力時，形成電子庫柏對形成電子庫柏對 庫珀對庫珀對：兩個電子通過交換聲子而耦：兩個電子通過交換聲子而耦合起來，成為束縛在一起的電子對稱為庫合起來，成為束縛在一起的電子對稱為庫珀對珀對 .64 庫珀對兩個電子之間的距離約庫珀對兩個電子之間的距離約 ，自旋與動量均等值而相反，所以每一庫珀對自旋與動量均等值而相反，所以每一庫珀對的動量之和為零的動量之和為零 .m106cTT 當當 時金屬內的時金屬內的庫珀對庫珀對開始形成，開始形成，這時所有的庫珀對都以大小和方向均相同的這時所有的庫珀對都以大小和方向均相同的動量運動，金屬導體就具有了動量運動，金屬導體就具有了超導電性超導電

38、性 . 庫珀對庫珀對的數量十分巨大的數量十分巨大 ，當它們向同，當它們向同一方向運動時，就形成了一方向運動時，就形成了超導電流超導電流 .65 根據根據BCS理論，拆散一個庫柏對所需理論，拆散一個庫柏對所需的最小能量是溫度的函數，在的最小能量是溫度的函數，在T=0K時最時最大，約為大，約為3kBTc，溫度升高其數值減小，溫度升高其數值減小，當溫度達到當溫度達到Tc時數值為零，意味著時數值為零，意味著Tc之上之上不再產生庫柏對，轉為正常態。不再產生庫柏對，轉為正常態。 溫度低于溫度低于Tc時，晶格振動的能量小于時，晶格振動的能量小于庫柏對的結合能，因此不可能通過聲子與庫柏對的結合能，因此不可能通

39、過聲子與庫柏對的碰撞來拆散它們。所以一旦庫柏庫柏對的碰撞來拆散它們。所以一旦庫柏對被驅動就不再受聲子影響繼續向同一方對被驅動就不再受聲子影響繼續向同一方向運動，即作物阻力運動，先形成超導電向運動，即作物阻力運動，先形成超導電流。流。66四四 超導的應用前景超導的應用前景 P.3771 強磁場強磁場中國科學院合肥等離子體研究所建造的中國科學院合肥等離子體研究所建造的HT-7托克馬克裝置托克馬克裝置 67超導電纜的終端超導電纜的終端三芯絞合型超導電纜三芯絞合型超導電纜2 低損耗電能傳輸低損耗電能傳輸683 磁懸浮列車磁懸浮列車69半導體半導體思考題：思考題：1.固體中電子的排布遵從什么原理？固體中

40、電子的排布遵從什么原理？2.半導體的能帶特點？半導體的能帶特點？3. 何謂何謂pn結？有何特性？結？有何特性？4. 試說明光生伏特效應。試說明光生伏特效應。70一一 固體的能帶固體的能帶ee+s1s2p2完完 全全 分分 離離 的的 兩兩 個個 氫氫 原原 子子 能能 級級ee+s1s2p2BA71OEr 兩個氫原子靠兩個氫原子靠得很近時的能級分裂得很近時的能級分裂s1s2p2OErs1s2 六個氫原子靠六個氫原子靠 得很近時的能級分裂得很近時的能級分裂OEr 固態晶固態晶 體的能帶體的能帶s2 量子力學量子力學計算表明，計算表明，固體中若有固體中若有N個原子，個原子，由于各原子由于各原子間的

41、相互作間的相互作用，對應于用，對應于原來孤立原原來孤立原子的每一個子的每一個能級能級,變成了變成了N條靠得很條靠得很近的能級近的能級,稱稱為為能帶能帶。72離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖73二二 . 能帶中電子的排布能帶中電子的排布 固體中的一個電子只能處在某個能帶固體中的一個電子只能處在某個能帶中的中的 某一能級上。某一能級上。 排布原則：排布原則： . 服從泡里不相容原理（費米子）服從泡里不相容原理（費米子） . 服從能量最小原理服從能量最小原理 P359 在一個原子中，不可能有兩個或在一個原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的量子兩個以上的電子

