凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本概念闡述

曾宇心

（重慶市中山外國語學(xué)校 404500）

摘 要：凝聚態(tài)物理學(xué)作為物理學(xué)的一大分支，其研究前景十分廣泛。凝聚態(tài)物理學(xué)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)以及它們的微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。其通過分析構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)進(jìn)行認(rèn)知。凝聚態(tài)物質(zhì)是固體物理學(xué)的一個(gè)拓展方面，研究的物質(zhì)的典型特征之一是其具有多種形態(tài)。同時(shí)，凝聚態(tài)物理學(xué)也為材料研究引入了新的體系。本文就目前凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展情況，對(duì)其中的基本概念的產(chǎn)生、含義及其發(fā)展進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài)物理學(xué)；基本概念；特點(diǎn)闡述

凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念需根據(jù)物質(zhì)世界的層次化進(jìn)行闡述效果會(huì)更加明了。作為一門至今仍然擁有豐富生命力的研究學(xué)問，凝聚態(tài)物理學(xué)時(shí)時(shí)刻刻影響著我們生活的方方面面。例如，液態(tài)金屬、溶膠、高分子聚合物等等物質(zhì)的研究都和凝聚態(tài)物理學(xué)有著密不可分的聯(lián)系。凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展歷史和其理論支撐，是對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)。

一、凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展歷史

1、物質(zhì)世界層次化

為了對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)基本概念進(jìn)行闡述，首先就需要提到物質(zhì)世界層次化的研究方式?？v觀二十世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展，在二十世紀(jì)初，兩大劃時(shí)代的物理理論突破的出現(xiàn)，拉開了宇觀物理學(xué)和微觀物理學(xué)的探究序幕。兩大理論即是相對(duì)論和量子論，相對(duì)論和量子理論是對(duì)傳統(tǒng)物理學(xué)的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。其中，狹義相對(duì)論修正了經(jīng)典物理學(xué)當(dāng)中的電磁學(xué)和力學(xué)之間存在的矛盾；廣義相對(duì)論則是為近代物理學(xué)當(dāng)中的天體運(yùn)行研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。量子論的建立正式拉開了現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)于微觀世界的研究，使得基于原子乃至更小系統(tǒng)的探究成為可能?，F(xiàn)代物理學(xué)的研究方式正是基于這一種將物質(zhì)世界進(jìn)行分層的觀點(diǎn)進(jìn)行的，因?yàn)槲锢韺W(xué)當(dāng)中的理論使用范圍都有區(qū)別。例如，在宏觀世界當(dāng)中，牛頓力學(xué)成立；在微觀世界當(dāng)中，牛頓力學(xué)就難以支撐實(shí)驗(yàn)事實(shí)了。

2、凝聚態(tài)物理學(xué)的步步發(fā)展

從科學(xué)家開始探索微觀世界開始，凝聚態(tài)物理學(xué)就悄然發(fā)展開來?？茖W(xué)家從原子物理出發(fā)，深入到原子核內(nèi)外空間的研究，為了探索微觀世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微觀物理學(xué)探索出中子、夸克、輕子類的微觀粒子。同時(shí)，近代物理學(xué)的一條研究途徑也是將原子物理作為基本主線。在這條研究主線當(dāng)中，量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)向結(jié)合，奠定了固定物理學(xué)的基礎(chǔ)。固定物理學(xué)的逐漸發(fā)展擴(kuò)大，演變?yōu)榱四蹜B(tài)物理學(xué)。凝聚態(tài)物理學(xué)的研究發(fā)展從簡單到復(fù)雜，從宏觀到微觀。其結(jié)合到其他學(xué)科（材料學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等）共同創(chuàng)新，取得了巨大成果。

二、凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念闡述

1、基本理論

凝聚態(tài)物理學(xué)基本概念中最重要的基礎(chǔ)則是構(gòu)建這門學(xué)科的理論支撐。其基本理論當(dāng)中的核心即是量子物理和經(jīng)典物理。根據(jù)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展歷史來看，量子物理理論推動(dòng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，使其對(duì)眾多實(shí)驗(yàn)研究成為可能。經(jīng)典物理理論在凝聚態(tài)物理學(xué)中并非一無是處，仍在一些研究方面起著不可忽視的作用。兩種理論知識(shí)在凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用都存在著自身的適用范圍，下面對(duì)其進(jìn)行比較說明。在中學(xué)物理中我們初步了解到，物質(zhì)粒子具有二象性——粒子與波。在粒子的二象性當(dāng)中，粒子所具有的波動(dòng)性使得量子力學(xué)有別與經(jīng)典力學(xué)。二者的適用范圍的界限通常是一些臨界溫度、直徑、場（電場、磁場）強(qiáng)等方面。

