物理学与人类文明(多媒体课件)5.

物理学人明类文叶高翔2014年秋第三章量子力学应用举例(条件好坏与成就大小)●激光(1)特性：(a)单色性好（即单一频率）曾作为长度基准的单色性最好的氪灯（Kr86）的谱线宽度为λ＝6057±0.047Å常用氦氖激光器所发波长λ＝6328±0.00000001Å0.390.76(m)I普通蓝光0.390.76(m)I蓝色激光(b)方向性好，脉冲短，功率密度大，亮度高发散角θ激光器例：口径为1mm的激光器，发散角θ～4.0×10-4弧度，极限手段：θ～10-8弧度。激光脉冲闪光时间很短，约6.0×10-15秒地球月球光斑直径～2m一般10mW的He-Ne激光器的亮度比太阳大几千倍2010年激光场强:1016V/cm自然界闪电场强:103V/cm原子内部场强:109V/cm大功率激光器输出光亮度1019W/cm2.sr太阳表面光亮度:～103W/cm2.sr激光功率:NIF（美，2009）MLJ（法，2012）神光III（中，2009）---------输出能量约MJ量级！高功率激光装置“神光Ⅱ”2008年1月26号，“神光III原型装置”关键系统之一“靶场光电及控制系统”顺利通过由中国工程物理研究院激光聚变研究中心在四川绵阳组织的验收。射向太空的激光束是未来星际通讯的载体!用激光在头发丝上打了三个方形孔目前光刻精确度：～0.18微米（c）相干性好相干长度比普通光长1000倍左右或以上!德布罗意关系：谱线宽度，动量不确定性；测不准原理：光子的位置不确定性，波的波列长度!（2）激光原理(a)工作物质：三能级（或四能级）系统能量N1激发态，寿命t～10-8sN2亚稳态，寿命t～10-2shν抽运N0基态（能量最低态）（b）粒子数反转常温下，大部分原子处于基态，很少原子处于激发态和亚稳态，即：1021NNN.若将原子从基态抽运到激发态，（方法：光辐照，电子束冲击，电子碰撞，共振转移，化学反应等）从而使某时刻1021NNN——粒子数反转!爱因斯坦＂受激辐射＂预言(20年代):受激辐射：（１）在外部相同频率光子的诱导下，处在高能级的原子向低能级跃迁而发射光子；（２）所发射出的光子在频率、位相、传播方向、偏振态等诸方面均与诱导光子一致．大量处于亚稳态的原子因受激辐射而跃迁回基态激光（Laser:lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）--------入射光子的放大!（c）谐振腔光放大1960年人类第一支激光器诞生：闪光管激光反光镜(95%)反光镜(100%)红宝石世界上第一台激光器银膜R=100%银膜R=95%闪光管红宝石受激辐射示意图激光●思想是第一位的！●条件好坏与成就大小之间虽然有重要关系，但没有必然关系！红楼梦巨著是在什么样的条件下写出来的?小泽征尔十分欣赏二泉映月二泉映月的创作过程非常艰难!(3)应用：金属加工、医疗、武器、通讯、光盘信息存储、全息技术、科研……●超导（1911年，K.Onnes）（1）超导体的特征：（a）零电阻ρ（电阻率）临界温度TCT（温度）材料临界温度TC(K)水银(Hg)4.2（1911年）钨(W)0.012锌(Zn)0.844锡(Sn)3.72铅(Pb)7.201铌(Nb)9.26铌三锗（Nb3Ge）23(1986年）TC上升速率25.0191119862.423（K/年）■元素周期表中有50多种元素超导，但分布无规律；■一般良导体（Au，Ag，Cu等）不超导。Theperiodictableoftheelementsshowingknownsuperconductors(shaded)andtheirtransitiontemperatureTc(in[K]).Darkshadingmeansthatonlyahighpressurephaseoftheelementissuperconducting.1986年4月，BednorzandMüller等：（IBM研究实验室，瑞士苏黎世）“镧-钡-铜-氧”和“钇-钡-铜-氧”等系统Tc＞90K，首次突破液氮温度77K目前TC＞150K中科院物理所赵忠贤院士“综观人类科学发展的历史，许多重大发现并不是在当时的一流条件下获得的，但所有重大发现都是在当时的一流思想指导下取得的！”●思想是第一位的！●条件好坏与成就大小之间虽然有重要关系，但没有必然关系！条件与成功有些人是因为条件优越而成功;有些人则是因为条件恶劣才成功;还有人是因为条件优越而不能成功!（b）迈斯纳效应（完全抗磁性）第一类超导体：超导内部磁场B＝0B超导态第二类超导体：磁力线在超导体内部，呈点阵形式排列B磁铁悬浮于超导铅碗之上二类超导体中的磁通点阵(c)约瑟夫森（Josephson）效应超导体绝缘体超导体SISaJV当外加电压V＝0时，电流J仍存在，且)(SinJJc;[φ=φ(a)]当V≠0时，J是交流电，频率f为heVf2,e—电子电量；h—普朗克常数（2）原理：固体中，电子←→原子电子←→电子很复杂的相互作用原子←→原子（多体问题）当温度T降到Tc以下，通过各自和原子的相互作用，电子与电子之间可形成具有吸引力的电子对（Cooperpairs），导体超导体解释：正电荷电子云电子1212V2V1电子1被正电荷区吸引，尤如电子1和电子2有吸引力。绝缘体超导体粒子性波动性负粒子正粒子磁场诱导电场电场诱导磁场宇称守恒宇称不守恒同性相斥同性相吸......古代幻想：上天、入地、点金术、分身术、千里眼、顺风耳、飞毛腿、风火轮...如今均已成为事实！赵州桥:位于河北省赵县境内，建于隋开皇年间（公元595－605年）距今已有1400多年历史.美国旧金山金门大桥一二三IIIIII右左物理学人明类文叶高翔2014年秋一二三IIIIII右左左右大小小大姓名名姓写意写实柔剧辩证法形而上学......●Nothingisimpossible!●Today’sfantasyistomorrow’spossibility!●不怕做不到，就怕想不到！应用：超导线（104—105安培/毫米2）超导电机（发电机，电动机，变压器等）强磁场～15特斯拉（核磁共振仪，加速器等）磁悬浮～30公斤／厘米2………■超导计算机—开关时间10-9秒Bi（磁场在超导环中感生出或抵消永久不衰电流，即“1”和“0”状态）■微弱磁场（B～10-15T）测量（地磁场～10-5T，脑电磁场～10-12T）■微弱电流（～10-10安培）及电压（～10-17伏特）测量广泛运用于航天、军事、生命科学等领域。讨论题：（1）宇宙的奥秘是不可穷尽的？（2）有人说“思想是第一位的！”谈谈你的看法。