42、具有完全相同的量子態態 電子排布時，應從最低的能級排起。電子排布時，應從最低的能級排起。74 每個能級有每個能級有 個個量子態量子態) 12(2l 每個能級容納每個能級容納 個電子個電子) 12(2l 每個能帶容納每個能帶容納 個電子個電子Nl) 12(2 金屬鈉的各金屬鈉的各 能帶上電子的分布能帶上電子的分布s 1s2p2s3p3N2N2N6N 為為角量子數角量子數) 1(3210nl，n為主量子數為主量子數參見課本參見課本351頁頁75 有關能帶被占據情況的幾個名詞有關能帶被占據情況的幾個名詞 3滿帶滿帶 排滿電子，不能導電排滿電子，不能導電1價帶（導帶）價帶（導帶） 部分能級被電子排滿。

43、部分能級被電子排滿。在電場作用下，在電場作用下，這些電子可以導電這些電子可以導電亦稱亦稱導帶導帶 2空帶（導帶）空帶（導帶） 未排電子。躍遷進入空帶的電子可以導電未排電子。躍遷進入空帶的電子可以導電 亦稱亦稱導帶導帶 4禁帶禁帶（不能排電子）（不能排電子）76晶晶 體體 的的 能能 帶帶EgE禁禁帶帶gE禁禁帶帶導導帶帶 價帶價帶 （非滿帶）（非滿帶）空帶空帶 價帶價帶 （滿帶）（滿帶）導導帶帶77導導 體體 半半 導導 體體 絕絕 緣緣 體體電電 阻阻 率率m)(溫度系數溫度系數禁禁 帶帶價價 帶帶481010正正非滿帶非滿帶841010負負較較 小小滿滿 帶帶2081010負負較較 大大滿

44、滿 帶帶導體、半導體和絕緣體的比較導體、半導體和絕緣體的比較78絕緣體絕緣體 Eg空帶空帶半導體半導體 Eg空帶空帶導體導體導體導體導體導體 Eg空帶空帶導帶導帶導帶導帶禁帶禁帶導帶導帶滿帶滿帶導帶導帶79三三 本征半導體和雜質半導體本征半導體和雜質半導體1 1 本征半導體：純凈的無雜質的半導體本征半導體：純凈的無雜質的半導體gE導帶導帶禁帶禁帶滿帶滿帶ee空穴空穴電子電子鍺晶體中的正常鍵鍺晶體中的正常鍵eGeGeGeGeGeGeGeGeG電子被激發，晶體中出現空穴電子被激發，晶體中出現空穴eeeGeGeGeGeGeGeGeGeG802 雜質半導體雜質半導體 電子型（簡稱電子型（簡稱 n 型）

45、半導體型）半導體價價帶帶導導帶帶施主能級施主能級施主能級施主能級iSsAe五價原子砷摻入四價硅中，多余的五價原子砷摻入四價硅中，多余的 價電子環繞離子運動價電子環繞離子運動sAiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS81 空穴型（簡稱空穴型（簡稱 p 型）半導體型）半導體eGeGeGeGeGBeGeGeGeGeG空穴空穴 三價原子硼摻入四價鍺晶體中，三價原子硼摻入四價鍺晶體中， 空穴環繞空穴環繞 離子運動離子運動B價價帶帶導導帶帶受主能級受主能級受主能級受主能級82四四 pn 結結p nUIp nUIUIpn 結結 的的 伏伏 安安 特特 性

46、性 曲曲 線線83eeeep np 偶電層偶電層 n- - - - - -+ + + + + +0 x空穴空穴電子電子0Ux0 x動平衡時動平衡時 p 型與型與 n 型接觸區域的電勢變化型接觸區域的電勢變化84五五 光生伏特效應光生伏特效應Pneeee光光ee 這種由光的照射，使這種由光的照射，使 pn 結產生電動勢結產生電動勢的現象，叫做光生伏特效應的現象，叫做光生伏特效應 .85等離子體等離子體 等離子體是由部分電子被剝奪后的等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產生的正負電子組原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質，它是除去固、成的離子化氣體狀物質，它是除去固、

