最新现代物理专题试题 精品2.docx
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最新现代物理专题试题精品2
当代物理前沿专题填空题
当代物理前沿专题
(一)原子能及其和平利用
1、★1897年,汤姆孙在放电管中发现阴极是电子流,他建立的原子模型称带葡萄干的蛋糕模型。
卢瑟福发现自由放射线中α射线是氦离子流,他提出了类似太阳系的原子模型来解释α粒子散射实验,进而测定原子核的电荷数,他的学生威德威克分析了约里奥.居里夫妇的实验发现了中子。
依万宁柯、海森堡建立原子核的原子中子模型。
2、★原子核可以写成
元素,其中A为质量数,Z为电荷数,Z相同A不同的元素称为同位素。
3、★原子核在结合过程中所释放的能量称为结合能,平均结合能B/A最大值为8.8Mev,其相应的的A=60。
凡原子核演化向该值趋势必定释放原子能。
4、★原子能可能的释放模式为:
衰变、裂变、聚变、碎裂,在裂变过程中,1千克燃耗相当于2万吨TNT黄色炸药。
5、★裂变有两种模式:
一种是裂变,重核自发分裂成两半;一种是在中子作用下引发的裂变。
裂变都要释放200Mev的能量,而原子核碎裂反应也放出这么多能量,但都是一个吸热反应,然而这一反应能放出大量中子,所以很有用。
6、★中子对235U、239Pu或233U的核的诱发裂变,是人类迄今为止大量释放原子能的主要形式。
原子弹爆炸的原理就是利用这种不断增殖的链式反应引起强烈爆炸。
人们控制这种反应中中子产生的速率,就能缓慢地释放核能,核反应堆(核电站)按控制方式不同,划分为慢中子堆和快中子堆。
7、★实现核聚变需约几千电子伏特,即几千万℃的高温条件,目前人们仅知道用原子弹去触发某氢弹,受控热核反应设想有2种,一是磁约束,一是惯性约束。
8、目前油的储量仅够人类使用70年,煤可供500年,天然铀和钍将是可燃物的20倍,海水中的氘可供人类用107年,所以受控热核反应的研究一直备受关注。
9、★可再生能源是说与地球上存在着某种可持续的“永久”的能源,不可以再生能源是指储藏在各种物质形态中的能源。
水能,风能,太阳能属于可再生能源。
煤,石油属于不可再生能源。
铀,钍,氘属于不可再生能源,潮汐能来自地球自转的旋转动能。
当代物理前沿专题
(二)半导体
1、1948年巴丁.布拉顿,肖克莱发明了晶体管,带来了现代电子学的革命。
1958年集成电路问世,1968年硅大规模集成电路实现大生产,标志着进入了微电子时代,21世纪将是光电子信息时代。
2、1970年,江崎和朱兆祥提出了超晶格概念,两年后在一种分子束外延设备上得以实现,这导致了高电子迁移率的晶体管(HEMT)的出现和量子霍尔效应的发现。
3、★量子阱,超晶格是由两种材料组成的,能使半导体的自由电子局限在一个平面内运动,称为二维电子气,由于杂质和电子运动在不同平面里,一个使得杂质对电子的散射作用大大减小,所以大大提高了电子迁移率,选择不同的材料,设计不同的禁带宽度和光学器件称为能带剪裁工程。
4、量子阱,量子点中的电子运动分别具有一维和零维的特点,受量子的限制效应,原来电子运动的能带会分裂成一系列分裂的量子能级,用它们制成的激光器,预计阈值电流进一步降低,达到μA量数,且特征温度大大提高。
5、当器件长度小于电子平均自由程的所谓介观系统中,电子输运不再遵循欧姆定律,完全由它的波动性决定。
6、通常用迁移率μ=eτ/m*表征半导体导电性能,其中弛豫时间τ表示固体电子运动,两次碰撞之平均自由时间,m*表示电子的等效质量。
7、★按量子力学的泡利原理,每个能带能填充2N个电子(N为固体中原子数),金属大多数是一价的,所以只填充能带的一半,该带称导带,半导体平均每个原子有4个价电子,恰能填满能带,称价带,导带和价带之间称禁带,绝缘体的禁带很宽,半导体的禁带较窄,大约为1eV。
