核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文，大家快来跟我一起欣赏吧。
激光核物理
摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.
关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸
1 什么是
最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到;1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].
在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].
超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.
2 国内外研究现状
当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.
高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.
3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点
激光产生高能电子[4—7]
产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .
当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.
激光产生质子束[8,9]
在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:
(1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?;?106A的脉冲质子流.
从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.
(2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为;mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.
(3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.
(4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.
(5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.
激光产生中子[10,11]
超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.
氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.
利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生;104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了;105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.
在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.
激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]
用超短超强激光(50mJ,)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.
激光产生正电子[13,14]
将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.
4 主要存在的问题和 分析
这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.
国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.
从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.
参考 文献
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20世纪初，当著名的科学家爱因斯坦首创了核动力公式后，到了30年代，意大利的费米，英国的詹姆斯·查德威克，德国的哈恩、施特劳斯等科学家均在原子物理的研究中发现，1克重的铀产生裂变后其能量相当于燃烧3吨煤或200升汽油所放出的能量，所产生的爆炸力将是巨大和惊人的。人类自此进入了崭新的“核工业”时代。一、德国人捷足先登，核武器研发动手很快。 然而，就在科学界这一惊人的发现感到欣喜的时候，德军最高统帅部也对此发现表现出了极大的兴趣。他们认为：如果应用到未来的战争中，制造“超级武器”，称霸全世界的梦想指日可待。说干就干，1939年4月，6名原子物理学家被召集到柏林，当然这个会议是在保密的情况下进行的，会议就一个议题，就是如何开发原子能的应用，研制可产生核裂变的装置，直白的说，就是原子弹。德国人的效率就是高，同年的9月26日，德军最高统帅部就正式确定了代号为“U”的秘密研制核武器的计划。二、专家向美军方建议，被当做“怪人”。 该计划的实施，最终还是在物理界成为大家熟知的消息，一些开明的科学家很快意识到问题的严重性。原子弹的威力巨大，谁拥有它谁就能主宰世界，如果“战争狂人”希特勒一旦拥有，凭他的疯狂劲，倒霉的是全人类。这些担心不是危言耸听，他们要阻止德国的实验项目，流亡在纽约的意大利物理学家费米立刻联系一些开明人士或权威人士，积极奔走，呼吁白宫尽快开展“超级武器”的研发工作，目的就一个，不能让希特勒研发出“超级武器”。但当他们向美军方提出这项方案时，军方从没有听说过这样东西，也不相信原子弹能产生巨大破坏力。最终这些专家都当成“怪人”来看待，对他们的建议更是不屑一顾，甚至嗤之以鼻。三、美国是唯一能阻止该计划的国家。 真是“秀才遇到兵，有理说不清”啊！军方的态度让费米等人即感到失望，又心急如焚，他们深知核能的巨大威力，如果“战争狂人”抢先制造出“超级武器”，那么人类的悲剧将是史无前例的。他们不气垒、不放弃，深知“超级武器”的研发并不是一件轻松的事情。首先，研发需要雄厚的经济后盾作保障，没有钱什么事情都不用去想，而当时的美国是经济大国，有这样的经济条件；其次，许多科学家或专家为了躲避战火，来到“天堂”纽约，使这里拥有当时最多的人才和完备的研发体系；第三，当时白宫没有直接参战，而且隔着大西洋，远离战火纷飞的欧洲，为研发提供安定的 社会 环境。这些条件，只有当时的美国能提供，也只有它才有可能挑战德国，并与其相抗衡。后记 软的不行，来硬的。费米、泰勒等人决定直接上书总统罗斯福，只有他能让研制方案落实并尽快实施。为了增加说服力他们找到了德高望重的爱因斯坦，请他作为代表向总统进言。同时，还拉上科学顾问阿列克谢·萨克斯（罗斯福的好友），委托他向总统进行游说工作。最终，1939年10月，罗斯福下令成立一个铀顾问委员会，并于当年的12月6日正式批准了“超级武器”的研制计划。国会首批20亿美元科研经费到位。白宫在正式制定这项研究工程的同时，为这项工程取名为“曼哈顿工程”。这个问题以时间序列梳理如下： 1803年，英国化学家物理学家约翰道尔顿观察分子时发现了分子上有重影，开始不以为然以为自己是老眼昏花了，后来眯眼仔细观察发现了是一种更小的物质——原子1911年，新西兰原子核物理学学家卢瑟福用阿尔法粒子轰击金箔提出了原子核模型，随后通过同样的实验发现了原子核中更小的单位——质子。 1934约里奥居里夫妇用阿尔法粒子轰击元素，第一次发现人工放射性1938年哈恩和斯特拉斯曼用中子轰击铀235时，发现了奇怪的现象，轰击后铀就像发生了连锁反应，又会出现新的中子使更多的铀原子被轰击，并且放出了能量。随后就将这个现象叫做核裂变——这是认为这个现象很像生物中的细胞分裂，毕竟1841年就发现了细胞分裂，这个概念是成熟的。著名核物理学家费米发现中子辐射产生新放射性元素以及用慢中子引起核裂变获得同年1938年诺贝尔物理学奖，领完就跑到美国了。 失道寡助——德国 1939年4月，柏林大学和柏林工业大学教授舒曼和汉堡大学物流化学系主任、陆军顾问保罗 哈特克来到希特勒位于帝国战争部的办公室，向希特勒汇报了可以利用铀原料来制作一种新式炸弹的构想，随后希特勒正式批准德国原子能计划。 1940年海森堡称为德国研究原子弹的负责人，德国原子能计划紧密推进，同年4月9日，德国占领了挪威重水生产厂，并且掠夺了全部重水。 1944年2月，德国的所有重水又被英国突击队摧毁，虽然德国建设了用于核物理实验的重水反应堆，但是知道战争失败，反应堆并没有临界。不过事后证明德国的原子能计划完成度已经达90%，只比美国至多慢了两年。 得道多助——美国 1939年德国核裂变成功的消息发表后许多科学家已经发现了其中奥秘，其中美国籍匈牙利物理学家魏格纳就力劝美国政府抓紧开始原子能计划，要赶在纳粹德国前研究出核武器。 1941年10月9日，美国罗斯福总统批准了原子能计划 1942年8月，研究原子弹的“曼哈顿”计划开始，一大批优秀的科学家参加其中，包括逃跑到美国许多顶级犹太物理学家，包括奥本海默、费米等，爱因斯坦也提供过咨询，奥本海默被称为“美国原子能之父”。1945年7月16日，第一颗原子弹“三位一体”爆炸成功，当量相当于1500—2000吨TNT炸药原子弹我们大家都知道属于核武器，它的威力骇人听闻。但原子弹是怎样发明的，或者说为什么能有人想到这恐怖的武器，从而实践，真正运用到军事当中。爱因斯坦很多人都说它和原子弹无关，他没有参与美国曼哈顿原子弹计划。可我觉得是有很大关系的。 1905年，爱因斯坦提出著名质能方程式。 质能方程E=MC2 ，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速。他提出能量守恒定律，能量 不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。后来该方程式 主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量。正是因为有了这个理论，科学家们发现，赋予物体质量的原子核里面蕴含着惊人的能量，从而开启了对原子核的研究。1938年，德国科学家奥多·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼发现 铀原子核裂变 现像。发现原子核在裂变同时会释放惊人的能量，这种链式反应如果不加以控制，会产生惊人的能量释放。第二年，1939年初，二人发表论文。这一论文引起了德国高层和希特勒的注意。希特勒立即成立了研究机构，可由于当时德国的不重视，经费不足和对犹太人的屠杀，导致许多优秀人才流失，最终输在终点线上。 早在前期，爱因斯坦在得知德国研制核武器时，爱因斯坦明白它的重要性和希特勒的野心，写信罗斯福，但也没得到罗斯福重视，但至少在罗斯福心中，有了对这种武器的认知。珍珠港事件爆发后，罗斯福意识到了原子武器的重要性。 1942年由美籍犹太裔著名物理学家罗伯特，奥本海默为主导的原子弹研究计划，也就是曼哈顿计划开始落实，美国投入大量人力物力和金钱。迅速超越德国技术，历时三年。原子弹原告成功。 其实，原子弹并不是谁就可以发明的，这其中离不开那些在方方面面取得成就的科学家和为原子弹制造付出汗水的普通劳动者，据悉，曼哈顿计划投入超过10万人，这每一个人，都起到了作用，不管脑力也好，体力也罢。 原子弹的研制和使用——结束了二战却开启了核竞赛！ 二战期间，美国集中了本国和西欧众多优秀的科学家，动用了十万人员和大量工业资源，耗资20多亿美元，秘密研制了两年，制造了世界第一批原子弹。 1945年8月，美国在日本广岛和长崎第一次使用了原子弹，加速了日本的投降和二战的结束。致使日本几十万人死亡，导致了战后美苏两国的核军备竞赛。（爱因斯坦与西拉德） 美国研制原子弹问题的提出过程 原子弹研发的条件： 1895年，德国科学家威廉·伦琴发现了阴电荷“X射线”。1902年，法国科学家居里夫妇发现放射性元素镭。1905年，爱因斯坦发现物质和能是同一体的原理，英国物理学家卢瑟福发现了放射性物体的活动规律。这些都为原子弹的研发创造了有利条件。 铀裂变的发现过程： 1938年，德国物理学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼通过试验发现，了物理学界期待的核裂变反应。1939年，犹太女物理学家莉泽·迈特纳通过试验，发现每裂变一个原子可放出大约两亿电子伏的能量。1939年，意大利科学家恩里科·费米，在美国哥伦比亚大学证实了铀裂变试验。（原子弹准备中） 游说美国研制原子弹： 那些亲身遭受希特勒迫害而从欧洲移居美国的科学家，他们担心，如果德国首先拥有原子炸弹，希特勒就会毁灭世界。1939年，移居美国的匈牙利物理学家西拉德等人获悉德国正在开会讨论利用原子科学成果研制新武器。 但是，他们的游说都遭到了冷遇。于是，这批科学家把希望寄托在名震一时的爱因斯坦身上。