29. 较详细的介绍下你做过的一个近代物理实验?
30. 能带论的三个基本假定是什么?简要阐述固体物理中的Born-Oppenheimer 近似。
31.什么是布洛赫定理? 32. 什么是Zeemann效应?
塞曼效应,英文:Zeeman effect,是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。他发现,原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现,很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂,称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学,电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩,并且空间取向是量子化的,磁场作用下的附加能量不同,引起能级分裂。在外磁场中,总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应,总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化,为研究原子结构提供了重要途径,被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中,塞曼效应可以用来测量天体的磁场。公式是?U???BmgB,分列复杂主要与g取值有关。
33. 什么是纠缠态?大概介绍下EPR佯谬和薛定谔猫实验。
纠缠态这个概念其实很宽泛,在量子力学里,描述一个物体或一个系统可以用波函数来表示。假设有一个系统S1,它的独立自由度有m个,如果它是独立系统,描述它的波函数是(x1,x2...xm),另一个系统为S2,他的独立自由度为n个,作为独立系统时它的波函数是g(y1,y2....yn),当两者之间有相互作用时,这两个系统本身不是独立系统,但假设联合起来它们仍可以作为一个独立系统,则描述这两者的波函数一般而言是h(x1...xm,y1...yn),它一般不能分离变量,这时就可以称系统S1和S2纠缠。例如:两个电子的自旋。00与10
具有量子纠缠现象的成员系统们,在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至冥王星,如此遥远的距离下,它们仍保有特别的关联性(correlation);亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻
发生相应的状态变化。如此现象导致了“鬼魅似的远距作用”(spooky action-at-a-distance)之猜疑,仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般,似与狭义相对论中所谓的局域性(locality)相违背。这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论(EPR paradox)来质疑量子力学完备性之缘由。
EPR悖论:在论证中,爱因斯坦等人设想了一个测量粒子坐标和动量的思想实验,后来D.玻姆把它简化为测量自旋的实验:考虑两个自旋为 1/2的粒子A和B构成的一个体系,在一定的时刻后,使A和B完全分离,不再相互作用。当我们测得 A自旋的某一分量后,根据角动量守恒,就能确定地预言B在相应方向上的自旋值。由于测量方向选取的任意性, B自旋在各个方向上的分量应都能确定地预言。所以他们认为,根据上述实在性判据,就应当断言B自旋在各个方向上的分量同时具有确定的值,都代表物理实在的要素,并且在测量之前就已存在,但量子力学却不允许同时确定地预言自旋的 8个分量值,所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。如果坚持把量子力学看作是完备的,那就必须认为对A的测量可以影响到B的状态,从而导致对某种超距作用的承认。EPR 实在性判据包含着“定域性假设”,即如果测量时两个体系不再相互作用,那么对第一个体系所能做的无论什么事,都不会使第二个体系发生任何实在的变化。人们通常把和这种定域要求相联系的物理实在观称为定域实在论。
围绕着EPR悖论,物理学界和哲学界一直有争论。20世纪70年代以来,根据对J.S.贝尔提出的定域隐变量理论关于相关体系的关联度的判别式(简称贝尔不等式的实验研究),倾向于否定建立在定域性假设基础上的定域隐变量理论,从而增加了人们对定域实在论的怀疑。这意味着把世界看作由空间上分离的,独立存在的各部分组成的看法不一定普遍成立,支持了关于世界是普遍联系的,不可分割的整体的观点。
薛定谔猫论:
把一只猫放进一个不透明的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。哥本哈根学派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才会以某一个本征态出现,并表现为猫的死活。这个理想实验的巧妙之处,在于通过“检测器-原子-毒药瓶”这条因果链,似乎将铀原子的“衰变-未衰变叠加态”与猫的“死-活叠加态”联系在一起,使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性;微观的混沌变为宏观的荒谬——猫要么死了,要么活着,两者必居其一,不可能同时既死又活!事实是在打开盒子的时候因为测量叠加态坍缩到某一个本证值。
34. 介绍下你对自旋的认识。自旋谁发现的,怎样发现的?
自旋(英语:Spin)是粒子所具有的内在性质,其运算规则类似于经典力学的角动量,并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转(例如行星公转时同时进行的自转)相类比,但实际上本质是迥异的。经典概念中的自转,是物体对于其质心的旋转,比如地球每日的自转是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。
首先对基本粒子提出自转与相应角动量概念的是1925年由 Ralph Kronig、George Uhlenbeck与 Samuel Goudsmit三人所开创。他们在处理电子的磁场理论时,把电子想象一个带电的球
体,自转因而产生磁场。然而尔后在量子力学中,透过理论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子,是故物体自转无法直接套用到自旋角动量上来,因此仅能将自旋视为一种内在性质,为粒子与生俱来带有的一种角动量,并且其量值是量子化的,无法被改变(但自旋角动量的指向可以透过操作来改变)。
自旋对原子尺度的系统格外重要,诸如单一原子、质子、电子甚至是光子,都带有正半奇数(1/2、3/2等等)或含零正整数(0、1、2)的自旋;半整数自旋的粒子被称为费米子(如电子),整数的则称为玻色子(如光子)。复合粒子也带有自旋,其由组成粒子(可能是基本粒子)之自旋透过加法所得;例如质子的自旋可以从夸克自旋得到。
35. 什么是剩余电阻?
