超高压物理实验技术1
物理实验技术中的高压实验原理解析
物理实验技术中的高压实验原理解析导语：高压实验是现代物理学研究中不可或缺的一种实验手段。
通过高压条件下的观测和研究，科学家们可以更好地理解物质的性质和行为。
本文将对高压实验的原理进行解析，探讨其在物理学领域中的重要作用。
一、高压实验的基本原理高压实验是利用外界施加压力的手段，改变物质的体积和性质，从而观察物质的行为和反应。
在实验中，通常使用压力容器或压力装置，如钢制高压反应釜、高压计等，来产生高压环境。
通过调控内部压力，观察物质在高压下的各种性质，如相变、电学、磁学等，并对物质的性质和行为进行实验研究。
二、高压实验的重要应用领域2.1 材料科学高压实验在材料科学领域中有着广泛的应用。
通过高压条件下的研究，研究人员可以改变晶体结构和晶格参数，探索新材料的合成和性能优化。
例如，通过高压实验，科学家们发现了超导材料、磁性材料等新领域的突破，为材料科学的发展提供了重要支持。
2.2 地球科学高压实验也对地球科学的研究产生了巨大影响。
在地学领域中，通过高压实验，研究人员可以模拟地球内部极端高压环境，研究地球内部的物质性质和岩石的形成过程。
例如，通过高压实验，人们揭示了地壳和地幔中的金属和非金属矿物物质的相变规律，为地球演化的理解提供了重要线索。
2.3 行星科学高压实验在行星科学中也发挥了重要作用。
科学家们通过模拟行星内部高压条件，研究行星内部物质的性质和行为，揭示行星的形成和演化过程。
例如，通过高压实验，科学家们模拟了火星的地壳和岩石的形成过程，推测出火星可能存在水和生命的可能性。
三、高压实验的实验技术3.1 高压装置高压实验需要使用特殊的高压装置。
目前常见的高压装置有钻石压砧装置和金属高压反应釜。
钻石压砧装置利用钻石的硬度和压砧的力量，将样品置于两颗钻石之间，通过外力施加高压。
金属高压反应釜则是一种常用的高压装置，可以在高压下进行化学反应。
3.2 高压测量技术高压实验需要准确地测量和调控实验环境中的压力。
超高压物理实验技术
superionic
200 200
Compression of H 2O
(300 K)
(GPa) Pressure Pressure (GPa)
Liquid-liquid
150 150
Ice X
高压物理实验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp15 Password:hp15 Tel:63607671 Email:zzm@ 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
昂纳斯在进行实验
科学和技术中压力的历史发展
Bridgman对高压物理的贡献
P.W. Bridgman ( 美国哈佛大学教授，
1882-1961) 因为在高压物理领域的开 拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。
超高压物理实验技术
PGPa 8.00 0.21 11 3104T oC
高压熔融曲线法：金属发生熔融时温度和压力的关系式（熔融方程）
T T0 a1P a2P2
谱线随压力的移动
红宝石荧光定标原理
红宝石荧光产生机理
1=694.2nm 2=692.9nm
初级法根据压强定义： P F S <2.6GPa 水银压强计和无摩擦自由转动式活塞压强计
次级法根据测压物质的物理特性（测压参数）随压力的 变化及相变、熔融、分解、水化等物理化学反应来测压
必须预先测定在标准压力（初级法或理论值）下测压 参数与压力之间的对应关系（定标）
电阻率、体积、晶格参数、介电常数、光学常数等
Pressure-frequency dependence
1,5,6,9 in different solid phase
1+6,7,8,2 in different solid phase
294K
两个一级相变： I 相-> II 相 （1.4GPa） II相-> III相 （4GPa） 二级相变： III -> III’ （11GPa）
16.2 19.3 >23.3
Birsh方程
P
3 2
B
V0 V
7
3
V0 V
5
3 ;
P
B A
V0 V
A
1
高温下的定标
相变法：相变时温度与压力的关系式（相变方程）
石英－柯石英相变方程 (<6GPa )