2、凝聚現(xiàn)象

凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)概念即是凝聚現(xiàn)象，然而凝聚現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中是隨處可見的。大家都知道，氣體可以凝結(jié)成固體或者是液體，液體和固體之間最明顯的區(qū)別是液體的流動(dòng)性。根據(jù)量子力學(xué)等理論分析，在某些臨界溫度附近，物質(zhì)之間就發(fā)生凝聚現(xiàn)象。發(fā)生凝聚現(xiàn)象的物質(zhì)往往具備一些新的物理性質(zhì)。例如物質(zhì)原有的沸點(diǎn)、導(dǎo)電性、光敏性等發(fā)生改變。

3、凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化

根據(jù)中學(xué)物理和化學(xué)的知識(shí)可知，物質(zhì)反應(yīng)在平衡狀態(tài)時(shí)，其系統(tǒng)能量內(nèi)能與熵等因素的影響。系統(tǒng)物質(zhì)內(nèi)能的上升使得系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定性，使得熵值增加。當(dāng)溫度下降時(shí)，凝聚態(tài)物質(zhì)則趨于熵值下降和系統(tǒng)穩(wěn)定，研究發(fā)現(xiàn)，凝聚態(tài)物質(zhì)往往是某一種有序結(jié)構(gòu)的物相。大量物質(zhì)粒子所組成的系統(tǒng)表現(xiàn)出來的直觀特征即是位置序，這也說明不同的粒子直接是存在著相互聯(lián)系的。當(dāng)然，也存在著粒子相互作用較弱的情況，其宏觀表現(xiàn)即是粒子無序分布。在經(jīng)典粒子系統(tǒng)當(dāng)中，使得系統(tǒng)有序化的物理基礎(chǔ)則是粒子和粒子之間的相互作用，這可當(dāng)作是量子力學(xué)當(dāng)中的一個(gè)問題處理。根據(jù)中學(xué)知識(shí)我們知道，在量子力學(xué)當(dāng)中，物質(zhì)粒子存在著位置不確定性和動(dòng)量不確定性。根據(jù)上述進(jìn)行總結(jié)，凝聚態(tài)物質(zhì)是空間當(dāng)中的凝聚體，而相對(duì)空間往往是分為兩個(gè)方面。一方面是位置形態(tài)空間，另外的一方面是抽象的動(dòng)量空間。凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化在這兩個(gè)空間當(dāng)中的存在形態(tài)極為豐富。

三、研究概念闡述

凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)中基本的研究概念在于以下幾個(gè)方面。第一是固體電子論。對(duì)固定系統(tǒng)當(dāng)中電子的行為研究是凝聚態(tài)物理學(xué)一直在努力的方向，按照電子行為的相互作用的大小，又將其分為三個(gè)小的區(qū)域。首先是弱關(guān)聯(lián)區(qū)，這個(gè)區(qū)域的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，也是構(gòu)成半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。其次是中等關(guān)聯(lián)區(qū)域，主要研究對(duì)象包括的是一般的金屬和強(qiáng)磁性的物質(zhì)，其構(gòu)成了磁鐵學(xué)的物理基礎(chǔ)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)受能帶理論發(fā)展的影響，目前其研究還有待開拓。第二是宏觀量子態(tài)。宏觀量子態(tài)研究當(dāng)中對(duì)某些物質(zhì)的超導(dǎo)現(xiàn)象的研究是一個(gè)重點(diǎn)，一些非常規(guī)的超導(dǎo)體研究也是目前科學(xué)家所努力的方向。第三是納米結(jié)構(gòu)與介觀物理，凝聚態(tài)物理學(xué)對(duì)于一些簡單物質(zhì)的研究已經(jīng)較為清楚。按照不同物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)行探究是凝聚態(tài)物理學(xué)研究的新方向之一，納米結(jié)構(gòu)和介觀物理需要量子理論進(jìn)行支撐，研究目的主要是為了獲取材料和器件的復(fù)合體，同時(shí)創(chuàng)造出一些具有優(yōu)良性能的物理材料。

四、總結(jié)

凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，目前量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)趨于完備。由于凝聚態(tài)物理學(xué)設(shè)計(jì)大量微觀粒子的研究，其復(fù)雜程度較高，需要研究者從實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、推演等方面開展研究。凝聚態(tài)物理學(xué)作為一門高新技術(shù)，其研究前景十分廣闊。只要充分結(jié)合其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)，加以探究，一定會(huì)取得更加豐碩的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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