凝聚态物理学PPT
第2章 聚集态结构——第05讲 分子间作用力及晶态.ppt
c a L
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偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
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球晶的生长过程
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控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响：球晶大透明性差、 力学性能差，反之，球晶小透明性和力学性能好。
（1） 控制形成速度：将熔体急速冷却，生成较小 的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。 （2）采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性， 生成较小球晶。 （3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。
PE的 构象1
PE的 构象2
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PP的晶胞结构 PP的 构象
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碳链的各种构象
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Nylon-66
Extended 拉伸
Poly-peptide
Helical 肽链螺旋结构
PET, kinked 23 扭结链
晶胞密度
c
MZ N AV
其中: M----结构单元分子量 Z----单位晶胞中单体(即链结构单元)的数目 V----晶胞体积 NA----为阿佛加德罗常数
局限： 未描述晶体的具体形状 未提出晶体间的关系 未体现结晶条件的影响
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单晶的发现及其结构
1957年，Keller、Till、Fischer 同时报道了聚合物单晶的发现
100A
m
(1) 长宽可以为几微米，厚度100A (2) 条件恒定，厚度恒定，厚度随温度增加在增加 (3) 沿长度和宽度方向增长 (4) 分子链沿厚度方向取向 (5) 结晶度很高，但不能达到100%
System Cubic Hexagonal Tetragonal Rhombohedral Orthorhombic Monoclinic Triclinic
高分子物理讲义第二章 聚合物的凝聚态结构 分子运动和热转变1PPT课件
实际高分子结 晶热焓
100%结晶的高分 子结晶热焓
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O m e (g da e g )
2600 2400
2200 b
2000 1800 1600 1400
a1200 10008 Nhomakorabea0 600 400 200
10
(111)
(220)
(311)
晶粒尺寸——X射线衍射曲线法
20
30
40
50
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2T heta(deg)
XRD patterns of samples: (a) CdS; (b) PS4VP; (c) PS4VP-CdS-0.08; (d) PS4VP-CdS-0.6; (e) PS4VP-CdS-
1.2 and (e) PS4VP-CdS-3.4.
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聚合物的晶体结构
纤维图——入射X射线垂直于多晶样品拉伸方向时测得的 衍射花样。
例：聚噻吩衍生物/CdS 复合物 晶型: 立方 CdS粒径：2-3nm
Debby–Scherer’s equation:
Lhkl
k Bcos
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玻璃体 高弹体 熔体
2.2 非晶态结构
模型： 无规线团模型 两相球拉模型 曲棍模型 塌球模型
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非 非晶态聚合物
晶
链结构规整度差——无规立构
态
结晶速度缓慢——聚碳酸酯
结
分子链扭折，低温结晶——顺式1，4-丁二烯
构 晶态聚合物
过冷液体
晶区间的非晶区
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2.3 液晶态结构
液晶（Liquid crystal，LC）一些物质的结晶结构受热熔融 或被溶剂溶解后，表观上失去了固体物质的刚性，具有流动 性，结构上仍保持有序结构，表现各向异性，成为固体-液 体过渡状态。
物理玻色爱因斯坦凝聚PPT课件
第34页/共38页第35页/38页§4 BEC研究的新进展
理论和实验研究主要有： ➢相互作用对凝聚体性质的影响 ➢光学晶格中的BEC ➢BEC的超流性和旋转性 ➢光阱中多组分与拓扑激发 ➢费米子凝聚态 ➢吸引相互作用的BEC ➢光与BEC的相互作用以及原子激光
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图片中部的亮点是一团被俘获的 冷却钠原子。研究者们从1978年 开始使用激光冷却原子，当时最 低能够达到40开尔文。而仅仅十 年之后他们就达到这一记录的百 万分之一，该技术的突飞猛进导 致更精确原子钟的产生以及在极 低温下观察到新的超冷物质凝聚 态。
可以用静磁阱来囚禁具有磁偶极矩的中性原子
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四. 相变
4He原子是玻色子，实验发现大气压下4He的沸点是4.2K。液 4He在 T 2.17K发生一个相变，称为λ相变。温度高于 T 时， 4He是正常液态，称为HeⅠ，温度低于 T 时，液4He具有超流 性，称为HeⅡ。实验室测得在T 附近，4He的热容量随温度的 变化如图8.3所示。
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三. 出现玻色－爱因斯坦凝聚现象时的内能和热容量 在T<TC时理想玻色气体的内能是处在能级ε>0的粒子 能量的统计平均值：
U
elll2 h3 V(2m )32 0
32
e/k
d T 1
2V(2m)32(k
T )52
x32 dx
h3
0 ex1
