2016 年诺贝尔物理学奖相关物理知识探究

■江苏省海门市证大中学 姜启时

2016 年诺贝尔物理学奖相关物理知识探究

■江苏省海门市证大中学 姜启时

编者注：《考试大纲》的指导思想要求:“重视对考生科学素养的考查,要关注科学技术和社会经济的发展,以利于激发学生的兴趣,形成科学的价值观和实事求是的科学态度”。近几年高考命题中同科学技术发展相关的试题频频出现,这些试题向考生提供较新的概念,考查考生运用科技新信息解题的能力。同学们在平时的学习中要多关注科技新成果的报道,并与课本主干内容横向联系,形成对科学技术应有的正确态度,提升科学思维素养。

瑞典皇家科学院于当地时间2 0 1 6年1 0月4日宣布,将2 0 1 6年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨,以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。

三位2 0 1 6年诺贝尔物理学奖得主打开了一个未知世界的大门,他们使用高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态,如超导体、超流体或薄磁膜,得益于他们开创性的工作,人类有机会了解物质的新相变。2 0世纪7 0年代初,迈克尔·科斯特利茨和戴维·索利斯推翻了当时流行的认为超导性或超流体性不能在薄层里出现的理论,他们论证了超导性可在低温下出现,并解释高温下超导性消失的机制、相变。2 0世纪8 0年代,戴维·索利斯使用非常薄的导电层解释了试验结果,这些导电层可用整数步精确计算导电性,他揭示了这些整数在本质上是拓扑的。大约同时,邓肯·霍尔丹揭示了拓扑概念如何用于理解一些材料中发现的小磁体链的特性。

高新科技是社会发展关注的重要内容,也是高考命题关注的方向,诺贝尔物理学奖是高新科技的热点,近几年的高考中往往会联系高新科技热点命题。2 0 1 6年诺贝尔物理学奖获得者的研究内容涉及高中物理中的许多知识,如低温、相变、超导体、超流体、分子磁体、量子化、霍尔效应、物理学方法等,现探究如下。

一、物质拓扑相变和拓扑相的发现

三位2 0 1 6年诺贝尔物理学奖得主使用的拓扑学概念,对他们的发现起到了决定性作用。拓扑学是一个数学分支,研究的是物质在连续变化时,不连续变化的属性。他们使用了先进的数学方法来解释异乎寻常的物质状态(比如超导体、超流体或者薄层磁性物质)中的奇特属性。迈克尔·科斯特利茨和戴维·索利斯研究了平面(二维)世界的现象,也就是在物体表面或者薄层的物质上所发生的事情;邓肯·霍尔丹研究了细丝状的物质,它们可以被认为是一维的。

在人类对物质运动规律的认识过程中,物理学家大胆猜想、勇于质疑,取得了辉煌的成就。关于物理学家在建立物理学的过程中的重大贡献和创建的物理学方法,下列叙述正确的是( )。

A.牛顿在发现万有引力定律的过程中,进行了“月—地检验”,将天体间的力和地球上物体的重力统一起来

B.2 0世纪初建立的量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论表明经典力学同样适用于微观粒子和高速运动物体

C.卢瑟福在研究原子结构的过程中,引进了量子化的观念

D.三位2 0 1 6年诺贝尔物理学奖得主使用拓扑学概念发现了物质的拓扑相变和拓扑相

解析：由物理学史易知选项A、D正确。量子力学和狭义相对论表明经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体,选项B错误。卢瑟福通过α粒子散射实验,提出的是原子的核式结构模型,玻尔在研究原子结构的过程中,引进了量子化的观念,提出了轨道量子化和能级等,选项C错误。答案为A D。

二、物质在极端低温条件下的量子效应

所有物质在本质上都遵从量子物理学定律。气体、液体和固体是物质的常见相,它们的量子效应过于微弱,往往被原子剧烈的随机运动所掩盖,但是在极端低温的条件下,接近绝对零度(-2 7 3℃)的物质会展现出奇异的新相态和出乎意料的行为,使得只在微观世界中生效的量子效应,在这种条件下突然变得可见了。

图1

2 0世纪3 0年代,俄罗斯人彼得·列昂尼多维奇·卡皮察首先对超流体进行了系统研究。他将空气中的氦4冷却到-2 7 1℃,使其爬上了容器的侧壁,换句话说,在黏性完全消失的情况下,这些氮表现出了超流体的奇异行为。因为这个发现,他获得了1 9 7 8年诺贝尔物理学奖。

