1、物理學與現代高科技物理學與現代高科技主要內容 一、物理效應及其技術應用 二、幾個主要的物理技術系統 三、物理學與現代高新技術 四、物理學與高科技發展的典型案例 五、物理學與高科技發展的回顧與展望主要內容 一、物理效應及其技術應用1、光電效應光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化，也就是光能量轉換成電能。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectric effect）。一、物理效應及其技術應用1、光電效應光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化，也光電倍增管光敏電阻一、物理效應及其技術應用光電倍增管光敏電阻一、物理效應及其技術應用2、 電光效應 將物質置于電場中時，物

2、質的光學性質發生變化的現象稱為電光效應。電光效應實驗儀一、物理效應及其技術應用2、 電光效應 將物質置于電場中時，物質的光學性質發生發光二極管半導體激光器一、物理效應及其技術應用發光二極管半導體激光器一、物理效應及其技術應用3、 磁光效應 磁光效應（Magneto-optical effect）是指處于磁化狀態的物質與光之間發生相互作用而引起的各種光學現象。包括磁光克爾效應、法拉第效應、塞曼效應和科頓-穆頓效應等。這些效應均起源于物質的磁化，反映了光與物質磁性間的聯系。磁光盤一、物理效應及其技術應用3、 磁光效應 磁光效應（Magneto-optica磁光存儲原理磁光存儲原理4、 磁電效應 由

3、磁場引發電變（包括產生電動勢、電阻變化等）的現象稱為磁電效應（magneto-electric effect ）。一、物理效應及其技術應用4、 磁電效應 由磁場引發電變（包括產生電動勢、電阻變Edwin Hall（18551938） 霍爾效應是霍爾 (Hall)24歲時在美國霍普金斯大學研究生期間，研究關于載流導體在磁場中的受力性質時發現的一種磁電現象。Edwin Hall（18551938） 霍爾霍爾效應原理當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差?；魻栃懋旊娏鞔怪庇谕獯艌鐾ㄟ^導體時，在導體

4、的垂直于磁場巨磁阻效應GMR （Giant Magneto Resistance）所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。4、 磁電效應一、物理效應及其技術應用巨磁阻效應GMR （Giant Magneto ResisGMR 效應巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中

5、間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料。4、 磁電效應一、物理效應及其技術應用GMR 效應巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜物理學與現代高科技課件5、 熱電效應 由熱引起電變（如產生電動勢）的現象稱為熱電效應。其中，塞貝克效應是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。 利用這種效應可以制成熱點偶，溫差電池等。一、物理效應及其技術應用5、 熱電效應 由熱引起電變（如產生電動勢）的現象稱為熱電效應發電一、物理效應及其技術應用5、 熱電效應熱電效應發電一、物理效應及其技術應用5、 熱

6、電效應6、磁熱效應 由磁場致熱的現象稱為磁熱效應。如愛遷豪森效應:將帶流樣品置于磁場中時，樣品中出現溫度梯度。室溫絕熱去磁制冷機一、物理效應及其技術應用6、磁熱效應 由磁場致熱的現象稱為磁熱效應。如愛遷豪森7、力（聲）電（磁）效應 由力（聲）作用，產生電位差，或者應力引起電阻率、磁化強度變化的現象，以及反之，電（磁）作用產生應力、伸縮的現象稱為力（聲）電（磁）效應。超聲波發生器一、物理效應及其技術應用7、力（聲）電（磁）效應 由力（聲）作用，產生電位差，壓電效應 某些電介質, 當沿著一定方向對其施力而使它變形時, 其內部就產生極化現象（內部正負電荷中心相對位移）, 同時在它的兩個表面上便產生符

7、號相反的電荷, 當外力去掉后, 其又重新恢復到不帶電狀態， 這種現象稱壓電效應。 壓電效應壓電效應 某些電介質, 當沿著一定方向對其施力而使它正壓電效應和逆壓電效應 當作用力方向改變時, 電荷的極性也隨之改變。 這種機械能轉為電能的現象, 稱為“正壓電效應” 當在電介質極化方向施加電場, 這些電介質也會產生變形, 這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。可將電能轉換為機械能。具有壓電效應的材料稱為壓電材料, 壓電材料能實現機電能量的相互轉換。壓電效應_y+ 逆壓電效應正壓電效應和逆壓電效應 當作用力方向改變時, 電荷 在自然界中大多數晶體具有壓電效應, 但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入

