物理学和高新技术讲座省名师优质课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Tianjin University,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。谢谢,物理学知识与高新技术讲座,刘昌龙,天津大学理学院,第1页,1,目 录,1,、引言,2,、物理学发展简史,3,、物理学与能源科学,4,、当代光源,激光、同时辐射光源,5,、物理学与航天技术,6,、纳米技术介绍,第2页,1,、引 言,-,研究物质基本结构、物质运动形式和相互作用自然科学，涵盖,力、热、光、电、磁,等性质。,物理学,空间尺度：,原子,、,原子核,、,基本,粒子,、,DNA,长度、最小,细胞,、,太阳山,哈勃半径、,星系,团、,银河系,、,恒星,距离、,太阳系,、超星系团等。,时间尺度：,基本粒子寿命,10,-25,s,；宇宙寿命,10,18,s,。,微观粒子,Microscopic,：质子,10,-15,m,；介观物质,mesoscopic,；,宏观物质,macroscopic,；宇观物质,cosmological,类星体,10,26,m,。,第3页,1,、引 言,-,是指那些对一个国家或一个地域政治、经济和军事等各方面进步产生深远影响，并能形成产业先进技术群。,高新技术,高新技术包含六大技术领域：,(,一,),、信息技术,信息获取、传递、处理等技术。信息技术以电子技术为基础，包含通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。,当前信息技术主要表现在：,(1),集成电路；,(2),电子计算机；,(3),软件技术；,(4),通信技术；,(5),激光技术。,第4页,(,二,),、生物技术,生物技术是以生命科学为基础，利用生物体和工程原理等生产制品综合性技术，包含基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程四个领域。,生物技术,是,21,世纪技术关键。它有两个标志性技术：基因工程和蛋白质工程。,(,三,),、新材料技术,新材料技术是高新技术物质基础，包含对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料等开发和利用。它有两个标志：一个是材料设计或,分子设计,，即依据需要来设计,新材料,；另一个是超导技术。,1,、引 言,第5页,（四）、新能源技术领域,当代新能源技术可划分为新能源技术和可再生能源技术，包含核能、太阳能、水能、,地热能,等。核能技术与太阳能技术是新能源技术主要标志。,（五）、空间技术领域,空间技术即新型高科技航天技术，是探索、开发和利用太空以及地球以外天体综合性工程技术，包含对大型运载火箭、巨型卫星、宇宙飞船等空间军事技术研究与开发。,（六）、海洋技术,海洋技术是,21,世纪技术内向拓展，其标志技术是深海挖掘和海水淡化。,1,、引 言,第6页,2,、物理学发展简史,古代文明,中国,-,四大创造、战国时,墨经,包括到时间、空间、运动和惯性等，如：,“,力，形之所以奋也,”,：,“,端含有非半性质,”,-,原子说,考工记,、沈括,梦溪笔谈,、宋应星,开工天物,：,包括,力学、光学、声学和电磁学知识。,遗憾,：,仅是观察分析，无系统化、定量化、未发展出分门别类近代科学。,第7页,2,、物理学发展简史,古希腊文明,德谟克利特,原子论：不可分割,(atom),欧几里得,-,几何学,亚里斯多德,-,物理学,Physics,一词最早起源,错误：,“运动靠力来维持”、“在地球上重物比,轻物落得快”。,阿基米德,-,浮力定律、杠杆、简单机械。,古代阿拉伯,阿拉伯数字、印度十进制等,欧洲中世纪,科学被作为神学奴婢而丧失了独立性,第8页,2,、物理学发展简史,经典物理学产生和发展,欧洲文艺复兴,+,天文学突破,+,经典力学,尼古拉,-,格列布斯,(1401-1464),：,宇宙一切处于运动中，没有,固定中心。,尼古拉,-,哥白尼,(1473-1543),：,“日心说”、,天体运行论,。,莱昂纳多,-,达芬奇,(1452-1519),：,试验是认识起源、,“,科学是,统帅，实践是士兵,”,、弹道曲线、飞行器。,布鲁诺,(1548-1600),：,深入发展,“,日心说,”,，宇宙中有没有数,个世界。,第9页,行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆一个焦点上,太阳到行星矢径在相同时间扫过相同面积,行星绕日周期平方与它绕日椭圆轨道半长轴,R,立方成正比：,T,2,/R,3,=C,开普勒,(1571-1630),：,星球之间总联络，开普勒行星运动,三定律。