半导体掺杂形成n型和p型半导体,n型靠电子导电,p型靠空穴导电。
8、★n型和p型相接触区域形成P-n结,耗尽层中有一个内建电场,方向由n指向p区,将阻止电子和空穴扩散。
9、★p-n结两端加正向电压,原平衡破坏,减弱了原来的内建场,电子和空穴扩散增加,总的电流是由这2部分电流之和这称复合电流。
加反向电压,电流是靠耗尽区中产生的电子和空穴提供电流值很小称为产生电流。
10、半导体晶体管中三个区别称发射区基区集电区其中基区很薄,晶体管电流放大系数β=△Ic/△Ib,通常β为100左右。
11、★每块集成电路由成千上万个MOS晶体管组成,包括了三层硅、二氧化硅、金属,p型衬底上两个几区分别称源区和漏区,在它们的上面有一个金属栅称栅极。
12、★MOS晶体管栅极上加正向电压时,源区和漏区之间的P区空穴被耗尽,当正电压超过阈值电压时,P区中就会感应出电子,形成一个n型电子沟道,称反型层,MOS晶休管起一个开关作用,其延迟时间等于RC。
13、光电探测器实质上是一个反向偏置的二极菅。
当入射光子hγ>Eg时,耗尽区内产生电子空穴对,被电场分开,形成光电流。
检测这个光电流就可以知光信息的强弱。
非耗尽区内产生的载流子也形成电流,但影响光电二极菅的响应时间所以应扩大耗尽区减少p区和n区。
14、★太阳电池是利用n结的光生伏特效应,原理与光电探测器类似,但不加反向偏置电压。
理论上太阳电池极限效率32%。
15、制备半导体单晶主要有两种方法:
直拉法(又称切克劳斯基法)和区熔法。
16、直拉法能生长直径较大(φ125mm)的单晶,但难以提高单晶的纯度,区熔法可制备高纯单晶,对锗和一些化合物半导体可用水平区熔法。
其生长尺寸较小。
单晶硅要用悬浮区熔法,这不仅能生成高纯度的高阻单晶,且已能生产φ250mm的单晶。
17、制造集成电路常采用平面工艺,其工序有
(1)氧化
(2)光刻(3)扩散掺杂(4)金属化
18、★在一无所知的情况下为了在两个并列的互不相关的可然性之间进行判断,所需的信息量为信息单位,并以bit表示,2n种可能性中的一个其信息量为nbit,仙农定义信息量公式为:
信息量=log2(可能性数目),每个字符(32个可能性)有5bit信息量。
19、★信息过程包括信息获取、存储、传输、处理。
20、光刻的极限是由光的波长决定的,根据现有的器件原理和工艺条件,半导体器件的极限是线宽0.1μm,集成度接近1010bit,基片面积1cm2。
21、砷化镓特别适合作集成光电子系统的材料。
硅是间接能带材料。
目前科学家正寻求使硅发光的方法,1990年英国的Canhan,首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光。
22、量子阱发光峰的波长随外加电场的增加会发生红移,这称量子斯塔克效应,用该效应制成的光双稳器件--自由光器件(SEED)的光输出同输入功率不成线性关系。
23、分子电子学以物质的分子和其他的微观组分为单元,与微电子的区别还在于用多值数字形式,而不是用二进制数字形式来信息处理。
当代物理前沿专题(三)
1、1954年(美)汤斯成功地制造出氨分子振荡器,产生出波长为1.25cm的相干电磁辐射;可用作频率标准(即分子钟)。
2、激光器的发展起点是肖洛和斯汤,在《红外光学激射器》中提出光激射器理论设想了一种新式共振腔(称为开放腔),用两块平行放置的高反射镜组成,既控制了腔内模式数目,也起降低自发辐射作用,又降低了本底噪声,而且给出了激光器的振荡条件:
①光学材料内处于高能的原子数要比在低能态原子数发出的量(称阈值粒子反转密度),②达到振荡阈值所必须供给激光材料的能量或功率(即阈值泵浦能量或功率)。
