物理学分支发展简史(固体物理学──表面物理学)

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固体物理发展史范文

固体物理发展史范文

固体物理发展史范文固体物理是物理学的一个重要分支,研究物质的宏观性质与微观结构,对人类科学技术的发展具有重要影响。

固体物理的发展史可以追溯到古代,以下将对固体物理的发展历程进行概要介绍。

古代:古代人类对固体物理的认识很有限,主要以经验为基础。

早在公元前6世纪的古希腊,柏拉图提出了“五大元素”说,即地、水、火、气和空气。

这些元素被认为是构成物质的基本成分,这种观点一直持续到17世纪。

近代:17世纪,随着科学方法的发展,人们开始从实验中获取新的固体物理知识。

伽利略通过斜坡实验开创了现代弹道学的先河,同时对固体物理的研究也有很大贡献。

另外,伽利略还提出了相对论和圆形运动理论等。

18世纪,物质的微观结构概念开始出现。

英国科学家牛顿在经典物理力学的基础上提出了万有引力定律和三大运动定律。

德国科学家辛普森发现了溶解度和比热容的关系,为后来热力学的发展提供了重要依据。

此外,德国热力学家卡诺提出了热力学第二定律,推动了热力学的快速发展。

19世纪,科学技术的迅猛发展推动了固体物理的进一步深入研究。

德国科学家荷姆霍兹提出了能量守恒定律和能量转化定律,奠定了固体物理与热力学的基础。

此外,法国科学家傅科解释了固体传热的机制,开创了固体热传导理论的先河。

同时,电磁理论的发展也推动了固体物理研究的进展。

英国物理学家麦克斯韦提出了电磁场理论,预言了电磁波的存在,并成功解释了光的性质。

20世纪初,量子力学的发展实现了对固体物理的革命性突破。

德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念,奠定了量子理论的基础。

随后,德国物理学家玻尔提出了原子结构的理论模型,解释了光谱的规律。

此外,奥地利物理学家斯特恩发现了空间磁性量子化现象,提出了自旋轨道耦合。

瑞士物理学家德布罗意提出了波粒二象性理论,并证明了电子也具有粒子和波动性质。

随着现代技术的进步,固体物理的研究进入了新的阶段。

半导体技术的应用带动了固体能源学的快速发展,光电子学与固体激光器的研究使得固体物理在信息科学、通信科学等领域发挥了重要作用。

物理学发展史

物理学发展史

物理学概况及发展史物理学physics研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的一门学科。

实验手段和思维方法是物理学中不可或缺和极其重要的内容,后者如相对性原理、隔离体(包括系统)法、理想模型法、微扰法、量纲分析法等,在古典和现代物理学中都有重要应用。

物理学一词,源自希腊文physikos,很长时期内,它和自然哲学(naturalphilosophy)同义,探究物质世界最基本的变化规律。

随着生产的发展。

社会的进步和文化知识的扩展、深化,物理学以纯思辨的哲学演变到以实验为基础的科学。

研究内容从较简单的机械运动扩及到较复杂的光、热、电磁等的变化,从宏观的现象剖析深入到微观的本质探讨,从低速的较稳定的物体运动进展到高速的迅变的粒子运动。

新的研究领域不断开辟,而发展成熟的分支又往往分离出去,成为工程技术或应用物理学的一个分支,因此物理学的研究领域并非是一成不变的,研究方法不论是逻辑推理、数学分析和实验手段,也因不断精密化而有所创新,也难以用一个固定模式来概括。

在19世纪发行的《不列颠百科全书》中,早已陆续地把力学、光学、热学理论和电学、磁学,列为专条,而物理学这一条却要到1971~1973年发行的第十四版上才首次出现。

为了全面、系统地理解物理学整体,与其从定义来推敲,不如循历史源流,从物理学的发生和发展的过程来探索。

发展史西方的先哲一般都认为宇宙万物由几个简单的基本元素构成;千姿百态的各种运动也只是这些元素的量和质的变化。

这些先进思想和他们的严谨的思辨方式,为后世的自然科学所继承和发扬。

但由于他们的观察比较粗糙,又缺乏严格的数学论证,不免带有不少的空想和臆测的成分。

例如亚里士多德在所著的《物理学》中就认为大地或月下区域内的物体是由土、水、气、火四元素构成,它们在宇宙中的“天然位置”是土位于最底层(即地球或宇宙中心),其上顺次为水、气、火,任一物体的运动取决于该物体中占最大数量的元素,在该元素的天然位置的上下作直线运动;月球以上的天体则由截然不同的第五元素即由纯净的以太(ether,希腊文的原意是燃烧或发光)构成的,它们的天然运动是圆周运动。

物理学的发展历程简介

物理学的发展历程简介

物理学的发展历程简介按照物理学史特点,将其发展大致分期如下:①从远古到中世纪属古代时期。

②从文艺复兴到19世纪,是经典物理学时期。

牛顿力学在此时期发展到顶峰,其时空观、物质观和因果关系影响了光、声、热、电磁的各学科,甚而影响到物理学以外的自然科学和社会科学。

③随着20世纪的到来,量子论和相对论相继出现;新的时空观、概率论和不确定度关系等在宇观和微观领域取代牛顿力学的相关概念,人们称此时期为近代物理学时期。

1. 古代物理学时期这一时期是从公元前8世纪至公元15世纪,是物理学的萌芽时期。

无论在东方还是在西方,物理学还处于前科学的萌芽阶段,严格的说还不能称其为“学”。

物理知识一方面包含在哲学中,如希腊的自然哲学,另一方面体现在各种技术中,如中国古代的科技。

这一时期的物理学有如下特征:在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎;在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测;在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识,其中静力学发展较为完善;在发展速度上比较缓慢,社会功能不明显。

这一时期的物理学对于西方又可分为两个阶段,即古希腊-罗马阶段和中世纪阶段。

(1)、古希腊-罗马阶段(公元前8世纪至公元5纪)。

主要有古希腊的原子论、阿基米德(公元前287-公元前212)的力学、托勒密(约90-168)的天文学等。

(2)\中世纪阶段(公元5世纪至公元15世纪)。

主要有勒·哈增,约965-1038)的光学、冲力说等。

2. 近代物理学时期又称经典物理学时期, 这一时期是从16世纪至19世纪,是经典物理学的诞生、发展和完善时期。

物理学与哲学分离,走上独立发展的道路,迅速形成比较完整严密的经典物理学科学体系。

这一时期的物理学有如下特征:在研究方法上采用实验与数学相结合、分析与综合相结合和归纳与演绎相结合等方法;在知识水平上产生了比较系统和严密科学理论与实验;在内容上形成比较完整严密的经典物理学科学体系;在发展速度上十分迅速,社会功能明显,推动了资本主义生产与社会的迅速发展。