,伽利略,(1564-1642),：,伽利略相对性原理、惯性系、伽利略,变换、自由落体运动、惯性定律。,(,比,萨斜塔试验,),Mere think,(,单纯思索,),Intelligent question,(,聪明提问,),2,、物理学发展简史,第10页,2,、物理学发展简史,培根,(1561-1626),：,知识就是力量，归纳、分析、比较、观察,和试验理性方法,-,新科学观和思想,方法。,牛顿,(1642-1727),：,完成创建经典力学、,自然哲学数学原,理,(45,岁,)-,八个定义、万有引力定,律、,“,天上人间友好统一,”,、微积分。,笛卡尔,(1596-1650),：,运动量守恒、明确提出惯性定律。,惠更斯,(1529-1695),：,光波动学说、活力,(,动能,),守恒。,航天技术发展！,第11页,2,、物理学发展简史,假如说我比其它人看得远一点话，那是因为我站在巨人肩膀上。,我不知道世人将怎样对待我，不过在我看来，我不过是海滨玩耍孩子，为时而发觉一块比日常光滑石子或漂亮贝壳而感到高兴，但那浩瀚真理之海洋，却还在我面前未曾发觉呢。,第12页,2,、物理学发展简史,电磁学和热,(,力,),学发展,十九世纪,吉伯,(1544-1603),：,摩擦生电,富兰克林,(1706-1790),：,利用风筝将“天电”引入试验室,卡文迪许,(1731-1810),：,试验上证实静电力与距离平方成反比,库仑,(1736-1806),：,建立静电库仑定律,伏打,(1745-1827),：,创造电池、电学研究进入动电阶段,欧姆,(1784-1854),：,电路欧姆定律,奥斯特,(1777-1851),：,电流磁效应，,电与磁结合,安培,(1775-1836),：,电流之间相互作用安培定律,法拉第,(1791-1867),：,确立了电磁感应定律,第13页,麦克斯韦,(1831-1879),：,将法拉第思想发展成完整电磁场,理论，建立了微分形式,“,麦克斯,韦方程组,”,，预言了电磁波存在,-,-,造成无线电通信创造,该领域试验和理论发展,-,能源、通信等,基础！,2,、物理学发展简史,第14页,热力学与统计物理建立和发展,2,、物理学发展简史,十八至十九世纪伴随热能开发利用，使得热学得到了充分发展：,1850,年左右,-,基本确立了能量转化和守恒定律；,1851,年,-,建立了热力学第二定律；,1901,年,-,确立了热力学第三定律,-,绝对零度不可能到达,十九世纪末,-,经麦克斯韦、玻尔兹曼到吉布斯等努力,由分子运动论逐步发展到统计物理学,-,热学与热力学微观理论完善,该领域试验和理论发展,-,能源、工农业发展！,第15页,蒸汽机,-,实现热能转化为机械能,(,动力利用,),历史上第一台蒸汽机是在,1711,年纽科曼,(T.Newcomen),创造，但热能转化为机械能效率很低。,1765,年英国瓦特,(J.Watt),创造了分离冷凝器，大大地提升了热机效率。,卡诺：热机效率提升,2,、物理学发展简史,第16页,2,、物理学发展简史,瓦特创造蒸汽机示意图,瓦特创造蒸汽机实物,第17页,到了,19,世纪末，,经典物理学,(,力学、声学、电磁学、热学与热力学和光学,),看起来似乎很完善了。,1900,年,开尔文,元旦祝词中说道：,“,在已经基本建成科学大厦中，后辈物理学家们这要做一些零碎修补工作就行了,”,；,但又说道：,“,在物理学晴朗天空远处，还有两朵小小令人不安乌云,”,；,-,热辐射试验，及紫外灾难,-,迈克尔孙,-,莫雷试验,造成了量子理论、相对论,!-,近代物理,2,、物理学发展简史,第18页,20,世纪与物理学相关科技上重大创造和发觉,1895：伦琴发觉X射线,1905：爱因斯坦相对论和光,量子论,1896：贝克勒尔发觉放射性,1911,：卢瑟福,-,原子核，昂内,斯,-,超导,1897：J.J.汤姆逊发觉电子,1913,：玻尔建立原子模型,1898,：居里夫人提炼出钋,和镭,1915,：爱因斯坦建立广义相,对论,1900,：普朗克，量子力学,诞生,1925-26,：海森堡，薛定谔,-,量子力学,1901：马可尼创造无线电,1932：查特威克发觉中子,2,、物理学发展简史,第19页,续表,-,1939：哈恩、斯特拉斯曼发觉裂变,1961,：加加林，载人飞船上上天,1942,：费米建立第一个核反应堆,1969,：阿姆斯特朗等登上月球,1945,：奥本海默等，原子弹爆炸,1970：光纤通讯逐步实用化,1947：肖克莱等，创造晶体管,1972-78,：研制出大规模集成电,路计算机,1947-55,：从电子管计算机到晶体,管计算机,1978,以后：计算机大量普及,1957,：前苏联，人造卫星上天,1986：贝特诺兹，缪勒等发觉,高温超导现象,1958-60：汤斯、肖诺、梅曼发觉,激光,2,、物理学发展简史,第20页,2,、物理学发展简史,1900,年：提出能量子，标志量子力学诞生,普朗克,1905,年：爱因斯坦建立狭义相对论；,1911,年：卢瑟福发觉原子核；,1913,年：玻尔建立量子论；,1925-26,：海森堡、薛定谔建立量子力学；,1950,年后：粒子物理研究,20,世纪上半期：物理学研究天然存在,“,物,”,之,“,理,”,；,20,世纪下半期：人工材料制备，如纳米科学,第21页,二十一世纪物理学发展主要在：,真空理论、类星体能量之谜、暗物质之谜、超对称、粒子物理学、暗能量之谜、宇宙起源、物理学统一、计算物理学、高温超导体、生物学、基因组学、广义相对论、量子力学、恒星和行星形成等。