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高壓物理學是研究物質在高壓作用下的物理行為的一門學科。高壓是一種極端條件,泛指一切高於常壓的壓力條件。但是有兩點需作說明:一是高壓物理研究往往伴隨著溫度的變化(高溫或低溫);二是在進行這一研究時,有時也可能得到受壓物質在負壓下物理行為的信息。 高壓物理的研究對象多數是凝聚態物質,所以,高壓物理學實際上主要是指在高壓這種極端條件下的凝聚態物理學。高壓物理被劃為一門學科還因為高壓力的產生和高壓下各種物理行為的檢測,都需要發展特殊精巧的專門的實驗技術和方法。

1高壓物理學的發展簡史

最早的高壓物理實驗可以追溯到1762年,坎頓對水的壓縮性實驗。但直至19世紀末,阿馬伽創建了活塞式壓力計,並打下了壓力計量基礎以前,高壓實驗基本上僅限於對液體壓縮性的觀察。之後,塔曼利用體積隨壓力變化時所出現的不連續現象,以測定固體的熔點與相變點,開創了高壓相變的研究。理查茲於1903年改進壓縮率的測量方法,證實原子的可壓縮性。
在以上的近150年間,高壓物理一直是在五千大氣壓以內的範圍中進行的,這是高壓物理的草創時期。1906年以後,布里奇曼進一步推動了高壓實驗技術的發展,並對固體的壓縮性、熔化現象、力學性質、相變、電阻變化規律、液體的粘度等宏觀物理行為的壓力效應進行極為廣泛的系統的研究。雅各布、勞遜發展了高壓下物質 X射線結構分析技術;勞遜與納赫特裡布研究了固體中原子擴散的高壓效應。這樣,就初步形成了以原子行為為基礎的高壓物理的研究內容。
二十世紀五十年代,為合成地質上與工業上有意義的許多人工晶體,如石榴石、藍晶石、金剛石等,又發展了新的高壓實驗技術。高壓下的固體物理研究則開始從側重固體的宏觀熱力學性質深入到研究固體中的互作用與電子運動規律等的壓力效應。
德里卡莫研究了高壓固體光學性質,開闢了高壓下固體的電子譜、鹼金屬鹵化物的色心和雜質光譜、絡台物與螯合物中過渡金屬的離子光譜、稀土鹽類光譜、有機化合物的電子譜,以及熒光衰減等的電子過程和相變動力學的高壓研究。高壓中子衍射、高壓核磁共振、高壓穆斯堡爾譜等研究也相繼開展.
與此同時,由利用炸藥爆炸技術而發展起來的動態高壓技術,從一般的接觸爆炸技術發展到飛片技術,又研製成功了新的輕氣炮技術等,使壓力達到數百萬大氣壓以上。這是高壓物理較迅速發展的時期。
到70年代,激光技術、同步輻射以及金剛石壓砧高壓技術的出現,推動了高壓下固體喇曼散射、布里淵散射、快速X射線結構測定等技術的發展,用於揭示固體中相互作用、運動模式、相變機制等研究。靜態高壓技術突破了百萬大氣壓;動態高壓技術又通過地下核爆、電炮、磁通壓縮、軌道炮等新技術的發展,把壓力進一步提高到數千萬大氣壓。並且取得一批固體材料的壓縮性數據。

2高壓下物質的物理變化

由大量原子或分子組成的凝聚體,在高壓的作用下,體積要縮小,原子或分子的間距要縮短。表示一定溫度下,物質體積與壓力之間的關係式稱為該物質的等溫狀態方程。它既表徵物質的重要的熱力學性質,又反映組成的原子或分子在相互接近時互作用特徵的變化信息,是高壓物理所關心的基本問題之一。
實驗測定物質等溫狀態方程主要是利用靜態高壓技術:一兩萬大氣壓以內,藉助於超聲聲速的測定,能得出較精準的密度體積關係;直接測量不同壓力下物質的體積變化,可以獲得五萬大氣壓以下的密度體積數據;20萬大氣壓以下,晶態物質的密度體積關係可通過點陣常數的測定取得;50萬大氣壓以上物質的密度體積數據,目前僅能藉助於動態高壓技術測定。上述三種壓縮特性數據可以通過理論方法互相換算。
在壓力作用下,物質的體積收縮,同時其自由能改變,這時受壓物質也會發生結構形態的改變:本來是液態的物質會凝固結晶;非晶態的物質,其晶化規律可能改變;原為晶態的固體,可能發生晶體結構上的或電子結構上的變化;在很高的壓力下,半導體、絕緣體乃至分子固體氫可能成為金屬態等。這些現象統稱為高壓相變,它的變化機制與過程是高壓物理研究中的一個極為豐富的探索領域。
高壓下的X射線衍射實驗、中子衍射、核磁共振、穆斯堡爾譜、喇曼散射、布里淵散射、光學制溫,以及超聲測量等是提供高壓相變信息的有效方法。物質在高壓相變時常伴隨著物性的改變,因此,高壓下各種物性的測量也常被用於高壓相變的研究。
考察高壓力作用下凝聚體物理性質的變化特徵是高壓物理中另一個十分寬廣的研究領域。決定凝聚體物理性質的,除組成原子的類別和晶體結構形式以外,結構缺陷、物質中原子的運動、電子的運動,以及它們彼此之間的相互作用,是導致物質具有這種或那種物理性質的重要因素。凝聚體的物理性質是在有大量原子、大量電子參與下所表現出來的集體行為,它深受外加壓力的影響。
高壓下固體中的中子非彈性散射、喇曼散射、吸收光譜、熒光光譜等測量,以及固體的力學、電學、磁性、超導電性等宏觀物理量的測量,是研究高壓下固體物性及其集體現象的常見實驗內容。