1939年，西拉德到长岛拜访爱因斯坦，说明铀裂变可能引起的严重后果，爱因斯坦表示愿意帮忙。他又拜访了罗斯福总统的私人顾问亚历山大·萨克斯。 1939年10月，在椭圆形办公室里，萨克斯正在把爱因斯坦的信念给总统听，罗斯福举棋不定，认为干预过早。在萨克斯不停的游说下，罗斯福决定采纳爱因斯坦的建议，支持研究原子弹。从此，这一问题引起了美国政府的注意。（广岛原子弹爆炸） 美国研制原子弹“曼哈顿计划”的提出 1941年，太平洋战争爆发，美国被迫卷入二战，加快了研制原子弹的步伐。1942年，美国制定了研制原子弹的“曼哈顿计划”。美国政府为计划确立了两条原则，第一，给美国军队造出原子弹；第二，赶在德国人前头。 参与研制原子弹的科学家有，英国物理学家查德威克，意大利物理学家费米，丹麦物理学家波尔，匈牙利物理学家特勒和西拉德等。1942年，德国军需部长把制造原子弹的可能性告诉希特勒，希特勒对此态度冷淡。（原子弹爆炸后） 美国对日本使用原子弹 1945年8月，第一颗原子弹即将准备就绪。对于原子弹的使用，高级军官和科学家出现了两种不同的意见。以格罗夫斯少将为代表的一派主张对日使用，以爱因斯坦和西拉德为代表的一派反对使用原子弹，他们认为目前形势已大为改观，而且德国没有研制出原子弹。 1945年7月，杜鲁门总统决定在日本投掷原子弹。杜鲁门作出在日本使用原子弹的决定与其说是军事上的需要，不如说主要是出于政治考虑，既是为了夺取胜利果实，又是为了战后与苏联争霸。原子弹的使用，为冷战时期的核讹诈开创了先河。 （原子弹爆炸后惨状） 原子弹是著名科学家爱因斯坦上书美国总统罗斯福，阐述了原子弹对美国国家安全的重要性因此研制出来的。1.第二次世界大战期间，流亡到美国的科学家西拉德等人，为防止德国人抢先造出原子弹。动员爱因斯坦上书美国总统罗斯福，阐述原子弹的重要性，但是并没有得到罗斯福总统的重视。2.不过1941年12月8日，日本偷袭美国珍珠港后，美国政府认识到原子弹的重要性，因此加快了研制原子弹的步伐，并在1942年8月制定了“曼哈顿计划”。3.美国不惜重金提取铀235，此外意大利的科学家费来在美国设计建造了原子能反应堆，用来生产钚 239做为原子弹的原料。 年3月美国成立了原子能委员会，由四位诺贝尔奖获得者奥本海默、费米、劳伦斯、康普顿四位物理学家，带领10万人的研制团队，一起加快了原子弹的研制步伐。 年7月美国生产的铀235和钚239已经足够制造原子弹了。因此美国在1945年7月16日进行了原子弹爆炸实验并取得了成功，这就是原子弹的发明过程。1945年8月6日和8月9日，美国在日本的广岛和长崎投下原子弹，当场炸死30多万人促使第二次世界大战结束 。 是一种更小的物质——原子
发展史 经典物理与近代物理 第一,立足于牛顿力学的经典物理学和经典自然科学在很在程度上是关于自然事物,自然属性,自然过程和自然界规律性的知识,但它往往没有对这些事物,属性,过程和规律性的机制(道理)从因果性上作出解释;近代自然科学所能做到的或应当做到的,则是依据于对微观过程的了解,解决这些"为什么"的问题. 第二,经典自然科学有它的普遍性和整体性,但就对整个自然事物的反映看,经典理论基本上是关于特殊的,局部的自然领域的知识;近代自然科学则具有更高程度的普遍性和更大范围的全局性 第一章 发展中的物理学 1 相对论 相对论是现代物理学的重要基石.它的建立20世纪自然科学最伟大的发现之一,对物理学,天文学乃至哲学思想都有深远的影响.相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物,是电磁理论合乎逻辑的继续和发展,是物理学各有关分支又一次综合的结果.相对论经迈克耳逊,莫雷实验,洛伦兹及爱因斯坦等 人发展而建立. 2 量子力学 1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入了能量了概念,为量子理论奠定了基石.随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面.1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步的胜利.之后经过玻尔,索末菲海森堡,薛定谔,狄拉克等人开创性的工作,终于在1925年-1928年开成了完整的量子力学理论. 3 原子核及基本粒子 原子核物理学起源于放射性的研究,是19世纪末兴起的崭新课题.在这以前,人类对这年领域毫开所知.从事这项研究的物理学家,他们通过作新创制的简陋仪器进行各种实验和观察,从中收集数据,总结经验,寻找规律,探索不断开拓新的领域. 1933年以后,原子核物理理论才逐渐形成. 4 固体物理学 20世纪初,固体物理学就开始深入到微观领域,人们开始利用微观规律来计算实验观测量.量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上,并显示了其正确性,其次又在化学键的问题上取得了效果.二十世纪20年代后,固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生. 5 物理学与技术 物理学的发展为新技术提供了基础,与此相反的关系也完全存在.假如不采用电子技术的各式各样的机器,今天的物理学,甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去.要建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器,必须要动员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才行.同时由于对技术进步的不断要求,作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强.可以说,没有上述各方面的条件,就不可能存在今天这种大规模,多方面的物理学研究. 6 科学的体制化 近代物理学的基础工程学科化这种趋势,当然是由围绕科学的新的社会状况的出现所形成和促进的. 7 物理学在地理上的扩大 物理学的变迁,同时也伴有物理学在地理上扩大.俄国(苏联),美国,日本,中国及欧洲,亚洲,非洲物理学在地理上的扩大,必将会进一步扩大在进行尖端物理学研究,所以,没有理由认为这些国家将来不会产生真正的物理学研究. 8 研究技术化 可以把这一趋势同由物理学所支撑着的各种各样新技术所持有的可能性相结合,看作是社会进步的一个标志. 第二章节近代物理学的序幕 一 电子的发现 背景: 电子的发现起源于对阴极射线的研究.阴极射线是低压气体放电过程中的一种奇特现象.这一观点得到赫兹等人的支持,赞成以太说的大多是德国人.英国物理学家克鲁克斯以及舒斯特根据各自的实验及解释都认为阴极射线是由粒子组成的.德国学派主张以太学说,英国学派主张带电微粒说. .汤姆生对电子研究 ⒈定性研究:.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验,他进一步提高了真空度,并且减小极间电压,以防止气体电离,终于获得了稳定的静电偏转. ⒉定量研究 :一种方法是用静电场偏转管在管子两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场,然后根据电场和磁场分别造成的偏转,计算出阴极射线的荷质比e/m,另一种方法是测量阴极的温升.因为阴极射线撞击到阴极,会引起阴极的温度升高..汤姆生把热电偶接到阴极,测量它的温度变化,两种不同的方法得到的结果相近,荷质比 ⒊普遍性证明
原子核的体积约为原子体积的几千万亿分之一,(半径约为原子的十万分之一).打个比方,原子相当于足球场那么大,而原子核则只有一只蚂蚁那么大. 而且原子包括原子核和电子。
物理学作为研究其他自然科学不可缺少的基础,其长期发展形成的科学研究 方法 已广泛应用到各学科当中。下面是我为大家整理的物理学博士论文，供大家参考。
《 物理学在科技创新中的效用 》
摘要：论述了X射线的发现，不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大发现;半导体的发明，使微电子产业称雄20世纪，并促进信息技术的高速发展，物理学是计算机硬件的基础;原子能理论的提出，使原子能逐步取代石化能源，给人类提供巨大的清洁能源;激光理论的提出及激光器的发明，使激光在工农业生产、医疗、通信、军事上得到广泛应用;蓝光LED的发明，将点亮整个21世纪.事实告诉我们，是物理学推动科技创新，由此得出结论：物理学是科技创新的源泉.昭示人们，高校作为培养人才的场所，理工科要重视大学物理课程.
关键词：X射线;半导体;原子能;激光;蓝光LED;科技创新;大学物理
1引言
物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础.纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展.正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程.按照 教育 部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时;大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时.然而调查显示，众多高校(尤其是新建本科院校)并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程.他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准(180学时).试问这么少的课时怎么讲丰富、深奥的大学物理?怎么能够真正发挥出大学物理的作用?于是有的院、系要求只讲力学，有的要求只讲热学，有的则要求只讲电磁学，…面对这种情况，大学物理的授课教师在无奈状态下讲授大学物理.从《大学物理课程 报告 论坛》上获悉，这不是个别学校的做法，在全国具有普遍性.殊不知，力、热、光、电磁、原子是一个完整的体系，相互联系，缺一不可.这种以消减教学内容为代价，解决课时不足的做法，就如同削足适履，是对教育规律不尊重，是管理者思想意识落后的一种体现.本文且不论述物理学是理工科必修的一门基础课，只论及物理学是科技创新的源泉这一命题，以期提高教育管理者对大学物理课程重要性的认识.
2物理学是科技创新的源泉
且不说力学和热力学的发展，以蒸汽机为标志引发了第一次工业革命，欧洲实现了机械化;且不说库伦、法拉第、楞次、安培、麦克斯韦等创立的电磁学的发展，以电动机为标志引发了第二次工业革命，欧美实现了电气化.这两次工业革命没有发生在中国，使中国近代落后了.本文着重论述近代物理学的发展对科学技术的巨大推动作用，从而得出结论：物理学是科技创新的源泉.1895年，威廉•伦琴(WilhelmR魻ntgen)发现X射线，这种射线在电场、磁场中不发生偏转，穿透能力很强，由于当时不知道它是什么，故取名X射线.直到1912年，劳厄(MaxvonLaue)用晶体中的点阵作为衍射光栅，确定它是一种光波，波长为10-10m的数量级[6].伦琴获1901年诺贝尔物理学奖，他发现的X射线开创了医学影像技术，利用X光机探测骨骼的病变，胸腔X光片诊断肺部病变，腹腔X光片检测肠道梗塞.CT成像也是利用X射线成像，CT成像既可以提供二维(2D)横切面又可以提供三维(3D)立体表现图像，它可以清楚地展示被检测部位的内部结构，可以准确确定病变位置.当今，各医院都设置放射科，X射线在医学上得到充分利用.X射线的发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大科学发现.1913-1914年，威廉•享利•布拉格(willianHenrgBragg)和威廉•劳仑斯•布拉格(WillianLawrenceBragg)提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ(k=1,2,3…)式中d为晶格常数，α为入射光与晶面夹角，λ为X射线波长.布拉格父子提出使用X射线衍射研究晶体原子、分子结构，创立了X射线晶体结构分析这一学科，布拉格父子获1915年诺贝尔物理学奖.当今，X射线衍射仪不仅在物理学研究，而且在化学、生物、地质、矿产、材料等学科得到广泛应用，所有从事自然科学研究的科研院所和大多数高等学校都有X射线衍射仪，它是研究物质结构的必备仪器.1907年，威廉•汤姆孙(W•Thomson)发现电子，电子质量me=×10-31kg，电子荷电e=×10-19C.电子的荷电性引发了20世纪产生革命.1947年，美国的巴丁、布莱顿和肖克利研究半导体材料时，发现Ge晶体具有放大作用，发明了晶体三极管，很快取代电子管，随后晶体管电路不断向微型化发展.1958年，美国的工程师基尔比制成第一批集成电路.1971年，英特尔公司的霍夫把计算机的中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，制成世界上第一个微处理器.80年代末，芯片上集成的元件数已突破1000万大关.微电子技术改变了人类生活，微电子技术称雄20世纪，进入21世纪微电子产业仍继续称雄.到各个工业区看看，发现电子厂比比皆是，这真是小小电子转动了整个地球啊!电子不仅具有荷电性，还具有荷磁性.
