第12章-当代物理前沿.pptVIP

第12章 当代物理前沿 本章要点： 1、 超导材料、纳米材料、光导纤维的性质及应用； 2、 声学的基本理论及应用； 3、 激光原理及激光技术的应用； 4、 原子能及其和平利用。 现代物理学的内容是极其广泛的，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。物理学取得的成就是极为辉煌的，它本身以及它对各个自然学科、工程技术部门的相互作用深刻地影响着人类对自然的基本认识和人类的社会生活。今天的物理学是一门充满生机和活力的科学，它对当代以及未来的高新科技的进步和相关产业的建立和发展提供了巨大的推动力。而且，近三四十年来的一些物理学研究的重要成果在现代科技中已属于非常基本的内容，了解这些内容已成为培养21世纪人才的基本科学素养的一部分。本章仅就超导、纳米、光纤、声学、激光、原子能六个当代物理前沿专题作一介绍，以拓展同学们的知识面与视野。 12.1 超导电性 我们知道，自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻，电阻存在，使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想：找到没有电阻的导体材料，则电流经过时不受阻力，没有热损耗，那就具有很高的应用价值。这一梦想于1911年由荷兰科学家卡末林—昂纳斯(H.K.Onnes,1853-1926)发现汞的超导现象而实现！ 超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪末，低温技术获得了显著的进展。1877年氧气被首先液化，液化温度90K，随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。1898年杜瓦(J．Dewar)第一次把氢气变成液氢，液化温度为20K，他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年， 卡末林—昂纳斯液化了最后一个“永久气体”——氦气，获得4K的低温，这是当时所能达到的最低温度，为在极低温条件下探索各种物质的物理性质创造了必要条件，当然也为三年后卡末林—昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。图12—1就是超导电性的发现者卡末林—昂纳斯。 图12-1超导电性的发现者卡末林.昂纳斯 12.1.1超导体的基本性质 零电阻效应 随着低温技术的进展，1911年卡末林—昂纳斯决定研究一下在他们所达到的新低温区——液氦温区内金属电阻的变化规律。他选择了汞，想知道它在尽可能低的温度下其电阻的变化行为。他发现：当温度降低时，汞电阻先是平缓地减小，但出人意料的是在4.2K附近电阻突然降为零。图12—2是汞的电阻随温度的变化关系。（纵坐标是该温度下汞电阻与0０C时电阻的比值。） 图12-2汞的零电阻效应 卡末林—昂纳斯指出：在4.2K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际变为零。他把这种电阻突然降为零而显示出具有超传导电性的物质状态定名为超导态。而把电阻发生突变的温度称为超导临界温度或超导转变温度，用 表示。此后，他们又发现了其它许多金属有超导电性。如1913年发现了锡在3.69K时，也有零电阻现象。 2.完全抗磁性 1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导体时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，如图12-3所示，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，超导体的这种现象称为迈斯纳效应。 正常态 超导态 图12-3迈斯纳效应 迈斯纳效应和零电阻效应是超导体的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否有超导电性，必须看是否同时有零电阻和迈斯纳效应。 3存在临界磁场 前面我们已经知道了当温度高于临界温度时，超导态被破坏而变成正常态，即有电阻的状态。通过实验还发现，超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下，当外加磁场强度小于某一临界值时，超导电性可以保持；当外磁场超过某一数值的时候，超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明：对一定的超导体，临界磁场是温度的函数，达到临界温度了时，临界磁场为零。 4.存在临界电流 实验还表明，如果在不加磁场的情况下．在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流 。在临界温度下，临界电流为零。 5.同位素效应 超导体的临界温度 与其同位素质量 有关。 越大， 越低，这称为同位素效应。 与 有近似关系： =常数。 12.1.2 高温超导体 所谓高温超导体是相对传统超导体而言的