固体物理学的发展历程与重要里程碑

固体物理学的发展历程与重要里程碑

固体物理学的发展历程与重要里程碑在科学的大舞台上,固体物理学以其引人入胜的研究领域和重要的应用价值一直备受瞩目。

固体物理学是研究固态物质性质和行为的科学学科,涵盖了从微观到宏观的各个层面。

在其发展的过程中,固体物理学取得了一系列重要里程碑的成就。

本文将对固体物理学的发展历程及其重要里程碑进行详细探讨。

一、早期发展固体物理学的研究可以追溯到古希腊时期,阿基米德在古希腊的物理学研究中开创了固体力学的奠基性工作。

然而,直到19世纪初,固体物理学才开始成为一门独立的科学学科。

克鲁伯、泊松和拉格朗日等科学家和数学家在固体力学和弹性力学等方面做出了重要贡献,为固体物理学的发展奠定了基础。

二、量子力学的出现20世纪初,量子力学的出现对固体物理学的发展产生了深远影响。

1900年,普朗克提出能量量子化的概念,为解释黑体辐射的研究打下了基础。

随后,爱因斯坦和玻尔等科学家对固体材料的光谱现象进行了深入研究,提出了光电效应、玻尔频率规则等重要理论,为量子力学的形成做出了贡献。

三、半导体物理学的突破在20世纪中叶,固体物理学取得了一系列重要突破。

1947年,晶体管的发明标志着半导体物理学的新时代。

晶体管的出现不仅使得电子学进入了一个崭新的时代,也为信息技术的快速发展奠定了基石。

此后,发展出了集成电路、微电子器件等一系列强大的电子元件。

四、超导现象的发现1960年代,固体物理学又取得了一项重要突破,即超导现象的发现。

超导材料在低温下能够完全消除电阻,电流可以无损耗地通过材料传输。

这一现象的发现不仅在能源传输和储存领域具有巨大潜力,也为理解物质的宏观量子性质奠定了基础。

五、量子霍尔效应的发现在固体物理学的发展历程中,量子霍尔效应的发现被认为是一个重要的里程碑。

1980年,范克尔和克拉兹尼奇通过相关实验观测到了量子霍尔效应。

这一效应在低温和强磁场条件下,电阻出现了明显的量子级别跳跃,揭示了电荷在二维系统中行为的全新规律。

量子霍尔效应的发现引起了广泛的关注,并为拓展新型电子器件和研究凝聚态物理学提供了新的思路。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史物理学是自然科学的一个重要分支,研究物质、能量以及它们之间的相互作用。

它的发展历史可以追溯到古代文明时期,经历了数千年的演变和进步。

本文将为您详细介绍物理学的发展简史。

1. 古代物理学的起源古代的物理学主要集中在希腊、中国、印度和阿拉伯等文明中。

在希腊,著名的哲学家亚里士多德提出了乾坤万物的四要素理论,即地、水、火、气。

而中国的古代科学家们则研究了天文学、力学和声学等领域。

印度的古代科学家开展了对光学和声学的研究,而阿拉伯的科学家则在物理学和天文学方面取得了重要的发展。

2. 文艺复兴时期的物理学文艺复兴时期标志着物理学的复兴和进一步发展。

尼古拉·哥白尼提出了地心说的观点,认为地球是宇宙的中心。

这个观点在当时得到了广泛的接受,但随着后来伽利略·伽利莱的浮现,他的地心说受到了挑战,伽利略提出了日心说的观点,并用实验证明了这个观点的正确性,从而推动了物理学的进一步发展。

3. 牛顿力学的诞生17世纪末,艾萨克·牛顿提出了力学的三大定律,即牛顿三定律。

这些定律奠定了经典力学的基础,解释了物体的运动规律和相互作用原理。

牛顿的力学理论极大地推动了科学的进步,成为物理学的重要里程碑。

4. 电磁学和光学的发展19世纪初,奥斯丁·法拉第和迈克尔·法拉第等科学家在电磁学领域取得了重要的突破。

法拉第提出了电磁感应和电磁场的概念,揭示了电磁现象的本质。

同时,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组,统一了电磁学的理论框架。

光学方面,托马斯·杨和奥古斯特·菲涅耳等科学家的研究推动了光的波动理论的发展。

5. 相对论和量子力学的革命20世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论,彻底改变了人们对时空和引力的理解。

狭义相对论解释了光速不变和质能等价的原理,广义相对论则描述了引力的曲率效应。

与此同时,量子力学的发展也引起了物理学的革命。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史物理学是自然科学的一个分支,研究物质的本质、性质和相互关系,以及宇宙的基本规律。

在人类历史上,物理学的发展经历了多个阶段和重要的里程碑。

本文将从古代到现代,简要介绍物理学的发展历程。

古代物理学的起源可以追溯到古代希腊时期,其中最重要的贡献者是亚里士多德。

他提出了自然哲学的理论,将物质分为四个元素:地、水、火和气。

他还提出了天体运动的地心说模型,认为地球位于宇宙的中心。

在古代中国,物理学也有独特的发展。

古代中国的科学家和哲学家提出了一些关于自然现象的观点和理论。

例如,他们认为水是一种基本的物质形态,并且提出了一些关于光的传播和折射的理论。

在中世纪,物理学的发展受到了宗教和哲学观念的限制。

然而,一些突破性的思想和观点仍然出现。

例如,伊斯兰学者伊本·海森·塔赫的《视觉书》中提出了光的传播和折射的理论。

这本书对后来光学研究的发展产生了重要影响。

现代物理学的起源可以追溯到17世纪。

伽利略·伽利雷是现代物理学的奠基人之一,他提出了运动的相对性原理,即物体的运动状态相对于观察者的参考系而言是相对的。

伽利略的工作为后来牛顿力学的发展奠定了基础。

伊萨克·牛顿是物理学史上最重要的人物之一。

他在《自然哲学的数学原理》中提出了经典力学的三大定律,建立了质点力学的基本原理。

牛顿的工作不仅解释了天体运动,还为后来的工程学和技术应用提供了基础。

18世纪,物理学的发展进入了一个新的阶段。

光学的研究成为热点,光的波动性和粒子性的争论成为当时的焦点。

克里斯蒂安·赫尔曼·惠更斯提出了波动理论,而托马斯·杨提出了光的粒子性理论。

这两种理论在当时引发了激烈的争论。

19世纪是物理学发展的黄金时期。

电磁学的研究成为热点,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了电磁场理论,将电磁现象统一起来。

麦克斯韦方程组成为电磁学的基础,对后来的电磁波和电磁感应的研究产生了重要影响。

物理学分支发展简史

物理学分支发展简史

物理学分支发展简史一、物理学分支发展简史(力学──磁流体力学)磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法,研究导电流体和磁场相互作用的学科,它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。

磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题;磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。