1925年，乌伦贝克—哥德斯密脱(Uhlenbeck-Goudsmit)提出自旋假说，每个电子都具有自旋角动量S轧，它在空间任意方向上的投影只可能取两个数值，Sz=±h2;电子具有荷磁性，每个电子的磁矩为MSz=芎μB(μB为玻尔磁子)[7].电子的荷磁性沉睡了半个多世纪，直到1988年阿贝尔•费尔(AlberFert)和彼得•格林贝格尔(PeterGrünberg)发现在Fe/Cr多层膜中，材料的电阻率受材料磁化状态的变化呈显著改变，其机理是相临铁磁层间通过非磁性Cr产生反铁磁耦合，不加磁场时电阻率大，当外加磁场时，相邻铁磁层的磁矩方向排列一致，对电子的散射弱，电阻率小.利用磁性控制电子的输运，提出巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance,GMR)，磁电阻MR定义MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)为零场下的电阻率，ρ(H)为加场下的电阻率[8].GMR效应的发现引起科技界强烈关注，1994年IBM公司依据巨磁电阻效应原理，研制出“新型读出磁头”，此前的磁头是用锰铁磁体，磁电阻MR只有1%-2%，而新型读出磁头的MR约50%，将磁盘记录密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型读出磁头的MR才出现 笔记本 电脑、MP3等，GMR效应在磁传感器、数控机库、非接触开关、旋转编码器等方面得到广泛应用.阿尔贝?费尔和彼得?格林贝格尔获2007年诺贝尔物理学奖.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到MR高达105%，称为庞磁电阻(Colossalmagnetoresistance,CMR)，钙钛矿氧化物中有如此高的磁电阻，在磁传感、磁存储、自旋晶体管、磁制冷等方面有着诱人的应用前景，引起凝聚态物理和材料科学科研人员的极大关注[10-12].然而，CMR效应还没有得到实际应用，原因是要实现大的MR需要特斯拉量级的外磁场，问题出在CMR产生的物理机制还没有真正弄清楚.1905年，爱因斯坦提出[13]：“就一个粒子来说，如果由于自身内部的过程使它的能量减小了，它的静质量也将相应地减小.”提出著名的质能关系式△E=△m莓C2式中△m.表示经过反应后粒子的总静质量的减小，△E表示核反应释放的能量.爱因斯坦又提出实现热核反应的途径：“用那些所含能量是高度可变的物体(比如用镭盐)来验证这个理论，不是不可能成功的.”按照爱因斯坦的这一重大物理学理论，1938年物理学家发现重原子核裂变.核裂变首先被用于战争，1945年8月6日和9日，美国对日本的广岛和长崎各投下一颗原子弹，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布无条件投降.后来原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行.2009年，美国有104座核电站，核电站发电量占本国发电总量的20%，法国有59台机组，占80%;日本有55座核电站，占30%.截至2015年4月，我国运行的核电站有23座，在建核电站有26座，产能为千兆瓦，核电站发电量占我国发电总量不足3%，所以我国提出大力发展核电，制定了到2020年核电装机总容量达到58千兆瓦的目标.核能的利用，一方面减少了化石能源的消耗，从而减少了产生温室效应的气体———二氧化碳的排放，另一方面有力地解决能源危机.利用海水中的氘和氚发生核聚变可以产生巨大能量，受控核聚变正在研究中，若受控核聚变研究成功将为人类提供取之不尽用之不竭的能量.那时，能源危机彻底解除.
20世纪最杰出的成果是计算机，物理学是计算机硬件的基础.从1946年计算机问世以来，经历了第一至第五代，计算机硬件中的电子元件随着物理学的进步，依次经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路;主存储器用的是磁性材料，随着物理学的进步，磁性材料的性能越来越高，计算机的硬盘越来越小.近日在第十六届全国磁学和磁性材料会议(2015年10月21—25日)上获悉，中科院强磁场中心、中科院物理所等，正在对斯格明子(skyrmions)进行攻关,斯格明子具有拓扑纳米磁结构，将来的笔记本电脑的硬盘只有花生大小，ipod平板电脑的硬盘缩小到米粒大小.量子力学催生出隧道二极管，量子力学指导着研究电子器件大小的极限，光学纤维的发明为计算机网络提供数据通道.
1916年，爱因斯坦提出光受激辐射原理，时隔44年，哥伦比亚大学的希奥多•梅曼(TheodoreMaiman)于1960制成第一台激光器[14].由于激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点，在医疗、农业、通讯、金属微加工，军事等方面得到广泛应用.激光在其他方面的应用暂不展开论述，只谈谈激光加工技术在工业生产上的应用.激光加工技术对材料进行切割、焊接、表面处理、微加工等，激光加工技术具有突出特点：不接触加工工件，对工件无污染;光点小，能量集中;激光束容易聚焦、导向，便于自动化控制;安全可靠，不会对材料造成机械挤压或机械应力;切割面光滑、无毛刺;切割面细小，割缝一般在;适合大件产品的加工等.在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业得到广泛应用.2014年，仅我国激光加工产业总收入约270亿人民币，其中激光加工设备销售额达215亿人民币.
2014年，诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科学家，是因为他们发明了蓝色发光二极管(LED)，帮助人们以更节能的方式获得白光光源.他们的突出贡献在于，在三基色红、绿、蓝中，红光LED和绿光LED早已发明，但制造蓝光LED长期以来是个难题，他们三人于20世纪90年代发明了蓝光LED，这样三基色LED全被找到了，制造出来的LED灯用于照明使消费者感到舒适.这种LED灯耗能很低，耗能不到普通灯泡的1/20，全世界发的电40%用于照明，若把普通灯泡都换成LED灯，全世界每个节省的电能数字惊人!物理学研究给人类带来不可估量的益处.2010年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Kon-stantinNovoselov)，因发明石墨烯材料，获得诺贝尔物理学奖.目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管.此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好.因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命[14].2012年，法国科学家沙吉•哈罗彻(SergeHaroche)与美国科学家大卫•温兰德()，在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”.他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步[16].
2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.早在2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系，薛其坤等在这一理论指导下开展实验研究，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题.这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗.而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，电子自旋向上的在一个跑道上，自旋向下的在另一个跑道上，犹如在高速公路上，它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，不产生电子相互碰撞，不会产生热能损耗.通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大.因此，这一科研成果的应用前景十分广阔[17].物理学的每一个重大发现、重大发明，都会开辟一块新天地，带来产业革命，推动社会进步，创造巨大物质财富.纵观科学与技术发展史，可以看出物理学是科技创新的源泉.
3结语
论述了X射线，电子、半导体、原子能、激光、蓝光LED等的发现或发明对人类进步的巨大推动作用，自然得出结论，物理学是科技创新的源泉.打开国门看一看，美国的著名大学非常注重大学物理，加州理工大学所有一、二年级的公共物理课程总学时为540，英、法、德也在400-500学时[18].国内高校只有中国科学技术大学的大学物理课程做到了与国际接轨，以他们的数学与应用数学为例，大一开设：力学与热学80学时，大学物理—基础实验54学时;大二开设：电磁学80学时，光学与原子物理80学时，大学物理—综合实验54学时;大三开设：理论力学60学时，大学物理及实验总计408学时.在大力倡导全民创业万众创新的今天，高等学校理所应当重视物理学教学.各高校的理工科要按照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会颁发的《非物理类理工学科大学物理课程/实验教学基本要求》给足大学物理课程及大学物理实验课时.
参考文献：
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《 应用物理学专业光伏技术培养方案研究 》
一、开设半导体材料及光伏技术方向的必要性
由于我校已经有材料与化学工程学院，开设了高分子、化工类材料、金属材料等专业，应用物理、物理学专业的方向就只有往半导体材料及光伏技术方向靠，而半导体材料及光伏技术与物理联系十分紧密。因此，我们物理系开设半导体材料及光伏技术有得天独厚的优势。首先，半导体材料的形成原理、制备、检测手段都与物理有关;其次，光伏技术中的光伏现象本身就是一种物理现象，所以只有懂物理的人，才能将物理知识与这些材料的产生、运行机制完美地联系起来，进而有利于新材料以及新的太阳能电池的研发。从半导体材料与光伏产业的产业链条来看，硅原料的生产、硅棒和硅片生产、太阳能电池制造、组件封装、光伏发电系统的运行等，这些过程都包含物理现象和知识。如果从事这个职业的人懂得这些现象，就能够清晰地把握这些知识，将对行业的发展起到很大的推动作用。综上所述，不仅可以在我校的应用物理学专业开设半导体材料及光伏技术方向，而且应该把它发展为我校应用物理专业的特色方向。
二、专业培养方案的改革与实施
(一)应用物理学专业培养方案改革过程
我校从2004年开始招收应用物理学专业学生，当时只是粗略地分为光电子方向和传感器方向，而课程的设置大都和一般高校应用物理学专业的设置一样，只是增设了一些光电子、传感器以及控制方面的课程，完全没有自己的特色。随着对学科的深入研究，周边高校的互访调研以及自贡和乐山相继成为国家级新材料基地，我们逐步意识到半导体材料及光伏技术应该是一个应用物理学专业的可持续发展的方向。结合我校的实际情况，我们从2008年开始修订专业培养方案，用半导体材料及光伏技术方向取代传感器方向，成为应用物理学专业方向之一。在此基础上不断修改，逐步形成了我校现有的应用物理专业的培养方案。我们的培养目标:学生具有较扎实的物理学基础和相关应用领域的专业知识;并得到相关领域应用研究和技术开发的初步训练;具备较强的知识更新能力和较广泛的科学技术适应能力，使其成为具有能在应用物理学科、交叉学科以及相关科学技术领域从事应用研究、教学、新技术开发及管理工作的能力，具有时代精神及实践能力、创新意识和适应能力的高素质复合型应用人才。为了实现这一培养目标，我们在通识教育平台、学科基础教育平台、专业教育平台都分别设有这方面的课程，另外还在实践教育平台也逐步安排这方面的课程。
(二)专业培养方案的实施
为了实施新的培养方案，我们从几个方面来入手。首先，在师资队伍建设上。一方面，我们引入学过材料或凝聚态物理的博士，他们在半导体材料及光伏技术方面都有自己独到的见解;另一方面，从已有的教师队伍中选出部分教师去高校或相关的工厂、公司进行短期的进修培训，使大家对半导体材料及光伏技术有较深的认识，为这方面的教学打下基础。其次，在教学改革方面。一方面，在课程设置上，我们准备把物理类的课程进行重新整合，将关系紧密的课程合成一门。另一方面，我们将应用物理学专业的两个方向有机地结合起来，在光电子技术方向的专业课程设置中，我们有意识地开设了一些课程，让半导体材料及光伏技术方向的学生能够去选修这些课程，让他们能够对光伏产业的生产、检测、装备有更全面的认识。最后，在实践方面。依据学校资源共享的原则，在材料与化学工程学院开设材料科学实验和材料专业实验课程，使学生对材料的生产、检测手段有比较全面的认识，并开设材料科学课程设计，让学生能够把理论知识与实践联系起来，为以后在工作岗位上更好地工作打下坚实的基础。
三、 总结
半导体材料及光伏行业是我国大力发展的新兴行业，受到国家和各省市的大力扶持，符合国家节能环保的主旋律，发展前景十分看好。由于我们国家缺乏这方面的高端人才和行业指挥人，在这个行业还没有话语权。我们的产品大都是初级产品或者是行业的上游产品，没有进行深加工。目前行业正处在发展的困难时期，但也正好为行业的后续发展提供调整。只要我们能够提高技术水平和产品质量，并积极拓展国内市场，这个行业一定会有美好的前景。要提高技术水平和产品质量，就需要有这方面的技术人才，而高校作为人才培养的主要基地，有责任肩负起这个重任。由于相关人才培养还没有形成系统模式，这就更需要高校和企业紧密联系，共同努力，为半导体材料及光伏产业的人才培养探索出一条可持续发展的光明大道，也为我国的新能源产业发展做出自己的贡献。
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原子核的体积约为原子体积的几千万亿分之一,(半径约为原子的十万分之一).打个比方,原子相当于足球场那么大,而原子核则只有一只蚂蚁那么大.
