現(xiàn)代物理學(xué)與工程技術(shù)1

1、2016“”生態(tài)、環(huán)保、節(jié)約生態(tài)、環(huán)保、節(jié)約21世紀(jì)工程師的歷史責(zé)任Page 1物理學(xué)在工程技術(shù)中的應(yīng)用 一、物理學(xué)與核能工程技術(shù)一、物理學(xué)與核能工程技術(shù) 田灣核電站田灣核電站現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 3原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo) 19世紀(jì)末，相繼發(fā)現(xiàn)了世紀(jì)末，相繼發(fā)現(xiàn)了x射線、放射性和電子射線、放射性和電子 1911年盧瑟福提出了原子的核式模型年盧瑟福提出了原子的核式模型 1913年玻爾完善了原子結(jié)構(gòu)理論年玻爾完善了原子結(jié)構(gòu)理論 1905年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時(shí)空的年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時(shí)空的新概念新概念 ;提出了質(zhì)能關(guān)系

2、及其著名表達(dá)式提出了質(zhì)能關(guān)系及其著名表達(dá)式E=mc2 20世紀(jì)初葉，是物理學(xué)革命的年代世紀(jì)初葉，是物理學(xué)革命的年代。2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 4原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo) 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子;海森堡和伊凡寧柯分別海森堡和伊凡寧柯分別獨(dú)立提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的模型獨(dú)立提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的模型 1934年約里奧年約里奧-居里夫婦成功地用人工方法產(chǎn)生了放射性同位素居里夫婦成功地用人工方法產(chǎn)生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)中子轟擊年

3、哈恩和斯特拉斯曼在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)中子轟擊下的鈾核裂變以及梅特納和弗里什的理論解釋下的鈾核裂變以及梅特納和弗里什的理論解釋 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 5u對核結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的研究，使人們認(rèn)識到原子核結(jié)合能隨原子量變化的規(guī)律：一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)釋放能量；一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)釋放能量；某些輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，會(huì)釋放能量；某些輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，會(huì)釋放能量；lE= MC2 M-質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損，l一次核聚變時(shí)放出的能量要比核裂變時(shí)大四倍以上。一次核聚變時(shí)放出的能量要比核裂變時(shí)大四倍以上。原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)

4、與先導(dǎo)原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo) 2CE2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 6 原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定了裂變核能裂變核能與聚變核能聚變核能應(yīng)用的基礎(chǔ)。 核能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)還必須進(jìn)一步解決一系列應(yīng)用物應(yīng)用物理學(xué)理學(xué)和工程技術(shù)工程技術(shù)上的問題。 原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo) E=MC22022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 7核武器與核能 1) 核裂變能（原子能）被用來制造原子彈核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時(shí)，必須突破諸多的關(guān)鍵問題：時(shí)，必須突破諸多的關(guān)鍵問題： 可裂

5、變材料的選取和制備；可裂變材料的選取和制備； 確定實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所必須的裂確定實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所必須的裂變物質(zhì)的最小體積（臨界體積）或變物質(zhì)的最小體積（臨界體積）或臨界質(zhì)量；臨界質(zhì)量； 達(dá)到臨界與裂變點(diǎn)火的技術(shù)途徑；達(dá)到臨界與裂變點(diǎn)火的技術(shù)途徑；2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 8核武器與核能核武器與核能 高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其精確的時(shí)空控制；律及其精確的時(shí)空控制；將流體力學(xué)，中子核物理等將流體力學(xué)，中子核物理等耦合在一起的全過程數(shù)值模耦合在一起的全過程數(shù)值模擬，整套物理參數(shù)；擬，整套物理參數(shù)；核部件與非核部件的加工，核部件與非核

6、部件的加工，材料相容性研究及結(jié)構(gòu)工程材料相容性研究及結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)；核試驗(yàn)的方法，核試驗(yàn)診斷核試驗(yàn)的方法，核試驗(yàn)診斷理論與測試技術(shù)等。理論與測試技術(shù)等。 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 9核武器與核能核武器與核能 2) 核聚變放能是氫彈的物理基礎(chǔ)。制造核聚變放能是氫彈的物理基礎(chǔ)。制造氫彈必須創(chuàng)造性地解決一系列問題：氫彈必須創(chuàng)造性地解決一系列問題： 必要的熱核燃料（如氘和氚或鋰等）的制備； 如何利用原子彈爆炸的能量產(chǎn)生高溫、高壓來點(diǎn)燃聚變材料，并使之自持燃燒；氫彈氫彈2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 10核武器與核能核武器與核能

