玻色--爱因斯坦凝聚
原子激光
通常的光子激光
原子激光模型
Higher Energy
Lower Temperature
Laser Cooling And Trapping
BEC的应用
原子光学
原子激光 原子刻蚀 原子钟 高精密度测量 光学晶格中的BEc 模拟研究量子多体动力学 量子信息学
平衡态是理想概念
平衡态是热动平衡
虽然宏观性质不变,但微观粒子仍然 不停做无规热运动,因而会产生涨落 在无外界影响时,系统在足够长时间内趋于平 衡态,历经时间称为弛豫时间 无限缓慢的准静态过程---
平衡态
§2.热平衡定律和物态方程
热平衡 初 态
A（低温）
绝热板
末 态
A B
导热板
B（高温）
A
三个新的热力学函数 麦克斯韦关系和特性函数及应用
焦耳-汤姆孙实验
获得低温的方法
第三章.热力学系统计平衡条件(Thermodynamical Equilibrium Conditions))
§1.开系的热力学基本方程 §2.单元系复相平衡 §3.克拉珀龙(clapeyron)方程 §4.多元系的复相平衡 §5.相变的分类及相律
1997年度诺贝尔物理学奖(美国科学家朱棣文，菲利浦斯 和法国科学家达诺基因)
2001年度诺贝尔物理学奖(威依迈、科纳尔和卡特勒)
JILA group,Rubidium atoms, Science 269,198 (1995)
MIT group, Sodium; Rice group, Lithium (1995) Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995); ibid. 75, 1687(1995)
处于热平衡的热力学系统，描述系统温度与 状态参量间关系的数学表达式 物态方程 f ( x x x .......x , t ) 0
1 2 3 n
理想气体状态方程
PV nRT
a 非理想气体状态方程 ( p 2 )(v b) RT v
顺磁固体居里定律 电介质
(1mol)
M：磁矩，C:与物质常 数, H：磁场强度
宏观理论 ----热力学 1.出发点 2.物理量 3.理论基础
微观理论 ----统计物理学 从物质的微观结构出发 微观量， 不可直接观测
微观粒子的规律，统计理论
不考虑物质的微观结构
宏观量，可直接观测 热力学三大定律 数学方法
（逻辑推理等）
三大定律 4.研究方法 实验
宏观规律 5.优点
微观粒子热运动 统计平均 物质的宏观性质
Q1
热力学第零定律 四 个 研究方法： 热力学第一定律 基 热力学是宏观唯象理论： 本 热力学第二定律 热 定 力 律 热力学第三定律 学 特点： 普适性、可靠性 不能解释涨落
统 计 物 理
统计物理是研究热现象的微观理论，研究大 量微观粒子组成热力学系统, 应用几率规律 和力学定律求出大量粒子运动的统计规律。 特点： 在一定近似条件下解释实验现象 较好解释涨落现象
需要注意的几个问题:
要区分平衡态和稳定态:
金属杆 热流
冰水
沸水
热传递有三种方式 传导、对流、热辐射
但当一实际系统所受的外界影响很弱，系统本身状态又处 于相对稳定或接近于相对稳定状态时，就可以近似地当作
平衡态处理。这样使问题变得简单而易于解决.
指气体向真空膨胀时不受阻碍
气体的自由膨胀：
终态平衡
x y z ( ) z ( ) x ( ) y 1 y z x
z f ( ) y x x
f z
V T p ( ) p ( )V ( )T 1 T p V
对于f ( p,V , T ) 0 则有
冷原子的操控
玻色－爱因斯坦凝聚(BEC) 1924-25年玻色提出不可区分的粒子(玻色子)的统计方法， 爱因斯坦预言 0 K时，大量这样的粒子将表现出一个粒子的 行为，即出现玻色－爱因斯坦凝聚状态。 玻色－爱因斯坦凝聚的实现 1995年朱棣文等人发展的激光冷却和磁阱技术使得 JILA小 组的威依迈和科纳尔和MIT的卡特勒实现了铷原子和钠原子 的玻色－爱因斯坦凝聚。
第一章
热力学基本定律
(Thermodynamical laws)
§1.热力学基本概念 §2.热平衡定律和物态方程 §3.热力学第一定律 §4.热力学第二 定律 §5.热力学第三 定律
第二章.热力学函数及应用 (Thermodynamic Functions and their applications)
新材料。
Tokamak
核电工作原理
家 用 电 冰 箱 循 环
3atm 节 流 阀
10 C
0
蒸发器 储 氟 Q2 液 利 器 昂 冷冻室
200 C
70 C
0
10atm
散热器
压 缩 机
氟利昂被压缩 (周围环境) 机压缩成高压 高温热源 蒸气送到散热 器,把热量传给 Q1 周围环境.高压 A 蒸气通过节流 Q2 后降压,低压氟 利昂在蒸发室 低温热源 汽化吸热,致使 (冷冻室) 物体降温
热力学规律是自然界的普适规律。 只要在数学推理过程中不设其他假 弥补了热力学的不足，使热力 设结论具有同样的可靠性与普遍性 学理论更具意义 ①只适用于粒子数很多的宏观系统
6.局限性
②研究平衡态，不能解答非平衡到 数学上困难，因而在此基础上 平衡的过渡过程 做出的简化假设所得结果与实 ③只能说明应当有怎样的关系，而 验不能完全吻合
f ( x, y, z ) 0 则有
f f f f ( x, y, z ) 0 则有 df dx dy dz 0 x y z
x f ( )z y y y f ( )x z z f x f y x y z ( ) z ( ) x ( ) y 1 y z x
0.8
600mA 500mA 0 (n.c.) -100mA
R [a.u.]
