高压物理学

学科名称

高压物理学（high pressure physics）是研究物质在高压作用下物理行为的学科。高压是一种极端条件，泛指一切高于常压的压力条件。但有两点需作说明：一是高压物理研究往往伴随着温度的变化（高温或低温）；二是在进行这一研究时有时也可能得到受压物质在负压下物理行为的信息。高压物理的研究对象多数是凝聚态物质，所以高压物理学实际上主要是指在高压这种极端条件下的凝聚态物理学。高压物理被划为一门学科还因为高压力的产生和高压下各种物理行为的检测，都需要发展特殊精巧的专门的实验技术和方法。高压下物质被压缩，物理、化学性质会发生改变，还可能产生﹑形成或相变为尚未认识的结构。对物质高压状态的实验室研究同时伴随接近绝对零度到远高于任何元素的熔点的温度变化（在从液氦到10,000K的高温）。作为“极端条件”的高压，其实在天体中是普遍存在的，从这种意义上讲，它并不极端。自然界中绝大部分实体物质处于高压状态（如地球的中心压力为350吉帕，太阳中心压力为106吉帕，中子星的中心压力为1026吉帕）。高压科学将是人类认识自然及开启宇宙之门的钥匙。高压科学在拓宽的研究领域中的作用不亚于与温度有关的学科，或不亚于与成分有关的学科。

发展简史

最早的高压物理实验可追溯到1762年J.坎顿对水的压缩实验。直至19世纪末，阿马伽创建了活塞式压力计并打下了压力计量基础以前，高压试验基本上仅限于对液体压缩性的观察。接着，G.塔曼利用体积随压力变化时所出现的不连续现象以测定固体的熔点与相变点，开创了高压相变的研究。T.理查兹于1903年改进压缩率的测量方法，证实原子的可压缩性。在以上的近150年间，高压物理一直是在0.5吉帕以内的范围中进行的，这是高压物理的草创时期。1906年以后，P.布里奇曼大大推动了高压试验技术的发展，并对固体的压缩性、熔化现象、力学性质、相变、电阻变化规律、液体的黏度等宏观物理行为的压力效应进行极为广泛地系统研究。他的工作奠定了现代高压物理的技术基础，开创了现代高压物理研究的先河，他因为对高压现象的前驱性研究获得了1946年的诺贝尔物理学奖。R.雅格布（1938）、A.劳孙发展了高压下物质X射线结构分析技术；劳孙与N.纳赫特里布（1952）研究固体中原子扩散的高压效应。这样就初步形成了以原子行为为基础的高压物理的研究内容。

20世纪50年代，为合成地质上与工业上有意义的人工晶体，如石榴石、蓝晶石、金刚石等，又发展了新的高压实验技术。高压下的固体物理研究则开始从侧重固体的宏观热力学性质深入到研究固体中的相互作用与电子运动规律等的压力效应。H.德里卡莫研究了高压固体光学性质，开辟了高压下固体的电子谱、碱金属卤化物的色心和杂质光谱、络合物与螯合物中过渡金属的离子光谱、稀土盐类光谱、有机化合物的R电子谱以及荧光衰减等的电子过程和相变动力学的高压研究。高压中子衍射、高压核磁共振、高压穆斯堡尔谱等研究也相应开展起来。与此同时，由于利用冲击波技术而发展起来的动态高压技术，则从一般的接触爆炸技术发展到飞片技术，又研制成功了新的轻气炮技术等，使压力达到数百万大气压以上。这是高压物理较迅速发展的时期。

到20世纪70年代，激光技术、同步辐射以及金刚石压砧型高压技术的出现和提升，推动了高压下固体拉曼散射、布里渊散射、快速X射线结构测定等技术的发展，用于揭示固体中的相互作用、运动模式、相变机制等研究。静态高压技术突破了百万大气压（100吉帕）；动态高压技术又通过地下核爆、电炮、磁通压缩、轨道炮、脉冲强激光等新技术的发展，把压力进一步提高到数千万大气压（太帕量级），并且取得一批固体材料的压缩性数据。

