物理学前沿Word格式.docx
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评卷人
1.理论物理部分（共5题，每题5分，共25分）
1.混沌现象的主要特征是什么
对于什么是混沌，目前科学上还没有确切的定义，但随着研究的深入，混沌的一系列特点和本质的被揭示，对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。
目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。
它包括如下特征：
（1）内在随机性。
它虽然貌似噪声，但不同于噪声，系统是由完全确定的方程描述的，无需附加任何随机因数，但系统仍会表现出类似随机性的行为；
（2）分形性质。
前面提到的lorenz吸引子，Henon吸引子都具有分形的结构；
（3）标度不变性。
是一种无周期的有序。
在由分岔导致混沌的过程中，还遵从Feigenbaum常数系。
（4）敏感依赖性。
只要初始条件稍有偏差或微小的扰动，则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。
因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的
2.分形结构的特点是什么请举例说明。
特点是无定形，不光滑，具有自相似性。
如弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面，变幻无常的浮云，九曲回肠的河流，纵横交错的血管，令人眼花缭乱的满天繁星等。
它们的特点都是，极不规则或极不光滑。
即每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息，从而可以通过部分来印象整体。
3.分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。
共同点：
都是用特征路径长度和聚合系数来衡量网络特征。
不同点：
在网络理论中，小世界网络是一类特殊的复杂网络结构，在这种网络中大部份的节点彼此并不相连，但绝大部份节点之间经过少数几步就可到达。
规则网络具有很高的聚合系数，大世界（largeworld，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n（网络中节点的数量）线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（smallworld，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log（n）增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。
无标度网络具有严重的异质性，其各节点之间的连接状况（度数）具有严重的不均匀分布性：
网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接，而大多数节点只有很少量的连接。
少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。
从广义上说，无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。
随机网络，任意两个点之间的特征路径长度短，但聚合系数低。
而小世界网络，点之间特征路径长度小，接近随机网络，而聚合系数依旧相当高，接近规则网络。
发现规则网络具有很高的聚合系数，大世界（largeworld，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n（网络中节点的数量）线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（smallworld，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log（n）增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。
4.从自组织临界态的角度来看，地震的物理原理是什么
所谓“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部组织间的相互作用产生，而不是由任何外界因素控制或主导所致。
所谓“临界态”是指系统处于一种特殊敏感状态，微小的局部变化可以不断放大、扩延至整个系统。
也就是说，系统在临界态时，其所有组份的行为都相互关联。
地震有很多种类，而根据自组织临界态的定义来看，构造地震是可以用自组织临界态来解释的，构造地震是由于岩层断裂，慢慢的发生变位错动，从而在地质构造上发生巨大变化而产生的地震，也叫断裂地震。
由于断层带的地壳是有规则的移动，地壳外部是硬的，而内部是一个流动的层，内部流动的层会推挤外部并使其变形，导致能量积累，当地下的能量积累到必须使地壳发生移动时，就会导致板块断裂，从而释放出能量，然而这种地震是有周期的。
而绝不是所有的运动都是有规则的，规则之外的运动，就促生偶然的地震，偶然的地震往往能量巨大，瞬时引发，并不是周期内。
5.讨论存在外磁场时的铁磁相变过程，Gibbs自由能为
。
Landau引入序参量，G=G（T,p,
）,通过
的取值，使得G-T图像在
，表示无序；
，表示一种有序态。
无序到有序，称为对称性破缺，或对称性降低。
G在
=0附近展开
，平衡时G取极值
，两个根
，对应是否稳定，需要判断二阶导数
，如果a>
0则
G对应极小值，相稳定，如果,a<
0，则
，G对应极大值，相不稳定。
a=0，对应相变，一般设
，应用于铁磁相变，序参量选M，Gibbs自由能为
，铁磁属于二级相变，一阶偏导数连续，得自发磁化强度随温度变化
，磁场：
，磁导率
，
为居里温度
2.光学部分（共5题，每题5分，共25分）
6.请阐述全息学的基本原理以及x射线全息学具有哪些诱人的前景
全息，又称全息投影，是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建，其位置和大小同之前一模一样。
通过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同角度，因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。
基本原理：
其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：
被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束（图A）；
另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。
记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；
其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：
全息图犹如一个复杂的光全息术栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。
再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。
全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。
x射线全息学的前景：
可以被应用于医学领域进行诊断，治疗和防护，放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像，这可能是X射线技术应用最广泛的地方。
X射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。
工业领域：
X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。
研究领域：
晶体的点阵结构对X射线可产生显着的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。