0.77Nk T(T )32 TC
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§2 玻色—爱因斯坦凝聚
一.凝聚温度TC 的计算
据玻色分布，处在能级 l 的粒子数为
al
凝聚态物理前沿讲座共61页PPT资料
Our Method
1. First-principles calculations based on DFT 2. Plane-wave basis 3. Ultra-soft Pseudo-potential 4. LDA, GGA, LDA+U, etc… 5. Virtual crystal approximation (VCA) 6. Real space RMM for larger systems 7. Full parallelization by MPI 8. SGI, IBM-SP, Alpha, Cray, VPP, PC-
V iP o ,x( S n r) (1 x )V iP o ,a ( S n r) xiP o V ,b ( S n r)
Solve Schrodinger equation
V
PS x
For virtual ato to solve the single particle problem
31.03.2020 Pseudopotential, ASA, …
Other Problems in Simulations
1. Exchange-correlation functional 2. Strongly-correlated systems 3. Force calculation & Molecular dynamics 4. Magnetic, optical & electronic properties 5. Excited States 6. Non-equilibrium & Time-dependent process 7. Order (N) method & Large scale 8. Catalysis, Chemical reaction, Bio-systems 9. …
高分子物理 第2章 聚合物的凝聚态结构ppt课件
法方
熔体结晶 玻璃体结晶 溶液结晶
例如： PE、PP、PVC、PS、PAN
高分子链可以从熔体结晶，从玻璃体结晶，也可以
从溶液结晶。 ---------三种结晶方式
结晶聚合物最重要的实验证据为X射线衍射花样和 衍射曲线。
---------实验测定方法
结晶聚合物的晶体结构，结晶程度，结晶形态对其 力学性能，电学性能，光学性能都有很大影响。
★ CED=300 — 400J/cm3聚合物，为塑料。
192 4
例1 : 根据高聚物的分子结构和分子间作用能，定性地讨 论表中所列各高聚物的性能。
高聚物 聚乙烯 聚异丁烯 天然橡胶 聚丁二烯 丁苯橡胶 聚苯乙烯
内聚能密度 高聚物
259
聚甲基丙烯酸甲酯
272
聚醋酸乙烯酯
280
聚氯乙烯
276
聚对苯二甲酸乙二酯
--------研究晶体结构等的目的
结晶聚合 物的重要 实验证据
X射线衍射花样 X-ray patterns
Intensity (cps)
X射线衍射曲线 X-ray diffraction
1000
500
0 10 20 30 40 50
Polar angle (degree)
192 4
X射线衍射 （X-ray instrument） 1924 狭缝
为什么？
例2： 将下列三组聚合物的结晶难易程度排列成序： (1) PE，PP，PVC，PS，PAN； (2) 聚己二酸乙二酯， (3) 聚间苯二甲酸乙二酯， 聚对苯二甲酸乙二酯； (3) PA 66，PA 1010．
解：结晶难易程度为： （1）PE >PAN >PP >PVC >PS （2）聚己二酸乙二酯 > PET >聚间苯二甲酸乙二酯 （3）尼龙66 > 尼龙1010
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚Chapter5
Chapter 5 Fundamentals of Transport TheoryIt is the description of the conduction of electricity and heat in metals.§5.1 Boltzmann equationLudwig Eduard Boltzmann(February20, 1844 –September 5, 1906) was anAustrian physicist famous for his foundingcontributions in the fields of statisticalmechanics and statistical thermodynamics.He was one of the most importantadvocates for atomic theory when thatscientific model was still highlycontroversial./wiki/Ludwig_BoltzmannIn general, the distribution function of electrons is affected by the external magnetic field, the temperature gradient, scatterings by impurities, phonons, defects, other electrons, etc.In a steady state, there is no change in f, and the above equation vanishes.Boltzmann equation.In the presence of an external electric field εand an external magnetic field B,The diffusion term from the temperature gradient isVelocity of an electron wave packet centered at k.Up to now, we do not consider the distribution of phonons. As theelectron and phonon systems are coupled, the distribution function of phonons satisfiesIn most cases, for electron systems the phonon distribution is assumed to be in the thermal equilibrium. So, we shall not consider the above equation.The electric current density isThe heat current Q isenergyIt can be seen that if we get the form of scattering (collision) term, we may put it into the Boltzmann equation (BE), and solve BE to find f(k,r). Then, we can get electric and heat currents.