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凝聚态理论
发布时间:2018-06-07 浏览次数:0

凝聚态

所谓“凝聚态”,指的是由大量粒子组成,并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态,超导态,玻色- 爱因斯坦凝聚态,磁介质中的铁磁态,反铁磁态等,也都是凝聚态。

凝聚态物理结构

凝聚态物理学是从微观角度出发,研究由大量粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。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。经过半个世纪的发展,目前已形成了比固体物理学更广泛更深入的理论体系。特别是八十年代以来,凝聚态物理学取得了巨大进展,研究对象日益扩展,更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入,各分支之间的联系更趋密切;另一方面许多新的分支不断涌现,如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一,从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指,每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。目前凝聚态物理学正处在枝繁叶茂的兴旺时期。并且,由于凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系,凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件,在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用。近年来凝聚态物理学的研究成果、研究方法和技术日益向相邻学科渗透、扩展,有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。液体和固体两种凝聚态,其体积随压力和温度的变化均较小,即等温压缩率和体膨胀系数都较小,故在通常的物理化学计算中常忽略其体积随压力和温度的变化。

学科研究范围

研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。

研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理)、液体物理、微结构物理(包括介观物理与原子簇)、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。

相图

狭义

相图,也称相态图、相平衡状态图,是用来表示相平衡系统的组成与一些参数(如温度、压力)之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。

广义

相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达,相图表达的是平衡态,严格说是相平衡图。采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。

相图不能说明平衡过程的动力学,不能判断体系可能出现的亚稳相。

简单的相图如水的图(见右图),从中可以很容易地读出水的三相点、临界点等信息。图中的分隔线称为“两相平衡线”,所划出的范围表示单相区(双变量系统),两个变量可以同时在一定范围内改变而无新相出现。常见的二组分系统相图有压力-组成图、温度-组成图、蒸汽压-液相组成图、溶解度图(温度-组成)、低共熔混合物相图等。

相图 - 控制理论中的定义

在控制理论中,相图(phase portrait)是动态系统在相平面上的状态  轨迹的几何表达。右图是经典非线性系统 Van der Pol 公式的相图。图中Van der Pol 振荡器的状态轨线收敛于一个极限环上。

通过研究非线性系统(如钟摆,倒立摆,隧道二极管等)在平衡点附近的相图特性,可以判断系统的稳定性,渐近稳定性等。

相关关键词:

鞍点(saddle),焦点(focus),分叉(bifurcation), 极限环(limit circle),周期轨道(periodic orbit)。

相图 - 用途

对于多相体系,个相间的相互转化,新相的形成,旧相的消失与温度,压力,组成有关。根据实验数据给出  的表示相变规律的各种几何图形称为相图。从这种几何图形上,可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处的条件(温度,压力,组成)。

金属及其他工程材料的性

能决定于其内部的组织、结构,金属等材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织,两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。

相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形,其所表示的相的状态是平衡状态。

表达混合材料性质的一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图,这些相区域是组成百分比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。