课件2-光与物质相互作用简介I-基本概念

（3）复合粒子 总自旋由粒子种类和数目决定
16 N 8 O2 a.Bose子相加，得到的总自旋是整数－Bose子， 14 7
b.偶数个Fermi子组成的粒子－Bose子 c.奇数个Fermi子组成的粒子－Fermi子
广义不相容原理 设ν是分子或其他粒子中质子、中子及电子数目之和，ν为奇数的粒子 (或其他分子)～费米子，ν为偶数的粒子～玻色子。就任何全同粒子的(分 子或宏观)体系而言，ν为奇数值的体系只允许ΨA型波函数；ν为偶数的粒 子体系只允许ΨS型的波函数。
单个粒子的本征函数
独立粒子系统的本征函数是各个粒子本征函数的乘积，相应的能量本 征值是各个粒子能量本征值之和。
玻色—爱因斯坦分布律
ni nBE
e e
i / kT
gi
麦克斯韦—玻耳兹曼 分布律
费密—狄喇克分布律
1
ni nMB
gi i / kT e e
ni nFD
光与物质相互作用简介 I － 基本概念 一. 物质的基本单元 原子
质子、中子、电子
夸克
二.
原子核的基本性质
1、原子核的质子—中子模型
原子核由质子和中子组成。
质子（P）： e m p 1.007276u 核子
中子（n）：电中性 mn 1.008665u
1u 1.6605655 1027 kg
负折射率材料研究现状太赫兹研究现状太赫兹成像的优势能否对材料进行ct空气中气体放电后电子的通道大气化学超光速研究控制光波在介质中传输的速度光信号延迟与光存储超临界co2在材料科学中的应用人体的微弱发光另类化学发光计算材料学李巨陶瓷发动机高温燃烧彻底物质的基本单元原子原子质子中子电子质子中子电子夸克夸克光与物质相互作用简介i基本概念原子核的基本性质1原子核的质子中子模型原子核由质子和中子组成
* 孤立粒子a，ψm(a) ,εm 孤立粒子b， ψn(b) εnψ 两粒子放在一起形成同一体系，二者不可区分且无相互作用，则体系的能 量和波函数为 E = εm+εn ΨS = c[ψm(a)ψn(b)＋ ψm(b)ψn(a)] 玻色子，粒子交换对称 ΨA = c[ψm(a)ψn(b)－ ψm(b)ψn(a)] 费米子，粒子交换反对称 用途：He原子的激发态(1s)1(2s)1，自旋都为↑↑,体系波函数(e是费米子) 1 1s (1)(1) 1s (2)(2) (1, 2) 2 2 s (1)(1) 2 s (2)(2)
参考书： 量子力学， 费米 统计热力学，龚少明译
第一章 光与物质相互作用简介 I － 基本概念 光与物质的相互作用简介 II－ x、γ -ray与固体作用 相互作用与晶体结构关系 XANES和EXAFS－扩展x射线吸收谱精细结构 射线探测原理 第二章 固体材料中电子能量结构和状态 第三章 材料的电学性质 磁场中的电子－Hall效应物理本质 离子导电 电子导电 半导体 第四章 材料的介电性质 第五章 材料的光学性能 第六章 材料的磁性 第七章 切伦科夫、穿越辐射、光声效应介绍
郝绿原 hly@ 3600834 课件下载：FTP（注意关闭防火墙） haoly 86420
作业： 1. 指出下面粒子哪些是费米子、哪些是玻色子？ 氢原子、氘原子、氮原子(14N)、α粒子、d(氘核)、氚核、 H2 、3He 、H－ 2. 一个火柴盒内装满原子核，求其重量，并与一列火车自重相比较。
辐照性能（辐照稳定性，辐射损伤）
信息时代: 多元化, 多功能化, 低维化, 智能化
利用材料的性质，设计材料的性质，发现材料的性质
须清楚材料的分类有不同的依据（或标准，或方法） 力学性能（耐磨性－宝钢，厂内，铁板几个月磨坏。硅所，陶瓷，用几年。铁可通电，磨面，方便， 缺钙。农村，石磨，石头粉有钙，补充到食物中。比较铁和石头的耐磨性。 硬度－最硬的是金刚石，10。俄罗斯，半个房间大的设备，生产绿豆大的宝石。项链，碎钻－ 稳定 ，价低，主钻，不稳定－价高。物以希为贵。碎钻便宜又稳定，适合工薪阶层购买。 耐热冲击性－农贸市场便宜的沙锅能直接在明火上加热，超市相对贵的紫砂电炖锅不能直接放 在明火上，否则裂；只能用电缓慢、均匀地加热。两种锅材质看似相似，为什么耐热冲击性不同。 热学性能（传热性：常用的是紫铜，导热性排序：金刚石、Ag、Cu、Au。超导、STM低温样品， 用紫铜传热冷却。隔热性，即保温。