3、1960年5月(美)休斯实验室梅曼采用红宝石做工作物质,用氙灯做泵浦源,制成世界上第一台激光器,1961年9月我国第一台激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计下研制成功。
1964年,钱学森教授给Lasert起了个中文名称为“激光”。
4、★1916年爱因斯坦发现在受激吸收跃迁和自发辐射跃迁之间还存在第三种能态跃迁过程-受激辐射跃迁
5、★负温度是对光源中处于高能态的原子数目比处于低能态的原子数多的一种状态表述,这时系统处于热力学非平衡状态。
6、只要对原子泵浦到高能态的速率比离开这个能态的速率高就可造成负温度状态,主要方法有:
(1)光泵浦
(2)气体放出泵浦(3)注入电流泵浦(4)化学泵浦。
7、★激光器由三部分组成
(1)工作物质
(2)共振腔(3)泵浦源。
8、★对工作物质的要求是
(1)光学性质均匀,透明稳定。
(2)有能级寿命(有较长的能级,称亚稳定能级。
(3)有较高的量子效率。
共振腔的主要作用
(1)正反馈作用
(2)选模作用。
9、★从波动观点说,模是电路波动的一种型类。
即存在于空腔中各种不同频率的驻波。
从粒子观点看,模代表了可以相互区分的光子态。
沿同一传播方向,按频率区分光子态称纵模,按辐射传播方向区分光子态称横模。
用TEMmn表示横模的阶数。
m=n=0为基模。
其余称高阶模。
对纵横受共振腔长L限制两个模的频率间隔为△γ~C/2L,又辐射频率必须在光学增益带宽内,则振荡模数很少。
10、★共振腔的Q值(品质因子)是描述共振腔光学损耗大小的量,{Q=2πγ(腔内存储能量)/(每秒损失的能量)}激光振荡能量阈值与Q值有关,Q值高阈值低。
让Q突变的方法即Q开关。
常用Q开关有:
(1)可饱和吸收体Q开关,属被动Q开关,
(2)电光Q开关(克尔盒,普克尔盒)。
(3)机械Q开关。
11、★让激光器中各模之间建立稳定的相位关系,形脉冲宽度极窄,功率极高的,激光技术叫锁模。
12、目前功率最大的激光器为钕玻璃激光器(1014W),其次是CO2激光器,半导体激光器体积最小,使用寿命却很长。
13、★激光的特性:
(1)方向性好,
(2)单色性好,(3)相干性好,(4)脉冲宽度窄。
14、★固激光有很好的单色性和相干性,则用它作计量检测能获很高的计量精度。
激光用于信息处理主要是
(1)光盘、
(2)光通信(3)光计算。
强激光的应用有
(1)激光加工、
(2)激光分离同位素、(3)激光核聚变。
激光还大量应用于医学、生物、军事和科学实验,激光产业有
(1)激光加工产业,
(2)激光印刷产业(3)激光光盘产业,(4)光纤通信产业(5)激光医疗产业和激光武器等。
当代物理前沿专题(四)超导电性
1、★1918年昂纳斯发现超导现象,1933年迈斯纳和奥森菲发现迈斯纳效应,证明超导体不是理想导体,是一种宏观量子现象,基本性质
(1)零电阻效应
(2)迈斯纳效应。
2、★1898年杜瓦得到液氢(20K)。
1918年昂纳斯得到液氦(4.25~1.5K)发现汞在4.2K以下电阻为0。
(纯铜不是超导体,即使几mK,ρ有10–11Ω·m)
3、★电阻突然消失的温度称超导体临界温度TC,当T<TC时,当外磁场超过某位HC(T)或电流越过某值IC(T)时超导性被坏,HC(T)和IC(T)分别称临界磁场和临界电流。
4、★对理想导体由电流密度J=E/ρ可见,当J≠0时ρ0,则E0,由
=0可见,B不随时间变化,但迈斯纳效应证明不论超导体内原有无磁场B0,一旦进入超导态,只要B0小于临界磁场B0就为0。
5、★戈特和卡西米尔的二流体唯象模型法:
超导态下正常电子受晶格振动散射超流电子电子处于某一能凝聚态,不受晶格散射。
6、伦敦兄弟建立超导的唯象理论。
认为超导电流不遵守欧姆定律(j=σE),因为超导电子没有阻力,则在电场中作加速运动即m*a=eE,则
。
伦敦方程成功解释了迈斯纳效应。