(i)(ii)(i)(ii)This equation is inserted into the BE, and you will find that it is a nonlinear integral equation for the distribution function, which is difficult to solve.Suppose that the external fields and temperature gradients are small. Then we can get a solution of BE.Auxiliary function直接微分即可得到。
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凝聚态物理学的范围
➢ 2】 凝聚现象
（1）实空间中的凝聚：
气体：没有明确的表面，密度最低 液体：流动性弹性模量为0(宏观) 原子可离域 (微观) 固体：凝聚紧密形态，密度高，不易形变
从统计物理理解： 空间存在分厢化，即出现自由表面并存在势垒， 从而保持热平衡下两侧的密度差
（2）相空间中的凝聚：
超低温下Bose子的BEC 金属超导体中的库珀对
粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒子间距a 相干波长de Broglie波长
另外，利用热平衡体系
区分的模糊边界：量子简并温度
凝聚态物理学的范围
➢ 1】 理论方法—量子+经典 粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒子间距a 区分的模糊边界：量子简并温度
分析：m, a, T 常温下固体材料中的电子 气体中的分子 原子气体 光束
K=0时Fermi子的液滴 3He原子液体的超流
凝聚态物理学的范围
➢ 3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立 有序化的体现：
位置序---粒子间位置存在关联
固体：长程序 液体：短程序 气体：无序 量子状态下： 电荷密度波，自旋密度波，Wigner晶体
凝聚态物理学的范围
空间尺度：1m– 0.1nm 时间跨度：1year– 1fs 能量范围：1000K– 1nK 粒子数量：1027– 1021 ，103– 101
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➢ 1】 理论方法—量子+经典
如何区分两者应用范围？ 通常研究对象：全同粒子构成的多体体系 分界：当粒子的相干性或波动性不能忽视 区分经典和量子
建立两大基本模型：用于粒子物理和宇宙论
3) 量子论向上，微观世界和宏观凝聚态物质的汇合
固体物理学+量子+统计凝聚态物理——另一前沿
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凝聚态物理学
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➢ 2】 简ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性与复杂性
物理学家的无上考验在于达到那些普适性 基本规律后，再从它演绎出宇宙
——Einstein
研究方法：还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂
凝聚态物理学的范围
➢ 3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立 有序化的体现：
自旋序---自旋在位行或动量空间中排布关联
顺磁体(无序) 铁/反铁磁体(通过自旋交换相互作为建立次序) 自旋玻璃相变(自旋端程序)
自旋序的出现一般伴随自旋极化或局域磁畴
凝聚态物理学的范围
➢ 3】 有序化
经典体系和量子体系有序化的对比：
动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
有序相稳定的原因：粒子间波包的重叠造成整体关联， Bose受激天性使得粒子集群到共同的波动状态。 提高有序度方法：减少外界作用/粒子互作用/浓度。 动量-位置测不准关系：动量序和位置序不相容。
量子相变 = 0K
改变外因时，量子涨落的 必然约束导致相变
成果
还原与统一相伴（弱力与电磁力统一，量子+相对论？）
问题！能统一的范围极限，还原的真实性和可行性？ 因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！
➢ 3】 还原论的局限--层展现象
还原论----先从复杂到简单，再从简单重建复杂 因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！
不同物质结构的不同层次间耦合与脱耦微妙平衡 ——层展的世界
凝聚态物理学的范围
➢ 3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立 有序化的体现： 动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
量子状态下： BEC，BCS，SC ， FL
有序相稳定的原因：粒子间波包的重叠造成整体关联， Bose受激天性使得粒子集群到共同的波动状态。
经典体系的位置序
有序相稳定的原因：粒子互作用或跟周期外场作用， 相对于量子体系，属于强制约导致的有序化。 提高有序度方法：增加作用强度/粒子浓度。 所属密度区间：相对于量子体系，属于密度小的情况。
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➢ 3】 有序化 热力学相变和量子相变的对比
热力学相变 > 0K
经典热涨落导 致相变
凝聚态在物理学中的格局
参考：冯端，《凝聚态物理学》，高等教育出版社 1
➢ 1】
物质世界的层次化
20世纪的物理学
相对论 —— 经典物理的压轴戏 修正时空观、天文学
量子论 —— 拉开微观物理学的帷幕 原子分子学、集体相干和量子涨落
初期到 1) 从原子物理向下，核物理，基本粒子 中期： 2) 对宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物质等