当代物理前沿专题填空题答案

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1、当代物理前沿专题填空题答案当代物理前沿专题（一）原子能及其和平利用1、1897 年，汤姆孙在放电管中发现阴极是 电子 流，他建立的原子模型称 带葡萄干的蛋糕 模型。卢瑟福发现自由放射线中 射线是 氦 离子流，他提出了类似 太阳系 的原子模型来解释 粒子 散射实验,进而测定原子核的电荷数，他的学生 威德威克 分析了约里奥. 居里夫妇的实验发现了中子。依万宁柯、海森堡建立原子核的 原子中子 模型。2、原子核可以写成元素，其中 A 为 质量 数，Z 为 电荷 数，Z 相同 A 不同的元素称为 同位素 。3、原子核在结合过程中所释放的能量称为 结合能 ，平均结合能 BA 最大值为 8.8Mev，其相应

2、的的 A 60 。凡原子核演化向该值 趋势必定释放原子能。4、原子能可能的释放模式为： 衰变 、 裂变 、 聚变 、 碎裂 ，在裂变过程中，1千克燃耗相当于 2 万 吨 TNT 黄色炸药。5、裂变有两种模式：一种是 裂变，重核自发分裂成两半；一种是在 作用下引发的裂变。核裂变都要释放 200Mev 的能量，而原子核碎裂反应也放出这么多能量，但都是一个 吸热 反应，然而这一反应能放出大量 中子 ，所以很有用。6、 中子 对 235、 239Pu 或 233的核的诱发裂变，是人类迄今为止大量释放原子能的主要形式。原子弹爆炸的原理就是利用这种不断增殖的 链式 反应引起强烈爆炸。人们控制这种反应中中子

3、产生的速率，就能缓慢地释放核能，核反应堆（核电站）按控制方式不同，划分为 慢 中子堆和 快 中子堆。6、实现核聚变需约 几千 电子伏特，即几千万的高温条件，目前人们仅知道用 原子弹 去触发某氢弹，受控热核反应设想有 2 种，一是 磁 约束，一是 惯性 约束。7、目前油的储量仅够人类使用 70 年，煤可供 500 年，天然铀和钍将是可燃物的 20 倍，海水中的氘可供人类 用 10 7年，所以 受控热核 反应的研究一直备受关注。8、可再生能源是说与地球上存在着某种 可持续的“永久 ”的能源，不可以再生能源是指储藏在各种物质形态 中的能源。水能，风能，太阳能属于可再生 能源。煤，石油属于不可再生 能

4、源。铀，钍，氘属于不可再生 能源，潮汐能来自地球自转 的旋转动能。当代物理前沿专题（二）半导体1、1948 年巴丁.布拉顿，肖克莱发明了 晶体管 ，带来了现代电子学的革命。 1958 年集成电路问世,1968 年硅大规模集成电路实现大生产，标志着进入了 微电子 时代，21 世纪将是 光电子 信息时代。2、1970 年，江崎和朱兆祥提出了 超晶格 概念，两年后在一种 分子束外延设备上得以实现，这导致了高电子迁移率的晶体管（HEMT）的出现和 量子霍尔 效应的发现。3、量子阱，超晶格是由两种材料组成的，能使半导体的自由电子局限在一个平面内运动，称为 二维电子气 ，由于杂质和电子运动在不同平面里，一

5、个使得杂质对电子的散射作用大大 减小 ，所以大大 提高 了电子迁移率，选择不同的材料，设计不同的禁带宽度和光学器件称为 能带剪裁 工程。4、量子阱，量子点中的电子运动分别具有一维 和零维 的特点，受量子的限制效应，原来电子运动的能带会分裂成一系列分裂的量子能级 ，用它们制成的激光器，预计阈值电流进一步降低 ，达到 A 量数，且特征温度大大提高 。5、当器件长度小于电子平均自由程的所谓 介观 系统中，电子输运不再遵循欧姆定律，完全由它的 波动 性决定。6、通常用迁移率 e/m*表征半导体导电性能，其中弛豫时间 表示固体电子运动，两次碰撞之平均自由 时间，m*表示电子的 等效 质量。7、按量子力学

6、的泡利原理，每个能带能填充 2N 个电子（N 为固体中原子数） ，金属大多数是一价的，所以只填充能带的一半，该带称 导 带，半导体平均每个原子有 4 个价电子，恰能填满能带，称 价 带，导带和价带之间称 禁 带，绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，大约为 1 eV。半导体掺杂形成 n 型和 p 型半导体，n 型靠 电子 导电，p 型靠 空穴 导电。8、n 型和 p 型相接触区域形成 Pn 结 ，耗尽层中有一个内建电场，方向由 n 指向 p 区，将阻止电子和空穴 扩散 。9、p-n 结两端加正向电压，原平衡破坏， 减弱 了原来的内建场，电子和空穴扩散增加，总的电流是由这 2 部分电流 之和 这称

7、 复合电流 。加反向电压，电流是靠耗尽区中产生的电子和空穴提供电流值 很小 称为 产生 电流。10、半导体晶体管中三个区别称 发射 区 基 区 集电 区 其中 基 区很薄，晶体管电流放大系数 = Ic/Ib，通常 为 100 左右。11、每块集成电路由成千上万个 MOS 晶体管组成，包括了三层 硅 、 二氧化硅 、 金属 ，p 型衬底上两个几区分别称 源 区和 漏 区，在它们的上面有一个金属栅称 栅 极。12、MOS 晶体管栅极上加正向电压时，源区和漏区之间的 P 区空穴 被耗尽 ，当正电压超过 阈值电压 时，P 区中就会感应出电子，形成一个 n 型电子沟道，称 反型层，MOS 晶休管起一个