PGPa 2.11 0.03 9.8 1.2104T o C
物理演示实验报告高压
物理演示实验报告高压引言高压是相对于常压而言的，是指大气压的数倍甚至更高的压力。
高压实验在物理学研究中起着重要的作用，在许多领域中都用于探索材料特性及物理现象。
本实验旨在通过高压实验演示，展示高压下的一些有趣的物理现象。
实验目的1. 通过高压实验演示，了解高压下的物理现象；2. 观察高压下材料的性质变化；3. 掌握高压实验的操作方法。
实验装置与材料1. 高压实验装置：包括高压室、高压电源、液压系统等；2. 实验材料：如橡胶、气体等。
实验方法与步骤1. 将高压实验装置搭建好，确保仪器的安全使用；2. 首先，演示高压下气体的压缩：将气体加入高压室，逐渐增加压力，观察气体在高压下的体积变化；3. 其次，演示高压下橡胶的变形：将橡胶置于高压室中，增加高压，观察橡胶的形状变化；4. 最后，演示高压下材料的电导变化：将含有离子的材料置于高压室中，并施加高压，观察材料的电导性能。
实验结果与分析1. 气体的压缩：根据实验观察，我们可以发现，随着气体压力的增加，气体体积不断减小。
这是因为高压使气体分子之间的距离缩小，分子的平均自由程变小，从而产生相互碰撞，使气体的体积减小。
2. 橡胶的变形：在高压下，橡胶会发生形状变化。
由于高压的作用，橡胶分子受到压力而重新排列，使整个橡胶的形状发生变化。
这是橡胶的弹性特性所致。
3. 材料的电导变化：通过高压实验，我们可以发现，有些材料在高压下会产生电导性能的变化。
这是因为高压改变了材料中离子的排列方式，增加了离子之间的距离，从而影响了电子或离子的迁移能力。
结论通过高压实验的演示，我们观察到了高压下气体的压缩、橡胶的变形以及材料的电导变化。
高压实验展示了高压下的一些有趣物理现象，并增加了我们对材料性质变化的了解。
高压实验在物理学研究和应用中具有重要的意义。
实验注意事项1. 操作高压实验装置时，应注意安全，遵守实验室安全规定；2. 实验中使用的高压室和高压电源等设备需经过合理的检查与保养，确保其工作正常；3. 气体的加压过程应逐渐进行，避免因突然增加压力而引发危险。
物理实验技术的高压实验方法
物理实验技术的高压实验方法引言：高压实验是物理研究中重要且广泛应用的一种实验方法，它通过施加高压条件，使得物质的性质发生变化或出现新的物理现象。
本文将探讨一些常用的高压实验方法和相关技术。
一、手动液压法手动液压法是最简单且常用的高压实验方法之一。
该方法主要通过手动操作液压杠杆，施加压力来实现高压条件。
在实验中，首先需要将待研究的样品放置在一个密封的小室内，然后通过液压杠杆不断增加压力，直至达到所需的实验压力。
然而，此方法的局限在于其操作压力有一定的限制，通常只适用于中等或低压的实验。
二、气体静压法气体静压法是另一种常见的高压实验方法，其原理是利用气体的力学原理，通过增加气体的压力来实现高压状态。
在实验中，待研究的样品被放置在一个密封的高压室内，通过向高压室内输入压缩气体，使其压力逐渐增大。
这种方法通常用于中等或较高压力的实验，但需要注意室内气体的选择和压力控制，以避免可能的爆炸或泄漏风险。
三、金刚石压痕法金刚石压痕法是一种用于高压实验的特殊方法，其核心是利用金刚石的硬度和抗压强度。
实验中，压痕仪器将金刚石压头与待研究的样品接触，然后施加压力，通过金刚石的切入和变形来测量样品的硬度或其他物理性质。
这种方法可用于高压下的硬度测量、压缩行为研究等。
然而，由于其需要的专业仪器较昂贵，金刚石压痕法常用于研究实验室或研究机构。
四、钻石压实法钻石压实法是一种用于高压实验的独特方法，其原理是将压力加载在一个装有样品的高压腔室中，然后通过压力来改变物质的性质。
实验中，通常是用钻石或其他硬质材料制成的针形压头施加压力。
这种方法通常用于研究物质的相变、结构变化等。
然而，由于仪器的成本相对较高，以及实验条件的复杂性，钻石压实法主要在大型实验室或研究机构中应用。
结论：高压实验是物理研究中重要且广泛应用的实验方法之一。
手动液压法、气体静压法、金刚石压痕法和钻石压实法等是常用的高压实验方法。
这些方法在物理实验中的应用使得研究者们能够深入了解物质的性质和行为，从而推动科学研究的发展。
物理实验技术中的高压操作注意事项
物理实验技术中的高压操作注意事项高压操作是物理实验中常见的实验技术之一。
由于高压操作涉及到高能量的气体、液体或固体，因此在实施实验时，需特别注意安全和注意事项。