高压科学现已取得了相当大的进展。毛河光等将以金刚石压砧为代表的超高压技术成功地与激光技术、第三代同步辐射技术和中子技术的结合，在整体观念指导下，通过多种原位微区精密测试手段的并用，压力范畴被连连刷新（徐济安、毛河光将静态压力提高到550吉帕），压力作为与温度、组分并列的第三度空间的潜力正在得到实质性的发挥。随着高压测试手段的大幅度突破，许多认为不可能安排的实验，现已能够进行。随着整体技术的突破，广阔的新空间，对物质科学将产生强烈的冲击。

高压物质状态

主要由凝聚体的状态方程描述。由大量原子或分子组成的凝聚体，在高压的作用下，体积要缩小，原子或分子的间距要缩短。表示一定温度下物质体积与压力之间的关系式称为该物质的等温状态方程。它既表征物质的重要的热力学性质，又反映组成的原子或分子在相互接近时相互作用特征的变化信息，是高压物理所关心的基本问题之一。研究物质的等温状态方程的理论途径是从一定温度和压力范围内物质可能具有的某种结构状态和作用的模型出发，导出其P–V关系。物质的状态方程在不同温度压力范围内有不同的数学表示。实验测定物质等温状态方程主要利用静态高压技术有几种途径：在10万—20万大气压（10—20吉帕）内，借助于超声声速的测定能得到精准的P–V关系；直接测量不同压力下物质的体积变化可获得5万大气压以下的P–V数据；300万—500万大气压（300—500吉帕）以下，静态物质的P–V关系可通过点阵常数的测定取得；500万大气压（500吉帕）以上的P–V数据仅能借助于动态高压技术测定，但它直接测到的不是等温压缩特性数据，而是冲击压缩数据（许贡纽曲线），在少数情况下是等熵压缩数据。上述三种压缩特性数据可通过理论方法互相换算。

在压力作用下，被压缩物质内部的原子（或分子）相互靠拢，并引起原子间相互作用能及其压缩特性发生相应的变化。在较低压力下，元素的原子体积V随原子序数Z呈明显的周期性变化。这种周期性变化的规律说明，碱金属的压缩系数k（k=－1/V）最大，短周期的Ⅲ、ⅥA族元素和长周期的Ⅶ族过渡金属的压缩系数最小。这种周期性特征甚至在100吉帕压力下还能见到。100吉帕量级的压力产生的能量作用在0.1电子伏，压缩性主要取决于决定元素化学性质的外层电子，即价电子。随着压力增高，元素的内层电子逐渐参与原子的相互作用，因而决定元素化学性质的价电子作用也相应地减弱。到1太帕左右，压力的作用可以达到100电子伏，这时将对内壳层电子产生实质性作用。

在上述压力范围内的低压部分，物质的物态方程可用有限应变理论物态方程描述；高压部分则可用格林艾森物态方程描述。更高压力下，物质可被压缩到其点阵结构与原子的壳层结构不复存在。这时可近似地认为电子是连续分布的部分简并性费米–狄拉克气体。原子核被高密度电子屏蔽，其间的长程库仑相互作用可忽略，这样原子核的运动可用经典方法处理，如可视为理想气体。这种被高度压缩物质的近似结构模型称为托马斯–费米模型或统计近似模型。描述这种物质状态方程是托马斯–费米状态方程和托马斯–费米–狄拉克状态方程。仅当电子密度足够高时，托马斯–费米模型才能适用。对于重元素，如原子序数大于90时，需要压强达到100万大气压以上；对于轻元素诸如氢，理论预测需要压强达到一亿大气压以上。以上假定电子气体是非相对论性的，当压力达到1017大气压（1013吉帕）后，相当一部分电子的动能可与mec2相比拟（me为电子质量，c为光速），这样需要涉及相对论性效应（见狭义相对论）。

物质进一步被压缩，电子可被原子核俘获，使核电荷减少，同时放出中微子。结果电子总数减少，而其密度不变，使得压力也大致不变。此过程一直持续到全部原子核均各俘获一个电子，原子序数从Z变到Z－1为止。