7、1950年提出的金兹堡-朗道理论是从热力学角度研究超导性,认为正常态向超导态的转变是一个有序化过程,金兹堡-朗道方程可以解释混合态的许多性质。
8、1950年麦克斯韦发现超导体的同位素效应,MαTC=常量,离子质量M反映晶格的性质,临界温度TC反映电子性质,晶格振动的能量子称声子。
同位素效应反应了电子-声子相互作用与超导电性有关。
弗洛里希提出电子-声子相互作用是高温下引起电阻的原因,低温下导致超导电性。
9、超导态的电子能谱与正常金属不同。
在费米能EF附近有个半宽度为Δ的电子不存在的能量间隔称超导能隙。
10、★库柏发现超导态是由正则动量(机械动量与场动量之和)为0的超导电子组成。
它是动量空间的凝聚现象。
当电子间交换声子产生的吸引作用大于库仑排斥作用时,费米面附近的两电子的能量比两个独立的电子总能量低形成库柏电子对。
最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的库柏电子对。
11、超导性量子理论是巴丁,库柏,施瑞其在1951年提出的称BCS理论,是目前唯一成功的超导微观理论。
可以定量描述能隙,热学和大多数电磁性质,还可以得到磁通量子化的结论。
12、★不论是金属-绝缘体-超导体(NIS)的结还是超导体-绝缘体-超导体(SIS)的结,当绝缘介质厚约102~103Å,隧道电流都是正常电子穿越势垒,称正常电子隧道效应,若SIS结的绝缘层只有10Å左右时,出现库柏电子对隧道效应,即为约瑟夫森隧道效应。
电子对穿过势垒后仍保持着配对状态。
13、★第一类超导体相干长度ξ>λ,界面能为正值,不存在混合态,只有1个临界磁砀,应用于弱电,第二类超导体,ξ<λ,界面能为负值。
有2个临磁场,当外加磁场加到HC1和HC2之间时,超导体处于混合态。
即体内既有超导态又有正常态部分,钒、铌、锝以及大多数合金和化合物超导体都属于第二类超导体,常主用于强电。
14、★高温超导体都由导通层(铜氧层)和载流子层组成,相干长度短,不均匀性,各向异性是基本特性,晶界上存在弱连接和磁通钉扎等是弱点。
15、★超导体在强电方面用于
(1)受检热核反应和凝聚态物理研究的强磁场
(2)核磁共振(NMR)用的均匀磁场,(3)制造发电机的电动机的纸圈(4)用于高速列车上磁悬浮线圈,(5)用于轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统。
16、★(SQUID)超导量子干涉仪是约瑟夫森效应的一个应用,外磁场加到含2个SIS结的超导电路上使最高超导电流随磁场变化,有很高的测磁灵敏度,用于生物磁学(探测大脑、心脏磁场等)、地磁场等研究。
当代物理前沿专题(五)声学
1、德国人克拉尼是实验声学的创始人,英国人瑞利所著的《声学理论》是一部总经典声学理论的巨著,水声学的奠基者是法国人朗之万。
德国人亥姆霍兹奠定了语言声学基础。
最早提出音律中十二平均律的是我国明朝朱载育。
2、声强级定义为IL=10lg(I/Io)dB,由I=P2/ρC决定了声压级为SL=20lg(p/p0)dB,空气声学中P0=20μPa,水声学中P0=1μPa
3、★由声功率反射系数αr=(ρ2C2–ρ1C1)/(ρ2C2–ρ1C1),可见两种媒质声阻抗(ρC)相近则αr很小,水下的声音岸上听不到是因为水和空气的声阻抗差很大。
4、★声波遇到障碍物时,就绕其边缘延展引起声衍射,声波遇到线度小于波长的障碍物时,声波朝各方向散射,波长小的声波具有较强的散射效应。
5、★听到声音的条件是:
①声源,②媒质。
人能感受到的声波频率范围约20~20000HZ,次声波的范围为10–4~20HZ,超声波范围为2×104~1014HZ,语言信号频率为100~10000HZ,其主频带100~4000ZH,电话语言频带定在300~3400HZ.