3高壓物理實驗技術

發展高壓物理實驗技術方案的新構思,是和高壓物理研究緊密相連、不可分割的環節。高壓物理實驗技術包括高壓力的產生技術與高壓下各種物理測量技術,大體上分靜態高壓與動態高壓兩大類。
靜態高壓的產生對不同的研究對象和選擇的壓力範圍採取的技術各不相同,但所依據原理基本上是四個,即無支撐面密封原理,壓縮封墊密封原理,大支座原理和材料強度隨壓力增高的效應。根據這些,解決了高壓的密封問題和克服了材料有限強度的限制。
目前靜壓高壓達到百萬大氣壓以上,動態高壓已達數千萬大氣壓的水平,雖然如此,在這個壓力範圍內受壓物體中原子結構的壓力效應仍不是十分顯著的。
在這樣高的壓力下,由於靜高壓研究中允許使用的試件用量極少;動高壓實驗中的試樣和裝置會徹底損壞,允許進行物理測量的時間又極短,都使得提供物理信息的實驗手段受到很大的限制。所以對高壓物理實驗新方案的探索,也是進一步發展高壓物理研究所必須考慮的一個重要問題。
有些物質在高溫高壓下,通過相變形成的新結構往往能以亞穩態長期保存在常溫常壓下。利用這一點,可以獲得新的人工合成材料。石墨在高溫高壓下轉變成金剛石就是其中一例,人造金剛石已能大量生產,並在相當大的工業應用範圍內替代了天然金剛石。
高溫高壓合成的立方氮化硼具有類似金剛石的晶體結構,它的硬度僅次於金剛石,但耐熱性卻優於金剛石,在自然界中尚未發現天然的立方氮化硼,它非常適合於製備切削刀具。高壓在探索其他類型新材料上也顯得十分有用,在實驗室里,數萬大氣壓能使赤磷變成具有半導體性質的黑磷。高壓下加熱非晶物質能製得平常難以得到的超導亞穩合金等。
研究材料在高壓下的力學行為表明,常壓下表現為脆性的材料在高壓下可能有良好的塑性。這一效應使得有可能利用高壓擠壓技術,將某些特殊材料加工成異形截面的棒材。利用衝擊高壓的作用,使金屬的結構發生變化,誘發各種缺陷的產生、發展和運動,可以達到特殊的加工硬化效果,這一效應也得到了實際的工業應用。

4合成新材料

有些物質在高溫高壓下通過相變形成的新結構往往能以亞穩態長期保存在常溫常壓下。利用這一點,可以獲得新的人工合成材料。石墨在高溫高壓下轉變成金剛石是其中一例(見人造金剛石)。人造金剛石已能大量生產,並在相當大的工業應用範圍內替代了天然金剛石。高溫高壓合成的立方氮化硼具有類似金剛石的晶體結構,它的硬度僅次於金剛石但耐熱性卻優於金剛石,在自然界中尚未發現。它適用於製備切削刀具。高壓在探索其他類型新材料上也顯得十分有用。在實驗室里,數萬大氣壓能使赤磷變成具有半導體性質的黑磷。高壓下加熱非晶物質能製得平常難以得到的超導亞穩合金La4Al、La4Au等。

5高壓加工

研究材料在高壓下的力學行為表明,常壓下表現為脆性的材料在高壓下可能有良好的塑性。這一效應使得有可能利用高壓擠壓技術將某些特殊材料加工成異形截面的棒材。利用衝擊高壓的作用,使金屬的結構發生變化,誘發各種缺陷的產生、發展和運動,可以達到特殊的加工硬化效果,這一效應也得到了實際的工業應用。

6脈衝能源

在衝擊高壓作用下,鐵電性材料或鐵磁性材料會發生鐵電-反鐵電或鐵磁-反鐵磁的相變,利用這種高壓相變過程中的釋能效應,可以製成一種脈衝式能源,其最大輸出電壓可達105伏,最大輸出電流可達103安。利用動態高壓技術中的飛片技術壓縮磁場的原理,可以製成一種脈衝式電流放大器,其最大輸出電流可達兆安數量級,但這些脈衝能源都是一次性使用的。

7其他固體物理學分支學科

固體物理學、高壓物理學、金屬物理學、表面物理學

8其它物理學分支學科

物理學概覽、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學

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