7、掌握輻射輸運(yùn)的規(guī)律、輻射流體力學(xué)及高溫高密度等離子體物理、狀態(tài)方程、高剝離度原子參數(shù)； 利用適當(dāng)?shù)牟牧虾颓擅畹臉?gòu)形實(shí)現(xiàn)熱核爆炸； 特殊效應(yīng)的核武器（如中子彈等）還需進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)等。 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 11核武器與核能核武器與核能 問題的解決是物理工作和工程技術(shù)緊密交叉結(jié)合的過程：問題的解決是物理工作和工程技術(shù)緊密交叉結(jié)合的過程：u如如,核爆炸的物理診斷學(xué)，就是為了弄清核武器爆炸后快核爆炸的物理診斷學(xué)，就是為了弄清核武器爆炸后快速而復(fù)雜的物理過程、各種物理量隨時(shí)、空的變化規(guī)律，速而復(fù)雜的物理過程、各種物理量隨時(shí)、空的變化規(guī)律，從而做到不僅知其然，而

8、且知其所以然。從而做到不僅知其然，而且知其所以然。u有意思的是，幾個(gè)核國家突破氫彈的工作是有意思的是，幾個(gè)核國家突破氫彈的工作是 “英雄所見英雄所見略同略同”。 兩個(gè)太陽兩個(gè)太陽2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 12核武器與核能核武器與核能 3）明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源。明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源。u基于核裂變反應(yīng)堆的核電站由核島和常規(guī)島構(gòu)成基于核裂變反應(yīng)堆的核電站由核島和常規(guī)島構(gòu)成在核島內(nèi)要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形在核島內(nèi)要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形式釋放出來；式釋放出來；通過常規(guī)島轉(zhuǎn)換成電能供人使用。

9、通過常規(guī)島轉(zhuǎn)換成電能供人使用。2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 13核武器與核能核武器與核能 u在核燃料的選擇、制備、控制方法、結(jié)構(gòu)和安全設(shè)計(jì)等方面需解決一系列的工程、技術(shù)問題。2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 14核武器與核能核武器與核能 基于基于核聚變反應(yīng)堆核聚變反應(yīng)堆的聚變電站是解決人類未的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個(gè)希望。來能源問題的一個(gè)希望。要實(shí)現(xiàn)熱核燃料的“點(diǎn)火”，并有凈能量輸出；必須控制熱核聚變反應(yīng)的速率；是一項(xiàng)有難度的大科學(xué)工程；目前處于前期實(shí)驗(yàn)研究階段。 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)

10、Page 15核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 核爆炸的物理環(huán)境：核爆炸的物理環(huán)境：u瞬時(shí)的快變的高溫高密度等離子體和混合輻射場。u揭示了高溫高密度等離子體的某些特有規(guī)律，如非平衡燃燒需用“三溫方程”描述。u輻射場本身也可能是非平衡的。2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 16核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 再如，再如，u一般情況下，可用線性的波爾茲曼方程來描述中子輸運(yùn)過程；u但在發(fā)生劇烈熱核聚變的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，中子之間的碰撞已不可忽略，于是提出了非線性中子輸運(yùn)方程及其解法。 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技

11、術(shù)Page 17 核武器物理和工程發(fā)展的過程中，形成了一個(gè)新興的交叉學(xué)科高能量密度物理學(xué)。u廣義地，“高能量密度”是指能量超過1011J/m3，或壓力超過1兆巴，溫度超過400ev，電磁波強(qiáng)度超過31015w/cm2的物質(zhì)狀態(tài)；u在核武器物理領(lǐng)域，“高能量密度”特指溫度超過103ev，壓力超過107atm，高密度的物質(zhì)狀態(tài)。核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 18核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 進(jìn)行高能量密度物理研究的裝置包括：進(jìn)行高能量密度物理研究的裝置包括

12、： 激光慣性約束聚變裝置激光慣性約束聚變裝置 基于脈沖功率技術(shù)的基于脈沖功率技術(shù)的Z箍縮裝置箍縮裝置 長脈沖（長脈沖（s）功率裝置）功率裝置 （如美國（如美國 的的Atlas）等等神光II裝置2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 19核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 研究的內(nèi)容包括：研究的內(nèi)容包括： 材料特性材料特性 可壓縮流體動(dòng)力學(xué)可壓縮流體動(dòng)力學(xué) 輻射流體動(dòng)力學(xué)輻射流體動(dòng)力學(xué) 核聚變物理核聚變物理 天體物理等。天體物理等。是以大科學(xué)工程為手段研究基礎(chǔ)物理學(xué)是以大科學(xué)工程為手段研究基礎(chǔ)物理學(xué)2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工