,2,、物理学发展简史,第22页,十九世纪：,化学家在试验室制成了一系列化合物，促进,了化学工业发展，能够说,19,世纪是化学世纪。,二十世纪：,相对论和量子力学建立标志当代物理诞,生，物理学不但深入探讨物质本质，而且促进,了技术飞速发展，电视、激光、电脑、原子,能、航天技术、信息产业均建立在物理学研究,结果之上，能够说二十世纪是物理学世纪。,二十一世纪：,生物学世纪？信息世纪？,2,、物理学发展简史,第23页,能源主要性,人类生活和经济发展基础，社会发展和进步动力。,能源科学发展过程,向大自然索取能源,先进能源技术使用,新能源不停开发,围绕能源开发和利用，形成了一门综合交叉特色学科,能源科学。包括物理、化学、材料、自动化、环境等,3,、物理学与能源科学,第24页,火使用,18,世纪初蒸汽机创造和使用,19,世纪初电能使用,20,世纪下半叶原子能使用,-,核电站,与物理学发展亲密相关。,物理学发展为能源科学发展和能源利用提供了,理论和试验基础,3,、物理学与能源科学能源,第25页,重点研究化石能源高效洁净利用与转化物理化学基础，高性能热功转换及高效节能储能中关键科学问题，可再生能源规模化利用原理和新路径，电网安全稳定和经济运行理论，大规模核能基本技术和氢能技术科学基础等。,国家中长久科学和技术发展规划纲要,能源可连续发展中关键科学问题,3,、物理学与能源科学能源,第26页,3,、物理学与能源科学能源,能源分类,来自地球外天,体能量,-,海洋中氘,(D),、氚,(T),等,聚变能资源,-,风能、水能、海洋能,-,太阳辐射能,-,化石能源,(,煤、石油、天然气,),地球本身蕴藏,能量,-,地热能,-,地壳中储存裂变燃料,(,铀,),地球、月亮和太阳等天体相互作用而产生能,量，如,潮汐能,等,。,第27页,能源与环境,氮氧化物,(,NO,、,NO,2,),；,SO,2,；,悬浮颗粒物；,CO,；,碳氢化合物,(,CH,4,、,C,2,H,6,等,),污染起源于：,煤、石油等燃料燃烧,(70%,以上,),；汽车等排出废气；工业生产中产生废气,能源利用带来地球环境,污染,(,大气 和水资源,),在大气中主要污染物：,举例：,-1,吨普通煤：,10kgSO,2,，,8kg,氮氧化物，,11kg,粉尘,-1,吨高硫石油：,50kgSO,2,，,10kg,氮氧化物,3,、物理学与能源科学能源,第28页,大气污染对全球危害：,臭氧层破坏；,对人体、动植物会产生致命伤害,酸雨问题；,温室效应；,-SO,2,-,氮氧化合物,与大气中水蒸气作用,-CO,2,作用,-,臭氧与,NO,、,H,、,Cl,等反应,3,、物理学与能源科学能源,第29页,人口极度膨胀,(60,亿,),；,工业飞速发展，造成能源消耗快速增加；,不可再生能源,(,化石能源、裂变能铀,),有限性；,当前世界能源消耗模式仍以化石能源为主；,-,教授预测：化石能源中石油、天然气大约能维持三、四十年，煤炭维持一、二百年。,能源危机日趋严重。,能源危机,结论：,必须开发和利用新能源,-,氢能、太阳能、核能等！,3,、物理学与能源科学能源,第30页,3,、物理学与能源科学能源,新能源例子,洁净氢能,优点,：,-,热值高（汽油,3,倍）,-,易燃烧（高功率）,-,起源广（海水）,-,燃烧污染少,(,水、少许氮氢化物,),难题,：,氢制备,-,电解水,-,电化学方法,-,怎样利用太阳能制氢,光化学分解法,氢储存,第31页,3,、物理学与能源科学能源,太阳能,太阳是一个巨大能源,-,太阳内部不停进行核聚变反应，表面温度：,6000K,；中心温度：,1.5,10,7,K,。太阳能以辐射形式传输。,其利用路径主要有：,光电转换形式,利用太阳能电池可将太阳辐射能转化为电能；太阳能电池当前普通采取半导体材料来制成。,其物理基础：,爱因斯坦提出光电效应,(,诺贝尔物理奖,),第32页,3,、物理学与能源科学能源,光热转换形式,-,利用光与物质相互作用引发化学反应；光化学电池。,-,仿生技术研究植物光合作用。