核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文，大家快来跟我一起欣赏吧。
激光核物理
摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.
关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸
1 什么是
最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到;1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].
在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].
超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.
2 国内外研究现状
当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.
高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.
3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点
激光产生高能电子[4—7]
产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .
当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.
激光产生质子束[8,9]
在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:
(1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?;?106A的脉冲质子流.
从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.
(2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为;mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.
(3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.
(4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.
(5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.
激光产生中子[10,11]
超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.
氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.
利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生;104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了;105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.
在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.
激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]
用超短超强激光(50mJ,)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.
激光产生正电子[13,14]
将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.
4 主要存在的问题和 分析
这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.
国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.
从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.
参考 文献
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于2006年7月南开大学物理学院本科毕业，在2007年10月远赴大阪大学理学院攻读研究生学位，2011年获得日本大阪大学博士学位。先后在日本大阪大学、日本理化学研究所、北京大学、德国于利希研究中心开展博士后及访问学者研究。对于这段经历，他写到“主要是当时找不到工作”。在学术研究中，他先后在原子核物理国际顶级期刊发表SCI论文40余篇。对于刊发的期刊，他也做了备注，比如：Physics Letters B、Scientific Report，“被定义为水刊”，他还特别说明“原子核领域属于夕阳学科，基本上发不了Nature和Science”。对于担任几本国外学术期刊审稿人的原因，胡教授说，是“被人强拉进去的。”在简历中，胡教授还是天津市“131”创新型人才培养工程第三层次入选者，对于这项荣誉，他的备注是“报个名就行，在没有任何真刀真枪资助的情况下已经顺利结题”。他还表示因“承蒙各位前辈大佬的支持”担任了中国核物理学会理事。在研究方向上，胡教授罗列了5个方向，他都依次做了备注或说明“目前比较火”“实验比较少，可以随便忽悠”“原子核物理中的大数据”“这个不好说”“目前更火的，黄金时代”“目前火得一塌糊涂，其实都是为了生存”。奖池一直可以叠加，最多可以十个亿。
因为南开大学“实诚教授”发表了几十篇论文，而且多次获奖，所以我觉得他非常牛。
奖池累计多的时候有60多个亿
前两年奖池最高的时候有40多亿
有 施士元 核物理学家在新世纪的第一个春天，笔者走近了他。 他是中国最早从事核物理研究的人。他首创了我国原子核物理专业。他是居里夫人的学生，他的学生吴健雄则被誉为“美籍华裔的居里夫人”。 他是中国最早从事锕系核谱工作的学者。他第一次提出了“原始粒子”猜想，并预言第一个实验证明“原始粒子”存在的人将获得诺贝尔奖。 他先是核物理学家，20世纪70年代成为高能物理学家，晚年又成为一名油画艺术家…… 他的名字叫施士元，今年93岁高龄。初见居里夫人 1908年3月18日，施士元降生在上海崇明岛。父亲施禹传毕业于保定军官学校，这位骑兵军官后因负伤解甲归里，他对施士元要求很严。 1920年，施士元进享有盛誉的浦东中学，当时中学是6年制的，可施士元却只读了5年。1925年，他以数学、物理、化学三门课满分100分的成绩，考入清华大学。 1929年，施士元以优异的成绩从清华大学毕业，而后又通过了江苏省举行的官费留学考试，考入闻名世界的巴黎大学。在那里，他遇到了对他人生影响最大的人————蜚声世界的著名物理学家居里夫人。 1929年底，在巴黎大学注册时，施士元收到了一沓教授名册打印件，那上面排列着数十位法国学者和各国科学家的名字。看着这份长长的导师名单，施士元突然有一种无从下手之感。对他来说，眼前的每一个名字，都是一座足可仰视的高山。 在仔细的翻阅中，施士元突然发现了一个令他兴奋得几乎不敢相信的名字— ———居里夫人！ 在那一刹那间，施士元心里发出一个声音：就是她！于是，他提起笔尊敬地给居里夫人写了一封信。 这封信是星期三发出的，星期五施士元就接到了居里夫人的回信，约他在星期六上午8时去她的镭研究所面谈。 那次会晤距今已有70多年了，但当时的情景却一直还清晰地印在施老的脑海里。居里夫人约有1·60米高，瘦弱的身躯套着一件显得宽大的浅黑色的外套，满头银发，脸色显得苍白，一双浅褐色的眼睛，额头比较突出。居里夫人显得坚定、简朴、冷静，施士元说，这种感觉与科学给他的感觉很相似。 居里夫人看见施士元进来，露出浅浅的微笑，握住他的手说：“欢迎你，施先生。” “夫人，十分荣幸见到您。”施士元恭敬地说。 随后，施士元将清华大学校长写的推荐信交给了她。居里夫人仔细地看过后问道：“你是通过中国的官费考试来法国学习的？”施士元点头称是。于是，她慢慢地说：“按规定，到我研究所的人必须经过考试，但根据你的情况，可以免考直接来工作了。”她回过头征求女儿的意见。 居里夫人的女儿伊伦娜对着母亲微笑着点点头，表示同意。伊伦娜1925年获得博士学位，是母亲的好助手。 就这样，施士元成了居里夫人的一名中国学生。受教于居里夫人的只有两个中国人，另一个是学化学的。 回到住处后，施士元心潮难平。他知道居里夫人是世界上惟一一个跨两个学科、获得诺贝尔奖的科学家，也是惟一一个两次（1903、1911）获得诺贝尔奖的女科学家。有史以来存在过的100多亿人口的人类所发现的一百零几种化学元素中有两个是她发现的。她首创放射学，为人类利用原子能开辟了道路。她也是被大科学家爱因斯坦推崇为“在我认识的所有著名人物中，惟一一个不为盛名所颠倒的人”。细微处见精神 镭研究所是居里夫人一手创办起来的，它于1919年左右建成后交付使用，是当时全世界放射性研究三大中心之一，拥有当时全世界最强最齐全的放射源：1·5克的镭、很强的射钍源、当时全世界独有的锕系元素。而在加速器技术没有充分发展之前，天然放射性元素是核物理研究的惟一手段。 施士元暗下决心，要从做人、做学问两方面拜居里夫人为师，学到真东西。 来到镭研究所后不久，施士元就发现居里夫人做事认真，要求严格。实验室门上贴着一张颜色已发黄的纸条，上面用法文写着：“任何材料不允许带出室外。”她规定：在离开实验室之前，必须把实验台面和仪器整理好，凡是从某一地方取出来的东西必须放回原来的地方。有一次，居里夫人发现图书室中有一本杂志不见了，她就在全所查询：“是谁取走了这本杂志，为什么没有在借书簿上登记？”后来发现，只是有人不小心插错了地方。这些小事，给施士元留下了深刻印象，也从中领悟到科学需要严谨的作风。 在施士元做实验时，居里夫人经常站在他的身边，用略带严厉又近乎固执的口吻，反复地提醒必须注意的事项：一是不能用手去碰放射源，要用镊子去夹取，否则手指尖会被灼伤，变得僵硬甚至发炎；二是接近放射源时，要用铅盾挡住自己的身体，要屏住呼吸，以防把放射性气体吸入体内。居里夫人再三告诫他，这是非常关键的。 开始，施士元有些不解：这么大的科学家怎么老是说这些东西。后来才明白，原来在他来镭研究所之前，曾有一个法国青年在这儿工作。居里夫人给他一个题目，就是用内转换电子能谱来解决γ射线谱，当时用的是镭系的放射性沉淀物，其中氡是一种放射性很强的惰性气体。这个法国青年本来身体强壮，科研工作也取得了一些进展，但因为没注意安全事项，吸进了相当剂量的氡气，后来患了急性肺炎，不幸死去。