紫铜外面要保温，薄布一层一层缠绕效果好。泡沫塑料，好 的保暖材料，垫在脚下，凳子上。结构 规则，quasi x-ray~Cerenkov。9.11双子楼没燃烧，为什么 就塌了。金属，300度，强度下降，变脆。建议在金属外面涂上一层隔热材料。 声学性能（反射性－混响室，混响太弱（混响时间态短），声音变得沉闷、枯燥，用什么物理量描 述沉闷、枯燥？高音、低音、圆润、刺耳可用频率、示波器波形描述。混响太强（混响时间太 长），则会使声音混淆不清。哈佛大学教师赛宾发现自己的教室声响效果太差，于是用了5年的 时间研究这个问题，找到了计算混响时间(声能密度下降为原有数值的百万分之一所需的时间） 的公式－赛宾 公式， T 0.163V / S S:房间内总面积， ：房间内表面的平均吸收系数 我们的教室，0.4~0.5秒最佳。吸收性－消音室，改变音质，去噪声；振动响应－音频，超声； 声音变了。房间对声音的主要影响：声反射、改变音质、简正振动－增加声能密度、声音的空 间分布发生变化；驻波能量－有限空间的物理量不连续，宏观也是。）
1 1.质子和中子的自旋 I 2 2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。
3.原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。
4.原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。
三.
基本粒子的分类
• 按质量分为四类： （1）重子类 这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超 过核子，故称为超子Σ、Ω、Ξ、Λ等）。 （2）轻子类 介子、 介子 这类粒子质量较小，包括电子、 及其相应的中微子。 （3）介子类 质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括 K介子、 π 介子、η 介子。 只有光子一种，其静止质量为零。 （4）光子类
慢光速 前面补充波包
实验观察到的是光的群速度 vg
折射率n
c n( )
dn( ) d
消光系数k
可以看出若介质的折射率随光波频率变化很大(d n/dω >> 1) ,群速 度就会变得很小. 所以,在小频率范围内介质的折射率发生急剧变化 是实现光速减慢的关键. 人们很早就认识到:在共振频率附近介质的 折射率会发生急剧的变化,可以实现d n/dω >> 1这个条件.
1 [1s (1)(1)2 s (2)(2) 2 s (1)(1)1s (2)(2)] 2 下标是轨道标号，括号内的数字是电子的空间坐标，α、β对应±(1/2)自 什么时候考虑 旋。波函数满足电子交换反对称。
全同粒子位于各个态1，2，…s…的粒子数为N1，N2，… Ns …， N1＋N2 ＋… Ns ＋…＝N(粒子总数)。 对称波函数
R R0 A
13
R0 1.20 1015 m
在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。
2.29 1017 kg m 3
电子的经典半径
2、核自旋和磁矩 原子核有自旋，自旋角动量为
I 核自旋角动量量子数（ 核自旋）
h PI I ( I 1) 2
核自旋可以是整数，也可以是半整数。 核自旋的确定：
L
L
2L / 3
L2
波长
v L
3v 2L
2v L
频率
宏观条件下，有限空间内的物理量也有分离的情况，并 不仅限于微观。
*水燃烧 *水的结构和其结构研究方法（生物书） *石油与水如何混合？浓度测量方法，水中油的状态。 －水的结构，同步辐射无相 应的波段。 *负折射率材料研究现状 *太赫兹研究现状 *太赫兹成像的优势 *能否对材料进行CT *空气中气体放电后电子的通道－大气化学 *超光速研究－控制光波在介质中传输的速度，光信 号延迟与光存储 *超临界CO2在材料科学中的应用 *人体的微弱发光（另类化学发光） *计算材料学－李巨 *陶瓷发动机－高温，燃烧彻底
e ei / kT 1
gi
eα= f / N，f 是配分函数，N是总粒子数，ni 是能级εi 上的最可几粒子数分
