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高压物理学

2012-11-23 21:41:25 来源:

高压物理学是研究物质在高压作用下的物理行为的一门学科。高压是一种极端条件,泛指一切高于常压的压力条件。但是有两点需作说明:一是高压物理研究往往伴随着温度的变化(高温或低温);二是在进行这一研究时,有时也可能得到受压物质在负压下物理行为的信息。

高压物理的研究对象多数是凝聚态物质,所以,高压物理学实际上主要是指在高压这种极端条件下的凝聚态物理学。高压物理被划为一门学科还因为高压力的产生和高压下各种物理行为的检测,都需要发展特殊精巧的专门的实验技术和方法。

高压物理学的发展简史

最早的高压物理实验可以追溯到1762年,坎顿对水的压缩性实验。但直至19世纪末,阿马伽创建了活塞式压力计,并打下了压力计量基础以前,高压实验基本上仅限于对液体压缩性的观察。之后,塔曼利用体积随压力变化时所出现的不连续现象,以测定固体的熔点与相变点,开创了高压相变的研究。理查兹于1903年改进压缩率的测量方法,证实原子的可压缩性。

在以上的近150年间,高压物理一直是在五千大气压以内的范围中进行的,这是高压物理的草创时期。1906年以后,布里奇曼进一步推动了高压实验技术的发展,并对固体的压缩性、 熔化现象、力学性质、相变、电阻变化规律、液体的粘度等宏观物理行为的压力效应进行极为广泛的系统的研究。雅各布、劳逊发展了高压下物质X射线结构分析技术;劳逊与纳赫特里布研究了固体中原子扩散的高压效应。这样,就初步形成了以原子行为为基础的高压物理的研究内容。

二十世纪五十年代,为合成地质上与工业上有意义的许多人工晶体,如石榴石、蓝晶石、金刚石等,又发展了新的高压实验技术。高压下的固体物理研究则开始从侧重固体的宏观热力学性质深入到研究固体中的互作用与电子运动规律等的压力效应。

德里卡莫研究了高压固体光学性质,开辟了高压下固体的电子谱、碱金属卤化物的色心和杂质光谱、络台物与螯合物中过渡金属的离子光谱、稀土盐类光谱、有机化合物的电子谱,以及荧光衰减等的电子过程和相变动力学的高压研究。高压中子衍射、高压核磁共振、高压穆斯堡尔谱等研究也相继开展.

与此同时,由利用炸药爆炸技术而发展起来的动态高压技术,从一般的接触爆炸技术发展到飞片技术,又研制成功了新的轻气炮技术等,使压力达到数百万大气压以上。这是高压物理较迅速发展的时期。

到70年代,激光技术、同步辐射以及金刚石压砧高压技术的出现,推动了高压下固体喇曼散射、布里渊散射、快速X射线结构测定等技术的发展,用于揭示固体中相互作用、运动模式、相变机制等研究。静态高压技术突破了百万大气压;动态高压技术又通过地下核爆、电炮、磁通压缩、轨道炮等新技术的发展,把压力进一步提高到数千万大气压。并且取得一批固体材料的压缩性数据。

高压下物质的物理变化

由大量原子或分子组成的凝聚体,在高压的作用下,体积要缩小,原子或分子的间距要缩短。表示一定温度下,物质体积与压力之间的关系式称为该物质的等温状态方程。它既表征物质的重要的热力学性质,又反映组成的原子或分子在相互接近时互作用特征的变化信息,是高压物理所关心的基本问题之一。

实验测定物质等温状态方程主要是利用静态高压技术:一两万大气压以内,借助于超声声速的测定,能得出较精准的密度体积关系;直接测量不同压力下物质的体积变化,可以获得五万大气压以下的密度体积数据;20万大气压以下,晶态物质的密度体积关系可通过点阵常数的测定取得;50万大气压以上物质的密度体积数据,目前仅能借助于动态高压技术测定。上述三种压缩特性数据可以通过理论方法互相换算。

在压力作用下,物质的体积收缩,同时其自由能改变,这时受压物质也会发生结构形态的改变:本来是液态的物质会 凝固结晶;非晶态的物质,其晶化规律可能改变;原为晶态的固体,可能发生晶体结构上的或电子结构上的变化;在很高的压力下,半导体、绝缘体乃至分子固体氢可能成为金属态等。这些现象统称为高压相变,它的变化机制与过程是高压物理研究中的一个极为丰富的探索领域。

高压下的X射线衍射实验、中子衍射、核磁共振、穆斯堡尔谱、喇曼散射、布里渊散射、光学制温,以及超声测量等是提供高压相变信息的有效方法。物质在高压相变时常伴随着物性的改变,因此,高压下各种物性的测量也常被用于高压相变的研究。

考察高压力作用下凝聚体物理性质的变化特征是高压物理中另一个十分宽广的研究领域。决定凝聚体物理性质的,除组成原子的类别和晶体结构形式以外,结构缺陷、物质中原子的运动、电子的运动,以及它们彼此之间的相互作用,是导致物质具有这种或那种物理性质的重要因素。凝聚体的物理性质是在有大量原子、大量电子参与下所表现出来的集体行为,它深受外加压力的影响。

高压下固体中的中子非弹性散射、喇曼散射、吸收光谱、荧光光谱等测量,以及固体的力学、电学、磁性、超导电性等宏观物理量的测量,是研究高压下固体物性及其集体现象的常见实验内容。

高压物理实验技术

发展高压物理实验技术方案的新构思,是和高压物理研究紧密相连、不可分割的环节。高压物理实验技术包括高压力的产生技术与高压下各种物理测量技术,大体上分静态高压与动态高压两大类。

静态高压的产生对不同的研究对象和选择的压力范围采取的技术各不相同,但所依据原理基本上是四个,即无支撑面密封原理,压缩封垫密封原理,大支座原理和材料强度随压力增高的效应。根据这些,解决了高压的密封问题和克服了材料有限强度的限制。

目前静压高压达到百万大气压以上,动态高压已达数千万大气压的水平,虽然如此,在这个压力范围内受压物体中原子结构的压力效应仍不是十分显著的。

在这样高的压力下,由于静高压研究中允许使用的试件用量极少;动高压实验中的试样和装置会彻底损坏,允许进行物理测量的时间又极短,都使得提供物理信息的实验手段受到很大的限制。所以对高压物理实验新方案的探索,也是进一步发展高压物理研究所必须考虑的一个重要问题。

有些物质在高温高压下,通过相变形成的新结构往往能以亚稳态长期保存在常温常压下。利用这一点,可以获得新的人工合成材料。石墨在高温高压下转变成金刚石就是其中一例,人造金刚石已能大量生产,并在相当大的工业应用范围内替代了天然金刚石。

高温高压合成的立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构,它的硬度仅次于金刚石,但耐热性却优于金刚石,在自然界中尚未发现天然的立方氮化硼,它非常适合于制备切削刀具。高压在探索其他类型新材料上也显得十分有用,在实验室里,数万大气压能使赤磷变成具有半导体性质的黑磷。高压下加热非晶物质能制得平常难以得到的超导亚稳合金等。

研究材料在高压下的力学行为表明,常压下表现为脆性的材料在高压下可能有良好的塑性。这一效应使得有可能利用高压挤压技术,将某些特殊材料加工成异形截面的棒材。利用冲击高压的作用,使金属的结构发生变化,诱发各种缺陷的产生、发展和运动,可以达到特殊的加工硬化效果,这一效应也得到了实际的工业应用。

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