他的死给充满爱心的居里夫人留下了一道难以抹去的伤痕。从此，每当居里夫人不厌其烦地提醒施士元时，一股暖意就会在他全身弥漫。 居里夫人给施士元的实验课题正是那个法国青年未完成的。但施士元认为，科学是需要有献身精神的，居里夫人就在长期的实验中身体受到很大损害，当然也应避免无谓的牺牲。由于施士元在清华大学读书时曾苦练游泳，进行实验操作时屏住气是件轻而易举的事。在镭研究所工作的4年中，由于不断得到居里夫人的正确指导，施士元的身体没有受到任何损伤，这也可算是一大奇迹。 居里夫人在学术上对大家要求十分严格，但她为人充满爱心。她总是对学生倾注慈母般的爱。有时候，她会关心地询问施士元的生活情况，问有没有困难，有些生活琐事都能想得很周到。有时候，施士元正在专心实验，居里夫人会忽然出现，轻声地说：“我想实验的过程应该是这样的……”说着就熟练地示范起来。毕业与告别 在留学期间，施士元全方位地接受了居里夫人的影响，他学到了知识，更重要的是学到了治学需要的求索精神。在几年间，施士元对钍B的β射线磁谱的文章于1932年在法国科学院院报上发表。他还完成了钍C＋C′＋C〃的β射线的磁谱工作、对锕系元素锕C＋C′＋C〃做β射线磁谱工作，这些都在法国科学院院报上发表。最后一篇总结性文章，则在1933年法国物理学年鉴上发表。这些文章引起了较大的反响，为施士元以后的发展奠定了扎实的基础。 1933年，一个春光明媚的日子，在巴黎大学理学院的阶梯教室里，举行了施士元的博士论文答辩。巴黎大学任命居里夫人、P·拜冷和A·特比扬主持答辩。这3位主考官都是获得过诺贝尔奖的物理学家，评委阵容精干而豪华。 在答辩会上，施士元认真自信地宣读了博士论文。他的论文题目是《放射性同位素钍的放射性沉淀物的β能谱》，副论文题目是《β能谱通过物质时的变化》。他的论文均是在居里夫人的精心指导下完成的。宣读完论文后，3位大师从各个不同的角度不停地提问。作了充分准备的施士元侃侃而谈，发挥十分出色。 施士元的同学帮他拍下了当时的情景。这是居里夫人留给施士元的惟一纪念。 如今，这张被放大了的珍贵照片就挂在施士元的书房里。照片中施士元胸有成竹地站在讲台前，居里夫人坐在教室侧面3人评审小组的中间位置，她扬着头，在认真地聆听着这位年轻而有才华的得意弟子娓娓而谈，露出满意的神情。 论文答辩结束后，居里夫人宣布休会20分钟。一会儿，3位大师从会议室出来，居里夫人高兴地宣布：“论文通过，很好。”她向施士元伸出热情的手，祝贺他答辩成功，获得博士学位。 第二天，居里夫人专门为施士元举行了酒会。在镭研究所充满欢声笑语的草地上，居里夫人首先致词：“请大家举起酒杯，为祝贺施先生完成论文而干杯！ ”席间居里夫人来到施士元的身边，小声地问他是否愿意留下来继续工作，施士元委婉地说：“我们公费学习的期限是4年。”居里夫人善解人意地说：“不用担心，以后的工作与生活费用我来想办法。”面对居里夫人充满期待的眼神，施士元沉默了。他想：留下来确实很好，这里有居里夫人这样世界一流的大师指导，有世界上最好的实验设备，在这里或许能取得更好的学术成就。但一种更为强大的力量驱动着他，施士元想起当年留学前学成报国的宿愿，还是决定回国工作。 那是一次朴素的酒宴，那是一次告别的聚会，那也是一次等待重逢的离别。 1933年的夏天，施士元取道苏联，回到了祖国。 1934年7月4日，居里夫人因大半生接触放射性物质，患恶性贫血在法国阿尔卑斯山疗养院逝世，享年67岁。以她的满腔热情，宏大胸襟和远大抱负，无疑是英年早逝。临死的时候，这位女科学家的双手被镭烧伤了，遍布着疤痕，射线渗入骨血。 得知噩耗的施士元，顿时沉浸在悲痛之中。他怎么也没有想到，在镭研究所草地上举行的美好聚会竟成了他与居里夫人的永别。 再到法国看看的心愿，由于种种原因一直未能实施。直到1978年，施老应邀到德国参加有关原子核问题的国际研讨会，才有机会圆他的“法国梦”，昔日的镭研究所已成了居里夫人博物馆。走着，看着，想着，施老眼眶湿润了：居里夫人不在了！当年同在镭研究所的其他人员都离开了人世！执教大学 1933年，施士元通过位于南京的中央大学的聘试，成为该大学物理系主任、教授，从此开始了他教学、科研的国内生活。回想到这个人生的坐标点时，施老自豪地说：“我可能是当时世界上最年轻的教授吧。” 在受聘仪式上，发生了一件别有意味的事：一同受聘的人中，有一位是施士元的中学老师，但聘的只是讲师。当施士元热情地与他寒暄时，这位老师喃喃几句，说不出什么话来。第二天，这位老师不辞而别。 施老从此与中央大学、南京大学结下了不解之缘，一呆就是60年，精心培育物理学的栋梁之材，他的学生中有12名院士，有世界著名核物理学家吴健雄，还有相当一批人成为我国“两弹”研制的骨干力量，他们为我国核物理研究作出了杰出的贡献。 1945年8月，美国在日本广岛、长崎投下两颗原子弹，日本无条件投降，当时中央大学已西迁重庆。许多人向施士元提出：“什么是原子弹？为何原子弹有这么大的威力？”施士元根据他掌握的核物理知识，通俗地作了介绍。施士元的报告在《中央日报》上披露后，一些机关如资源委员会及军事部门，纷纷邀请施士元作报告。蒋介石闻讯，令其侍从室人员要求施士元作一份制造原子弹的计划书。1945年9月底，教育部令王书林到南京办个临时大学，王约施到临大工作。于是他俩在白市驿机场乘坐一架军用飞机飞回南京。后施士元忙于教课和系主任工作，此事不了了之。 1946年，中央大学迁回南京。施士元负责筹建物理系。当时，学生运动此起彼伏，地下党活动中心就在物理系内。施士元表面不过问，内心却表示理解和支持。1949年初，淮海战役迫使国民党败退之势已成定局，蒋介石准备逃往台湾。当时中央大学校长周鸿经，将两只木箱送到物理系，准备把实验仪器装运往台湾。施见此木箱，暗笑周的无知，命令其实验员高成功将原版德文图书装箱，从科学馆沿水泥楼梯从二楼推移至一楼，木箱粉身碎骨。当理学院讨论是否搬迁台湾时，施士元将木箱一事公开，会上决定理学院不去台湾。当时中央大学有很多院系，理、文、工、医、农、林、化工、航空等。理学院不迁，工学院闻讯也不迁，其他学院也不迁。只有校长、教务长、总务长三人带了一笔巨款去了台湾。1949年4月，百万雄师过大江，中央大学师生迎接解放。理学院带了头，保存了一大批师资力量，这对后来的南大、南工、南航、南化等大学的发展起到了不可磨灭的巨大作用。1952年院系调整时，中央大学文理两院加上金陵大学及金陵女子大学文理教师组成南京大学。施士元负责基础物理教研组。 50年代，为了配合中国发展原子能事业，施士元受命创建了原子核物理专业。当第一届国际和平利用原子能会议在日内瓦开过以后，苏联将一些图片资料送来中国几个大城市进行原子能和平利用巡回展览。施士元和南京大学一批师生至上海苏联展览馆参观学习。会上来了十几位苏联专家作学术报告。苏联专家作报告，翻译人员口译，因为没有专业知识，听者茫茫然。为了弥补僵局，施士元作辅导报告，深入浅出，听众恍然大悟。出版社得知此讯，要施士元的讲稿，成书出版。《核反应堆理论导论》就这样于1960年出版。这是我国当时惟一的反应堆理论书籍。过后多年，从事反应堆设计的学生们知道，这书依旧是他们的入门教材。 施老通过自己几十年的不懈追求，在学术上取得喜人的成就。他是中国最早从事锕系元素核谱工作的学者，他和居里夫人及其助手罗森勃隆一起发现了α射线精细结构的能量与一些γ射线的能量严格相等，这意味着原子核有转动状态的存在，而原子核转动状态理论的建立则是在20多年以后。 70年代，施老转入高能物理理论研究，他“发现”了原始粒子的存在，原始粒子的质量是37·5兆电子伏特，所有的基本粒子都是由原始粒子构成的。 施老说，70年代，他把有关原始粒子的论文寄给国内外学术刊物，但都被退了回来，因这是一个至今尚未被证明的“原始粒子”。施老肯定地说：“如果谁能第一个在实验上证明原始粒子的存在，他将获得诺贝尔奖！我真希望国内能出这样的人！”得意弟子吴健雄 施老对自己的三个女儿、三个女婿很欣慰，他们都是教授，各有所成。但他特意提到了得意弟子吴健雄。吴健雄是世界著名核物理学家，曾担任美国物理学会会长，被称为“美籍华裔的居里夫人”。从恩师居里夫人，到自己，到学生吴健雄，施老显得十分感慨：“一个人，从师很重要，得到好学生也很重要！” 吴健雄第一次引起施老注意的，是她漂亮的中文字。吴是施老1933年所教的10多名学生中的一位。慢慢地，施老注意到吴不但字好，成绩好，而且做学问的劲头和方法都很好。于是施老给予这位聪慧的学生以更多的关注，在教学、科研过程中，他俩结下了深厚的师生感情。吴健雄曾经说过，真正把她领进物理学的人是施士元教授。 此后，无论是吴健雄毕业后到中研院，还是到浙江大学，到美国加州大学，直至与杨振宁、李政道等人一起，成为世界著名的物理学家，他们之间一直音讯不断。 1957年，当施士元得知美籍华人杨振宁、李政道获得诺贝尔物理学奖时，一方面为炎黄子孙深感自豪，另一方面为他的学生吴健雄没有获奖略感惋惜。吴健雄是世界上实验证明“弱相互作用中‘宇称’是不守恒的”这个命题（而这是获奖命题）的第一人。论贡献，吴也可以得到诺贝尔奖。由于种种因素，吴与这项世界科学家梦寐以求的大奖交错而过。以色列得知情况后，为了表达对吴的敬意，专门为她颁发了一个奖，奖金与诺贝尔奖数额相当。 1978年，历经磨难的中国迎来了又一个春天。离开祖国几十年的吴健雄，从美国风尘仆仆地扑到母亲的怀抱。征尘未洗，她马上赶到恩师施士元家中。两双手紧紧地握在一起…… 从那以后，吴健雄基本上每年回国一次，每次必到施老家中拜访，嘘寒问暖，关怀备至。 1999年，吴健雄因病在美国去世。施老得此消息，悲痛异常，身体一度恶化。吴健雄的丈夫袁家骝把她的骨灰从美国送回家乡江苏太仓时，曾专程看望了施老。谈起心爱的学生离开人世，施老潸然泪下…… 施老认为，21世纪开头的50年是中国十分关键的时间段，他相信科学界、物理学界的水平能够从整体上提上去。施老也挚望中国能够获得诺贝尔物理学奖，以圆他们这些老一辈学者的梦想。图晚年施士元