6、★日常说话声功率范围为10–6~1W,平均约10–2W,人耳能感受到的声强度范围为10–2~1wm–2,相差1012倍,所以声波相差120dB.
7、★现在多数国家采用的噪声标准是每日8小时工作A声级小于90dB,住宅区室外A声级35~45dB,正常说话声级65dB.
8.★响度不仅与声强有关,还与频率有关,响度级的单位是Phon(方),一个声音的响度级等于等响的1000HZ纯音的声压级,响度的单位是sone,40方一宋,每增加10方响度增加一倍。
9、音调主要与频率有关,但也于强度有关,音调单位为mel(美),它是以1000HZ,40Phon的纯音作基准,定为1000mel.
1.音乐上把一个倍频过程(f到2f)称为一个八度。
又把它按频率比21/12分成12等份,每等份称一个半音,其百分之一称一个音分。
音分数=1200log2(f2/f1)。
11、★对房间音质有影响的决定性因素是混响,声场分布和噪声贝。
12、★声波发出声音到衰减了60dB,所需时间称混响时间。
混响时间除与房间的声吸收有关外还与房间体积和声音频率有关。
13、★超声波特点有
(1)听不见
(2)波长小(3)与物质有相互作用。
14、★超声波因波长小导致
(1)声源尺寸小且指向性好
(2)易被微小障碍物散射。
15、★超声在液体中的空化效应可导致声致发光、声致自由基机械作用(粉碎乳化)化学反应活性加强、高分子解聚等效应。
16、因为声波可透入任何媒质(固、夜、气,不论透明不透明),因此利用超声来检查媒质中是否有障碍物存在及障碍物有哪些特征,称超声检测。
超声在医学中最突出的应用有B超和多普勒血流计。
17、声表面波在一块压电单晶基片表面浅处传播声波,它的波形容易由选择换能器的几何形状和基片上附加的一些结构调控。
18、★空气中声速约340m/s,在淡水中约1440m/s,在钢中约5000m/s,在海洋中声速是温度,盐度,深度的函数。
19、★声呐(sonar-由声音,导航,测距英文词类构成)是用声波判断水中物体存在,位置和类型的设备。
它有两种工作方式
(1)主动声纳
(2)被动声纳。
20、定点浪高仪、回声测深仪、地形地貌仪都是主动声呐,海流计是利用多普勒效应进行测速的,声呐方程是用于设计声呐与对声呐性能作出预估的工具。
21、★声信号数字处理中,时间上的量化称采样,幅度上的量化称分层,奈奎斯特采样定理是:
若信号带宽有限,则只需≥2信带宽的采样频率进行采样就可以恢复原始信号。
22、目前电话数字传输系统主频率是8KHZ,一般声信号处理采用14~16bit的分层。
23、传统的模似信号磁带式录音机的动态范围约40dB,频带200~8000HZ,现代数字式录音机的采样频率为44.1KHZ,频带约20kHZ,动态范围60dB。
24、DSP芯片是数字信号处理芯片,它不是采用冯.诺伊曼结构,而是采用并行处理的哈佛结构。
克服了数据流中的瓶颈。
25、语言频率有两种
(1)长时平均频谱,
(2)短时频谱。
从声源看,语言声源可分为
(1)准周期激励,
(2)噪声激励(3)脉冲激励。
26、★双耳效应的主要作用来自声音达到两耳的时间差,其用来判断声源的方向和距离,觉察波源运动,从嘈杂环境中,倾听较弱的声音。
27、★白噪声是一种频谱连续且均匀的噪声,红噪声是频谱连续且振幅随频率升高而降低的噪声。
160dB以的强噪声可以损坏建筑物。
海洋噪声的来源有①自然的(如风、雨和鱼的发声),②人为的(如航船噪声)。
28、波动方程的解是与初始条件和边界条件有关的。
有两种方法:
(1)简谐波理论
(2)射线理论,其中射线理论很直观,但不能给出精确解。
29、★海洋分层