本文将从实验器材、实验环境和实验操作等方面探讨高压操作中需要注意的事项。
首先，高压实验器材的选择和使用是实验的基础。
在进行高压操作时，必须选择耐压强度高、密封性好的实验设备和器材。
常见的高压设备包括高压电容器、高压电源、高压放电装置等。
在购买高压设备时，应选择正规的厂家，避免使用劣质或过期的设备，以免造成安全隐患。
其次，实验环境的准备和保护也是高压操作中需要重视的问题。
高压实验往往需要在特定的环境中进行，例如洁净室或密封房间。
这样可以有效地防止杂质和湿气进入实验系统，保证实验的准确性和稳定性。
同时，高压实验过程中可能会产生较大的噪声、震动或剧烈放电等，因此应采取相应的措施保护实验人员和设备。
另外，高压操作中的电气安全问题也需要特别关注。
高压操作涉及到高电压和高能量，如果操作不当，可能引发电击、火灾等严重的事故。
在进行高压实验前，应对实验设备的电气部分进行全面的检查和维护，确保各部分的接地良好。
实验人员在操作过程中，要严格按照操作规程进行，禁止私自改变实验设备的参数和工作状态。
此外，对于液体或气体高压操作，需要注意气体和液体的性质以及操作环境的安全。
高压气体具有爆炸的危险性，因此在高压气体操作时，应严格按照操作规程进行，禁止在有火源的地方操作。
高压液体操作时，应确保操作环境的密封性和清洁度，以防溢出或泄漏，造成污染或伤害。
最后，高压实验操作中需要注意实验数据的记录和分析。
高压实验往往关乎重要的科学问题和研究方向，因此对实验数据的准确记录和分析至关重要。
在实验操作过程中，应及时记录实验步骤和实验参数，并保留实验数据的原始记录。
实验数据的分析和讨论应当基于科学的原则和方法，避免主观性的干扰。
高压操作在物理实验中起着重要的作用，但也带来了一定的风险和安全隐患。
高压实验技术在物理学研究中的应用与操作方法
高压实验技术在物理学研究中的应用与操作方法引言：高压实验技术是一项在物理学研究中广泛应用的重要工具，它不仅可以模拟极端条件下的物质行为，还可以深入研究物质的性质和相变规律。
本文将介绍高压实验技术的应用领域以及常用的操作方法。
一、高压实验技术的应用领域1. 物质相变研究：高压实验技术可以通过增加压力改变物质的相态，探索物质在不同压力下的相变规律，从而揭示物质的结构和性质变化。
2. 材料科学研究：高压实验技术可以改变材料的晶体结构和电子结构，研究材料在高压下的性能变化，从而寻找新材料或改进现有材料的性能。
3. 行星地球物理学：高压实验技术可以模拟地球内部的高压高温条件，研究地幔和核的物理性质，为地球内部结构和地震活动提供理论支持。
4. 密度泛函理论验证：高压实验可以提供实验数据来验证和完善密度泛函理论，从而更准确地计算材料的性质和相图。
二、高压实验的操作方法1. 高压装置的选择：常见的高压装置包括钻石压 Anvil Cell、气动高压装置和磁压装置等，选择适合研究需要的高压装置非常重要。
2. 样品的制备：准备样品时需要注意样品的纯度和尺寸，确保实验结果的准确性。
可以根据实验需要选择合适的制备方法，如固相反应合成、溶剂法制备等。
3. 高压的施加与控制：在使用钻石压 Anvil Cell 进行高压实验时，需要使用切割钻石作为钳子，通过旋转调节压力；而在气动高压装置中，则需要通过气体的压缩来实现高压。
高压的施加和控制需要根据实验要求进行，并注意保持稳定的压力条件。
4. 测量与分析：高压实验过程中需要对样品的性质和响应进行测量和分析。
常见的测量手段包括 X 射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜等。
通过对实验数据的分析，可以获得样品的结构、相变温度等相关信息。
5. 安全与操作规范：由于高压实验涉及到较高的压力和各类气体，安全操作非常重要。
在进行高压实验前，需要进行相应的培训和了解相关实验室的安全规程，严格按照操作规范进行实验，确保人身安全和实验仪器的使用寿命。
物理实验技术中的高压与低温技术的应用指南
物理实验技术中的高压与低温技术的应用指南高压和低温是物理实验技术中常见的两种极端条件，它们在许多领域都有重要的应用。
本文将介绍高压与低温技术的基本原理、实验装置以及在物理科研中的应用指南。
一、高压技术1. 高压技术的原理与应用在物理研究中，高压技术被广泛应用于材料科学、固态物理学、地球科学等领域。
高压可以改变物质的结构和性质，帮助科学家揭示物质的特殊行为。
