物 理 学 概 览

    固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子(离子、分子)有规则地排列，形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了 X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。

    在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。电子不可能具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础。

    电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质(如力学性质、光学性质、电磁性质等)常常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发。

    晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响。例如1911年发现的低温超导现象；1960年发现的超导体的单电子隧道效应。这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关。

    晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。

    点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域。

    非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。

    固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。

原子核物理学

    原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。

    在原子核被发现以后，曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。

    质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。

    原子核主要由强相互作用将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸收一个中子以后，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。

    粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。

    高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域，目前，已有的关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。

    一公斤铀裂变时所释放的能量，相当于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量，一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程，就是太阳几十亿年来的能量来源，也是热核爆炸的能量来源。如果能使重氢的聚变反应有控制地进行，那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应，因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。

等离子体物理学

    等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。

    等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性，因此等离子体研究是十非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。

粒子物理学

    目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学，又称为高能物理学。在20世纪20年代末，人们曾经认为电子和质子是基本粒子，后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中，又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性，所以现在将基本两字去掉，统称为粒子。转贴于 酷文网-论文下载中心 http://www.coolwen.net