磁流体力学通常指磁流体动力学,而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。

导电流体有等离子体和液态金属等。

等离子体是电中性电离气体,含有足够多的自由带电粒子,所以它的动力学行为受电磁力支配。

宇宙中的物质几乎全都是等离子体,但对地球来说,除大气上层的电离层和辐射带是等离子体外,地球表面附近(除闪电和极光外)一般不存在自然等离子体,但可通过气体放电、燃烧、电磁激波管、相对论电子束和激光等方法产生人工等离子体。

能应用磁流体力学处理的等离子体温度范围颇宽,从磁流体发电的几千度到受控热核反应的几亿度量级(还没有包括固体等离子体)。

因此,磁流体力学同物理学的许多分支以及核能、化学、冶金、航天等技术科学都有联系。

磁流体力学发展简史1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。

他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法,测量泰晤士河两岸间的电位差,希望测出流速,但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差,未达到目的。

1937年哈特曼根据法拉第的想法,对水银在磁场中的流动进行了定量实验,并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法。

1940~1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波(即阿尔文波)和太阳黑子理论,1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作,推动了磁流体力学的发展。

1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题,即磁流体静力学问题。

受控热核反应中的磁约束,就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。

然而,磁约束不易稳定,所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态,及其相互关系的科学。

它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质,包括晶体和非晶态固体。

简单地说,固体物理学的基本问题有:固体是由什么原子组成?它们是怎样排列和结合的?这种结构是如何形成的?在特定的固体中,电子和原子取什么样的具体的运动形态?它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系?各种固体有哪些可能的应用?探索设计和制备新的固体,研究其特性,开发其应用。

在相当长的时间里,人们研究的固体主要是晶体。

早在18世纪,阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。

后来,布喇格在1850年导出14种点阵。

费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年,各自建立了晶体对称性的群理论。

这为固体的理论发展找到了基本的数学工具,影响深远。

1912年劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象,证实了晶体内部原子周期性排列的结构。

加上后来布喇格父子1913年的工作,建立了晶体结构分析的基础。

对于磁有序结构的晶体,增加了自旋磁矩有序排列的对称性,直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。

第二次世界大战后发展的中子衍射技术,是磁性晶体结构分析的重要手段。

70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术,在于晶体结构的观察方面有所进步。

60年代起,人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。

20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善,成为研究晶体表面的有力工具。

近年来发展的扫描隧道显微镜,可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的基本形式有密切关系。

通常晶体结合的基本形式可分成:高子键合、金属键合、共价键合、分子键合和氢键合。

根据X 射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质,或者依据晶体价电子的局域密度分布的自洽理论计算,人们可以准确地判定该晶体具有何种键合形式。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史物理学是自然科学的一个重要分支,研究物质、能量和宇宙的基本规律。

它的发展可以追溯到古代,随着人类对自然世界的认识不断深入,物理学也在不断发展演变。

本文将从古代到现代,梳理物理学的发展历程,介绍其重要里程碑和贡献。

1. 古代物理学的起源古代物理学的起源可以追溯到古希腊时期。

古希腊哲学家泰勒斯被认为是第一个提出物质是构成世界的基本要素的人。

他认为水是万物的根源。

后来,希腊哲学家众多学派的浮现,如毕达哥拉斯学派、柏拉图学派和亚里士多德学派,推动了物理学的发展。

亚里士多德提出了天体运动的地心说,这一理论在中世纪长期占主导地位。

2. 文艺复兴与科学革命文艺复兴时期,人们对古代文化的热中促进了科学的发展。

伽利略·伽利莱是这个时期最重要的物理学家之一。

他通过实验和观察,提出了地球绕太阳旋转的日心说,并发现了自由落体定律。

伽利略的贡献推动了科学革命的到来。

科学革命时期,众多物理学家的贡献推动了物理学的飞跃发展。

伊萨克·牛顿是这个时期最重要的物理学家之一。

他提出了经典力学的三大定律,建立了万有引力定律,为后来的物理学研究奠定了基础。

牛顿的研究成果引起了对光学、热学等领域的深入探索。

3. 19世纪的物理学革命19世纪是物理学发展的重要时期,许多重要的理论和实验成果相继涌现。

迈克尔·法拉第的电磁感应定律和电磁波理论推动了电磁学的发展。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦通过数学推导,将电磁学理论统一为麦克斯韦方程组,奠定了电磁理论的基础。

这一理论为电磁波的存在提供了理论依据,对后来的无线电通信和光学的发展起到了重要作用。

热力学的发展也是19世纪物理学的重要发展。

卡诺提出了热力学第一定律和第二定律,奠定了热力学的基础。

后来,鲁道夫·克劳修斯和威廉·开尔文等物理学家进一步完善了热力学理论,推动了工业革命的进程。

4. 20世纪的现代物理学20世纪是物理学发展的黄金时期,许多重要的理论和实验成果相继涌现。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史物理学是自然科学的一个重要分支,研究物质、能量和它们之间相互作用的规律。

它的发展可以追溯到古代,经历了数千年的演变和进步。

以下是物理学发展的简史。

古代物理学:古代物理学主要集中在古希腊时期,其中最重要的贡献来自于亚里士多德。

他提出了一种关于物质构成和运动的理论,称为亚里士多德哲学。

他认为地球是宇宙的中心,万物都围绕着地球运动。

这一理论在几个世纪内占据主导地位,直到科学革命时期被推翻。

科学革命时期:科学革命时期是物理学发展的重要里程碑。

伽利略·伽利莱是这一时期的重要人物之一,他通过实验和观察提出了一些重要的理论。

他的研究揭示了自由落体运动的规律,并提出了地球绕太阳运动的观点,这与当时的教会观点相矛盾。

伽利略的工作为现代科学方法的发展奠定了基础。

牛顿力学:艾萨克·牛顿是物理学史上最重要的科学家之一。

他在17世纪末提出了经典力学的三大定律,这些定律描述了物体运动的规律。

牛顿的研究不仅解释了地球上的物体运动,还成功地预测了天体运动。

他的工作为后来的科学研究提供了基础,并被广泛应用于工程和技术领域。

电磁学的兴起:19世纪是电磁学发展的时期。

迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是这一时期的重要人物。

法拉第的研究揭示了电磁感应和电磁感应定律,为电动机和发电机的发展奠定了基础。

麦克斯韦则通过数学形式化了电磁理论,并预测了电磁波的存在。

他的工作为后来的无线电通信和电磁波谱的研究提供了理论基础。

相对论和量子力学:20世纪是相对论和量子力学的时期。

阿尔伯特·爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论,这些理论改变了我们对时间、空间和引力的理解。