,如太阳能热水器,太阳能利用，还有：,人类已经有建设空间太阳能电站构想，即在地球静止轨道建立太阳能电站，将能量转换成微波定向发送到地球上加以利用,-,人造太阳,。,第33页,3,、物理学与能源科学能源,原子能,(,核能）和平利用,十九世纪末到二十世纪初，近代物理出现和发展必定,-,揭开近代物理序幕三大发觉：,X,射线,(,伦琴，,1895),、放射性,(,贝克勒尔，,1896),和电子,(,汤姆逊，,1897),三大发觉；,-1905,年，爱因斯坦提出狭义相对论及其著名质能关系表示公式：,-1911-13,年：卢瑟福背散射试验研究揭示了,原子,有核模型；,第34页,-1932,年，查德威克发觉中子,(,原子核由中子和质子组成,),3,、物理学与能源科学能源,-,中子与其它原子核碰撞试验开始，如：,1934,年，,E.Fermi,开始采取,n,轰击各种元素靶；,1938,年，约里奥,居里夫人采取慢中子轰击铀盐靶，分离出,了类“镧,(La)”,放射性核素；,1939,年，,O.Hahn,F.Strassmann,重复居里夫人,试验，标,志着核裂变现象真正发觉,-,慢中子轰击铀靶产,生两块质量差不多碎片；,1947,年，钱三强和何泽慧夫妇发觉了三裂变和 四裂变现象，,第35页,爱因斯坦相对论及核裂变现象发觉开创了原子核物理和,核能应用,新时代，这亦是人类未来新能源科学研究开端,随即，,N.Bohr,提出了采取液滴模型来解释裂变。,3,、物理学与能源科学能源,第36页,3,、物理学与能源科学能源,裂变链和裂变能释放及分配,-,轻重碎片动能,170,MeV,-,裂变中子动能,5,MeV,-,和能量,15,MeV,-,中微子能量,10,MeV,一次裂变平均放出,2.4,个中子，释放约,200,MeV,能量，,1kg,235,U,裂变释放能量,2500,吨标准煤燃烧放出热能。,第37页,问题是怎样维持裂变反应自持进行？怎样控制裂变反应速率？,自持,-,无须靠外界不停地用中子轰击铀靶,而开启一个,“,反应堆,”,链式反应可能性及可控性,一次,U,裂变中产生平均,2.4,个中子中,(,第一代中子,),，,-,后续,U,裂变中子起源,中子增殖,3,、物理学与能源科学能源,第38页,瞬发中子,-,高温碎片中在很短时间内蒸发出来。,链式反应中中子增殖快，无法控制！,缓发中子,-,处于激发态裂变产物所放出。,寿命长，链式反应有可能可控！,链式反应可控,-,缓发中子,一次,U,裂变中产生平均,2.4,个中子中，包含：,缓发中子,-,几率小，,100,次裂变约,1.58,个,3,、物理学与能源科学能源,第39页,可控链式反应实现,维持链式反应充分必要条件,中子产生数,-,中子消耗数,1,(n,f),反应产生第二代中子,(n,),反应消耗第一代中子,第二代中子产生数,:,链式反应中子源泉,3,、物理学与能源科学能源,第40页,中子必须慢化,2.4,个裂变中子总动能,5 MeV,，即 一个中子平均动能约为,2.0 MeV,，属于快中子。它与铀,-235,裂变几率很小，仅是热中子,1/500,。,怎样慢化？,轻元素作为慢化剂，如水,(H,2,O),、重水,(D,2,O),、石墨等。,性能差些,但易处理,性能好但,难处理,3,、物理学与能源科学能源,第41页,使用,3%,低浓缩铀,-235,：铀同位素浓缩技术是关键技术,3,、物理学与能源科学能源,第42页,用控制棒控制反应速率,缓发中子数量会影响反应堆反应速率，实际操作采取镉棒来吸收热中子。,石墨,慢,化剂,镉棒,吸,收热中子,铀棒,核,燃料,有利于增加第二代中子产生数，从而实现链式反应,第43页,裂变能和平利用,核电站,采取压水堆,高压含,B,水作为慢,化剂和冷却剂,低浓,UO,2,作为核,燃料,两个回路系统,设有三道屏障,燃料包壳,压力壳,安全壳,3,、物理学与能源科学能源,第44页,田湾核电站（压水堆）工作原理示意图,3,、物理学与能源科学能源,第45页,3,、物理学与能源科学能源,核电站关键装置,-,反应堆,石墨,慢,化剂,镉棒,吸,收热中子,铀棒,核,燃料,裂变反应自持发生,-,无须靠外界不停地用中子轰,击铀靶而开启一个,“,反应堆,”,(2),控制裂变反应速率,目标：,第46页,使用,3%,低浓缩铀,-235,：铀同位素浓缩技术是关键技术,3,、物理学与能源科学能源,链式裂变反应,第47页,基本原理,裂变能量,冷却剂,水加热,驱动汽轮发电机组发电,我国自行设计建造第一座核电站，,1991,年并网发电成功。,3,、物理学与能源科学能源,第48页,3,、物理学与能源科学能源,核电站现实状况,-1954,年，前苏联建成了第一个核电站；,-,当前全世界已经有,30,多个国家和地域核电站,(600,座,),；,-,欧洲一些国家如法国、瑞典、比利时等，原子能发电,已占总电量,40-50%,。