有两个。1、郑大章——理化博士郑大章，1904年生于合肥东乡撮镇（今属肥东县）。他的祖父郑国魁系淮军名将，于李鸿章有救命之恩。他的父亲郑伯衡，民国初年曾任内政部长和吉林省省长。童年、少年时期，郑大章生活在苏州、合肥、南京、上海、天津、北京等地。五四运动强烈地震撼着他的心灵，坚定了他学好科学振兴祖国的信念。1920年秋，年仅16岁的郑大章从北京高师附中毕业，便负笈西行，到法国勤工俭学。在通过了语言关后，1922年他考入巴黎大学理学院，并选择化学作为主攻方向。出国求学经历其时，欧洲列强经济上仍处于上升阶段，某些短视的西方人盲目自大，看不起从贫穷落后的中国来的学生，郑大章不免受到歧视。殊料第一学年过去，巴黎大学数学会考，名列年级第一的竟是中国来的郑大章！中国留学生考得第一，是这所欧洲名牌大学从未有过的事，以致当地一家报纸竟打出“耸人听闻”的标题：《法国的数学危险了》。郑大章为中国争了光，在我驻法使馆的帮助下，他获得了来自国内的奖学金。在巴黎大学第五学区一个小旅馆五楼那十来平方米的小屋内，郑大章夙兴夜寐，苦苦攻读。他最爱去的地方是图书馆和实验室。 巴黎大学云集着一些世界知名的大学者和科学家，郑大章在这里受到严格的基础知识的训练和名师的熏陶。他的导师中，有一位曾对他一生的事业产生过巨大影响，她就是原籍波兰的法国物理学家、化学家居里夫人。她很欣赏这位勤奋好学的来自东方文明古国的学生，经常给予特别的指导。郑大章在取得学士学位后，立即来到学校的镭学研究所?居里楼，成为师从居里夫人学习放射化学的第一位中国研究生。 居里夫人这位两获诺贝尔奖、热爱和平的伟大女性，一贯奖掖后学，诲人不倦。她既在精神上鼓励郑大章为自己落后的祖国争气，又以自己在科学上的真知灼见影响着郑大章，并手把手地辅导他做实验、写论文。仅1931年12月，郑大章即有三篇论文发表在法国国家科学院院报上。1933年12月，以居里夫人为主席的巴黎大学理学院答辩委员会一致通过郑大章的博士论文，郑大章获得法国国家理化博士学位。回国一个月后，郑大章以年迈的双亲常在梦中，故乡的河山时时萦怀为由，向居里夫人辞行返国。居里夫人当然极力挽留她的这位中国籍高足，认为法国有一流的科研条件，今后可大展宏图。但在明了了郑大章矢志报国的决心后，她也就欣然同意。1935年初春，郑大章携自重庆大学来法攻读数学的长沙姑娘萧晚滨踏上归国的旅程。成婚在北平中山公园的来今雨轩，郑大章和萧晚滨举行了隆重的婚礼。蒋介石曾专门接见他们，并拨出一笔可观的休息费。但郑大章却企盼立即投入工作。新婚燕尔，他即应先他回国的学长严济慈（时任国立北平研究院物理研究所所长）的邀请，筹建镭学研究所。建镭学研究所镭学研究所筹办之初，由严济慈兼所长，郑大章任副所长实际负责。所谓的“所”，实际上就是三间平房，缺人少钱短设备。刚届而立之年的郑大章，硬是凭着一个爱国青年的闯劲和一个科学家所具有的恒心和毅力，筚路蓝缕办起了镭学所。 镭是一种放射性金属元素，存在于些矿石和矿泉中，含量极为稀少。镭的放射性穿透力很强，可用来破坏物体组织并杀死细菌，治疗癌症，还能寻找石油资源，探索岩石成份，其应用十分广泛。为了开垦中国镭学和放射化学这块处女地，郑大章带着几个年轻人，查资料、订计划、找仪器、寻设备，辛苦奔波，反复实验，终使研究所初具雏形。例如，当时人们对锕系元素和铀-镭系元素并不十分清楚，郑大章通过一次又一次的实验，测定了沥青铀矿石中钋对铀的放射性比例，从而论证了铀锕系元素和铀镭系的放射性分枝比值。再如，实验中必需的铀矿石是郑大章通过比利时驻华使馆从其殖民地刚果托运来的。他的一系列新的研究成果和实验论文在中、法一流的学术杂志上发表，他首创的“水法”找矿，国外一直沿用到20世纪60年代。 卢沟桥事变后不久，华北的一批汉奸受日本侵略者唆使，组织伪“政府筹备处”。王揖唐是郑大章祖父的表弟，1918年他出任众议院议长时，曾任用郑伯衡管理总务。故北平沦陷后王揖唐担任伪“华北政务委员会委员长”时，力邀晚辈郑大章担任伪“教育部长”，不意被郑大章断然拒绝。1938年底，郑大章和助手、留法时师从居里夫妇女婿约里奥?居里的杨承宗等秘密离开日伪严密控制的北平，到上海租界中继续从事镭学研究。在异常困难的条件下，他们从大量铀盐中分离制出很强的新β放射源，发现了β射线的吸收系数随放射源周围物质的性质而改变，由此形成背散射法鉴别不同支持物质其及厚度的理论。英年早逝1941年8月14日，郑大章于穷困潦倒中因心脏病突发不幸逝世于苏州，时年37岁。2。施士元（1908—2007 ）施士元，物理学家、教育家。我国最早从事核物理研究者之一。发现α射线精细结构与γ射线能量严格相等的现象。曾发现液态钠中有晶态原子团存在；证明AuCu3有序无序转变是成核成长相变过程；用蒸发模型和准自由散射成功地计算3H（n，2n）和3He（n，2n）截面，还指导用核技术开展对生物分子和高分子的研究工作。长期致力于物理教学工作，培育了大批物理人才。施士元，又名公岛，笔名万乙，1908年3月18日生于上海市崇明县。其父施禹传毕业于保定军官学校，1911年辛亥革命时曾参加国民军攻占南京战役。施禹传治家严谨，教子有方。施士元幼时曾阅读“四书”、“五经”、《左传》等经典著作及《封神榜》、《西游记》等古代小说，遂使他既具有忠孝节义、仁义礼智信的道德规范，又有超越现实世界的思想境界。 1920年夏，施士元以总分第一的成绩毕业于崇明三乐小学，旋即考入上海浦东中学，六年学制，他五年完成。学习期间，凡遇数理化难题，他不是远而避之，而是锲而不舍，千方百计地求得其解。对待难题，养成无畏和不屈不挠的精神。六年级时，他与一些同学成立了一个数理化学会，从事解难题工作。对施士元来说，中学的课程已不成问题，目标对准大学一年级数理化教材。在学期间，他曾被选为学生会长，参加过上海发生的“五卅运动”。1925年夏，施士元考入清华大学物理系。1926年3月18日，他与全校同学一起反对段祺瑞对日签订塘沽协定。当时，在铁狮子胡同枪林弹雨中，死伤300余人，施士元幸免于难。1927年国共分裂，同学中对时事议论纷纷，施士元很少介入。他认为这些事，他无能为力，悄悄地常去图书馆，钻进书本里。1925—1929年四年间，施士元学习认真，获得了大量的基础理论知识，为以后开展科学研究奠定了基础。我国最早从事核谱学研究的学者之一 1929年夏，施士元考取了江苏省官费留学法国。从上海到法国马赛，飘洋过海，历时31天。1929年冬，他进入巴黎大学镭研究所，在居里夫人指导下，从事核谱学研究工作。镭研究所是居里夫人一手创办起来的，它是当时全世界放射性研究三大中心之一，拥有当时全世界最强最齐全的放射源。有1．5克镭、很强的钍源、当时全世界独有的锕系元素等。在加速器技术没有充分发展之前，天然放射性元素是核物理研究的唯一手段。因此，有些实验工作其他实验室不能做的，居里夫人实验室能做。原子核物理与原子物理的发展相似，也从谱学开始，最早的工作是核谱学，即原子核的α射线谱、β射线谱与γ射线谱的研究与分析。30年代初，居里夫人实验室开展对α射线谱精细结构的研究，施士元参加了此项工作。这一工作是在巴黎附近勃尔浮的大电磁铁上进行的。对γ射线谱的研究，最直接的办法是用类似晶体衍射谱仪。但是γ射线波长很短，晶体衍射谱仪只能对软γ射线适用，对一般的γ射线必须用比较间接的内转换电子能谱类确定γ光子的能量。因此，在30年代初，人们的注意力放在放射性元素的内转换电子能谱测定工作上。当时居里夫人给施士元的研究题目就是放射性沉淀物的内转换电子能谱的测定与分析。施士元对钍B的β射线谱的文章于1932年发表在法国科学院院报上。同年他完成了钍C十C′十C"的β射线的磁谱工作。而在1932—1933年间，又完成了对锕系元素锕C十C′十C"的β射线磁谱工作。这些工作均写成论文发表在法国科学院院报上。最后一篇总结性文章则在1933年法国物理学年鉴上发表。施士元和居里夫人及其助手一起，发现了α射线精细结构的能量与一些γ射线的能量严格相等。这是因为一个母核发射出一个α粒子之后，子核可以处在基态或者处在一个激态。如果子核处在基态，则α粒子能量最大。如果子核处在一个激态，则α粒子能量就要小些。因为一部分能量被用来激发子核。子核激态常以发射γ射线来消退激发。所以，γ射线的能量会严格地与α射线精细结构的能量相等。后来施士元经过分析，意识到这种规律的出现是由于子核的激态可能是一种转动状态。因为α粒子带走了角动量，角动量守恒导致原子核的转动。在1929—1933年的四年中，施士元专心一意地从事实验工作。1933年春，在巴黎大学获得博士学位。此后居里夫人曾要求施士元留下继续在所里工作，并宣称可以负责他以后的生活费用。施士元因为已收到国内的约请信，故婉言谢绝了居里夫人的好意。1933年初夏之际，施士元回国。他为了观看苏联前几个五年计划发展重工业的成就，取道德国、波兰和苏联西伯利亚回国，在列宁格勒参观了冬宫及十月革命起义时的一些古迹，在莫斯科参观了莫斯科大学及东方大学，还看到附近的集体农庄、幼儿园、面包工厂等。在海参崴施士元搭乘一艘货轮回到上海。 为中央大学、南京大学物理系的发展竭尽全力在上海，正逢中国物理学会召开第二届年会。施士元在会上作了放射性元素β磁谱的报告，受到与会者的好评，并在会上接到中央大学和浙江大学的聘书。他认为中央大学更需要他，于是应中央大学之聘来到南京，成为中央大学物理系教授兼系主任。当时，他只有25岁，是全国高等学校中最年轻的一位教授。在1933—1952年的19年中，他每学期开2门课，有时开3门课。除无线电课程以外，其余课他都开过。由于当时只有外文参考书，没有中文教材，因此他在讲课过程中，常常自编讲义，先后编写了普通物理学、原子物理学、理论力学、光学等讲义。1952年院系调整后，他还编写了X光结构分析、核理论、粒子物理等教材。为配合教学和科研的需要，他又翻译了X光结构学、角动量理论、核理论精选等方面的书。他在教学中对学生负责，教学内容正确无误，深入浅出，举一反三，触类旁通。在他的教诲下，培养了一批物理学人才。他的学生中有的后来成为闻名的科学家，如吴健雄等。施士元在教课之暇坚持进行科学研究工作。在设备条件很差的情况下，于1936年用X光衍射法观察到钠在熔点以上处于液态状态还存在着晶态的衍射花样，这表示在液态中一个钠原子周围的环境还保持局部的晶体环境。1937—1945年抗日战争期间，中央大学西迁重庆，学生基本上照常上课。但因日本侵略军飞机经常轰炸骚扰，实验室工作大部分停止，使科学研究工作无法进行。1945年8月，美国在日本广岛、长崎投下两颗原子弹。原子弹的爆炸震惊了全世界，人们自然而然地提出一系列问题：什么是原子弹？为什么原子弹有这样大的威力？原子弹是怎样制造的？等等。为了满足人们的好奇心，施士元根据核物理知识和自己对核裂变现象的了解，作了一系列报告。施士元的报告在中央日报上作为新闻出现。于是政府机关（如资源委员会等）、工矿企业、军事部门和军队纷纷约请他作报告。在50年代，当苏联建成第一个原子能发电站后，施士元做了多次关于和平利用原子能的报告。当苏联第一艘原子能破冰船下水启航时，施士元又做了一系列报告。这些科普宣传工作使施士元获得科普积极分子称号。南京解放前夕，当时的校长、教务长动员他去台湾。但他却兀自不动，安如泰山。他意识到在共产党政权之下，知识分子不会没事做。1952年，中央大学改为南京大学，并成为文理科综合性大学。仿照莫斯科大学，各系成立专业教研室，采用苏联教材。1954年，施士元为了配合重工业发展的需要，与一些教师共同创建了金属物理专业，目的是培养发展重工业所需的金属物理人才。施士元开出X光结构分析课，翻译出版了《伦琴结构分析》（俄译本）与《X光结晶学》（英译本），培养了金属物理方面的研究生与光谱分析方面的进修教师，发表了AuCu3有序无序转变动力学等10余篇文章。施士元为了配合我国发展原子能事业，在校领导支持下，创建了原子核物理专业。第一届国际和平利用原子能会议在日内瓦结束以后，苏联来我国几个大城市，进行原子能和平利用图片资料巡回展览。施士元和南京大学一批师生到上海苏联展览馆参观学习。会上来了十几位苏联专家作学术报告。翻译人员没有专业知识，牛头不对马嘴，听者茫茫然。