量子力学的发展由多位科学家共同推动,如马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡等。

量子力学研究了微观世界的行为,揭示了粒子的波粒二象性和量子纠缠等奇特现象。

现代物理学:现代物理学涵盖了广泛的领域,如固体物理学、核物理学、粒子物理学和宇宙学等。

浅谈固体物理学的发展

浅谈固体物理学的发展

浅谈固体物理学的发展固体物理学是物理学的一个分支学科,致力于研究固体物质的结构、物理性质与力学行为,以及它们之间的互相作用。

历史上,固体物理学的发展始于18世纪中叶,当时物理学家们开始研究金属固体的结构和物理性质。

由于这些研究的成果的不断积累,许多有关固体的理论和实验研究相继出现,固体物理学的发展也在增速之中。

自18世纪中叶,固体物理学的发展正在蓬勃兴起。

以牛顿为代表的物理学家们大量研究金属固体,由此开创了固体物理学这一学科。

后来,固体物理学又渐渐得到了进一步发展,由罗素、阿米尔、瓦特、迪恩等学者出台了具有里程碑意义的理论,如量子力学、磁性原理、晶格理论等,使固体物理学许多领域得到了开拓和巩固,特别是通过物质的结构和物理性质的研究,帮助人们认识到了这些物质的本质。

20世纪以来,固体物理学有了更多的发展。

物理学家们利用各种实验技术对固体进行更深入的研究,发明了微观应变计、小角X 射线衍射、超精细接触角等新技术,进行更精确地物理性质的测量与探测;物理学家们利用非线性变换算法,研究固体的非线性力学特性;物理学家们利用简单的计算机仿真模型,研究固体的复杂的力学特性,并对其力量学效应作出解释。

另外,固体物理学还有许多其它方面的发展壮大,如新型固体物质的研究,如量子点材料、聚合物材料、先进复合材料等;纳米级结构固体物质的研究,如量子纳米结构、纳米材料等;复杂超晶格固体物质的研究,如多层堆积复合材料、石墨烯等;以及低温物理性质研究,如极低温物理实验、超流体微观特性等。

这些成果,推动了固体物理学的发展步伐,也大大拓宽了人类对物质的认识。

未来,固体物理学将有更多前沿的研究,并将会实现把理论和实验结合得更加完美的发展,以更好地服务社会的发展。

综上所述,固体物理学的发展朝着前所未有的方向前进,这充分说明了固体物理学在物理学研究中所起到的重要作用。

未来,固体物理学将会取得更大的发展,为科学技术的发展做出重要贡献。

大学课件固体物理学黄昆

大学课件固体物理学黄昆

凝聚态物理的研究对象除晶体、非 晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠 密气体、液体以及介于液态和固态之间 的各类居间凝聚相,例如液氦、液晶、 熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶 等。
固体物理研究对象
晶体、非晶体与准晶体等固相物质
几百万年前的石器时代,或者几万年前人 类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。 通过炼金术,人们了解了一些材料的颜色、 硬度、熔化等性质,并用之于绘画、装饰等, 但这只能说人们学会了使用固体。
• 在以上基础上,建立了晶格动力学和固体电子 态理论(能带论)。区分了导体和绝缘体。预 测了半导体的存在。 3) 20世纪四十年代末,以诸、硅为代表的半导 体单晶的出现并制成了晶体三极管______ 产生 了半导体物理。 4)1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光 和磁光器件不断地提出新要求。
近代物理以研究对象作为分类依据
研究對象
基本粒子物理(elementary particle physics) 原子核物理(nuclear physics) 原子分子物理(atomic and molecular physics) 凝聚态物理(condensed matter physics) 表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics)
kB T 3 e
2
特鲁德、洛仑兹:经典金属自由电子论 金属中的价电子象气体分子一样组成电 子气体,可以同离子碰撞,在一定温度下 达到平衡。电子气服从麦克斯韦-玻尔兹 曼统计。
二十世纪: 1) 1912年,劳厄:晶体可以作为X射线衍射光 栅,证实空间群理论。 XRD确定晶相。 2) 量子理论的发现可以深入正确描述晶体内部 微观粒子的运动过程。 • 爱因斯坦:引入量子化概念研究晶格振动。 • 索末菲:在自由电子论基础上发展了固体量子论。 • 费米发展了电子统计理论:电子服从费米-狄拉克 统计。为以后研究晶体中电子运动的过程指出了 方向。