36. 介绍下你对狭义相对论的认识。说说狭义相对论的基本原理。写出洛伦兹变换的表达式。
狭义相对论是基于爱因斯坦的两个假设,即光速不变和所有惯性系等价而建立起来的,关于物体运动和能量的一种新体系。他满足于洛仑兹变换。并且创造性地提出了质量与能量等同的原理,另外,它还有著名的尺缩钟慢效应(打破了绝对时空观)。其试验基础是麦克尔逊莫雷实验中光速不变与伽利略变换的不自洽。
1.物理体系的状态变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。(所有的惯性系是等价的)
2.任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
其中第一条就是相对性原理,第二条是光速不变性(人为假定的)。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
洛仑兹变换:
式中
;c为真空中的光速。其逆变换形式为
37. 什么是霍尔效应?类比电荷霍尔效应,自旋霍尔效应应该怎么定义?(量子霍尔效应)
霍尔效应:当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集,在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场,此电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力,使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
自旋霍尔效应:即是说通过一个电流来操作电子自旋的方法。是电子自旋方向与电流的方向满足一定的规律。
量子霍尔效应:举例说明:我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子霍尔效应下,则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”
然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“相当于外加10个计算机大的磁铁,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。
量子霍耳效应和反常霍尔效应针对的是磁场对晶体管这类电子元件产生的热研究出来的解决办法,就是给电子的无规则运动轨迹套上个笼头,这个笼头就是外加磁场或者自身磁场,前者的优点是解决起来方便,但是不能小型化实用化,可以专用。后者是自己产生磁场,不需要外加磁场,缺点是自身磁材料贵,目前来说也没有进入高温化、实用化,但前景可观。
38. 什么是Stark效应?
原子或分子存在固有电偶极矩,在外电场作用下引起附加能量,造成能级分裂,裂距与电场强度成正比,称为一级斯塔克效应;不存在固有电偶极矩的原子或分子受电场作用,产生感生电矩,在电场中引起能级分裂,与电场强度平方成正比,称为二级斯塔克效应,一般二级效应比一级效应小得多。斯塔克分裂的谱线是偏振的。对斯塔克效应的圆满解释是早期量子力学的重大胜利。(电场引起的能级分裂)
39.什么是超导现象?大概介绍下高温超导。 40. 统计力学的原理是什么?简述等概率原理。
等概率原理:对于处在平衡状态的孤立系统,系统各个可能的微观状态出现的概率是相等的。
41. 什么是近自由电子近似? 42.什么是声学支?什么是光学支?
43. 写出maxwell方程组,写出薛定谔方程,写出氢原子基态波函数。
见第十三题。
??2d2??d????i?d?;HSchrodinger方程:含时??,简记为:?????V(x)?r,t?i??r,t?2dt2?dxdt??定态薛定谔方程:略
?d??H? Dirac表示的薛定谔方程:i?dt?H11??H21矩阵表示(四维):?H?31?H?41H12H22H32H42H13H23H33H43H14??c1??c1??????H24??c2???c2???i? H34??c3??t?c3?????????c??H44??c4??4?44. 对于导体型的碳纳米管参杂到绝缘体中,为什么需要的碳管量比石墨要少的多?
碳纳米管是一种管状的碳分子,管上每个碳原子采取SP2杂化,相互之间以碳-碳σ键结合
起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细,只有纳米尺度,几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽,碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。 σ键是价键理论和分子轨道理论中一种化学键的名称。由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键,叫做σ键。一般的“单键”都属于这种σ键,比如C-H, O-H, N-H, C-C, C-Cl等等。由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键,叫做σ键。σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的,具有较大的重叠程度,因此σ键比较稳定。σ键是能围绕对称轴旋转,而不影响键的强度以及键跟键之间的角度(键角)。根据分子轨道理论,两个原子轨道充分接近后,能通过原子轨道的线性组合,形成两个分子轨道。其中,能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道,能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道,相应的键叫σ键。以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ*轨道,相应的键叫σ*键。分子在基态时,构成化学键的电子通常处在成键轨道中,而让反键轨道空着。 σ键是共价键的一种。它具有如下特点: 1. σ键有方向性,两个成键原子必须沿着对称轴方向接近,才能达到最大重叠。 2. 成键电子云沿键轴对称分布,两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云密度的分布。 3. σ键是头碰头的重叠,与其它键相比,重叠程度大,键能大,因此,化学性质稳定。 共价单键是σ键,共价双键有一个σ键,π键,共价三键由一个σ键,两个π键组成。 σ读音Sigma