高压物理——绪论讲解.ppt

第一章 绪论 超硬材料国家重点实验室 高压物理 主要内容 高压科学的重要意义 高压科学与技术的发展 1.1 高压科学的重要意义 高压科学的定义： 研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。 由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技术。 （1）高压：12（15）kbar P 50 kbar 超高压：P 5 GPa （2）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：~100-102 bar 深海火山口细菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学 材料科学 物理学： 100-102 GPa 102-103 bar （水热溶剂热） （3）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下的力、热、光、电等物理性质及状态的变化规律的学科。 （4）高压下，物理学与化学在很大程度上是密不可分的，物质的电子状态，能带结构的改变必然引起其化学性质的变化，而物质的高压相变本身就是复杂的物理-化学过程。 （5）压力的单位 Pa (帕斯卡)是国际压力单位 (＝1N/m2 ) 1MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa bar (巴)是常用压力单位 (=106dyn/cm2) atm (大气压)称为标准大气压=1.013×105 Pa 1bar＝105Pa＝0.9869atm 1bar≈1atm 10kbar=1GPa 压力 ? 压缩原子间距 改变电子结构 ? 原子重组 电子激发 能级调谐 自旋重排 ? 电子相变 结构相变 ? 高压新相 新数据 新现象 ? ? 新结构 新性质 新规律 ? ? 新材料 新理论 2. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质发生改变的现象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构和电子结构发生变化，有些还会以新的高压相存在着，这些高压相可能具有新的优异性能。 例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数 压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的 压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质 出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物质平均出现5个相变 在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的新价态，产生奇异的化学反应 对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段 物质科学 P T X 以半导体Si为例： （1）P=0 GPa至P=10GPa，ΔV/V=-5%; T=0 K至Tm=1410oC，ΔV/V=1.8%。 Si原子配位数变化：4(I)——6(II)——8(V)——?(VI)——12(VII, VIII) 例2. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段，表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术价值。 石墨 C-BN （1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保存在常温常压（RTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料； （2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的Gibbs自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物； MeN C3N4、BCN Me+1/2 N2 MeN 高温高压 金刚石 h-BN 例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结构或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子 I、对金属氢的研究热潮