浅谈固体物理学的发展

浅谈固体物理学的发展

浅谈固体物理学的发展固体物理学是一门广泛的科学,它研究固体材料的物理性质,并试图推导和解释它们的特性。

本文将回顾一下固体物理学的发展史,以及未来可能的研究方向。

固体物理学可以追溯到18世纪,当时科学家们开始研究固体材料的物理性质,这是固体物理学研究的起点。

18世纪末,利用气体力学,热学,以及其他物理学理论,科学家们提出了一系列关于固体材料的理论。

20世纪一直是固体物理学发展的重要时期。

这个时代,由于发展和运用最新的技术,科学家们能够观察固体材料的细微结构,进而发现了分子,原子和电子的存在。

这些研究发现,固体物理的本质是由电子的运动和相互作用所决定的,从而为认识和解释固体材料的性质奠定了基础。

20世纪也出现了无粘性力学,量子力学,凝聚态物理学等新的分支学科,为固体物理学的发展提供了巨大的空间。

在21世纪,随着科学技术的发展,固体物理学的研究发展变得越来越复杂,研究领域也在不断扩大。

最近几年,科学家们开发出了许多新的实验室技术,如超低温冷却技术,固态核磁共振技术,拓扑学技术等,这些技术在固体物理学的研究中发挥着重要作用。

此外,研究者也开始关注新兴学科,如多体物理学,表面物理,量子信息物理和复杂网络等,这些新兴学科可以为固体物理学的研究带来新的发现。

固体物理学的未来发展可以期待很多。

科学家们可以继续利用新的实验技术,探索更多未知的物理系统,从而增加我们对固体物理学的认知。

此外,固体物理学也可以为相关科学技术的发展提供重要建议。

例如,由于固体物理学的研究发现,科学家们能够设计出更加结实、耐用、高效率的材料,从而为未来产业和技术的发展提供基础。

从以上可以看到,固体物理学在过去的几个世纪中取得了巨大的进步,并且仍然为社会的发展和技术进步提供着不可或缺的贡献。

未来,固体物理学研究将继续发展,给与研究者更多的惊喜,为我们的社会带来前所未有的发展。

总之,固体物理学是一门古老而又广泛的学科,它在过去的几个世纪中取得了巨大的发展,并且也将会在未来有新的发展。

物理学理论中的固体物理研究

物理学理论中的固体物理研究

物理学理论中的固体物理研究引言固体物理学是物理学的一个重要分支,主要研究固体材料的性质和行为。

固体物理学的发展以及对固体物理的研究在现代科学技术的发展中起着重要的作用。

本文旨在介绍物理学理论中固体物理研究的背景、重要概念和应用。

一、固体物理学的发展历程固体物理学是近两个世纪来物理学领域中最重要的发展之一。

随着人们对材料性质的深入研究,固体物理学研究逐渐从经验性的阶段转向科学化的阶段。

下面将简要介绍固体物理学发展的重要里程碑。

1.1 形成阶段:经验与实验固体物理学的起源可以追溯到18世纪末和19世纪初。

那个时期,科学家开始使用实验和经验法则来研究固体材料的作用和行为。

早期的固体物理学主要关注传热、传导和导电性等基本现象。

1.2 理论建立:晶体学的兴起19世纪后半叶,固体物理学开始发展起来,晶体学成为物理学研究的重点领域。

晶体学的兴起,使得科学家们对固体材料的内部结构进行了更深入的研究。

通过晶体学的研究,科学家们首次发现了固体材料内部的三维周期结构,这对于固体的物理性质和行为的理解起到了关键作用。

1.3 量子力学的发展20世纪初,量子力学的发展推动了固体物理学的进一步发展。

固体物理学的研究逐渐集中于描述固体中的原子和电子的行为。

量子力学为解释材料的电子结构以及固体的磁性和光学性质提供了理论基础。

研究者们通过量子力学的理论研究,成功解释了许多固体材料的特性。

1.4 现代固体物理学的发展进入20世纪后半叶以及21世纪,固体物理学的研究范围不断扩大,涵盖了更广泛的材料和现象。

随着实验技术的不断进步,研究者们能够探索新型材料,如纳米材料和拓扑绝缘体,并探索固体材料的新奇性质和应用。

二、固体物理学的重要概念固体物理学有许多重要的概念,这些概念是理解固体物理学的基础。

下面介绍其中的重要概念。

2.1 晶体结构晶体结构是固体物理学中的一个重要概念。

晶体是一种具有长期周期性结构的固体。

晶体结构的研究有助于我们了解固体材料的性质和行为。

表面物理、表面化学的发展历程

表面物理、表面化学的发展历程

表面物理和表面化学的发展历程摘要:本文重点阐述了表面物理和表面化学两门学科的发展历程,介绍了表面物理和表面化学的发展成就及应用领域,并展望了这两门学科的发展前景和方向。

关键词:表面物理;表面化学;发展;应用;研究热点;方向1.引言材料的表面与界面对材料整体性能具有决定性的影响,材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、黏结、复合等,无不与材料的表界面密切有关。

因此研究材料的表面和界面现象具有重要的意义。

材料表面与界面的研究越来越受到国内外科学家的重视,材料表界面科学得到了迅速发展。

表面物理与表面化学作为材料表界面科学中两个重要的分支学科,同时也是重点研究的领域,对于材料表面与界面的表征、修饰、改善及应用发挥着不可替代的作用。

近几十年来,表面物理和表面化学发展迅速,逐渐成为世界范围内的研究热点。

2.表面物理2.1概述表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域。

表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质。

表面物理学研究在超高真空下(10~10Torr),这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。

实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。

例如:由于偏析造成化学成分与体内不同,原子排列情形不同,表明能吸附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等。