47、液、氣外，物質存在的第四態。液、氣外，物質存在的第四態。86 普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運動普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運動加劇，使粒子之間發生強烈碰撞，大量原子或加劇，使粒子之間發生強烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當溫度高達百萬分子中的電子被撞掉，當溫度高達百萬K到到1億億K，所有氣體原子全部電離電離出的自由，所有氣體原子全部電離電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等這電子總的負電量與正離子總的正電量相等這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體體 等離子體和普通氣體性質不同，普通氣體等離子體和普通氣體性質不同，普通氣體由

48、分子構成，分子之間相互作用力是短程力，由分子構成，分子之間相互作用力是短程力，僅當分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有僅當分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運動論描述明顯效果，理論上用分子運動論描述87 在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電發生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，產生電場；電荷定向運動引起電流，產生磁產生電場；

49、電荷定向運動引起電流，產生磁場電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，場電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導；等離子體能并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導；等離子體能被磁場約束作回旋運動等等離子體的這些特被磁場約束作回旋運動等等離子體的這些特性使它區別于普通氣體被稱為物質的第四態性使它區別于普通氣體被稱為物質的第四態88 在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結果。對于整個宇宙來講，幾乎的結果。對于整個宇宙來講，幾乎999以以上的物質都是以等離子體態存在

50、的，如恒星和上的物質都是以等離子體態存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產生等離子體。電都可產生等離子體。 等離子體是一種很好的導電體，利用經過巧等離子體是一種很好的導電體，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發展為材料、能源、信息、環境等離子體物理的發展為材料、能源、信息、環境空間，空間物理，地球物理等科學的進一步發展空間，空間物理，地球物理等科學的進一步發展提新的技術和工藝。

51、提新的技術和工藝。 89 等離子體主要用于以下等離子體主要用于以下3方面。方面。 等離子體冶煉：用于冶煉用普通方法難于冶等離子體冶煉：用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點的鋯煉的材料，例如高熔點的鋯(Zr)、鈦、鈦(Ti)、鉭、鉭(Ta)、鈮、鈮(Nb)、釩、釩(V)、鎢、鎢(W)等金屬，等離子等金屬，等離子體冶煉的優點是產品成分及微結構的一致性好，體冶煉的優點是產品成分及微結構的一致性好，可免除容器材料的污染。可免除容器材料的污染。 等離子體噴涂：許多設備的部件應能耐磨耐等離子體噴涂：許多設備的部件應能耐磨耐腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一層具腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一

52、層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基體（部件）上，使之迅速冷卻、固并噴涂到基體（部件）上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網狀結構的表層，這可大大提高化，形成接近網狀結構的表層，這可大大提高噴涂質量。噴涂質量。 等離子體焊接：可用以焊接鋼、合金鋼；鋁、等離子體焊接：可用以焊接鋼、合金鋼；鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整，可以再銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整，可以再加工加工,沒有氧化物雜質沒有氧化物雜質,焊接速度快。用于切割焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金

53、，切割厚度大。鋼、鋁及其合金，切割厚度大。 90凝聚態物質 思考題思考題1、比較晶態、非晶態、準晶態及液晶的結、比較晶態、非晶態、準晶態及液晶的結構特點。構特點。2、什么是分形？何謂自相似性？、什么是分形？何謂自相似性？3、介觀系統有哪些特點？、介觀系統有哪些特點？4、什么是納米科學技術？有哪些應用前景？、什么是納米科學技術？有哪些應用前景？5、簡述、簡述STM的工作原理與工作方式。的工作原理與工作方式。91晶態92 結構：周期性結構：周期性 對稱性：平移對稱性、旋轉對稱性對稱性：平移對稱性、旋轉對稱性晶格晶格:分子分子(原子原子,離子離子)的周期排列稱為晶格。的周期排列稱為晶格。結構長程有序