物质如再进一步压缩，核电荷将更加减少，结果原子核中含有的中子过多，变得不稳定而蜕变。当压力达到1024大气压（1020吉帕），密度达到3×1011克/厘米3时，中子数开始超过电子数。当密度超过1012克/厘米3后，中子对压力的贡献也超过了电子的贡献。这时物质可视为主要由中子的简并性费米–狄拉克气体构成，电子与各种原子核则是少量杂质。

最后，当密度甚大于6×1015克/厘米3后，中子气体成为极端相对论性的。这时物质中除去中子外，还可能出现其他种粒子。

物性相变

考察高压力作用下凝聚体物理性质的变化特征是高压物理中另一类宽广的研究领域。对高压下凝聚态物质性质的研究，发现了许多新现象，已在数千种物质中发现了相变，如分子晶体转变为金属、非超导物质在高压下变成超导体，加深了磁性、超导等现象物理机制的认识，指导了新材料的研究。高压科学研究正在发现许多常压下不曾有过的新现象、新物质、新规律，形成新理论。决定凝聚态物理性质的，除组成原子的类别和晶体结构形式外，结构缺陷、物质中原子的运动、电子的运动以及彼此之间的相互作用均是导致物质具有特殊物理性质的重要因素。凝聚体的物理性质是在有大量原子、大量电子参与下所表现出来的集体行为，它深受外加压力的影响。研究高压物性，一方面为掌握物相变化规律所必须；另一方面又是认识凝聚体中各种集体现象的途径。如不同半导体对称性相似的导带能谷具有相似的压力系数，而同一半导体对称性不同导带能谷具有不同的压力系数的经验规则，曾在固体能带理论发展及有关物性研究中起过重要作用。高压原位研究对检验和发展现有模型与理论的作用是任何其他手段无法代替的。高压可改变物质中电子的关联作用及电子与晶格的相互作用，使许多非超导体成为超导体。高压可导致固体中的电子的非局域化，使绝缘体、半导体和分子晶体变为金属。高压研究很可能在电子关联、电子–声子相互作用，以及各种元激发过程等物质科学最基本问题的认识上取得新的突破。高压在凝聚态物理的研究中扮演越来越重要的角色。如在高温超导体的研究中，高压原位（30吉帕）测试在HgBa2Ca3O8+δ超导体中得到了160K超导转变。元素超导中有近一半是在加压条件下实现超导的，温度最高的元素超导体Li也是在高压下实现的（在十几万压力下Tc可达到20K）。由于Li是类似于H的碱金属族元素在高压超导，所以为探索金属氢的超导电性点燃了新希望。

在压力作用下物质的体积收缩，自由能改变，这时受压物质也会发生结构形态的改变：液态的物质会凝固结晶；非晶态的物质的晶化规律可能改变；晶态的固体可能发生晶体结构上的或电子结构上的变化；高压下半导体、绝缘体乃至分子固体氢可能成为金属态（见金属氢、金属化现象）等。这些现象统称为高压相变，它的变化机制与过程是高压物理科学的一个极为丰富的探索领域。高压下的X射线衍射、中子衍射、核磁共振、穆斯堡尔谱、拉曼散射、布里渊散射、光学测温、超声测量、核共振非弹性散射（NRIXS），以及非弹性X射线散射等是提供高压相变信息的有效方法。物质在高压相变时常伴随着物性的改变，因此高压下各种物性的测量也常被用于高压相变的研究（见高压相变）。