为弥补僵局，施士元作辅导报告，深入浅出，听众恍然大悟。出版社得知此讯，索要施士元讲稿，成书出版。《核反应堆理论导论》就这样于1960年出版。这是我国当时唯一的反应堆理论书籍。过后多年，这书依旧是从事反应堆设计的学生们的入门教材。1958年，核物理专业师生分成加速器、探测器、质谱仪、β谱仪、核电子学等小组，日以继夜研制教学用的仪器设备。奋战一年后，核物理实验室逐一建立起来，自力更生，培养了一批又一批学生，送往祖国边远地区原子能事业单位。施士元考虑到核物理是实验科学也是理论科学，遂在专业内建立一个理论小组，并在教学工作的同时出版了《角动量理论》与《核理论精选》二书。约在1975年，核理论小组接受了第二机械工业部下达的核参数理论计算工作的任务。在核武器或反应堆设计过程中，需要大量的核参数，其中最主要的是中子打在一些核素上的散射截面。理论计算工作是使零星分散的实验数据系统化，填凹补缺，内插外延，以满足设计工作的需要。核理论小组用共振群方法进行中子对一些轻核的截面计算。计算结果经鉴定后被采用，并得集体奖。施士元用蒸发模型成功地计算在氚及氦上的（n，2n）和（n，3n）截面。当时在极低能量区中，理论与实验不一致。施士元在1983年用准自由散射模型获得满意结果，文章在核物理杂志上发表。1978年以后，核参数工作发展成为核少体问题理论工作，施士元曾多次主持核少体学术会议。70年代末，国内在1958年建立起来的核物理专业纷纷下马。为了求生存，施士元和同事们将实验工作转向利用放射性同位素作核技术应用方面的工作，在80年代先后开展了穆斯堡尔谱在生物分子研究方面的工作和用正电子湮没技术研究高分子材料的工作。在理论工作方面，施士元转向研究粒子物理最基本的强作用问题。 施士元除科研和教学外，积极参加各项社会活动。1956年参加中国民主同盟。1958年起被选为江苏省第二、三、五、六届人民代表大会代表与中国人民政治协商会议第二届南京市常务委员会委员。曾任中国质谱学会副理事长与质谱杂志主编，江苏省物理学会理事长，江苏省科普创作协会理事长，中国核学会、核物理学会、科普协会常务理事。施士元积极参加由中国物理学会组织的物理学名词规范化的工作，由他参加编写的《英汉物理学词汇》，1975年由科学出版社出版。从1982年起到1987年，他又参加编著《汉英物理学词汇》，于1993年由南京大学出版社出版。施士元还爱好油画，曾临摹法国、意大利、德国、波兰古典名画几十幅，创作油画几百幅，其作品《雁归来》参加了1993年中国油画展。施士元于1987年退休，并成为南京大学物理系名誉主任。2007年9月19日，施士元迎来百岁华诞，其文集《施士元·回忆录及其他》举办首发式。 2007年9月28日，ShellWong在南大小百合站D_Physics区发文哀悼施士元逝世。[8]简历1908年3月18日 生于上海市崇明县。1929年 毕业于清华大学物理系，获学士学位。1929—1933年 在法国巴黎大学镭研究所从事研究工作。1933年获法国巴黎大学科学博士学位。1933—1952年 任中央大学物理系教授，兼系主任（1933—1934）、代系主任（1946—1952）。1949—1984年 任江苏省物理学会理事长。1952—1987年 任南京大学物理系教授兼教研室主任。1987年 任南京大学物理系名誉主任。2007年9月28日 逝世
核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文，大家快来跟我一起欣赏吧。
激光核物理
摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.
关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸
1 什么是
最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到;1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].
在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].
超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.
2 国内外研究现状
当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.
高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.
3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点
激光产生高能电子[4—7]
产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .
当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.
激光产生质子束[8,9]
在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:
(1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?;?106A的脉冲质子流.
从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.
(2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为;mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.
(3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.
(4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.
(5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.
激光产生中子[10,11]
超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.
氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.
利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生;104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了;105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.
在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.
激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]
用超短超强激光(50mJ,)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.
激光产生正电子[13,14]
将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.
4 主要存在的问题和 分析
这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.
国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.
从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.
参考 文献
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[2] Mourou G, Tajima T, Bulanov S V. Reviews of Modern Physics, 2006, 78: 309
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[14] Gahn C et al. Phys. Rev. Lett., 1999, 83 :4772
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居里夫人有中国学生。
郑大章是居里夫人的第一名中国留学生，其博士论文被巴黎大学理学院一致通过为“最优等”。他还参与了里昂中法大学镭学研究所的筹建工作。
在居里夫人的学生中，施士元是非常特殊的一个。这种特殊性体现在两个方面，一是个人层面，二是国家层面。施士元先是考取了江苏省的官费留学资格，接着只身前往巴黎。巴黎大学给他准备了一份教授名单，上面罗列着可供学生选择的教授。其中，就有居里夫人。
施士元星期三发送求师信给居里夫人，星期五就收到了居里夫人的回复，约他星期六去研究所面谈。就这样，一个来自远东的学生，遇到了一个生于东欧的老师，在欧洲的心脏，开始了一段传奇。
扩展资料
中国科学家严济慈赴法留学取得法国国家科学博士学位回国前，曾郑重向玛丽·居里夫人推荐郑大章到她的实验室工作，使郑大章于1929年秋成为居里夫人的第一名中国留学生。
郑大章进入巴黎大学镭学研究所(居里楼)，在居里夫人指导下从事放射化学研究。居里夫人手把手地辅导郑大章做实验、写论文。她还于1930年6月、1932年6月、1933年6月三次给里昂中法大学协会写信，为郑大章申请延长奖学金。
仅1931、1932年，郑大章即有三篇论文发表在法国国家科学院院报上。1933年12月21日，以居里夫人为主席的巴黎大学理学院答辩委员会一致通过郑大章的博士论文为“最优等”，论文的题目是《放射性矿物中钋铀比的稳定性研究》。
郑大章随即获得法国国家理学博士学位(按法国博士学位分国家、科学院、大学三个层次，以国家最高)。获得博士学位一个月后，郑大章以年迈的双亲常在梦中，故乡的河山时时萦怀为由，向居里夫人辞行返国。
居里夫人当然极力挽留她的这位中国籍高足，认为法国有一流的科研条件，今后可大展宏图。但在明了了郑大章矢志报国的决心后，她也就欣然同意，只是让他在居里楼再工作一段时间。
参考资料来源：人民网-郑大章为居里夫人首名中国留学生 37岁英年早逝
参考资料来源：中国科学院高能物理研究所-居里夫人和她的中国学生
原子物理学发展相对论质能方程原子能的提出原子能的实践发展原子弹的历史和一些传说(德国)美国原子弹的发展和成功(建议到实施)原子弹的后果(日本)原子弹的发展对世界和社会的影响
物理学家，是指探索、研究世界的组成与运行规律的科学家。这是我为大家整理的关于物理学家学术论文，仅供参考!
