量子力学与现代科技.ppt
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1、量子力学与现代科技,应用物理 0310317 赵楠 材料物理 0310287 赵云帆,量子力学向其它领域的渗透 量子化学、 量子生物学、 量子磁学,量子力学向近代科学技术的发展提供了理论基础,原子能技术开发 纳米技术 激光 超导研究 大规模集成电路,一、纳米技术,纳米技术与纳米材料 纳米技术:在纳米尺度(1100)上制造材料和器件的工艺。其实质就是在分子水平上一个原子、一个原子地制造具有崭新的分子组织的纳米结构的能力。 纳米材料:由纳米级结构单元构成的任何类型的材料。,2. 纳米尺度的观测 扫描探针显微术(Scanning Probe Microscopy) 是利用探针尖端与表原子间的不同种类
2、的局域相互作用来测量表面原子结构,获得原子级分辨图象。,扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜(STM)由STM头部,电子学处理部分,减震系统以及计算机系统(含软件)组成。,隧道效应理论 在量子力学中,隧道效应是粒子波动性的直接结果。当一个粒子进入到一个势垒中,而势垒的势能比粒子的动能大时,根据量子力学原理,粒子越过壁垒而出现在势垒的另一边的几率不为零,而经典力学给出的几率则为零。,扫描隧道显微镜工作原理 电子从一极通过隧道效应穿过空间势垒到另一极,形成隧道电流。电流大小取决于针尖与表面间距及表面电子状态。,扫描隧道显微镜要测量隧道电流变化,只能用于导体或半导体研究,并且得到的不是实际表面形貌。后来又
3、发明了扫描探针显微镜(近场扫描光学显微镜、热扫描显微镜、原子力显微镜),它们可在原子水平测量各种表面的形貌,研究表面弹性、塑性、硬度等。,3. 对纳米世界的操纵 主要利用扫描探针显微镜和分子外延技术。 移动原子 用扫描探针显微镜还可操纵原子。IBM公司1990年第一次在一块镍晶体上用35个原子拼出了IBM 3个字母,宽度在3个纳米内。 美国正在研制一种纳米操纵器,使用类似游戏机摇杆来控制扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜:图中的“IBM”是由单个原子构成的,用原子喷绘 用分子束外延技术(MBE)可以一次一个原子层或分子层地制备特殊的晶体(巨磁阻效应新料)。 分子自组织 事先设计好结合方式,通过纳米
4、技术设计超分子结构。 惠普公司研究人员提出分子计算机设想,梦想制造出分子级晶体管、导线等微电子元件。现已制造出直径1.2纳米的纳米管。,二、量子频标,1. 时间标准的发展历史 天文秒:地球对太阳的公转与自转为基础,称世界时。一个太阳日的86400分之一为1天文秒。精确程度为3年差1秒。 时钟性能标准: a)精确度:实际测定的时间与定义值的偏离程度。 b)稳定性:时间装置在相继时间间隔内产生同一结果的程度。 c)复现度:一定形式的装置在不同运行期间或多次连续开机下产生相同频率的程度。,钟表的发展: 17世纪:机械钟,误差:一年不到一秒。 20世纪:石英钟:目前最好的石英钟稳定度为 石英钟与机械钟
5、不能替代以地球自转为基础的时间标准。 原子钟与原子秒: 1967年第十三届国际计量大会决定,以零磁场下铯原子基态两个超精细结构能级之间的跃迁频率作为国际通用频率标准,定义持续9192631770个周期的时间为1原子秒。,2.铯原子钟工作原理 利用六组红外线雷射光将铯原子冷却,然後再将铯原子投掷到计时器真空的空间,形成一个铯原喷泉当铯原子慢慢地降落在计时 器的微波空穴内,铯原子和微波 发生相互作用,发出光子;由於 铯原子停留在计时器的空间的时 间延长了,科学家可以有更长的 时间观察和量度铯原子的振动和 铯原子发出的光子,提高原子钟 的准确度。,原子钟内部构造图,3.原子钟的应用及提高精度的意义,
6、原子钟成了提供、记录标准时间必不可少的备。我国原子钟精度: ,属世界先进行列。 时间的精确测定导致长度标准的改变。 铂铱合金米原器 精度: 氪发出的特定波长:1米氪原子在真空中其2p10和5d5两能级跃迁所发光波波长的1650763.73倍。精度: 1983年国际计量大会定义一米为真空中平面电磁波在299792458分之一秒进行路程的长度。 时间精度提高,长度精度同时提高。,原子钟检验相对论、量子论 相对论、量子论是近代物理的基石。爱因斯坦广义相对论受直接检验还不多,原因是时间变化极微小,只有提高时钟精度才能检验。 全球定位系统和信息高速公路的计划 精确的时间标准对社会生活和生产也有重大意义。
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