54、。結構長程有序。在理想晶體模型中，所有分子在理想晶體模型中，所有分子(原子原子,離子離子)的排列都完全有序。晶體中的任何一個或一組基的排列都完全有序。晶體中的任何一個或一組基本單元都可以通過平移一定距離或旋轉一定角度本單元都可以通過平移一定距離或旋轉一定角度而于其它單元重合。若旋轉而于其它單元重合。若旋轉 ，則稱，則稱n重旋重旋轉對稱性。轉對稱性。物理性質：各向異物理性質：各向異性性受周期結構的限制，只能有受周期結構的限制，只能有2、3、4、6重旋轉軸。重旋轉軸。n2結構測定：結構測定：X射線衍射（射線衍射（1912勞厄）勞厄）93勞勞 厄厄 斑斑 點點鉛板鉛板單晶片單晶片 照像底片照像底片

55、單晶片的衍射單晶片的衍射19121912年勞厄實驗年勞厄實驗愛因斯坦：愛因斯坦：“物物理學中最美的實理學中最美的實驗驗”94非晶態 非晶態固體是相對于晶態固體而言的，是固態非晶態固體是相對于晶態固體而言的，是固態物質的另一種結構狀態。玻璃、橡膠、塑料等物質的另一種結構狀態。玻璃、橡膠、塑料等都是非晶態固體都是非晶態固體 非晶態固體的特點：原子排列長程無序，不具非晶態固體的特點：原子排列長程無序，不具有周期性。不可能逐個給出所有原子的位置坐有周期性。不可能逐個給出所有原子的位置坐標，只能用統計的方法對位置的無序進行描述，標，只能用統計的方法對位置的無序進行描述，引入徑向分布函數法來描述非晶態的結

56、構。引入徑向分布函數法來描述非晶態的結構。95準晶態 結構特點：原子的排列雖然沒有周期性，但卻結構特點：原子的排列雖然沒有周期性，但卻長程有序。長程有序。 介于晶體與非晶體之間。具有介于晶體與非晶體之間。具有5重對稱軸。重對稱軸。1984年年D.Shechtman等人首次在極冷的等人首次在極冷的)14. 0(1xMnAlxx合金的電子衍射照片中發現了具有合金的電子衍射照片中發現了具有5次軸的次軸的20面體新相。面體新相。96液晶1888年液晶現象的發現者Reinitzer奧地利植物生理學家物質的熱相變過程中出現固體和液體之間 的白濁液體97液晶 具有液體的流動性，粘滯性（力學性質）。具有液體的

57、流動性，粘滯性（力學性質）。 和晶體的各向異性（光學性質、電學性質）；和晶體的各向異性（光學性質、電學性質）； 是介于液體和晶體的性質之間的中間狀態。是介于液體和晶體的性質之間的中間狀態。近晶相、向列相、膽甾相近晶相、向列相、膽甾相98近晶相液晶的層狀結構近晶相液晶的層狀結構位置無序指向有序99圓盤狀向列相液晶圓盤狀向列相液晶 分子質心位置完全無序，但分子傾向于沿分子質心位置完全無序，但分子傾向于沿特定方向排列，并不排成層。特定方向排列，并不排成層。 具有單軸晶體的光學性質，是顯示器件的具有單軸晶體的光學性質，是顯示器件的主要材料。主要材料。100螺旋軸膽甾相液晶的螺旋構造101 所謂自相似對

58、稱性又叫分形，是指一類無窮嵌所謂自相似對稱性又叫分形，是指一類無窮嵌套的幾何對象具有擴展對稱性，適當地取其一部分，套的幾何對象具有擴展對稱性，適當地取其一部分，加以放大，所得結果與整體完全相同。它是標度變加以放大，所得結果與整體完全相同。它是標度變換不變的。例如換不變的。例如Sierpinski海綿海綿分形（Fractal)102 分形通常指一類具有伸縮對稱性或自相似性的分形通常指一類具有伸縮對稱性或自相似性的幾何圖形幾何圖形 分形圖形特點：整體與部分之間存在某種自相分形圖形特點：整體與部分之間存在某種自相似性，整體具有多種層次結構，從整體分割出似性，整體具有多種層次結構，從整體分割出來的局部能體現整體的基本特征。來的局部能體現整體的基本特征。 分形無處不在，山川、河流、云朵、曲折的海分形無處