对物理学家失误的解读
摘 要：通过在物理教学中客观介绍物理学家的失误，从而正确认识科学发展的曲折和科学家付出劳动的艰辛，并在实际探究的过程中体验物理学家研究问题的方法，发展科学探究所必需的创新思维，从而提高学生科学探究的能力。
关键词：失误;科学探究;创新思维
中图分类号：G420 文献标识码：A
文章编号：1992-7711(2012)10-081-1
在物理教学中，我们更多地介绍了物理学家成功的、正确的一面，而往往忽略了他们的失误。在物理教学中客观介绍物理学家的失误，通过对他们在特定历史条件下酿成失误原因的剖析，对中学物理教学具有积极的意义。
一、在物理教学中客观介绍物理学家的失误
事实上，物理大师也会走弯路，有失误。在物理学发展的过程中，这样的事例可以说是屡见不鲜的。发现放射性元素的贝克勒尔认为要找到比铀的放射性还要大得多的元素是不大可能的;牛顿推算光在介质中的速度比真空中大;电磁波的发现者赫兹由于实验的局限而错误地认为阴极射线不带电。
中子发现的历史更值得回顾。在查德威克发现中子前，在实验中已有迹象表明在核中可能存在一种中性子。例如，1930年德国物理学家玻特和他的学生利用α粒子轰击铍元素时，发现产生了一种穿透力极强的射线。后来居里夫人的女儿I?居里和她的丈夫约里奥对这种射线进行了研究。他们将这种射线射到石蜡上，测到了有反冲质子从石蜡放出，他们认为这反冲质子是由这种不带电的的射线所轰击出来的。但遗憾的是约里奥-居里夫妇和玻特等人都没能抛弃传统的旧观念，而断言为这种射线正是大家所知的Υ射线。太可惜了!尤其对约里奥-居里夫妇而言，只要根据打出质子的动能，仔细地推算一下，假如入射粒子是Υ光子的话，那么它的能量将达几十兆电子伏，要比实验测得的这种未知中性粒子的能量大得多，于是就会发现，这种未知中性粒子不可能是Υ射线。可惜旧的传统观念太深了，以致快到手的成果丢掉了。在正电子的发现过程中，同样的失误又一次发生在约里奥-居里夫妇身上，使他们成了正如恩格斯所描述的“当真理碰到鼻子尖上的时候，还是没有得到真理”的人。
纵观物理学家们的失误，造成他们作出错误分析或错失了重大科学发现的主要原因有两个：一是科学发现和创造是人类向未知领域不断探索的一个过程，而这个过程必然是复杂的、艰难曲折的，在这样的过程中出现一些失误是难免的;二是传统思想的束缚，科学发现和创造需要丰富的想象力，需要新思想、新观念，因循守旧、墨守成规就不可能作出科学发现，但突破传统观念总是非常不容易。
二、在物理教学中介绍物理学家失误的积极意义
在物理教学中，教师引导学生认识物理学家的失误，分析失误的原因，似乎会使学生产生对科学的怀疑，对科学家的不敬，在时代呼唤更多创新人才的今天，这并非不是一件好事，将有利于学生体会到人类认识自然，改造自然是个曲折艰苦的过程，是个反复修正、反复深化的过程;有利于确立不怕挫折的信念，增强学习中的毅力;有利于学生打破思维定势，活跃课堂气氛，培养创新思维能力;有利于树立学生挑战权威，服从真理的求知精神。
当然，仅仅介绍物理学家的失误，并不能达到上述目的，更要注意向学生讲述物理学家对待失误和挫折的科学态度和不屈的探索真理的精神。约里奥-居里夫妇不仅错失了发现中子的良机，后来又错失了发现正电子的机会。但他们从失败中吸取教训，始终以饱满的工作热情、坚忍不拔的意志投入研究工作，功夫不负有心人，他们终于在1934年获得了20世纪中最重要的发现之一——人工放射性，并荣获了诺贝尔物理学奖。中国科学家王淦昌教授因为自身或客观条件的限制在发现中子、验证中微子存在等物理研究方面几次和诺贝尔奖擦肩而过，但他并没有放弃对科学热诚的追求，而是进一步拓展研究领域，在众多领域里提出了自己独到的见解，直到年逾90，仍不时到研究室去，他提出的激光引发氘核出中子的想法，成为惯性约束核聚变的重要科研项目，一旦实现，这将使人类彻底解决能源问题。
在物理教学中引导学生辨别物理学家的失误和科学上的也是值得重视的一个方面，法国物理学的权威布朗洛发现N射线就是一场巨大的。对科学史上的揭示显然可以使学生正确理解物理学家的失误，而激发学生对科学家们由衷的敬佩。在实际的教学中我们似乎更应该让学生在进行相关科学探究的实践中重复物理学家的失误，比如在讲电磁感应相关内容时，笔者有意安排了这样的实验，将电流表的表面背对学生，在插入磁铁后，让学生跑到讲台后看指针的读数，学生看过常常露出不解的神情，“指针没动啊!”可磁铁确实在线圈中啊!如此，模仿了当年科拉顿所做实验的情景，并设置了相关的问题使学生明白科拉顿的失误和法拉第的成功在创新思想上的不同之处。
三、在物理教学中介绍物理学家失误的几点反思
1.介绍物理学家的失误，促进新的课程资源不断生成。
正视并合理开发日常教学中的错误资源可以丰富课程内容，激发学生的参与热情，促进新的课程资源不断生成，对师生创造性智慧的激发会起到十分重要的作用。为此，我们可以利用学生的错误激发认知冲突，促进学生思维碰撞;抓住学生因知识经验和思维方式不同而出现的错误的观点和想法，引导学生合作交流，促进生成;不轻易剥夺学生自主发现错误的机会，为教学的有效介入创造最佳时机。
2.介绍物理学家的失误，促进教师更好地锤炼教学艺术。
既然物理学家都可以有失误，对我们教师来说在教学中的失误也就没必要去遮遮掩掩。在教学中，教学双方也会因为各种情况而发生错误，错误可能来自学生，也可能来自教师。对于学生的错误，我们常常能从容应对，对于自己的失误，我们也不能回避，而是要认真反思，究其原因，寻其策略，从而提高教学设计能力和课堂教学水平。错误的价值有时并不在于错误本身，课堂教学中的错误，对学生来说是一次很好的锻炼机会，对老师来说也可以是一次机遇，在生成性的教学中教师正确处理失误是可以锤炼教学艺术，提高自身的专业水平的。
物理学家阿伯拉罕・派斯和他的物理学史著作解读与述评
摘 要：本文主要是对阿伯拉罕・派斯进行评述，探究其对于整个物理学做出的巨大贡献。与此同时，从其著作方面入手，加强关于著作方面的科学解读，希望能够充分继承这位伟大物理学家的精神，对其贡献进一步探究，从而推动整个物理学的不断发展。
关键词：阿拉伯罕・派斯 物理学史 著作 解读 评述
2000年，作为做出杰出贡献的一位伟大物理学家，同时又是一位科学史作家，阿伯拉罕・派斯不幸去世。派斯去世的原因，主要是心脏病发作，他最后的时光在哥本哈根度过，终年82岁。
派斯，1918年出生于荷兰，属于传统犹太人。派斯的中小学教育始于阿姆斯特丹。随后，凭借着自身优异的学习成绩，他非常顺利地进入大学继续学习和深造。1938年派斯顺利毕业，并获取了两个学位，一是物理学，二是数学。但派斯并没有满足于此，而是来到乌得勒支大学，进行个人学术的进一步深造，追随导师乌伦贝克。后来乌伦贝克定居美国，因此派斯的硕士毕业论文，由罗森菲尔德进行有效指导并完成。最终派斯在1940年硕士顺利毕业，取得了相应的硕士学位。然而在当时，德国已经发动世界大战，并逐渐占领荷兰。第二年，德国宣布，7月14日之后，整个荷兰的任何一所大学，严格禁止犹太人考取博士。这件事无疑影响了派斯，他努力赶写博士论文，限期真正到来之前，他最终顺利完成论文答辩。
纵观派斯的整个求学生涯，真是十分不易。然而，派斯随后将要面对的处境更加危险和艰难。当时，纳粹分子对犹太人进行压迫，这也使当地诸多物理学家，为免于遭受迫害而选择逃避，离开了培养自己的大陆。但是派斯不同，他没有离开故土荷兰。也正因为如此，战争爆发后，派斯提心吊胆，整天需要东躲西藏。访问他的当地物理学家也越来越少，除了克拉默斯，派斯较为重要的朋友。克拉默斯访问时，一般都带科学文献，两个人进行物理学知识的相关探讨。克拉默斯本来在莱顿大学承担教授职务，但后来，犹太人解雇现象较为严重，教授对德国人的残暴行为进行了抗议，德国占领大学之后，勒令当局关闭了学校。这对派斯的日常研究，即量子电动力学，造成了极大的不便。每当回首往事，派斯都感到非常不堪。荷兰当地犹太人，包括派斯的妹妹，普遍开始被抓，然后进入死亡集中营，遭到德国人残酷的杀害。而派斯自己，幸运的是能够免于这场灾难。灾难具体情况，详见其自传体著作《欧美记事》。
第二次世界大战结束之后，1946年，派斯到达哥本哈根。在那里，派斯会见了波尔，与其一家人相处融洽。与此同时，他与波尔展开了知识方面的沟通，彼此交流十分惬意。在波尔的大力推荐下，1946年秋，派斯前往美国进行访问和调查，访问的具体地点为普林斯顿，当地的一家高等研究所，但是在当时，这个研究所成立时间不长，物理学的相关研究并没有取得杰出成果。不过研究所的物理学家鉴于自身多年的经验，告诫派斯，研究过程中，如果一味闭门造车，是绝对行不通的，需要广泛涉猎。派斯听取了同行的建议，决定不再回欧洲，留下来潜心研究物理学。
派斯刚刚来到美国的时候，量子电动力学的研究取得了革命性的进展，理论物理学也得到了极大的发展。1947年，设尔特岛会议顺利召开，派斯有幸受邀参加。在这次会议上，施温格做出了科学量子力界的报告，报告非常详细。与此同时，“费曼图”这一理念得以提出。
派斯深深明白，量子电动力学领域，今后势必具有广阔的发展前景，但是这似乎已经和自己的关系不是那么密切了。尽管这方面的雄心有一定的挫败，但是派斯并没有被真正击败，而是转向宇宙线的相关领域。派斯变得更加努力，在加强探索的同时秉承更加积极的态度，针对现象进行科学合理的解释。基于此，派斯得以明确自身的方向，并着眼于基本粒子，研究工作也得到了充分的贯彻落实。
派斯经过大量研究，逐渐提出了协同产生规律等方面的内容，这在日后得到了有效证明和确立。后来，新量子数即奇异数，诞生并发展，关于这方面，派斯曾经与盖尔曼展开过合作，但是实验研究最终失败。
派斯仍然不放弃进行研究，最终提出了K介子混合理念。基于物理学本质来说，量子力学得到了充分诠释，态叠加原理也得到了完善。但是很多物理学家不禁产生了疑问，粒子混合究竟能否符合实际?然而，我们如果站在量子力学角度进行分析，透过基本粒子的本质，会发现观察量具有自带属性的特点，本身存在相应特征和形态。在态叠加原理的应用过程中，守恒电子数一旦满足这一相同条件，粒子混合就能实现。经过派斯等人的共同努力，K介子系统问题得到了充分解决。在这之后，粒子混合不断涌现。不久，科学界又提出了量子排这一概念。通过量子排方面的科学研究，粒子物理学得到了更快的发展，最终在一定程度上推动了原子物理学的发展，并对其形成一定反哺。基于此，量子力学概念得到普及和推广。量子排现象之所以提出较晚，很大一部分原因是人们不敢对其进行大胆想象。
派斯在其他领域同样做出过一定贡献，比如G宇宙领域。然而，在70年代末，派斯逐渐转向物理学史，注重加强这方面的探索和研究，朝着作家的方向发展，并在这方面进展顺利，例如爱因斯坦传记得到了广泛好评，波尔传记也同样大获成功，中文出版量相当可观。还有关于基本粒子方面的科学史巨著《基本粒子的物理学史》的中译本也问世。派斯造诣十分高深，熟知理论物理，对物理学史的叙述表现出一种深刻的洞察。除此之外，派斯语言能力超强，除了母语荷兰语外，他还熟悉地掌握了英语、法语、德语、丹麦语，这为他的科学史研究提供了极大的便利。
派斯的物理学著作，内容更加凸显真实性，如对科学界出现的错误等都进行了如实体现。特别是曾经承受的挫折、物理学走过的弯路，以及物理学家在长期探索过程中经历的迷惘、物理学家个人存在哪些不足等，他都较为直率地指出。
比方说，在爱因斯坦传中，派斯对爱因斯坦的不成熟之处以及其研究中走过的弯路、犯过的错误都进行了毫不客气的说明。再比如，书中指出，马赫原理虽然没有对物理学理论起过推动作用，但它仍然可能是未来的研究课题。
虽然派斯对波尔十分尊重和爱戴，但在波尔传记中对其并未有讳言。比方说，在量子力学领域波尔失误不少，尤其是波尔还曾否定已经被广泛认可的能量守恒定律，对此派斯在书中也如实进行了记录。除此之外，他还指出了哥本哈根阵营中泡利、狄克拉等人对波尔的不满之词。
由此可见，派斯在潜心著作的过程中，始终秉承公允的态度，并且敢于分析伟大物理学家的不足，敢于说出真话，态度十分端正，因而学术界对其十分认可和重视。派斯尤其重视书名，绞尽脑汁之后，才能拟定完成，而且一定要别出心裁。
1963年，派斯最终选择离开普林斯顿大学，来到了纽约，进入洛克菲勒大学工作，直到退休。1990年，派斯同他的第三任妻子――丹麦人类学家尼可莱森结婚，结婚之后，派斯每年往来穿梭于纽约和哥本哈根之间。2000年，派斯的《科学英才：20世纪物理学家群像》问世，这部著作是派斯从个人视角对自己所认识的物理学家进行的速写，是他的最后一部著作。
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