相关分支学科

固体物理学、金属物理学、表面物理学、核物理学和天体物理学等。

新物质新材料

压力是基本物理学参量，可有效地使物质的原子间距缩短、相邻电子轨道重叠增加，进而改变物质的晶体结构、电子结构和原子（分子）间的相互作用，使之达到高压平衡态，形成全新的物质状态。这些物质多具有异于常压物质的结构，新颖的物理和化学性质。在100万大气压力下每种物质平均可出现三个以上相变，即高压可提供超出现有材料数倍的新物质，为寻找特殊用途的新材料提供了丰富的来源。高压可显著提高元素在物相中的固溶度，使大量的元素替代工作成为可能。另外，压力对反应动力学有明显的影响，明显缩短反应时间，同时产生更均匀的结晶产物。高压环境还能够抑制合成温度下合成物和生成物的挥发和分解，提高熔点。高压可使一些原子具有异于传统周期表中的新价态，导致出现常压下不能发生的化学反应，形成具有特殊物理性质的化合物。如对于高温超导体的形成具有关键作用的Cu3+价态最初就是在高压反应中获得的；构成有机物的六角环在高压下均变成了四面体；众多氧化物中氧三配位的四面体在高压下转变成六配位八面体。这些变化为高压合成新型功能材料及其物理性质的研究提供了广阔的空间。

有些物质在高温高压下通过相变形成的新结构往往能以亚稳态长期保存在常温常压下。利用这一点可获得新的人工合成材料。石墨在高温高压下转变成金刚石是其中一例。人造金刚石已能大量生产，并在相当大的工业应用范围内替代了天然金刚石。高温高压合成的立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构，它的硬度仅次于金刚石但耐热性却优于金刚石，在自然界中尚未发现。它适用于制备切削刀具。高压在探索其他类型新材料上也显得十分有用。在实验室里，数万大气压能使赤磷变成具有导体性质的黑磷。高压下加热非晶物质能制得平常难以得到的超导亚稳合金La4Al、La4Au等。高压技术在高温超导体的合成方面也扮演了十分重要的角色。由于高温超导体为类钙钛矿结构，结构高度致密，适合高温高压合成。已知的高温超导体有许多是高压合成的，或经过高压处理后性能得到改善。高温高压合成了许多常压不存在的铜氧化物高温超导体，它们可稳定的保留到常压，对研究超导机理和新材料探索起到了不可替代的作用。

在冲击高压作用下，铁电性材料或铁磁性材料会发生铁电–反铁电或铁磁–反铁磁的相变。利用这种高压相变过程中释能效应，可制成一种脉冲式电源，最大输出电压可达105伏，最大输出电流可达103安。利用动态高压技术中的飞片技术压缩磁场的原理，可制成一种脉冲式电流放大器，最大输出电流可达兆安数量级，但这些脉冲能源都是一次性使用的。

研究材料在高压下的力学行为表明，常压下表现为脆性的材料在高压下可能有良好的塑性。这一效应有可能利用高压挤压技术将某些特殊材料加工成异形截面的棒材。利用冲击高压的作用，使金属的结构发生变化，诱发各种缺陷的产生、发展和运动，可达到特殊的加工硬化效果，这一效应也得到了实际的工业应用。

发展高压物理实验技术方案的新构思与高压物理研究紧密相关。高压物理实验技术包括高压力的产生技术与各种物理测量技术，大体上分静态高压与动态高压两大类。对不同的研究对象或选择不同的压力范围，采取不同的静态高压技术。但所依据原理基本上是四个，即无支撑面密封原理、压缩封垫密封原理、大支座原理和材料强度随压力增高的效应。根据这些原理，解决了高压的密封问题，克服了材料有限强度的限制。静压高压现已达到百万大气压（100吉帕量级）以上，动态高压已达数千万大气压（103吉帕量级）的水平。在这个压力范围内受压物体中原子结构的压力效应是十分显著的。另一方面，在这样高的压力下，由于静高压研究中允许使用的试件用量极少，动高压实验中的试样和装置会彻底损坏，而且允许进行物理测量的时间又极短，这都使得提供物理信息的实验手段受到很大的限制。从以上讨论可以看出，对超高压物理集成型和综合性实验新方案的探索，也是进一步发展高压物理研究所必须考虑的问题（见高压技术、传压介质）。

在过去的十几年里，科学家已把成熟的高压技术推广应用到更为宽广的领域。如能源科学﹑资源环境以及生物技术等。高压和物理、化学、材料工程的交叉和结合，取得了巨大的进展，正在改变人们对周围世界的认识。

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