2.2发展概况早在18世纪,人们就开始了对表面的探索,例如催化、电化学以及表面相的热力学研究等等。

20世纪中叶,半导体工业和真空技术的迅速发展,极大地促进了表面物理的进步。

20世纪60年代起,人们开始在超高真空条件下研究表面的原子排列、电子状态以及吸附在表面上的外来原子和分子。

通过粒子束(电子束、离子束、原子束、或光束)和外场(温度、电场或磁场)与表面的相互作用,获得有关表面的原子成分、结构、吸附物特征、表面电子态以及表面元激发等信息[1]。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史摘要:物理学(de)发展大致经历了三个时期:古代物理学时期、近代物理学时期(又称经典物理学时期)和现代物理学时期.物理学实质性(de)大发展,绝大部分是在欧洲完成,因此物理学(de)发展史,也可以看作是欧洲物理学(de)发展史.关键词:物理学;发展简史;经典力学;电磁学;相对论;量子力学;人类未来发展0 引言物理学(de)发展经历了漫长(de)历史时期,本文将其划分为三个阶段:古代、近代和现代,并逐一进行简要介绍其主要成就及特点,使物理学(de)发展历程显得清晰而明了.1 古代物理学时期古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪,是物理学(de)萌芽时期.物理学(de)发展是人类发展(de)必然结果,也是任何文明从低级走向高级(de)必经之路.人类自从具有意识与思维以来,便从未停止过对于外部世界(de)思考,即这个世界为什么这样存在,它(de)本质是什么,这大概是古代物理学启蒙(de)根本原因.因此,最初(de)物理学是融合在哲学之中(de),人们所思考(de),更多(de)是关于哲学方面(de)问题,而并非具体物质(de)定量研究.这一时期(de)物理学有如下特征:在研究方法上主要是表面(de)观察、直觉(de)猜测和形式逻辑(de)演绎;在知识水平上基本上是现象(de)描述、经验(de)肤浅(de)总结和思辨性(de)猜测;在内容上主要有物质本原(de)探索、天体(de)运动、静力学和光学等有关知识,其中静力学发展较为完善;在发展速度上比较缓慢.在长达近八个世纪(de)时间里,物理学没有什么大(de)进展.古代物理学发展缓慢(de)另一个原因,是欧洲黑暗(de)教皇统治,教会控制着人们(de)行为,禁锢人们(de)思想,不允许极端思想(de)出现,从而威胁其统治权.因此,在欧洲最黑暗(de)教皇统治时期,物理学几乎处于停滞不前(de)状态.直到文艺复兴时期,这种状态才得以改变.文艺复兴时期人文主义思想广泛传播,与当时(de)科学革命一起冲破了经院哲学(de)束缚.使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来.科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来,这一时期,力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展.2 近代物理学时期近代物理学时期又称经典物理学时期,这一时期是从16世纪至19世纪,是经典物理学(de)诞生、发展和完善时期.近代物理学是从天文学(de)突破开始(de).早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”,即认为地球位于宇宙(de)中心.公元140年,古希腊天文学家托勒密发表了他(de)13卷巨着天文学大成,在总结前人工作(de)基础上系统地确立了地心说.根据这一学说,地为球形,且居于宇宙中心,静止不动,其他天体都绕着地球转动.这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始(de)现象,又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位(de)宗教教义,因而流传时间长达1300余年.公元15世纪,哥白尼经过多年关于天文学(de)研究,创立了科学(de)日心说,写出“自然科学(de)独立宣言”——天体运行论,对地心说发出了强有力(de)挑战.16世纪初,开普勒通过从第谷处获得(de)大量精确(de)天文学数据进行分析,先后提出了行星运动三定律.开普勒(de)理论为牛顿经典力学(de)建立提供了重要基础.从开普勒起,天文学真正成为一门精确科学,成为近代科学(de)开路先锋.近代物理学之父伽利略,用自制(de)望远镜观测天文现象,使日心说(de)观念深入人心.他提出落体定律和惯性运动概念,并用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德(de)“重物下落快”(de)错误观点,发现自由落体定律.他提出惯性原理,驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动(de)说法,为惯性定律(de)建立奠定了基础.伽利略(de)发现以及他所用(de)科学推理方法是人类思想史上最伟大(de)成就之一,而且标志着物理学真正(de)开端.16世纪,牛顿总结前人(de)研究成果,系统(de)提出了力学三大运动定律,完成了经典力学(de)大一统.16世纪后期创立万有引力定律,树立起了物理学发展史上一座伟大(de)里程碑.之后两个世纪,是电学(de)大发展时期,法拉第用实验(de)方法,完成了电与磁(de)相互转化,并创造性地提出了场(de)概念.19世纪,麦克斯韦在法拉第研究(de)基础上,凭借其高超(de)数学功底,创立了了电磁场方程组,在数学形式上完成了电与磁(de)完美统一,完成了电磁学(de)大一统.与此同时,热力学与光学也得到迅速发展,经典物理学逐渐趋于完善.3 现代物理学时期现代物理学时期,即从19世纪末至今,是现代物理学(de)诞生和取得革命性发展时期.19世纪末,当力学、热力学、统计物理学和电动力学等取得一系列成就后,许多物理学家都认为物理学(de)大厦已经建成,后辈们只要做一些零碎(de)修补工作就行了.然而,两朵乌云(de)出现,打破了物理学平静而晴朗(de)天空.第一朵乌云是迈克尔孙-莫雷实验:在实验中没测到预期(de)“以太风”,即不存在一个绝对参考系,也就是说光速与光源运动无关,光速各向同性.第二朵乌云是黑体辐射实验:用经典理论无法解释实验结果.这两朵在平静天空出现(de)乌云最终导致了物理学(de)天翻地覆(de)变革.20世纪初,爱因斯坦大胆地抛弃了传统观念,创造性地提出了狭义相对论,永久性地解决了光速不变(de)难题.狭义相对论将物质、时间和空间紧密(de)联系在一起,揭示了三者之间(de)内在联系,提出了运动物质长度收缩,时间膨胀(de)观点,彻底颠覆了牛顿(de)绝对时空观,完成了人类历史上一次伟大(de)时空革命.十年之后,爱因斯坦提出等效原理和广义协变原理(de)假设,并在此基础上创立了广义相对论,揭示了万有引力(de)本质,即物质(de)存在导致时空弯曲.相对论(de)创立,为现代宇宙学(de)研究提供了强有力(de)武器.物理学(de)第二朵乌云——黑体辐射难题,则是在普朗克,爱因斯坦,玻尔等一大批物理学家(de)努力下,最终导致了量子力学(de)产生与兴起.普朗克引入了“能量子”(de)假设,标志着量子物理学(de)诞生,具有划时代(de)意义.爱因斯坦,对于新生“量子婴儿”,表现出热情支持(de)态度.并于1905年提出了“光量子”假设,把量子看成是辐射粒子,赋予量子(de)实在性,并成功地解释了光电效应实验,扞卫和发展了量子论.随后玻尔在普朗克和爱因斯坦“量子化”概念和卢瑟福了“原子核核式结构”模型(de)影响下提出了氢原子(de)玻尔模型.德布罗意把光(de)“波粒二象性”推广到了所有物质粒子,从而朝创造描写微观粒子运动(de)新(de)力学——量子力学迈进了革命性(de)一步.他认为辐射与粒子应是对称(de)、平等(de),辐射有波粒二象性,粒子同样应有波粒二象性,即对微粒也赋予它们波动性.薛定谔则用波动方程完美解释了物质与波(de)内在联系,量子力学逐渐趋于完善.量子力学与相对论力学(de)产生成为现代物理学发展(de)主要标志,其研究对象由低速到高速,由宏观到微观,深入到广垠(de)宇宙深处和物质结构(de)内部,对宏观世界(de)结构、运动规律和微观物质(de)运动规律(de)认识,产生了重大(de)变革.其发展导致了整个物理学(de)巨大变革,奠定了现代物理学(de)基础.随后(de)几十年即从1927年至今,是现代物理学(de)飞速发展阶段,这一期间产生了量子场论、原子核物理学、粒子物理学、半导体物理学、现代宇宙学、现代物理技术等分支学科,物理学日渐趋于成熟.4 结论物理学(de)发展史,也是人类从愚昧走向成熟,从低级走向高级(de)历史.物理学(de)每一次大发展,都使人类(de)思想境界上升到了一个新(de)高度.相对于整个宇宙范围来说,当今人类(de)文明尚处于一个较低(de)层次,并处于正在向第一文明等级发展(de)历程中.在这个发展(de)历程中,科学无疑是第一推动力,而在科学(de)众多分支中,物理学无疑是这一推动力(de)最先进(de)代表.。

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史1.古代至中世纪:固体物理学的发展可以追溯到古埃及和古希腊时期。