布，gi 是εi 的简并度，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。
•按自旋分为两类： （1）玻色子
的整数倍的基本粒子称为玻色子,s = 0,1,2…。包 括光子类和介子类。光子的自旋为1， π介子的自旋为0。
自旋是
（2）费米子
自旋是
的半整数倍的基本粒子称为费米子,s
= ½,3/2,5/2…。
包括重子和轻子。轻子、核子的自旋为1/2，超子的自旋为1/2、 3/2 ... 。
前言
物理性能载体: 材料
金属材料 无机非金属材料 高聚物材料
物理性能: 力学性能（耐磨性，耐热冲击性，硬度） 热学性能（传热性，耐热、抗热冲击，隔热性） 声学性能（反射性，吸收性，音频振动） 光学性能（荧光性，透光性，色散，偏振光性） 电学性能（绝缘性，介电性，压电性，电子辐射性） 磁学性能（软磁性－磁芯，硬磁性－磁石）
子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分
布半径为0.8fm。还发现核子内部存在好多个散
射中心。
具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。
16 8 18 O 17 O 8 8O
1 1
H H H
2 1
3 1
质子、电子和中子符号
1 1 1 H( 1 P) 0 1
e
1 0
n
原子核的体积总是正比于它的质量数
s
反对称波函数
N1 ! N2 ! N s ! N!
( x ) ( x )
1பைடு நூலகம்1 2 2
N ( xN )
1 ( x1 ), 1 ( x2 ),
1 ( xN )
1 2 ( x1 ), 2 ( x2 ), 2 ( xN ) A N ! N ( x1 ), N ( x2 ), N ( xN )
原子核符号
A Z
A 质量数 Z N
X
Z 电荷数 X 与Z相应的元素符号
14 7
N
16 8
O
用能打入质子内部的高能量轻子打击质子， 由于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以 发现质子的内部是否有结构。 1956年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时， 发现质子的电荷分布半径为0.7fm.后来又发现中
NaCl晶体的色散
钠蒸气的色散
2L 驻波波长 , n 1, 2,3... x1 A cos( t ky ) n x A cos( t ky ) v 2 驻波频率 f n , n 1, 2,3... 2 v 2L x1 ( y 0) x1 ( y L) 0 2 2 一个时间空间周期的平均能量密度 A x ( y 0) x ( y L ) 0 2 2
光学性能（荧光性－荧光屏，液晶，纳米荧光探针。台湾原子分子研究所张涣正用3MeV质子辐照纳 米金刚石，使其产生发光的缺陷。在510nm的光照射下，金刚石发红光。在金刚石上连上羧基 ，构成荧光探针，进入人体肾细胞，标记细胞中的成分。由照片可以看出，探针没有进入细胞 核。这种无机纳米探针的光照稳定性明显好于商业的荧光探针。我国不能自己生产荧光探针， 需要时以每毫克～千元的价格从国外购买，一星期预定。商业荧光探针是高分子材料。 透光性，增透膜，减少激光的反射伤人。剑桥大学就有激光伤学生眼睛的事故。激光束应水平 ，在人腹部位置。工作人员从上往下调整元件。反射性，偏振光性－立体电影。 电学性能（绝缘性，介电性，可变电容容量小，容量大的电容不可调且体积大。利用介电材料增大电 容，研制大容量的可变电容，有应用价值。压电性－正反两个过程，加电，控制扫描隧道显 微镜、原子力场显微镜等的精密的微运动。加机械压力，产生电压，制成可在空气中探测超声波 的传感器。传感器表面一定涂有一层过渡材料，以匹配传感器的声阻和空气的声阻。超声用在水 声，B超在肚子上抹液体，都是为了匹配超声传播介质的声阻和超声传感器的声阻。电子辐射性 －电子枪，钨丝、钍钨丝， LaB6等热阴极，温度低，电子能量分布窄，分辨率高－电子能损谱 仪。 磁学性能（软磁性－磁芯－计算机，硬磁性－磁石－冰箱） 辐照性能（辐照稳定性－航天器上的元器件，在太空中被照射，要求性能不变。辐射损伤－茶色玻璃 ，色心激光器，变化后稳定）