8、开关 作用，其延迟时间等于 RC 。13、光电探测器实质上是一个 反向偏置的二极菅。当入射光子 hEg 时，耗尽区内产生电子空穴 对，被电场分开，形成光电流。检测这个光电流就可以知光信息 的强弱。非耗尽区内产生的载流子也形成电流，但影响光电二极菅的响应时间 所以应扩大耗尽区 减少 p 区和 n 区。14、太阳电池是利用 n 结的 光生伏特 效应，原理与光电探测器类似，但不加 反向偏置 电压。理论上太阳电池极限效率 32 。15、制备半导体单晶主要有两种方法：直拉 法（又称切克劳斯基法）和区熔 法。16、直拉法能生长直径较大 （125mm）的单晶，但难以提高单晶的纯度 ，区熔法可制备高纯 单晶，

9、对锗和一些化合物半导体可用水平 区熔法。其生长尺寸较 小。单晶硅要用悬浮区熔法，这不仅能生成高纯度的高阻单晶，且已能生产 250mm 的单晶。17、制造集成电路常采用平面工艺，其工序有（1） 氧化 （2） 光刻 （3） 扩散掺杂 （4） 金属化 18、在一无所知的情况下为了在 两 个并列的互不相关的可然性之间进行判断，所需的信息量为 信息单位 ，并以 bit 表示,2n 种可能性中的一个其信息量为 n bit,仙农定义信息量公式为:信息量log 2( 可能性 数目)，每个字符（32 个可能性）有 5 bit 信息量。19、信息过程包括信息 获取 、 存储 、 传输 、 处理 。20、光刻的极限

10、是由光的 波长决定的，根据现有的器件原理和工艺条件，半导体器件的极限是线宽0.1 m，集成度接近 1010bit,基片面积 1cm2。21、砷化镓 特别适合作集成光电子系统的材料。硅是间接 能带材料。目前科学家正寻求使硅发光的方法，1990 年英国的 Canhan，首次在室温下观测到多孔硅的可见光 光致发光。22、量子阱发光峰的波长随外加电场的增加会发生红移，这称量子斯塔克 效应，用该效应制成的光双稳器件自由光器件（SEED）的光输出同输入功率不成线性 关系。23、分子电子学以物质的 分子 和其他的微观组分为单元，与微电子的区别还在于用 多值 数字形式，而不是用 二进制 数字形式来信息处理。

11、当代物理前沿专题（三）1、1954 年（美）汤斯 成功地制造出氨分子振荡器，产生出波长为 1.25 cm 的相干电磁辐射；可用作频率标准（即分子钟 ） 。2、激光器的发展起点是 肖洛 和斯汤 ，在红外光学激射器中提出光激射器理论设想了一种新式共振腔（称为 开放腔 ） ，用两块平行放置的高 反射镜 组成，既控制了腔内 模式 数目，也起降低 自发辐射 作用，又降低了本底噪声，而且给出了激光器的振荡条件：光学材料内处于高能的原子数要比在低能态原子数发出的量（称 阈值粒子反转密度 ） ，达到振荡阈值所必须供给激光材料的能量或功率（即 阈值泵浦能量或功率 ） 。3、1960 年 5 月（美）休斯实验室梅

12、曼 采用红宝石 做工作物质，用氙灯 做泵浦源，制成世界上第一台激光器，1961 年 9 月我国第一台激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所王之江 领导设计下研制成功。1964 年， 钱学森 教授给 Lasert 起了个中文名称为“激光” 。4、1916 年 爱因斯坦 发现在受激吸收跃迁和自发辐射跃迁之间还存在第三种能态跃迁过程 受激辐射 跃迁5、 负 温度是对光源中处于高能态的原子数目比处于低能态的原子数多的一种状态表述，这时系统处于热力学 非平衡 状态。6、只要对原子泵浦到高能态的速率比离开这个能态的速率高就可造成负温度状态，主要方法有：（1）光 泵浦（2）气体放出 泵浦（3）注入电流 泵

13、浦（4）化学 泵浦。7、激光器由三部分组成（1） 工作物质 （2） 共振腔 （3） 泵浦源 。8、对工作物质的要求是（1） 光学 性质均匀，透明稳定。 （2）有能级寿命（有较长的能级，称 亚稳定 能级。 （3）有较高的 量子 效率。共振腔的主要作用（1） 正反馈 作用（2） 选模 作用。9、从波动观点说，模是电路波动的一种型类 。即存在于空腔中各种不同频率的 驻波 。从粒子观点看，模代表了可以相互区分的 光子态 。沿同一传播方向，按频率区分光子态称 纵 模，按辐射传播方向区分光子态称 横 模。用 TEMmn 表示横模的阶数。 m=n=0 为基 模。其余称高阶 模。对纵横受共振腔长 L 限制两个

14、模的频率间隔为 C/2L ，又辐射频率必须在光学增益带宽 内，则振荡模数很少。10、共振腔的 Q 值（品质因子）是描述共振腔光学 损耗 大小的量,Q=2 （腔内存储能量）（每秒损失的能量）激光振荡能量阈值与 Q 值有关，Q 值高阈值 低 。让 Q 突变的方法即 Q 开关。常用 Q 开关有：（1）可饱和吸收体 Q 开关，属 被动 Q 开关， （2） 电光 Q 开关（克尔盒，普克尔盒） 。 （3） 机械 Q 开关。11、让激光器中各模之间建立稳定的 相位 关系，形脉冲宽度 极窄 ，功率极高的，激光技术叫锁模。12、目前功率最大的激光器为 钕玻璃 激光器（10 14W） ，其次是 CO2 激光器， 半导体 激光器体积最小，使用寿命却 很长 。13、激光的特性：（1） 方向性 好， （2） 单色性 好， （3） 相干性 好， （4） 脉冲宽度窄 。