8、研究, 發現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。 在自然界中大多數晶體具有壓電效應, 但壓電效應十分磁致伸縮效應磁性材料在外磁場作用下，產生伸長或縮短的現象為磁致伸縮效應。Fe 隨磁場強度的增大而伸長Ni 隨磁場強度的增大而縮短為磁致伸縮系數常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數為10-8-10-6磁致伸縮效應磁性材料在外磁場作用下，產生伸長或縮短的現象為常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體磁致伸縮材料的應用在磁（電） - 聲換能器中的應用 聲納、超聲換能器、揚聲器等。在磁(電) - 機械致動器中的應用

9、 精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機器人、精密閥門、微馬達以及振動控制等工程領域。傳感器敏感元件 超磁致伸縮材料除用于驅動之外，利用其磁致伸縮效應或逆效應還可以制作檢測磁場、電流、應變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。 磁致伸縮液位傳感器，可實現對液位的高精度計量,其測量分辨率高于0.11 mm。磁致伸縮材料的應用在磁（電） - 聲換能器中的應用8、聲光效應及光聲參考系效應 聲波在物質中傳播時會引起光的傳播特性發生變化的現象稱為聲光效應。 用強度被調制的光照射介質（氣體、液體或者固體），會在介質中產生聲信號，這種光轉為聲的現象稱為光聲效應。 觀測者相對于光（聲）源運動時，光（

10、聲）頻率改變的現象稱為光（聲）參考系效應，也叫多普勒效應。一、物理效應及其技術應用8、聲光效應及光聲參考系效應 聲波在物質中傳播時會引起1、傳感技術信息獲取（傳感器）信息轉換（放大器、變換器）信息處理（調節器、數據分析議、計算機）信息顯示（指示器、記錄儀、報警器）二、幾個主要的物理技術系統1、傳感技術信息獲?。▊鞲衅鳎┒讉€主要的物理技術系統壓力傳感器溫度傳感器壓力傳感器溫度傳感器2、微波技術微波檢測技術（微波物位計）微波加工技術（微波殺菌、加熱）微波通信技術雷達波隱身技術二、幾個主要的物理技術系統2、微波技術微波檢測技術（微波物位計）二、幾個主要的物理技術微波物位計微波殺菌微波物位計微波殺

11、菌3、紅外技術紅外探測技術（紅外探測器）紅外照相技術（紅外攝像機）二、幾個主要的物理技術系統紅外探測器紅外攝像頭3、紅外技術紅外探測技術（紅外探測器）二、幾個主要的物理技術4、超聲技術 超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。二、幾個主要的物理技術系統4、超聲技術 超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它超聲波探測器超聲波探測超聲波探測器超聲波探測超聲波焊接器超聲波清洗器超聲波焊接器超聲波清洗器5、激光技術激光檢測技術（激光測距、激光測速）激光加

12、工技術（激光處理、激光焊接） 激光是20世紀60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛應用.利用激光特性發展起來的技術系統叫做激光技術。主要包括：二、幾個主要的物理技術系統5、激光技術激光檢測技術（激光測距、激光測速） 激光是激光測距激光雕刻激光測距激光雕刻 激光及其應用：激光Laser, 鐳射 特點方向性強 穿透力強 功率密度高 線寬窄用途生活、科研的方方面面：激光切割、 激光唱片、激光測距儀、激光手術 激光槍、激光炮 軍用高能激光器 激光及其應用：激光Laser, 鐳射 特點方向性強用途三超激光超高強度 1022W/cm2 超短脈沖 fs, as 超短波長 1

13、00101nm用途： 激光武器 跟蹤核振動、電子 研究生物分子 激光操控 立體反應動力學三超激光超高強度 1022W/cm2用途： 激光武器6、 光纖技術 光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用石英、玻璃等光透射率很高的介質拉制而成的極細纖維。利用光纖在外界環境（溫度、電磁場等）的變化時光波量（光強、頻率等）產生變化的性質形成的技術稱為光纖技術。主要包括：光纖通信技術光纖傳感技術二、幾個主要的物理技術系統6、 光纖技術 光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用石英、光纖傳感器光纜光纖傳感器光纜7、等離子體技術 等離子體技術（plasma technology）是應用等離子體發生器產生的部分電離等離子體完成一