,-,我国大陆当前已经有,6,座核电站,13,台机组投入商业运行,，,如秦山、大亚湾、田湾和岭澳等,),，装机容量为,1080.8,万千瓦，还有多座核电站在建；,另外台湾地域还有,6,座,核电站,-,正在研究可控热核聚变将是未来新型能源开发重点。,第49页,3,、物理学与能源科学能源,裂变能非可控利用,-,原子弹,不加控制链式反应,高度浓缩铀,235(,90%),或钚,239,第50页,胖子，,1945.8.9,，长崎，内爆式钚弹,小男孩，,1945.8.6,，广岛，枪式铀弹,长崎核爆,3,、物理学与能源科学能源,第51页,3,、物理学与能源科学能源,核电站优势和发展,优势：,-,核电成本低，一座百万千瓦级压水核电站，仅需要,30,吨核燃,料，仅消耗,1,吨,U-235,；热电站。需要原煤,250,万吨。,-,环境污染小，核电站周围居民每年所受剂量只有天然本底,1%,左右。,-,运行安全可靠。,发展,核燃料,U-235,只占天然铀,0.72%,，,92.8%,是,U-238,没有利用。,第52页,快中子,Pu-239,中子增殖和裂变能释放,驱动汽轮发电机组发电,实现核燃料,Pu-239,增殖,3,、物理学与能源科学能源,第53页,核废料处理,核废料：,燃烧后元件,-U-235,，,Pu-239,，裂变碎片,(,高放射性废物,),处理方法,-,深埋,-,分离,-,嬗变技术,-,化学分离,再,放入反应堆，经过核反应生成短寿命核素,3,、物理学与能源科学能源,第54页,3,、物理学与能源科学能源,-,1989,年,4,月,26,日前苏联切尔诺贝利核电站事故；,-,年,7,月,16,日日本东京以西某核电站发生核泄漏事故；,-,年,4,月,12,日日本大地震引发福岛核电站核泄漏事件。,核电站引发,核安全问题,辐射生物效应！,辐射防护！,第55页,3,、物理学与能源科学能源,第56页,3,、物理学与能源科学能源,可控热核聚变反应,U,资源有限性：必须寻找更为理想能源,-,聚变能利用,常见聚变反应,每个核子放出,3.5MeV,能量，是核裂变,4,倍,-D,能够从海水中提取,(D,2,O,，,1/6700),-T,经过以下增殖反应得到：,第57页,3,、物理学与能源科学能源,关键问题,假如使两个,D,核靠近,10,-14,米，才能发生核反应，则必须克服势垒高度,(,排斥能,),：,每个,D,核,72 keV,在温度,T,时，,D,核动能：,第58页,3,、物理学与能源科学能源,在,10,8,K,以上高温，原子都已经完全电离，形成了物质,第四态,-,等离子体。,-,怎样约束这些等离子体？,(2),离子间相互库仑碰撞引发韧致辐射损失会造成能量损,失，所以 要得到能量增益，除了有足够高温度以外，,还必须对等离子体密度,n,及约束时间,乘积,n,有要求。,对于,D-T,反应，,Lawson,判据,-,点火条件：,第59页,3,、物理学与能源科学能源,怎样对等离子体实施约束？,引力约束,磁场约束,惯性约束,引力约束,太阳等发光恒星其发光起源于内部轻核聚变造成热能辐射；,太阳巨大质量所产生引力，把太阳上高温等离子体约束在一起维持热核反应进行。,第60页,3,、物理学与能源科学能源,惯性约束核聚变,激,光核聚变,氢弹本质上是靠惯性约束来实现聚变反应,-,靠裂变方式点火，即利用原子弹爆炸惯性力将高温等离子体约束一定时间，且在原子弹爆炸高温高压条件下，使,D,、,T,发生核聚变。,王淦昌提出：,利用强激光从许多方向上同时照射,D,和,T,混合燃料丸，在激光高能量照射下很快使,D-T,微球表面形成等离子体。这种高温等离子体在向外飞溅同时，可产生很强向内惯性约束，使内层,D,和,T,混合物密度快速增加，温度增加，从而诱发核聚变。,第61页,磁约束装置,可控热核聚变最有希望路径是利用磁约束，即利用磁场将高温高密度等离子体约束在一定容积中，且能维持足够长时间,，到达点火条件。,尚差一个量级！,3,、物理学与能源科学能源,第62页,美国,TFTR(tokomak fusion test reactor),日本,JT-60,欧洲,JET(joint european torus),前苏联,T-15,中国合肥等离子所等多家单位,3,、物理学与能源科学能源,第63页,EAST,全超导托卡马克装置主机（中国）,3,、物理学与能源科学能源,第64页,最新进展,3,、物理学与能源科学能源,ITER,计划,-“,国际热核聚变试验堆（,ITER,）计划”,I,nternational,T,hermonuclear,E,xperimental,R,eactor,年,6,月,28,日，在莫斯科召开了有中国、欧盟、美国、日本、韩国和俄罗斯参加六方会议上，决定由六方共同出资在法国南部卡达拉舍建造一座国际热核聚变试验反应堆,(ITER),，为当前等离子体物理研究和以后聚变电厂建设搭起桥梁。