2016 年諾貝爾物理學獎相關物理知識探究

■江蘇省海門市證大中學 姜啟時

2016 年諾貝爾物理學獎相關物理知識探究

■江蘇省海門市證大中學 姜啟時

編者注：《考試大綱》的指導思想要求:“重視對考生科學素養的考查,要關注科學技術和社會經濟的發展,以利于激發學生的興趣,形成科學的價值觀和實事求是的科學態度”。近幾年高考命題中同科學技術發展相關的試題頻頻出現,這些試題向考生提供較新的概念,考查考生運用科技新信息解題的能力。同學們在平時的學習中要多關注科技新成果的報道,并與課本主干內容橫向聯系,形成對科學技術應有的正確態度,提升科學思維素養。

瑞典皇家科學院于當地時間2 0 1 6年1 0月4日宣布,將2 0 1 6年諾貝爾物理學獎授予三位美國科學家戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨,以表彰他們在理論上發現了物質的拓撲相變和拓撲相。

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學獎得主打開了一個未知世界的大門,他們使用高等數學方法研究物質的不尋常階段或狀態,如超導體、超流體或薄磁膜,得益于他們開創性的工作,人類有機會了解物質的新相變。2 0世紀7 0年代初,邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了當時流行的認為超導性或超流體性不能在薄層里出現的理論,他們論證了超導性可在低溫下出現,并解釋高溫下超導性消失的機制、相變。2 0世紀8 0年代,戴維·索利斯使用非常薄的導電層解釋了試驗結果,這些導電層可用整數步精確計算導電性,他揭示了這些整數在本質上是拓撲的。大約同時,鄧肯·霍爾丹揭示了拓撲概念如何用于理解一些材料中發現的小磁體鏈的特性。

高新科技是社會發展關注的重要內容,也是高考命題關注的方向,諾貝爾物理學獎是高新科技的熱點,近幾年的高考中往往會聯系高新科技熱點命題。2 0 1 6年諾貝爾物理學獎獲得者的研究內容涉及高中物理中的許多知識,如低溫、相變、超導體、超流體、分子磁體、量子化、霍爾效應、物理學方法等,現探究如下。

一、物質拓撲相變和拓撲相的發現

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學獎得主使用的拓撲學概念,對他們的發現起到了決定性作用。拓撲學是一個數學分支,研究的是物質在連續變化時,不連續變化的屬性。他們使用了先進的數學方法來解釋異乎尋常的物質狀態(比如超導體、超流體或者薄層磁性物質)中的奇特屬性。邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯研究了平面(二維)世界的現象,也就是在物體表面或者薄層的物質上所發生的事情;鄧肯·霍爾丹研究了細絲狀的物質,它們可以被認為是一維的。

在人類對物質運動規律的認識過程中,物理學家大膽猜想、勇于質疑,取得了輝煌的成就。關于物理學家在建立物理學的過程中的重大貢獻和創建的物理學方法,下列敘述正確的是( )。

A.牛頓在發現萬有引力定律的過程中,進行了“月—地檢驗”,將天體間的力和地球上物體的重力統一起來

B.2 0世紀初建立的量子力學和愛因斯坦提出的狹義相對論表明經典力學同樣適用于微觀粒子和高速運動物體

C.盧瑟福在研究原子結構的過程中,引進了量子化的觀念

D.三位2 0 1 6年諾貝爾物理學獎得主使用拓撲學概念發現了物質的拓撲相變和拓撲相

解析：由物理學史易知選項A、D正確。量子力學和狹義相對論表明經典力學不適用于微觀粒子和高速運動物體,選項B錯誤。盧瑟福通過α粒子散射實驗,提出的是原子的核式結構模型,玻爾在研究原子結構的過程中,引進了量子化的觀念,提出了軌道量子化和能級等,選項C錯誤。答案為A D。

二、物質在極端低溫條件下的量子效應

所有物質在本質上都遵從量子物理學定律。氣體、液體和固體是物質的常見相,它們的量子效應過于微弱,往往被原子劇烈的隨機運動所掩蓋,但是在極端低溫的條件下,接近絕對零度(-2 7 3℃)的物質會展現出奇異的新相態和出乎意料的行為,使得只在微觀世界中生效的量子效應,在這種條件下突然變得可見了。

圖1

2 0世紀3 0年代,俄羅斯人彼得·列昂尼多維奇·卡皮察首先對超流體進行了系統研究。他將空氣中的氦4冷卻到-2 7 1℃,使其爬上了容器的側壁,換句話說,在黏性完全消失的情況下,這些氮表現出了超流體的奇異行為。因為這個發現,他獲得了1 9 7 8年諾貝爾物理學獎。