14、定工業生產目標的手段。 等離子體的溫度高，能提供高焓值的工作介質，生產常規方法不能得到的材料，加之有氣氛可控、設備相對簡單、能顯著縮短工藝流程等優點，所以等離子體技術有很大發展。 等離子體技術包括等離子體產生和等離子體應用的技術，主要有： 磁流體發電 等離子體機械加工 等離子體冶金 二、幾個主要的物理技術系統7、等離子體技術 等離子體技術（plasma tech等離子切割等離子電視等離子切割等離子電視8、空間技術人造地球衛星載人飛船空間探測器 空間技術是探索、開發和利用宇宙空間的技術，又稱為太空技術和航天技術。目的是利用空間飛行器作為手段來研究發生在空間的物理、化學和生物等自然現象。空間飛行器

15、主要有以下三類：二、幾個主要的物理技術系統8、空間技術人造地球衛星 空間技術是探索、開發和利用宇美國的旅行者空間探測器美國的旅行者空間探測器 作為相對獨立的技術系統還有核技術、加速器技術、超導技術、半導體微電子技術等等。核電站核磁共振 作為相對獨立的技術系統還有核技術、加速器技術、超導技現代高新技術定義：是對知識密集、技術密集類產業及其產品的通稱。是那些對一個國家軍事、經濟有重大影響，具有較大的社會意義，能形成產業的新技術。三、物理學與現代高新技術現代高新技術定義：是對知識密集、技術密集類產業及其產品的通稱現代高新技術的特征 1.高經濟效益2.高競爭3.高資本4.高風險5.高驅動6.高創造性現

16、代高新技術的特征 1.高經濟效益一生物技術二微電子技術和計算機技術三現代信息技術四新材料技術五激光技術六空間技術七新能源技術八海洋開發技術九現代教育技術十環境保護技術現代高新技術一生物技術現代高新技術1、生物技術2、信息技術3、新材料技術4、空間技術5、新能源技術6、海洋開發技術“六大”技術群1、生物技術“六大”技術群物理學與高新技術群體的關系 物理學的發展，促進了技術的發展，引發了一次又一次的產業革命?，F代物理學更是成為高新科技的基礎。物理學與高新技術群體的關系 物理學的發展，促進了技術的例1、物理學與能源技術（2）氫能 （4）水能 （3）原子能 都與太陽能有密切關系 能源危機 （1）太陽能

17、 太陽能電池 例1、物理學與能源技術（2）氫能 （4）水能 （3）原子能 物理學與現代高科技課件1/20億到達地球大氣層 30%被大氣層反射， 23%被大氣層吸收，其余的到達地球表面，其功率為8105億kW，太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于燃燒500萬噸煤釋放的熱量。 太陽能電池：對光有響應并能將光能轉換成 電力的器件，如硅、砷化鎵等 原理：光硅原子電子躍遷電位差電流1/20億到達地球大氣層 太陽能電池：對光有響應并能將光能轉其主要優點有： 燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產物是水，是世界上最干凈的能源。 資源豐富，氫氣可以由水制取

18、循環利用、持續發展 氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞臺上成為一種舉足輕重的二次能源。其主要優點有：氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞臺上成為一幾大瓶頸及進展：制備電解水，礦物燃料，生物質制氫，化工副產品儲存氣態、低溫儲氫，金屬氫化物，儲氫材料的研制運輸象煤氣那樣但有自身問題，特別輕， 易泄漏， 液氫的溫度極低幾大瓶頸及進展：制備電解水，礦物燃料，生物質制氫，化工副 例2、物理學與新材料技術（1）高溫超導材料超導現象，臨界溫度優點體積小 重量輕 效率高缺點材料？ 溫度？ 新突破： 近年來，一種新型的鐵基超導材料橫空出世，打破了以往傳統意義上銅氧化物材料稱霸于世的神話。而出乎西方人意料之外的是，

19、這次在舞臺上唱主角的，居然是黃皮膚、黑眼睛的中國人。 溫 例2、物理學與新材料技術（1）高溫超導材料超導現象，臨界溫（2）納米材料 納米10-9m納米材料物質到納米尺度，物質性能 就發生突變。其特殊性能不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質。 科學家們發現，當銅、銀等導體做成納米尺度以后，將失去原來的性質。而磁性材料的磁性要高1000倍。 碳納米管（2）納米材料 納米10-9m納米材料物質到納米 最近，科學家已經發明了納米鏟子、納米勺子等，血管機器 人可以在血管里用這些工具來進行操作，這就是納米工具。 科學家已發明納米剪刀 調控生物分子人們經常說的納米洗衣機、納米冰箱等，有的有科學依據

