高压物理——绪论

以一维体系为例
a
(a)
分子晶体
(b)
原子晶体
E
E
ΔEg
-2π/a
-π/a
0
π/a
2π/a
-2π/a
-π/a
0
π/a
2π/a
(a)
(b)
H2分子在高压下的原子化
b1 . +
a1
. +
d
d
. +
. +
-
A1
A2
a2
-
B1
B2
b2
D
两个H 两个H2分子在靠近的过程中， 当D>>d，电子a1,a2受A1，A2质子的作用，形成分子； D>>d，电子a 随着D逐渐减小，电子a 随着D逐渐减小，电子a1,a2受B1，B2质子的作用组建增强； 当D~d时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金 D~d时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金 属的状态。
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。
（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； 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； 石墨 高温高压 金刚石
h-BN
C-BN
（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 ）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 Me+1/2 N2 MeN C3N4、 C3N4、BCN
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
P
物Байду номын сангаас 科学
X
T
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) Si原子配位数变化：4(I)——6(II)——8(V)——?(VI)——12(VII,
1.2 高压科学与技术的发展
动高压 静高压
1. 典型的高温高压装置及其温度范围
Apparatus
Gas apparatus 气压装置 Piston-Cylinder 活塞-圆筒装置 Bridgman anvil unsupported supported
P（GPa） （ ）
< 2~3 <5 <5 < 20 < 20 <20~30 ~200~300
（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 102-103 bar （水热溶剂热） 材料科学 物理学： 100-102 GPa
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。
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 高压新相 新结构 新性质 新材料 结构相变 新数据 新现象 新规律 新理论
内容：
1. 高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压下各种物化性质 的仪器分析。 2. 凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定的客观条件下物 凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定的客观条件下物 质的能量或体积与其所处温度、压力的关系。它表征了物质的 基本热力学性质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的信 息，是高压物理物理关心的基本问题之一。 3. 高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理学研究的极为丰 富的探索领域
Bridgman对高压物理的贡献 对高压物理的贡献
P.W. Bridgman (美国哈佛大学教授， 美国哈佛大学教授，
1882-1961) 1882-1961)因为在高压物理领域的 开拓性贡献获得1946 年诺贝尔物 开拓性贡献获得 1946年诺贝尔物 理奖。 理奖。
发明和发展了高压设备与技术， 发明和发展了高压设备与技术，获得 10GPa。 10GPa。 提出了“大质量支撑”原理和“ 提出了“大质量支撑”原理和“多级 加压” 加压”原理 测量了一系列元素和化合物材料的高 压物性（压缩率、电导率、热导率、 压物性（压缩率、电导率、热导率、 状态方程、粘性、抗张强度） 状态方程、粘性、抗张强度）
高压物理
第一章 绪论
超硬材料国家重点实验室
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
1. 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 方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技 术。
超高压物理研究的历史
1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。 年 开始高压金刚石的合成实验 Coes首次合成出了科石英 首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅酸盐矿物。 柯石 及其它硅酸盐矿物。 首次合成出了科石英 及其它硅酸盐矿物 英是SiO2的高密度相，即高压相。 的高密度相，即高压相。 英是 1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等 年 美国通用电气公司的 等 及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。 公司的研究人员首次合成出人造金刚石。 人 ， 及瑞典 公司的研究人员首次合成出人造金刚石 Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼 合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼 。 哈佛大学于1933年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 哈佛大学于 年启动地球物理科学方面的一项研究计划 1952年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。 发表了“ 年 发表了 地球内部的弹性和组成”的论文。 美国Carnegie地球物理实验室创立于 地球物理实验室创立于1907年， 设计了最初的 美国 地球物理实验室创立于 年 高压釜，奠定了水热合成法的基础， 高压釜， 奠定了水热合成法的基础， 研究了高温高压下的相 平衡、花岗岩的形成机理。 平衡、花岗岩的形成机理。
II、金属氢：固态氢金属化的可能机制 II、金属氢：固态氢金属化的可能机制 (1) 能带重叠机制
σ1s * 1s σ1s σ1s * 空带 1s
H2 分子
晶体 σ1s 满带 σ1s * 受压
σ1s
(2) 由分子晶体转变为原子晶体（类似于Peierls相变） 由分子晶体转变为原子晶体（类似于Peierls相变）
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
（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 ) 帕斯卡)是国际压力单位 ＝ 帕斯卡 1MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa ＝ ， ＝ bar (巴)是常用压力单位 (=106dyn/cm2) 巴 是常用压力单位 atm (大气压 称为标准大气压 大气压)称为标准大气压 大气压 称为标准大气压=1.013×105 Pa × 1bar＝105Pa＝0.9869atm ＝ ＝ 1bar≈1atm 10kbar=1GPa
对金属氢的研究主要围绕以下几个问题： 1. 金属化机制 2. 在金属化过程中一系列特定点的确定 3. 结构 4. 超导电性 5. 磁性 6. 稳定性与可利用性 7. 含H金属化合物的对应研究LiH、MgH2、Ni2H …... 金属化合物的对应研究LiH、
3. 本学科的特点及内容 特点：
1. 边缘学科，与材料科学、地学、天体物理学、化学、生物等相 结合。 造成缺点：目前为止还没有一套规范、统一、完备的教材。 2. 与技术的结合非常密切：与高能物理、同步辐射技术 3. 理论与实验结合，思考与操作相结合，强调动手能力
I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言； (1) 超导转变温度的同位素效应的启示 Tc∞1/M1/2 Tc∞1/M (2) 1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是 1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是 一种室温超导体。 (3) 这一点也可以以电-声子耦合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有 这一点也可以以电效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强， 从而提高超导转变温度。