,ITER,装置俗称“人造太阳”,投资,100,亿欧元（中国,10,亿欧元），年建设，预计年投入运行，中国可享受全部知识产权。,第65页,激光器,创造与,原子能,、,半导体,、,计算机,是,20,世纪齐名重大科技成就，在许多方面有着主要应用。,在工农业生产、医疗卫生、通讯、军事、文化艺术、能源等等。,4,、当代光源,激光、同时辐射,光源分为：,照明光源和非照明光源,。,四代照明光源：,白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯、,LED(,即半导体照明,),。,照明光源,引言,第66页,光发射二极管,(,L,ight,E,mitting,D,iode),一个可将电能转变为光能半导体发光器件,(,固态光源,),。,-,当前，红色,LED,光效到,100lm/W,，绿色,LED,到,50lm/W,，单个,LED,光通量可到达几十流明。高光效、高亮度白光,LED,也已开发成功，已用于照明领域。,如：,LED,-,效率高、寿命长、安全和性能稳定照明电器产品,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第67页,LED,结构,LED,心脏是一个半导体晶,片，,晶片,一端附着在一个支,架上，一端是负极，另一端连,接电源,正极,，使整个晶片被,环氧树脂,封装起来。,材料,化合物半导体，有机材料等,单晶,Si,？,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第68页,-1895,年,11,月,8,日伦琴发觉,X,射线,-,一个特殊照明光源，应用于材料、医疗、工业等领域；,应用最快,-3,个月后在维也纳医院应用,1901,年,12,月第一个诺贝尔物理学奖,非照明光源,-X,射线、激光、同时辐射光源等,X,射线,恩格斯：,“当真理碰到鼻子尖上时候，还是没有得到真理人”！,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第69页,激光被称为是创造奇迹光，是照亮,21,世纪光。,激光,激光光源出现在,1960,年后，是人类人工制造光源历史上一次革命性改变。,Laser:,L,ight,A,mplification by,S,timulated,E,mission,of,R,adiation,-,辐射受激发射光放大,1964,年,10,月钱学森提议称为,激光,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第70页,普通光源发光,(,电灯、太阳,),E,2,E,1,光能,电能,热能,激,发,退,激,10,-8,-10,-9,s,发光过程：受激吸收,+,自发辐射,包含各种波长成份,射向四面八方,(,光强弱,),特点：,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第71页,激光产生条件及其原理,(1),材料要求,存在亚稳态能级,亚稳态能级,-,受激辐射后，因为不满足跃迁定则，电子,在该能级上寿命尤其长,(,ms-s),，,不轻易,发退激到低能级。,条件：,(2),亚稳态能级上原子数目必须多,于低能级,4,、当代光源,激光,第72页,困难,E,2,E,1,光能,电能,热能,激,发,退,激,10,-8,-10,-9,s,能级上原子数密度满足：,也就是说：原子几乎分布在低能级，即基态上！,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第73页,实现方法,-,粒子数反转,Pump-,-,“,泵浦”以维持处于上能级粒子束比下能级多。,激励源是实现粒子数反转关键。,激励源：,电激励,(,气体放电,-,电子,激发介质原子,),光激励,(,脉冲光源照,射介质物质,),热激励,化学激励,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第74页,激光产生,-,受激辐射,受激辐射,-,处于亚稳态电子能够在外加光诱发和刺激下,快速地跃迁到低能级，放出光子,-,光子是被“激”出来,。,E,2,为亚稳态能级,总效果为：,一个入射光子作用下，出射了两个全同光子原来光信号被放大了。,激光,-,受激过程中产生并被放大光。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第75页,1917,年爱因斯坦提出了受激辐射，他在理论上预言了原子发,生受激辐射可能性。,1958,年美国微波领域科学家汤斯,(C.H.Towns),和肖洛,(A.I.,Schawlaw),在,红外与光学激射器,中提出了受激辐射可,能性,-,粒子数反转。