20、，大多數純粹是商業炒作！納米新材料 最近，科學家已經發明了納米鏟子、納米勺子等，血管機物理學與航天例3、物理學與空間技術物理學與航天例3、物理學與空間技術 “長征”二號F型火箭載著神州五號飛船載人航天器直入云霄。物理學的基本理論是空間技術的基礎。 “長征”二號F型火箭載著神州五號飛船載人航天器直入云霄嫦娥二號物理學與空間科學技術神州九號嫦娥二號物神州九號四、物理學與現代高科技發展的典型案例1、STM的產生背景 自從1933年德國科學家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結構分析的現代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、

21、場離子顯微鏡(FEM)等。但任何一種技術在應用中都會存在這樣或那樣的局限性。 1982年，IBM(國際商業機器)公司蘇黎世實驗室的葛賓尼(Gerd Binnig)博士和海羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM)。案例之一 STM四、物理學與現代高科技發展的典型案例1、STM的產生背景案使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質。在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國際

22、科學界公認為二十世紀八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的發明者賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎。2、STM的出現的意義葛賓尼(Gerd Binning) 海羅雷爾(Heinrich Rohrer)使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表具有原子級高分辨率?？蓪崟r地得到在實空間中表面的三維圖象。可觀察單個原子層的局部表面結構?？稍谡婵?、大氣、常溫等不同環境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測過程對樣品無損傷。配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關表面電子結構的信息。3、STM的優點3、STM的優點4

23、、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學的隧道效應。對于經典物理學來說，當一粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不可能越過此勢壘，即透射系數等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個現象稱為隧道效應。（1）隧道效應4、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于 根據量子力學的波動理論，粒子穿過勢壘的透射系數: 由式中可見，透射系數T與勢壘寬度a、能量差（V0-E）以及粒子的質量m有著很敏感的依賴關系，隨著a的增加，T將指數衰減。 根據量子力學的波動理論，粒子穿過勢壘 掃描隧道顯微

24、鏡是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時(通常小于 1 nm)，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，形成隧道電流，其大小為： 式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，是平均功函數，A為常數，在真空條件下約等于 1（2）隧道電流 掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細探針和被研究物質 由前式可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數的依賴關系，當距離減小 0.1nm，隧道電流即增加約一個數量級。 因此，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。 視頻解說 由前式可知，隧道電流強度對

25、針尖和樣品之間的距離有5、STM的基本結構 STM 儀器由具有減振系統的STM 頭部(含探針和樣品臺)、電子學控制系統和包括A/D 多功能卡的計算機組成。整體結構5、STM的基本結構 STM 儀器由具有減振系統的S壓電陶瓷 由于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。 壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 重要部件壓電陶瓷 重要部件三維掃描控制器 單管型掃描控制器：陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管

26、子的這一部分就會伸展或收縮。三維掃描控制器電子學控制系統 掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統來實現的。電子學控制系統 6、STM的工作模式恒流模式 利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面 x-y 方向掃描，而 z 方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當樣品表面凸起時，針尖就會向后退，以保持隧道電流的值不變，這樣探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。6、STM的工作模式恒流模式恒高模式 針尖

27、的 x-y 方向仍起著掃描的作用，而 z 方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的相對高度會隨時發生變化，因而隧道電流的大小也會隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態密度的分布。恒高模式7、STM的發展SPM原子力顯微鏡(AFM) 利用一個對微弱力極敏感的微懸臂，其末端有一微小的針尖，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過掃描時控制這種力的恒定，同時利用光學檢測法可以測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。 7、STM的發展SPM原子力顯微鏡(AFM)STM基礎上發展起的SPM磁力顯微鏡(MFM)摩擦力顯微鏡（LFM）

28、靜電力顯微鏡(EFM)彈道電子發射顯微術（BEEM） 掃描離子電導顯微鏡（SICM） 掃描熱顯微鏡 掃描隧道電位儀（STP） 光子掃描隧道顯微鏡（PSTM） 掃描近場光學顯微鏡（SNOM) 在STM基礎上發展起來的一系列掃描探針顯微鏡擴展了微觀尺度的顯微技術，為納米乃至微觀技術的發展提供了很好的技術支持。STM基礎上發展起的SPM磁力顯微鏡(MFM)典型案例 之二 高密度磁記錄1、磁性材料放在磁場中被磁化后能保持磁性的材料。根據其矯頑力大小可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁記錄介質磁滯回線及基本磁性能參數 典型案例 之二 高密度磁記錄1、磁性材料磁記錄介質磁滯回2、磁性材料的應用 由于磁性材料在信息的儲存、能量轉換及邏輯運算等方面的功能，在電子計算機、自動控制等科學技術中有著重要的應用。 隨著計算機技術的飛速發展，對磁性材料的要求越來越高