13、程技術(shù)工程技術(shù)Page 20核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究 可可 見：見： 物理學(xué)引領(lǐng)工程技術(shù)生產(chǎn)力反哺物理學(xué)工程技術(shù)2022-5-20二、物理學(xué)和激光技術(shù)與工程二、物理學(xué)和激光技術(shù)與工程 激光加工設(shè)備現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 22光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生19世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越的研究世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越的研究1905年愛因斯坦提出了光量子和光電效應(yīng)的概念，年愛因斯坦提出了光量子和光電效應(yīng)的概念，揭示了輻射的波粒二象性揭示了輻射的波粒二象性 1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念年愛因斯坦提出了

14、受激輻射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基礎(chǔ)性、探基礎(chǔ)性、探索性研究索性研究2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 23光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段1954年研制成第一臺微波激射器年研制成第一臺微波激射器 1958年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光的概念和理論設(shè)計(jì)的概念和理論設(shè)計(jì) 1960年美國的梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器；賈萬年美國的梅曼研制成功第一

15、臺紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。我國的第一臺激光器我國的第一臺激光器于于1961年在長春光機(jī)所創(chuàng)制成功年在長春光機(jī)所創(chuàng)制成功 2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 24激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 激光的激光的特性特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化：使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 25 四十多年來，激光器的品種迅速增加：四十多年來，激光器的品種迅速增加： 固體激光器固體激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 固體激光器（固體激光器（半導(dǎo)

16、體激光泵浦半導(dǎo)體激光泵浦） 化學(xué)激光器（化學(xué)激光器（HF/DF激光、氧碘化學(xué)激光器、激光、氧碘化學(xué)激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光激光、燃料激光、氦氖激光）激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 26 自由電子激光器自由電子激光器 x射線激光器射線激光器 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器 金屬蒸氣激光器等。金屬蒸氣激光器等。 激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 27 激光器的輸出水平不斷提高：

17、激光器的輸出水平不斷提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脈沖體制從連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。u連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上；連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上；u超短脈沖：納秒超短脈沖：納秒 皮秒皮秒 費(fèi)秒費(fèi)秒 阿秒阿秒 脈沖功率密度則可高達(dá)脈沖功率密度則可高達(dá)1020瓦瓦/cm2以上以上。 激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 28p輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：長至亞毫米（太赫茲）長至亞毫米（太赫茲）短至短至x射線射線激光也在探索中，

18、分立的激光譜線達(dá)幾千條；激光也在探索中，分立的激光譜線達(dá)幾千條；p輸出激光的光束質(zhì)量，好的可達(dá)近衍射極限。 激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 29 激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在 ： 激光光譜技術(shù)比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提 高了百億倍； 激光為信息技術(shù)開拓了豐富的頻率資源；激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎(chǔ)；網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎(chǔ)； 光存

19、儲、激光全息、激光照排、打光存儲、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術(shù)等，提供了全新印及條碼掃描技術(shù)等，提供了全新的多樣化的信息服務(wù)。的多樣化的信息服務(wù)。 可擦除小型光盤的刻錄母盤2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 30 激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度： 在工業(yè)制造中可進(jìn)行精確的切削和表面改性在工業(yè)制造中可進(jìn)行精確的切削和表面改性 做精密的醫(yī)療手術(shù)做精密的醫(yī)療手術(shù) 作用于微型靶實(shí)現(xiàn)激光核聚變。作用于微型靶實(shí)現(xiàn)激光核聚變。激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022-5-20現(xiàn)代物理

20、學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 31 激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)、測距激光瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)、測距激光雷達(dá)激光雷達(dá)激光陀螺激光陀螺激光引信激光引信激光致盲傳感器激光致盲傳感器高能強(qiáng)激光武器等。高能強(qiáng)激光武器等。 激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響ABLABL2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 32激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展 非線性光學(xué)成為一個(gè)重要研究領(lǐng)域：非線性光學(xué)成為一個(gè)重要研究領(lǐng)域：激光與介質(zhì)（含大氣）相互作用時(shí)產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)的物理本質(zhì)和規(guī)律。 產(chǎn)生的條件、特性、機(jī)理：產(chǎn)生的條件、特性、機(jī)理： 受激拉曼散射受激拉曼散射 自聚焦自聚焦 熱暈熱暈 光學(xué)和頻與倍頻光學(xué)和頻與倍頻 相干瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)等相干瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)等2022-5-20現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)Page 33激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展 非線性光學(xué)材料非線性光學(xué)材料及非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)的幾種應(yīng)用：擴(kuò)展激光的波長范圍擴(kuò)展激光的波長范圍發(fā)展非線性光學(xué)相位共軛技術(shù)發(fā)展非線性光學(xué)相