,1958,年前苏联巴索夫和普罗霍洛夫发表了,实现三能级粒子,数反转和半导体激光器提议,。,1960,年美国加州休斯试验室梅曼,(T.H.Mainman),制成了,世界上第一台红宝石激光器。,1964,年汤斯、巴索夫和普罗霍洛夫分享诺贝尔物理奖。,激光研究简史,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第76页,中国：,1961,年,8,月中国科学院长春光学精密机械研究所自主建成了我国第一台红宝石激光器。,1987,年,6,月中国科学院上海光学精密机械研究所成功研制了,10,12,瓦大功率脉冲激光系统,-,神光装置,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第77页,神光,I,（上海）,1960,年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用红宝石脉冲激光器,中国第一台红宝石激光器,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第78页,激光器结构和工作原理,(,一,),、激光工作介质,(,二,),、激励源,(,三,),、谐振腔,结构,梅曼红宝石脉冲激光器,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第79页,红宝石激光器：,有意思现象：纯净宝石是无色透明，那么宝石颜色是怎么来呢？,缺点工程,-Defect Engineering,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第80页,激光特征及其应用,(,一,),、方向性好,(,二,),、亮度高,激光是当代亮度最高光源！,激光主要特征,(,三,),、单色性好,激光,谱线宽度普通在,10,-8,nm,以下，其它最好光源，如,Kr,灯，其谱线宽度也仅为,0.47,10,-2,nm,。,(,四,),、相干性好,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第81页,激光应用,应用于工农业生产、医疗卫生、通讯、军事、文化艺术、能源等等。,(1),激光“诱发突变”培育良种,-,-,周期短，见效快。,如：,利用了激光高功率特点！,(2),激光在加工领域中应用,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第82页,激光亮度要比太阳高,100,亿倍，不用聚焦就能够点燃木块，烧熔金属。利用激光高功率以及好方向性，能够进行：,微加工,-,如微米孔,精细切割,用一台,2500WCO,2,激光器来切割,5 mm,厚钢板，,1,分钟能够前进,2,米，且切面光滑。,激光在头发上打出方孔,能焊常法不能焊难熔金属，能够切割出不一样形状。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第83页,紫外激光在头发上打圆孔,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第84页,(3),激光通信,普通光源,-,单色性差，不能用于通信载波，相当于多套广播,或电视节目。,激光,-,单色性、方向性好，用于光通信系统中一个关键性,器件,光纤,(,光导纤维,),。,高锟，,1966,（,33,岁）,首次从理论上论证了光导纤维作为光波传输伎俩可能性,光纤,-,1970,年美国康宁玻璃企业拉出了第一根可实用光纤，以超纯石英为基本材料，由两层,5-10,m,纤芯和折射率较低石英包层,(100,m,，,外面包有塑料护套。,光缆,千百根光纤,电信息光信息电信息,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第85页,(4),激光在物理基础研究方面应用,1997,年美国斯坦福大学华裔科学家,朱棣文,与法国和美国其它两位科学家分享当年诺贝尔物理奖。,获奖原因,-,激光冷却囚禁气体原子试验方面出色贡献。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第86页,如钠原子温度被冷却到,240,微,K,。,新一代原子钟，制造原子显微镜等。,频率稍低于原子内部某一跃迁频率激光,从三维方向同时,射向原子，因为多普勒效应，原子接收到光频率高于激光源频率，刚好到达跃迁频率，发生共振吸收，原子每吸收一个光子会取得在光传输方向上一个动量，使原子动量降低，速度减慢。,基本原理,应用,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第87页,同时辐射光源发觉和特征,同时辐射光源发觉,韧致辐射,：,一个带电粒子打到金属靶上突然减速 时，会,伴随连续,X,射线谱发射，其物 理根源在于,含有加速度粒子会发射电磁辐射。