古埃及人使用石头和金属材料制作工具和武器,这涉及对固体的性质和行为的基本了解。

古希腊哲学家亚里士多德提出了物质是由四个元素(地、火、水、气)构成的理论,这为后来对固体物质的研究奠定了基础。

在中世纪,阿拉伯科学家发展了一些光学和声学的基础理论,这进一步推动了对固体行为的理解。

2.17世纪:在17世纪,英国科学家罗伯特·虎克首次提出了固体的弹性性质。

他的实验表明,固体材料在受力后会发生形变,并且在去除力后会恢复到原来的形状。

这是对固体物理学的第一个定量描述。

3.18世纪:18世纪是固体物理学得到进一步发展的时期。

热学在固体物理学研究中发挥了重要作用。

1759年,英国科学家约瑟夫·布莱克发现了电导热的现象,他的实验奠定了对固体材料导热性质的基础理论。

同时,固体材料的磁性也引起了科学家们的兴趣,并逐渐形成了磁性材料研究的分支领域。

4.19世纪:19世纪是固体物理学发展的关键时期。

其中,热力学和电磁学成为固体物理学的重要研究方向。

斯特恩发现了热胀冷缩现象,建立了温度和体积之间的关系。

这为后来材料热膨胀性质的研究提供了基础。

在电磁学方面,麦克斯韦提出了电磁波的理论,并且实验验证了光是一种电磁波。

这促使科学家们对固体材料的光学性质进行了深入研究。

其中,光散射理论的发展为衍射和散射现象提供了理论解释。

5.20世纪:20世纪是固体物理学发展的黄金时期。

量子力学的发展极大推动了固体物理学的研究。

1926年,斯伯杰和弗兰克提出了能带理论,解释了固体材料中电子的行为。

量子力学的发展也揭示了固体物质中诸如半导体和超导体等性质的基本机制。

后来,由半导体和电子技术的发展,固体物理学的应用范围得到了大幅拓展。

固体物理学研究者还开始关注寻找新的材料和技术,例如高温超导材料和新型半导体器件等。

总结起来,固体物理学的发展历程经历了从古代的观察和实验到现代的定量描述和理论化的过程。

物理学发展简史

物理学发展简史

物理学发展简史物理学是自然科学的一个重要分支,研究物质的本质、性质和运动规律。

它的发展与人类认识世界的进步息息相关。

本文将为您介绍物理学的发展历程,从古代到现代,带您回顾物理学的发展简史。

1. 古代物理学的起源古代物理学的起源可以追溯到古希腊时期。

古希腊哲学家提出了一些关于自然界的基本观点和理论。

例如,希腊自然哲学家泰勒斯认为水是构成一切物质的基本元素。

而后来的众多哲学家和数学家,如毕达哥拉斯、亚里士多德等,也对物质的本质和运动规律进行了探索和研究。

2. 文艺复兴时期的突破文艺复兴时期,欧洲出现了一批杰出的科学家,他们对物理学的发展做出了重要贡献。

例如,伽利略·伽利莱通过实验和观察,提出了物体自由下落的定律,建立了近代物理学的基石。

同时,伽利略还研究了摆钟的运动规律,奠定了力学的基础。

3. 牛顿力学的革命17世纪末,英国科学家艾萨克·牛顿提出了经典力学的三大定律,并通过万有引力定律解释了行星运动和天体力学现象。

牛顿的力学体系奠定了物理学的基础,成为人类认识自然界的重要里程碑。

4. 热学与热力学的发展18世纪,热学和热力学的发展成为物理学的重要分支。

约瑟夫·布莱兹·普吕斯提出了热力学第一定律,即能量守恒定律。

同时,卡尔·弗里德里希·高斯和拉普拉斯等科学家也做出了重要贡献,推动了热力学的发展。

5. 电磁学的突破19世纪初,电磁学的发展引起了科学界的广泛关注。

迈克尔·法拉第提出了电磁感应定律,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦通过数学方程组统一了电磁学的基本定律,形成了麦克斯韦方程组。

这一理论的建立对电磁波的存在提供了理论依据,为电磁学的发展打下了坚实的基础。

6. 相对论与量子力学的革命20世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论,彻底改变了人们对时间、空间和引力的认识。

与此同时,量子力学的发展也引起了科学界的革命。

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史
固体物理学是一门探讨固体物质的基本特性和性质的学科,它集
合了化学、物理、电学和材料科学知识,是理论物理思想以及实验物
理学的重要组成部分。

它的发展可以追溯到古典时期,当时研究者研究的对象主要是金属,例如牛顿和爱因斯坦等,他们利用力学方法揭示了固体物质的性质。

19世纪,物理学家利用蒸汽机技术建立了物理实验室,研究者可以以定量方法来讨论固体物质的性质,发现它们之间存在着物理性质,像波动、晶体结构和磁性等,从而对固体物质的性质有了更深入的了解。

20世纪初,随着研究方法的进步,随着科学仪器的发展,人们可以观察固体物质更小的结构,实现了电子的发现,并利用晶体结构的
理论解算半导体结构;科学家们也发现了量子效应,同时发现晶体结
构的位错会产生“特性”矢量,对固体物质的基本机理有了更深入的
了解,这极大地推动了固体物理学发展。

二十世纪五六十年代,研究者发展超导,发现并研究了超导机制;发展了热释电材料,激光器件;发展了纳米技术和聚合物材料、
量子材料等先进材料,从而有效推动了固体物理学的发展。