在極端低溫條件下,量子物理變得可見,現在對超導體薄膜、磁性材料薄膜和導電納米線等材料相態已經進行過大量的研究。利用掃描隧道顯微鏡(S TM)可以得到物質表面原子排列的圖像,從而可以研究物質的構成規律。如圖2所示的照片是一些晶體材料表面的S TM圖像,通過觀察比較,可以看到這些材料都是由原子在空間排列而構成的,具有一定的結構特征。構成這些材料的原子在物質表面排列的共同特點是( )。

圖2

A.在確定方向上,原子排列具有一定的對稱性等

B.晶體加熱變成液態的過程是熵減少的過程

C.在極端低溫條件下(接近絕對零度),各種晶體不可能成為超流體

D.在極端低溫條件下(接近絕對零度),各種晶體均可成為超導體

解析：根據照片上晶體材料表面的S TM圖像可知,在確定方向上原子有規律地排列,原子排列具有一定的對稱性等,選項A正確。晶體加熱變成液態的過程,無序程度加大,熵增加,選項B錯誤。在極端低溫條件下,接近絕對零度(-2 7 3℃)時,各種晶體均可成為超導體或超流體,選項C錯誤,D正確。答案為A D。

三、量子世界神秘的跳變現象

實驗領域的進展帶來了大量需要解釋的新物態,2 0世紀8 0年代,戴維·索利斯和鄧肯·霍爾丹都提出了突破性的全新理論研究,對先前的理論發起了挑戰,其中之一便是判定材料能否導電的量子力學理論。戴維·索利斯利用拓撲學在理論上描述了神秘的量子霍爾效應,這種現象在1 9 8 0年被德國物理學家克勞斯·馮·克利青發現(1 9 8 5年他因此被授予諾貝爾物理學獎)。在特定條件下,單層物質的電導率似乎只能取特定的數值,而且極為精確,這在物理學中是不常見的。當磁場發生足夠大變化時,單層物質的電導率也會改變,但只會一步一步跳變:減弱磁場會導致電導率先是精確變成原先的2倍,然后3倍,4倍,以此類推。這些整數級跳變用當時已知的物理學無法解釋,但戴維·索利斯發現利用拓撲學可以破解這一難題。

圖3

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學獎得主使用了先進的數學方法來解釋超導體、超流體中的奇特屬性。在特定條件下,單層物質中的電導率只能取特定的數值,而且極為精確(即量子化)。超導限流器可以限制電力系統的故障電流,這種限流器由超導部件和限流電阻并聯組成,如圖3所示,超導部件有一個超導臨界電流I0=1.2A,當通過它的電流I＞I0時將造成超導體失超,從超導態(電阻為零)轉變為正常態(純電阻)。已知超導部件的正常態電阻R1=3Ω,限流電阻R2=6Ω,小燈泡L上標有“6V,6W”的字樣,電源電動勢E= 8V,內阻r=2Ω,原來電路正常工作,現小燈泡L突然發生短路,則( )。

B.短路后超導部件將由超導狀態轉化為正常態

C.短路后通過超導部件的電流為2A

D.若超導部件的電導率量子化,短路后超導部件的電流只能取一系列特定數值

解析：超導態時,超導部件的電阻R1= 0,導致電阻R2短路,小燈泡L的電阻R=Ω,此時電路中電流I0,所以在小燈泡L短路前超導部件維持超導態,電流全部流過超導部件,選項A錯誤。當小燈泡L突然發生短路時,電流突然變成造成超導部件失去超導態,轉變為正常態,選項B正確。小燈泡L突然發生短路后,超導部件和限流電阻的并聯電阻電路中的總電流由并聯分流原理得I=

1選項C錯誤。若超導部件的電導率量子化,小燈泡L短路后超導部件的電流只能取一系列特定數值,變成原先的2倍, 3倍,4倍……,即以整數倍級跳變,選項D正確。答案為B D。

(責任編輯 張 巧)

(上接第3 0頁)

C.光表現出波動性時,就不具有粒子性了;光表現出粒子性時,就不再具有波動性了

D.光的波粒二象性應理解為:在某種場合下光的波動性表現得明顯,在另外的某種場合下,光的粒子性表現得明顯

2.光電效應的實驗結論是:對于某種金屬( )。

A.無論光多強,只要光的頻率小于極限頻率就不能產生光電效應

B.無論光的頻率多低,只要光照時間足夠長就能產生光電效應

C.超過極限頻率的入射光強度越弱,產生的光電子的最大初動能就越小

D.超過極限頻率的入射光頻率越高,產生的光電子的最大初動能就越大

3.愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規律而獲得1 9 2 1年的諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系如圖5所示,其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是( )。

A.逸出功與ν有關

B.Ek與入射光強度成正比

C.當ν＜ν0時,會逸出光電子

D.圖中直線的斜率與普朗克常量有關參考答案：1.A B D2.A D3.D

圖5

(責任編輯 張 巧)