2. 高压实验装置高压实验装置主要由高压腔室、高压发生器、压力控制系统、温度控制系统等组成。
高压腔室一般采用钢制材料，具有高强度和耐压性能。
高压发生器可以采用液体高压发生器、气体高压发生器或者超高压电容器进行。
3. 实验技术注意事项在进行高压实验时，需要考虑一些重要的注意事项。
首先，必须具备安全意识，避免高压系统的泄漏和短路。
其次，需要注意选择合适的密封材料和液体介质，避免因高压引起的材料承受力不足或溶解问题。
二、低温技术1. 低温技术的原理与应用低温技术在量子物理学、超导性、凝聚态物理学等领域有着重要的应用。
通过降低温度，科学家可以观察到物质独特的量子行为，研究物质的相变和传输性质。
2. 低温实验装置低温实验装置主要由制冷系统、绝热容器、恒温系统、测量仪器等组成。
常见的制冷系统包括液氮制冷、液氦制冷和制冷机制冷。
绝热容器可以采用双壁真空容器，以减少热量的传导和辐射。
3. 实验技术注意事项低温实验需要特殊的环境和操作技巧。
首先，需要防止制冷剂的泄漏和寒冷环境对人体的伤害。
其次，实验过程中要注意隔热和保温措施，以减少热量的损失。
此外，还需要使用低温下可靠的测量设备和仪器。
三、高压与低温的联合应用高压和低温常常会同时存在于某些物质研究中，例如高压下的超导性研究，低温下的相变行为研究等。
在这些复杂的条件下，科学家需要合理设计实验装置，同时保证高压和低温条件的稳定和准确性。
在高压与低温的联合应用中，需要注意以下问题：首先，高压环境对低温系统的影响，例如高压下的冷却性能和制冷能力。
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高压的获得手段
实验技术 实验装置 压力 受力性质 温度 金刚石对顶砧 低温-室温<550GPa (准)静水压 静态超高压 6000oC 大腔体装置 ( 多顶砧 , 技术 <30GPa (准)静水压 室温-3500oC 活塞圆筒)
水热体系高 高压釜装置 温高压技术 内加热釜 岩石力学高 单轴压力机 压实验技术 三轴压力容器
1 GPa = 109N/m2 = 104 bar 10-8 10-6 10-4
Best mechanical pump vacuum
10-16 Pressure (Atmospheres)
Atmosphere at 300 miles
Pressure (Atmospheres)
10-8 1 108 1016 1024 1032
100
100
Symmetric H-bonding
Ice VII
5050
200 200
Ice VII
Ice VI VI Ice
Compression of H2O
(300 K)
modulation
200 200
6 8 10 12
VIII
00 6 8
Compression of Water Water Goncharov et al., Science (1996)
Center of white dwarf Center of Jupiter
10-2 1 102
Water vapor at triple point Atmospheric pressure (sea level)
Center of Sun
Deepest ocean
104 106 108
Center of the Earth
<0.5GPa 静水压 <3GPa 静水压 <3.5GPa 剪切压 <3.5GPa 剪切压
室温-800oC 室温-1600oC 室温 室温-1500oC 1ms内达 1000oC
1ms内达 动态超高压 各类爆轰装置 冲击压 技术 压缩空气炮、强激光 500GPa
行星上的温度和压力
金星表面 96% CO2, 3% N2 750 K，90 atm
Center of neutron star
To Establish a Dimension
32
Classic Example: Carbon
Graphite
Diamond
P
33
Pressure-induced amorphization
The high-pressure behavior of water continues to present new questions and surprises
Pressure Rivals T and X? Or a niche, extreme condition?