,加速器,：,30,年代创造了加速器，直线加速器、盘旋 加速,器，能够将粒子能量加速到,GeV,。,直线加速器,：,加速能量越高，加速器长度越长。如：美,国斯坦福大学直线加速器长 度,3,公里，电,子能够加速到,5GeV,。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第88页,盘旋加速器,：,D,型盒，交变电场，粒子加速到对应,能量需要尺寸较小。,电磁辐射,：,粒子加速首先不停得到能量，另首先,因为电磁辐射而损失能量,-,粒子加速得,到能量有所限制。,电磁辐射造成能量损失率,：,结论：,轻粒子电磁辐射能量损失占主导地位。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第89页,同时辐射发觉,偶然发觉，光源历史变革！,1947,年,4,月,16,日，美国纽约州通用电气企业试验室，调试一台新设计,70MeV,电子同时加速器，该加速器显著特点，真空室是透明，目标为了观察加速器运行过程中装置运行情况。,这个小小改变造成了一个伟大发觉。,技工,“,蓝白色弧光,”,排除气体放电,同时辐射,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第90页,同时辐射,：,在加速器中，电子在加速过程中所产生,辐射，所以同时辐射波长依赖于加速电,子能量。,电子,40 MeV,：黄色,30 MeV,：红色,20 MeV,：看不到发光,光强逐步减弱,同时辐射现象发觉尽管轰动了科学界，然而当初并没有意识到它主要应用前景，相反，因为它存在，造成了人们一个极为头疼问题，电子能量加速有所限制。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第91页,同时辐射装置,以北京正负电子对撞机为例：,一机二用，同时辐射和正负电子对撞。,加速器长,204,米，电子加速能量,2.2 GeV,。,第一代同时辐射装置,组成,：电子直线加速器和储存环,(240.4m),。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第92页,同时辐射特征,辐射光波长覆盖面大，且连续可调,亮度,：,每秒钟从单位面积向单位立体角发出能量范围在光子能量千分之范围内光子数。,波长,：,4,10,3,6 10,-2,nm,，从中红外到硬,X,射线。,3.5 keV,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第93页,有强辐射功率,当前大功率,X,光管所输出射线最大功率约为,W,，同时辐射功率能够到达几万，甚至几十万,W,，如北京同时辐射装置辐射功率为万,W,。,有很好准直性,同时辐射光是沿电子运动轨道切线方向发射出来，在与轨道平面垂直方向上所张角度小，有很好准直性。而,X,光管产生,X,射线是各相同性，向四面八方发射。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第94页,含有很高亮度,因为是在很小角度内发射出来，所以同时辐射含有很高亮度。如第一代同时辐射装置北京同时辐射装置，其发光亮度,，当代第三代同时辐射装置亮度能够到达：,。,亮度,：,每秒钟从单位面积向单位立体角发出能量范围在光子能量千分之范围内光子数。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第95页,脉冲光源，有特定时间结构,在加速器中，电子是以束团形式运动，电子运动,速度靠近光速。,脉冲宽度,-,脉冲连续时间：,如北京同时辐射装置，,l=3cm,，脉冲周期,T=0.8,微秒,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第96页,能够利用这个特定时间结构，来研究物质动态和瞬变过程，如在生命科学中对细胞进行活体动态研究，能够利用脉冲光把活体动态改变照片一幅幅拍下来。,很小，亮度大，短时间曝光照片清楚,如,T=0.8,s,，则在,8,s,时间内能够拍,10,幅照片。,4,、当代光源,激光、,同时辐射,第97页,偏振光,在电子轨道面中同时辐射光是,100%,偏振光，这是普通,X,光所没有特征，利用同时辐射光偏振性，能够硕士物分子和磁性材料旋光性。,高度稳定性,因为同时辐射光是在电子加速过程中发射出来，所以只要保持电子能量和束流强度稳定性，就能够确保同时辐射光稳定性，这有利于用来进行高精度、高分辨率和重复性试验。,当前，利用高性能加速器，能够使得电子束流在加速器