0.6
100mA 200mA 300mA 400mA 500mA
0.4
0.2
0.0
迈斯纳效应
1.50 1.55 1.60
1.45
T [K]
超导在磁悬浮列车方面的应用
1999年４月，日本 研制的超导磁悬浮 列车时速已达552公 里
p
已知α β如何求物态方程 κ
解 题 步 驟
选择合适变量 写出有关量全微分 全微分积分
定积分常数
凑微分（视察法） 先对某一变量变量积分得到含另一变量的待 定函数，然后利用已知条件确定待定函数 选择简单路径积分（全微分积分与路径无关）
全微分积分方法
常用数学工具 多元函数全微分
Ps-玻色爱因斯坦凝聚(BEC)
Ps是玻色子, Tc 可以是室温或更高
109 Ps在100 m x(0.1 m )2 体积内 Ps密度将为1021 /cm3, Tc=1500K
ls, NIM. B,192(2002)107-116
超流现象
在极低温度下，液态氦的粘性会消失，它在任何东西 上流动都没有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁， 其传热系数比铜还好。科学家把这种没有阻力的流动 叫作超流。超流现象是一种宏观范围内的量子效应。 由于玻色—爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很 紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。 玻色子体系不受泡利原理的限制，而且，由于粒子总 是自发地向低能级跃迁，玻色子有向基态能级凝聚的 倾向，这是产生超流现象的基本原因。
2002年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可 逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方 面带来重大突破
氦:室溫 → 气态 降溫至4.2 K (摄氏零下269度) 降溫至2.17 K (摄氏零下271度)
→→Biblioteka 液态氦超流态液氦直到內外同高 直到內外同高
超流态液氦 (溫度低於2.17K)
如：压强、温度、磁场强度、mol量等
力学平衡 相平衡 热平衡 化学平衡 如果一个热力学系统在不受外界影响 的条件下(指外界对系统既不做功又 不传热)，其宏观性质不随时间变化 热力学平衡态
热力学系统平衡态
平衡态与非平衡态 热力学系统 的宏观状态
平衡态
(equilibrium state)
非平衡态 (non-equilibrium state)
未来新能源
正 电 子 火 箭
极限材料:
1亿度的高温 在超高压、超高温、超低温、超高真空等极端条件 下应用和制取的各种材料。如超导、超硬、超塑性、 超弹性、超纯、超晶格膜等材料。
原子分子设计材料:
这是在材料科学深入研究的基础上，对表面、非晶 态、结构点阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变 以及变形、断裂、磨损等领域研究探索的发展方向， 以期获得原子、分子组成结构按性能要求设计的
热平衡定律
如果系统中每一个子系统都和第三个 达到平衡，则他们互为热平衡
温度
定义： 处于热平衡的所有热力学系统具有共同的物理 性质 描述这一性质的物理量即温度 宏观：反映物体冷热程度 物理意义 微观：反映分子热运动剧烈程度 国际温标
T t 273.15 ( K ) 绝对温度
物态方程
§5.固体比热量子理论
第六章.涨落理论(Fluctuation Theory)
§1.分布函数法 §2.准热力学方法
热力学与统计物理学
研究对象：
物质热运动规律。热运动是物质世界基本运 动形态。与温度有关现象----- 热现象
热胀冷縮、物态及物性变化、超导与超流
1.0
Mag. Field [a.u.]
多元系： 多种化学成分
依据系统 的均匀性
单相系
多相系
广延量与强度量
广延量：在给定状态下，那些与系统质量成正