全息学以波动光学为基础，利用光的干涉和衍射原理，将物体发出的特定的波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其重现。
全息学分为两步，波前记录和波前重现，波前记录是将物体光波与另一相干光波——参考光波干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，获得全息图或者全息照片；
波前重现是利用原纪录的参考光波或其他合适的光波照射全息图，光通过全息图发生衍射，甚至衍射光波会形成原物体逼真的立体像。
与普通照相技术相比它有如下几点基本特征，1）可以形成三维图像；
2）全息照相可以进行多重记录，信息容量大；
3）光学系统简单——原理上无需透镜成像，是一种无透镜成像方法；
4）全息照片的重现可放大或者缩小。
全息图有多种类型，从记录时物体与全息图的相对位置来分类，可分为菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图。
1971年诺贝尔物理学奖授予了伽博，以表彰他发明和发展了全息学——x射线全息学，尽管x射线无法利用透镜成像，但是原子的间距与x射线的波长同数量级，周期性排列的原子对入射的x射线散射的相互干涉，会产生衍射点阵；
用相干光对这种衍射图样作第二次衍射，便可恢复晶格的像，这就是伽博x射线全息学两步成像法的由来。
未来世界，x射线全息学将在医学成像、生物、科研、统计计量、信息科技、文字图像、装饰、防伪、海洋科学、军事领域等有不可或缺的地位。
现在全息学技术已经逐步走向市场，如高聚物全息防伪标志、透明激光全息防伪膜等，其发展前景无限美好。
7.表面等离极化激元分哪两类，各有什么特点
答：
表面等离极化激元在传播方向上具有比光波大的传播波矢（更短的波长）；
与光的传播方向垂直的方向上是消逝场（限制光场）。
在分类上包括金属纳米线波导和金属—介质—金属波导。
金属纳米微粒链状结构所支持的SPP特性与计算得出的金属纳米圆柱体波导中的情况非常相似，对SPP场具有亚波长尺寸的强束缚性，传播距离仅仅为数百纳米。
SPP利用金属缝隙结构来实现波导，即（金属—介质—金属），利用两个界面的耦合，形成被限制在介质核心层中的缝隙SPP模式。
在缝隙宽度为50nm，激发光波长1550nm时，其典型传播距离约为10微米。
8.简要概述电磁诱导透明技术。
电磁诱导透明技术是指通过外加控制场与吸收介质相互作用，使得介质对探测场的吸收发生改变，透射率增加甚至完全透明，即某种介质强烈地吸收某一频率的探测场，而当再加一束能被介质吸收的控制场时，介质对探测场就不再吸收了。
这种现象就是电磁诱导透明技术。
起源于跃迁通道之间的干涉作用，当探测光与控制光满足双光子共振时，由于两条通道的跃迁几率反号而产生干涉相消。
电磁诱导透明技术在光速减慢，信息存储以及高效非线性相互作用过程等方面存在重要应用。
9.利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件是什么
高次谐波通常是逐次利用低阶的非线性电极化项而产生的。
利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件：
一是存在一个和待成像分子的电离能相近的参考原子；
二是这个参考原子的再碰撞电子波包的谐振幅总是相似的，不依赖于这个分子的取向例如μ的基频波先由磷酸二氢钾倍频；
再用磷酸二氘钾倍频而获得四次谐波——2661&
Aring;
的紫外光；
最后再以高压气体氖进行五倍频得到532&
的相干辐射，这相当于μ的基频波的20次高次谐波。
在准分子激光器及1971年氢分子真空紫外激光器制成之前，高次谐波技术是获得相干真空紫外光波的唯一有效方法，它可望发展成为实现相干X光的重要手段。
10.
下装订线
四、上装订线
目前负折射率材料的制备方法有哪几种，各有什么优缺点
在一定频率范围内介电常数和磁导率都是负数的材料，称之为负折射材料（NIM），也叫做双负材料（DNM），左手材料。
其制备方法包括：
1、开口谐振环—金属线阵列法；
2、传输线模拟方法；
3、光子晶体结构法；
4、负折射手征介质法。
包括用手征介质和共振电偶极子离子的混合物来获得负折射，或是金属螺旋法其优点是没有激发磁共振也可实现负折射，在实现光频段负折射上有很大的前景，缺点是折射率的绝对值小。
5、量子相干法，其优点是不需要复杂的周期性结构，对加工工艺要求不高，而且可以实现均匀地负折射材料，也是一种可以利用外加场调控的负折射材料，还可以在光频范围内实现负折射。
缺点是由于要满足电偶极跃迁和磁偶极跃迁，对于原子能级的要求比较严格。
处理以上5种方法外，还可以通过金属颗粒复合材料，金属纳米线，压电压磁多层膜，铁电耦合双相各向异性等方法来实现负折射材料的制备。
3.凝聚态部分（共5题，每题5分，共25分）
11.极化分哪几类各类极化机制
极化（polarization），指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。
如分子极化（偶极矩增大）、光子极化（偏振）、电极极化等。
表征均匀平面波的电场矢量（或磁场矢量）在空间指向变化的性质，通过一给定点上正弦波的电场矢量E末端的轨迹来具体说明。
光学上称之为偏振。
按电场矢量轨迹的特点它可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种。
由于H的方向和E的方向之间有明确的关系，因此没有必要另行描述H的特性。
电介质极化机制：
把电介质看成大量微观带电粒子组成的电荷体系，从电磁学的基本公式出发，利用矢量分析和电动力学的有关公式，通过定量计算得出单个原子在空间某处产生的电势相当于一个电偶极子的势，从理论层次说明分子或原子固有电矩的存在、电介质分子的分类、电介质在外电场中的极化模型及电介质极化的规律。
①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩pe=el（l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子）。
当电场不太强时,电偶极矩pe同有效电场成正比,pe=αeE,式中αe称为电子极化率。
②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。
pa与有效电场成正比,pa=αaE，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。
③偶极子转向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有极矩p。
在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。
在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；
另一方面热运动使电矩趋于无序化。
在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。
固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。
这种极化同温度的关系密切。
④夹层极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。
从效果上相当于增强电介质的介电性能。
电介质的极化是这四种极化机制的宏观总效果。
12.半导体的能带结构与金属导体、绝缘体的能带结构有何区别
固体材料的能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带等，导带和价带间的空隙称为能隙。
能带结构可以解释固体中导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来。
材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。
当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。
一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。
因此只要给予能带适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
13.选取催化剂材料为什么受材料禁带宽度的制约