随着人们对固体物理学物理性质的不断研究,固体物理学作为一
门综合性学科得到了迅速的发展,在日常生活中的应用变得日益广泛。

固态物理学的发展历程

固态物理学的发展历程

固态物理学的发展历程固态物理学是研究固体材料的物理性质的分支学科。

随着科学技术的不断发展,固态物理学也经历了不断的变革和发展,从最初的理论探索到现代的实验和应用,历经了一个漫长而又充满挑战的发展历程。

20世纪初,固态物理学的研究以理论居多,物理学家们开始探索固体的电磁性质、热学性质以及固体结构等方面的问题。

世界著名的科学家玻恩、居里、洛伦兹等人在这个领域都做出了很多贡献。

其中,热电效应的发现和研究成果对于固态物理学的发展有着非常重要的意义。

到了20世纪中期,固态物理学的发展进入了实验研究阶段。

材料科学和电子工程的发展,也推动了固态物理学的研究。

在这个时期,半导体器件的诞生,激光技术的应用等成果使得固态物理学研究领域受到了广泛关注。

20世纪60年代到70年代,固态物理学迎来了一个新的阶段。

一些新的研究方向受到了越来越多的关注,如超导、磁性材料等研究领域的兴起,比起这之前的研究,它们有着更广泛的应用前景。

到了1980年代,固态物理学的理论和应用研究方向得到了对等或近对等的发展。

实验技术和理论方法等方面经历了许多突破和改进。

其中,固体材料的合成技术和制备工艺的发展成为了研究热点之一。

现在,固态物理学已经发展成为一个复杂而且多样化的研究领域。

固态物理学的应用也广泛涉及科学、工业、军事等多个方向。

有学者称之为“信息化时代的材料学”。

同时,一些新兴领域的涌现也带动着固态物理学的进一步发展。

总之,固态物理学的发展历程展现出了科学技术进步的历史轨迹,也一直以来给人类带来了众多的发明创新和重大发现。

在未来,随着人类对科学知识的深入理解和技术手段的不断改进,固态物理学的发展也将会一直走在前沿,发挥更大的作用。

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荷分布与原子的
位置与体内不同,因此势场也和体内情况不同。
由于势场和电荷的相互关系,必须用复杂的自治的计算。目前多采用类似传统能带计算法而
建立的薄片模型或用量子化学中惯用的分子集团模型。后者用有限的原子数来模拟半无限大
的晶体,利用这种方法可以比较容易地计算集团的总能量,对具有不同几何构形的原子所组
针尖状,然后加正电压,在针尖周围充以低压惰性气体,气体的电子可通过隧道效应进入样
品费密能级以上的空态,带正电的离子被针尖场所斥,打在荧光屏上并显示出一定的图样,
这个图样可提供
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上的原子吸收X射线后,从芯态发射的光电子可受到周围原子的散射,出射电子波与散射电
子波之间有干涉作用,形成有起伏的末态。这个有起伏的末态使X射线吸收的几率在吸收边
后有振荡现象,振
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淖既范瓤纱铩0.03埃。
文章出处:飘渺水云间
发信人: mady (卖笛仙师◎爱倒垃圾◎许褚是谁?), 信区: Physics
标 题: 物理学分支发展简史(固体物理学──表面物理学)
发信站: 飘渺水云间 (Thu Apr 15 18:57:36 2004), 转信
(2002-11-26 14:10:02)
Hale Waihona Puke 电子或表面态的电子激发到较高能态,通过一系列的碰撞过程,逃逸出表面,测量这些电子
的能量分布曲线,可得到有关占有状态密度的信息。由于表面态电子和体内电子服从不同的
选择定则,可通
过测量光子能量不同的能量分布曲线,其中不随光子能量变化而移动的峰即相应于表面态的
峰。
近年来,由于同步辐射的发展,可获得能量连续可变的光源。选择不同的光子能量可使光电
所介绍的能量损失谱同,但是由于声子的能量只有数十毫电子伏,因此要求特殊设计的高分
辨的探测器,以
及高度单色性的电子枪。
非弹性隧道谱是利用金属-绝缘体-金属(超导态)的夹心结构中的隧道过程来研究吸附在绝缘
层的体系的振动谱,可由此决定吸附分子的分子结构,确定吸附分子的表面浓度、吸附物的
变化,可以了解覆盖层的横向相互作用。可以用红外反射谱、高分辨电子能量损失谱和非弹
性电子隧道谱来研究表面的振动。
红外反射谱的优点是分辨率高,可在周围环境加压来模拟真正催化作用的情况,缺点是灵敏
度低。高分辨电子能量损失谱具有高的灵敏度,但分辨率低。这个方法所根据的原理同前面
子衍射(LEED)。把能量在5~500电子伏特范围的电子沿近于正入射的方向射向晶体表面,通
过在荧光屏上观察到的衍射点,可以获得有关表面的单位网格的信息。对若干衍射斑点记录
斑点强度随电子
能量变化的曲线,并对实验结果用根据一定的几何构形计算的理论曲线加以拟合,从而定出
原子在单位网格中的位置,这就是LEED结晶学研究表面结构的方法。
治表面势的准确程度。表面能计算结果的好坏取决于如何计入电子与电子之间的相互作用,
这些都仍在深入
由于催化作用,金属的腐蚀都是发生于表面的过程,随着大规模集成电路的发展,特别是集
成度的增加,表面起的作用也愈大,因此表面物理是一门具有很强应用背景的学科,目前正
方兴末艾,受到普遍的重视。
成的集团计算总
能量后,从与总能量最小值相对应的构形可给出有关的物理性质,例如原子在表面的吸附位
置、键长等。在薄片模型中可用紧束缚法、赝势法、缀加平面波的线性组合等。
近年来趋向于发展通过自治计算求总能量的途径。通过比较光电子发射谱和根据一定模型计
算的电子结构,是确认表面结构的一种可能的途径。对于金属,功函数的计算可用来检验自
子的直接复合,
蚴怯氡砻婵仗闹苯痈春希纱硕目斓缱涌稍俅瓮ü缱印⒌缱又涞南嗷プ饔茫
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在总的产额谱中,快的和慢的电子都被收集,通过这种模式可以研究初态和激子的影响;如
果同步地改变入射光子和电子分析器的能量,得到恒定初态谱。如果进行适当的选择,使价
--人有两种:灌水的和不 嗨摹V碇挥幸恢郑翰还嗨摹
不同,或由于有外来原子的吸附,最表面层原子常会有垂直于或倾斜于表面的位移,表面下
的数层原子也会有垂直或倾斜于表面的位移,这种现象称为表面再构。如果表面原子只有垂
直于表面的运动
,则称为表面驰豫。
要定量地研究表面,必须获得表面所有原子的坐标信息,为此早期采用的实验方法是低能电
压后电子可通过隧道效应穿透到固体表面外并打在阴极前面的荧光屏上。由于电子穿透隧道
的几率与外加电场和针尖的功函数有关,因此打在荧光屏上电子的多少就是针尖材料功函数
大小的复制图。
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为了提高分辨率,在场发射显微镜的基础上又发展了场离子显微镜(FIH)。把金属样品做成
的一个重要,而且发展极为迅速的领域。
表面物理学在实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、电场和磁场等与表面的相
互作用而得到有关表面结构、表面电子态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息

理想的晶体表面具有二维周期性,其单位网格由基矢决定。由于表面原子受力的情况与体内
表面成分的确定是表面研究中的另一重要课题。利用原子芯态能级的位置和原子的质量这两
个特征,可以确认原子的类别。在弄清表面结构和表面成分后,表面物理学就要研究面电子
态和有关的物理性质了。
光电子能谱是研究表面电子态的重要方法之一。真空紫外辐射的光子可将固体体内价态中的
带发射光电子的几率小,并增加芯态俄歇衰减的产额,就可以大大增强芯态到表面态的跃迁
。利用光电子发
射的衍射现象也可研究表面结构。
利用电子的隧道过程也可探测表面电子态。当离子接近固体表面时,表面价态中电子可通过
隧道效应和离子中和,放出的能量可用来把固体价态的电子激发到体外,利用这种过程来探
利用这种方法,研究了许多清洁金属表面的弛豫和再构、金属表面上的吸附、半导体表面的
弛豫和再构等内容。由于电子在晶体表面的多重散射增加了LEED结晶学在理论分析上的复杂
性。此外,也可用中能电子衍射(HEED)和高能电子衍射(RHEED)来研究表面结构。
表面扩展X射线吸收精细结构是近年来发展起来的研究表面结构的另一手段。当吸附在衬底
测表面电子态的方法称为离子中和谱。由于只有在非常靠近表面的电子,才可能通过隧道效
应与离子的空态
复合,也只有在表面处激发的俄歇电子才能逸出体外,因此离子中和谱是对表面非常灵敏的
探测手段。如果在中和过程中被激发的是在离子激发态的电子,这种过程称为亚稳退激谱。
场发射显微镜就是根据冷阴极发射原理,把阴极腐蚀成半径为1~2000埃的尖端,施加负电
由于表面可被看为破坏了点阵周期性的缺陷,因此表面的原子具有和体内原子不同的振动模
式。当表面有分子的覆盖层,通过研究这些覆盖层的振动模式可以测定吸附分子的结构,确
定分子在表面的吸附位置。
通过观察某些振动模式的激发,可以得到吸附分子相对于衬底的取向,研究频率随覆盖度的
取向、吸附物之间的相互作用等。
除去用各种实验手段来研究表面外,理论研究也是表面物理的一个重要方面。主要的目的是
能尽量弄清表面附近电子的行为,并与实验得到的结果比较,最理想的情况是通过总能量的
计算和求能量最小值来确定表面原子的位置,但在计算过程中主要遇到的困难是表面附近电
子,也可在经受多次碰撞后逃逸出体外。
测量总的产额随光子能量的变化可灵敏地探测能隙中的状态。利用同步辐射,光子可将价带
中的电子激发到导带或空的表面态,通过控制激发逃逸深度在5~30埃的光电子,可探测表
面态。当吸收光子后,激发的芯态电子可通过俄歇过程而退激发,也可通过和价带有关的激
子具有最小的逃逸深度,从而提高表面灵敏度,如果收集在某个角度内出射的光电子谱,则
可得出表面电子态中占有态的能量色散关系。
测量总的光电子数随光子能量变化的谱称为产额谱,这个方法最早用来探测能隙中表面态的
密度,当电子从占有态被激发到略高于真空能级的空态,这个电子可通过俄歇过程来激发电
表 面 物 理 学
固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的物理性质。表面物理学就是研究在超高真
空下,这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子,以及
在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。表面物理学是20世纪60年代以
后固体物理学中
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