(1)深度为0~150m为表面层,150~300m为季节温跃层,300~1000m为主温跃层,1000m以上称深海等温层。
当代物理前沿专题(六)空间物理学
1、★空间物理学主要研究太阳活动、月球、行星磁层、行星电离层、行星大气等空间区域的物理过程和规律,这些物理过程对航天事业和人类的生态环境产生重要影响。
2、★大气层按它的物理性质可分成对流层、平流层、中间层、热层、和外逸层,按大气成分可分为均质层,非匀质层和外逸层。
中高层大气指平流层以上的大气层;磁层是地球通过磁场控制的区域,它的外围被太阳风包围;日球是指由太阳风和行星际磁场组成的区域(约距太阳100个天文单位的区域)。
3、对流层的高度在极区约9Km,在赤道可达17km左右,平均每升高1km温度下降6.5k。
天气现象都发生在对流层。
4、平流层顶约50km高处,水平运动较强,达到120km/h,温度随高度的增加而增加,臭氧层在这层内,浓度最高的高度在20~25km之间。
5、高度约50~85km之间称中间层,温度随高度增加而降低。
这层光化反应十分强烈,气辉和极光来自这一层。
6、中间层上面是热层,其温度随高度迅速增加,并受太阳活动影响很大,热层顶约300~500km不等,该层大气原子氧对航天器具有很强的腐蚀能力。
7、均质层顶约80km处,其大气成份不变。
非均质层的平均分子量随高度逐渐降低。
外逸层的空气分子可能摆脱地球引力。
8、在比较小的高度范围内,大气密度和压力是随高度指数下降的。
9、太阳常数为1353w.m–2,用来度量太阳的电磁辐射能。
(平均日地距离处)
10、★太阳电磁辐射覆盖了全部电磁波谱,波长范围104~10-14Hz主要的电磁辐射能量集中在可见光和红光部分(占总辐射通量90%以上)且比较稳定。
紫外部分虽占成分很小,但变化十分剧烈。
11、★大气层吸收了太阳辐射中波长短于0.32um的部分。
波长长于10m无线电波由于电离层的反射达不到地面,红外部分也有不少被水气和二氧化碳的吸收。
能达到地面的辐射波段称为大气窗。
12、★太阳辐射通过光致激发、光致离解、和光致电离,最终转化为高层大气的热能。
13、★电离层指50~60km以上到几千公里之间的大气电离部分。
最大电子密度约在300km高处,称“F层”,夜晚在100km的高度有具峰值称“E层”。
14、电离层的电子生成率Q=nσφ,其中n为大气密度,φ为入射的高能电磁辐射强度,σ为电离截面。
15、★电离层电子密度越高折射系数越大,电磁波频率越低折射系数越大。
当电磁波频率高于临界频率时,可以通过电离气体,根据电离层的结构,临界频率最高约20MHZ。
16、极光是来自太阳和磁层的高能带电粒子进入高层大气所激发光现象,高度分布在70~1000km范围内集中在100~200km之间。
17、★地磁场近似为偶极磁场,即均匀磁化球的磁场B=M(1+3cos2θ)1/2/r3,其中M=7.95×1015T.m3即地球的磁偶极矩,地球的磁轴不平行于自旋轴,两者夹角为110偶极子中心偏离地心约451km。
18、★地磁场的月变化在赤道区中高度大,高纬区赤道区相位相反。
磁暴分“急始型”和“缓始型”急始型磁暴往往在太阳上出现大耀斑以后发生。
缓始型常常具有27天重现性,这数字等于太阳自转时间。
地磁指数随太阳活动周11年变化,一年中春秋季扰动明显高于夏冬季。
19、空间除均匀磁场外还有与它垂直的均匀电场或引力场存在。
则带电粒子将与磁场和外力都垂直方向上漂移。
电场对正负电荷漂移方向相同,重力对正负电荷漂移方向相反。
如果带电粒子处在的磁场与其垂直方向上有个梯度
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