在极端低温条件下,量子物理变得可见,现在对超导体薄膜、磁性材料薄膜和导电纳米线等材料相态已经进行过大量的研究。利用扫描隧道显微镜(S TM)可以得到物质表面原子排列的图像,从而可以研究物质的构成规律。如图2所示的照片是一些晶体材料表面的S TM图像,通过观察比较,可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的,具有一定的结构特征。构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是( )。

图2

A.在确定方向上,原子排列具有一定的对称性等

B.晶体加热变成液态的过程是熵减少的过程

C.在极端低温条件下(接近绝对零度),各种晶体不可能成为超流体

D.在极端低温条件下(接近绝对零度),各种晶体均可成为超导体

解析：根据照片上晶体材料表面的S TM图像可知,在确定方向上原子有规律地排列,原子排列具有一定的对称性等,选项A正确。晶体加热变成液态的过程,无序程度加大,熵增加,选项B错误。在极端低温条件下,接近绝对零度(-2 7 3℃)时,各种晶体均可成为超导体或超流体,选项C错误,D正确。答案为A D。

三、量子世界神秘的跳变现象

实验领域的进展带来了大量需要解释的新物态,2 0世纪8 0年代,戴维·索利斯和邓肯·霍尔丹都提出了突破性的全新理论研究,对先前的理论发起了挑战,其中之一便是判定材料能否导电的量子力学理论。戴维·索利斯利用拓扑学在理论上描述了神秘的量子霍尔效应,这种现象在1 9 8 0年被德国物理学家克劳斯·冯·克利青发现(1 9 8 5年他因此被授予诺贝尔物理学奖)。在特定条件下,单层物质的电导率似乎只能取特定的数值,而且极为精确,这在物理学中是不常见的。当磁场发生足够大变化时,单层物质的电导率也会改变,但只会一步一步跳变:减弱磁场会导致电导率先是精确变成原先的2倍,然后3倍,4倍,以此类推。这些整数级跳变用当时已知的物理学无法解释,但戴维·索利斯发现利用拓扑学可以破解这一难题。

图3

三位2 0 1 6年诺贝尔物理学奖得主使用了先进的数学方法来解释超导体、超流体中的奇特属性。在特定条件下,单层物质中的电导率只能取特定的数值,而且极为精确(即量子化)。超导限流器可以限制电力系统的故障电流,这种限流器由超导部件和限流电阻并联组成,如图3所示,超导部件有一个超导临界电流I0=1.2A,当通过它的电流I＞I0时将造成超导体失超,从超导态(电阻为零)转变为正常态(纯电阻)。已知超导部件的正常态电阻R1=3Ω,限流电阻R2=6Ω,小灯泡L上标有“6V,6W”的字样,电源电动势E= 8V,内阻r=2Ω,原来电路正常工作,现小灯泡L突然发生短路,则( )。

B.短路后超导部件将由超导状态转化为正常态

C.短路后通过超导部件的电流为2A

D.若超导部件的电导率量子化,短路后超导部件的电流只能取一系列特定数值

解析：超导态时,超导部件的电阻R1= 0,导致电阻R2短路,小灯泡L的电阻R=Ω,此时电路中电流I0,所以在小灯泡L短路前超导部件维持超导态,电流全部流过超导部件,选项A错误。当小灯泡L突然发生短路时,电流突然变成造成超导部件失去超导态,转变为正常态,选项B正确。小灯泡L突然发生短路后,超导部件和限流电阻的并联电阻电路中的总电流由并联分流原理得I=

1选项C错误。若超导部件的电导率量子化,小灯泡L短路后超导部件的电流只能取一系列特定数值,变成原先的2倍, 3倍,4倍……,即以整数倍级跳变,选项D正确。答案为B D。

(责任编辑 张 巧)

(上接第3 0页)

C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不再具有波动性了

D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现得明显,在另外的某种场合下,光的粒子性表现得明显

2.光电效应的实验结论是:对于某种金属( )。

A.无论光多强,只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应

B.无论光的频率多低,只要光照时间足够长就能产生光电效应

C.超过极限频率的入射光强度越弱,产生的光电子的最大初动能就越小

D.超过极限频率的入射光频率越高,产生的光电子的最大初动能就越大

3.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1 9 2 1年的诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图5所示,其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是( )。

A.逸出功与ν有关

B.Ek与入射光强度成正比

C.当ν＜ν0时,会逸出光电子

D.图中直线的斜率与普朗克常量有关参考答案：1.A B D2.A D3.D

图5

(责任编辑 张 巧)