RANGE OF PRESSURE IN THE UNIVERSE
10-32 10-24
Interplanetary space Hydrogen gas in intergalactic space
地球表面 78% N2, 21% O2 293 K， 1 atm
火星表面 Mostly (95%) CO2 230 K，0.006 atm
超高压和高温的概念
外部重量增长，行星内部受到压缩，消耗在 压缩内部的能量转变为热，因为热在岩石中 的移动、传导都很慢，所以它没有流散出去， 结果热积聚下来，地球内部的温度也就升高 了 。 每向地球里面走1公里 温度就会增加摄氏20度 地球的中心地区，温度约摄氏4000度
极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界 新材料的合成：超硬 工业应用
★ 生命科学与生物技术
生命的起源 蛋白质折叠和变性
P-T-X
Three Dimensions in Science
Temperature A ubiquitous variable in ALL physical and biological sciences Composition Chemistry and materials science
对流层：海拔每升高100米，温度降低0.6度。 平流层：高度越大，温度越高。
高压技术和工业的早期历史
1680：Papin高压釜(骨头萃取) 1662：Boyle 定律 ：温度不变PV=常数 1802：理想气体的状态方程式 1826：Perkins，水的压缩，0.2GPa 1873：Van der Waals 方程
★ 超高压物理学概貌
★ 超高压的产生装置
★ 压力定标和实验技术
★ 高压下的物性研究 ★ 高压研究前沿领域
压强的单位
1、Pa (帕斯卡)是国际压强单位 (＝1N/m2 )
1 MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa
2、bar (巴)是常用压强单位 (=106dyn/cm2)
3、atm (大气压)称为标准大气压
美国 Carnegie 地球物理实验室创立于 1907 年，设计了最初的高压 釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相平衡、花 岗岩的形成机理。
超高压物理研究的历史
美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔 装置，称为金刚石釜(Diamond Bomb)，腔体压力达到3GPa，可 以进行X射线研究。 美国国家标准局 NBS（现美国国家标准技术研究所 NIST的前身） 对高压物理学的发展产生了两大重要贡献： 对金刚石压腔的设计进行了重大改进，1958年Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同设计了现代金刚石对顶砧压机(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微 镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。 Block等人发现了红宝石荧光 R线随压力而发生线性位移的现象， 可利用该现象标定相当高的压力。
[Hemley and Mao, J. Phys. Condens, Matter 49, 11157 (1998)]
amorphization
100 100
10 Volume (cm /12 mol) Volume (cm3 /mol)
3
16
16
18
18
(300 K)
H2O
(GPa) Pressure P ressure (GPa)
测量了一系列元素和化合物材料的高压 物性（压缩率、电导率、热导率、状态 方程、粘性、抗张强度）
超高压物理研究的历史
1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。
Coes 首次合成出了柯石英 (Coesite) 及其它硅酸盐矿物。柯石英是 SiO2的高密度相，即高压相。
1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人， 及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成 了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 哈佛大学于 1933 年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 1952 年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。
14
14
(GPa) Pressure P ressure (GPa)
150 150
Ice X
• bcc-like oxygen for ice(1998) VII and X Chou et al., Science • No other major phase transitions to at least 210 GPa
Goncharov et al., PRL. (2005)
superionic
200 200
Compression of H 2O
(300 K)
(GPa) Pressure Pressure (GPa)
Liquid-liquid
150 150
Ice X
• bcc-like oxygen for ice VII and X • No other major phase transitions to at least 210 GPa
高压物理验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp14 Password:hp14 Tel:63607671 Email:zzm@ 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
压力的历史发展
1989年获国际高压界最高奖— —布里季曼奖
Mao, Bell: 172GPa (1978) Bell, Mao: 185GPa (1979)
发表了900多篇学术论文，其中 仅“Nature”和“Science”就 有40余篇，研究成果多次作为杂 志封面。
Bell, Xu et.al.: 280GPa (1986)