禁带宽度（Bandgap）是指一个能带宽度（单位是电子伏特（ev）），固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。
只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。
空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。
因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。
半导体禁带宽度与温度和掺杂浓度等有关：
半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。
禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；
对于BJT，当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大降低。
14.超导体应用时必须满足那些条件这些条件之间的关系是什么
超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。
超导体区别于理想金属导体，除了零电阻外，它还具有另一种独立的神奇特性——完全抗磁性。
超导体一旦进入超导态，就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样，外界磁场根本进不去，材料内部磁感应强度为零。
同时具有零电阻和抗磁性是判断超导体的双重标准，单凭这两大高超本领，超导就具有一系列强电应用前景。
应用超导一般是指关于超导技术的应用研究，这是相对于超导的物理机理研究而言的高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：
大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。
大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；
电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；
抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
15.非常规超导的共性主要有哪些
非常规超导体（non-normalsuperconductors）指不同于传统研究的超导体，机理研究有新发展和新探索。
如低载流子密度超导体（包括层状结构超导体），有机超导体，超晶格超导体，非晶态超导体，磁性超导体等。
在机理研究上除进深的电-声子机制外，有激子机制，双极化子，重费米子，等离子体激元，共振价键，费米液体，自旋涨落，自旋口袋模型等等，在电子配对上（包括空穴型）仍有S波配对外，有P波配对，D波配对等选择。
4.声学部分（共5题，每题5分，共25分）
16.试举三例说明超声波都有哪些应用这些应用基于超声波的什么特点
（1）超声检验：
超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。
把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。
上述装置称为超声显微镜。
超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。
声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。
用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：
一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。
物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。
（2）超声处理：
利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
（3）基础研究：
超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。
通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。
普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。
但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。
点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。
特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。
对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。
超声波治疗的概念：
超声治疗学是超声医学的重要组成部分。
超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。
在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。
赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。
（一）工程学方面的应用：
水下定位与通讯、地下资源勘查等。
（二）生物学方面的应用：
剪切大分子、生物工程及处理种子等。
（三）诊断学方面的应用：
A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。
（四）治疗学方面的应用：
理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。
超声除螨
科研人员发现，螨虫的听觉神经系统很脆弱，对特定频率的超声非常敏感，针对螨虫的这种生理特性，已有科技公司的研究人员开发出了超声波除螨仪。
这种新型的除螨产品采用现代微电子技术手段，直接用特殊频率的超声作用于螨虫的听觉神经系统，使其生理系统紊乱，烦躁不安，食欲不振，最终奄奄一息逐渐死亡。
采用这种原理的除螨产品不用添加任何化学药剂，无毒无二次污染，对人体和家中宠物都没有伤害，是比较理想的除螨产品。
超声除油
将黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油过程处于一定频率的超声波场作用下的除油过程，称为超声波除油。
引入超声波可以强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降低化学药品的消耗量。
尤其对复杂外形零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件及绝缘材料制成的零件有显着的除油效果，可以省去费时的手工劳动，防止零件的损伤。
超声波除油的效果与零件的形状、尺寸、表面油污性质、溶液成分、零件的放置位置等有关，因此，最佳的超声波除油工艺要通过试验确定。
超声波除油所用的频率一般为30kHz左右。
零件小时，采用高一些的频率；
零件大时，采用较低的频率。
超声波是直线传播的，难以达到被遮蔽的部分，因此应该使零件在除油槽内旋转或翻动，以使其表面上各个部位都能得到超声波的辐照，受到较好的除油效果。
另外超声波除油溶液的浓度和温度要比相应的化学除油和电化学除油低，以免影响超声波的传播，也可减少金属材料表面的腐蚀。
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。
如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。
利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。
超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。
17.简述超声清洗的工作机理与特点。
工作机理：
超声清洗是利用超声波在液
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