高壓物理學（high pressure physics）是研究物質在高壓作用下物理 行為的學科。高壓是一種極端條件，泛指一切高於常壓的壓力條件。但有兩點需作說明：一是高壓物理研究往往伴隨著溫度的變化（高溫或低溫）；二是在進行這一研究時有時也可能得到受壓物質在負壓下物理行為 的信息。高壓物理的研究對象多數是凝聚態物質，所以高壓物理學實際上主要是指在高壓這種極端條件下的凝聚態物理學。高壓物理被劃為一門學科還因為高壓力的產生和高壓下各種物理行為的檢測，都需要發展特殊精巧的專門的實驗技術和方法。高壓下物質被壓縮，物理、化學性質會發生改變，還可能產生﹑形成或相變為尚未認識的結構。對物質高壓狀態的實驗室研究同時伴隨接近絕對零度到遠高於任何元素的熔點的溫度變化（在從液氦到10,000K的高溫）。作為“極端條件”的高壓，其實在天體中是普遍存在的，從這種意義上講，它並不極端。自然界中絕大部分實體物質處於高壓狀態（如地球的中心壓力為350吉帕，太陽中心壓力為106吉帕，中子星的中心壓力為1026吉帕）。高壓科學將是人類認識自然及開啟宇宙之門的鑰匙。高壓科學在拓寬的研究領域中的作用不亞於與溫度有關的學科，或不亞於與成分有關的學科。
基本介紹
- 中文名：高壓物理學
- 外文名：high pressure physics
- 實質：研究物質在高壓作用下的物理行為
- 時間：1762年
發展簡史,高壓物質狀態,物性相變,相關分支學科,新物質新材料,
發展簡史
最早的高壓物理實驗可追溯到1762年J.坎頓對水的壓縮實驗。直至19世紀末，阿馬伽創建了活塞式壓力計並打下了壓力計量基礎以前，高壓試驗基本上僅限於對液體壓縮性的觀察。接著，G.塔曼利用體積隨壓力變化時所出現的不連續現象以測定固體的熔點與相變點，開創了高壓相變的研究。T.理查茲於1903年改進壓縮率的測量方法，證實原子的可壓縮性。在以上的近150年間，高壓物理一直是在0.5吉帕以內的範圍中進行的，這是高壓物理的草創時期。1906年以後，P.布里奇曼大大推動了高壓試驗技術的發展，並對固體的壓縮性、熔化現象、力學性質、相變、電阻變化規律、液體的黏度等巨觀物理行為的壓力效應進行極為廣泛地系統研究。他的工作奠定了現代高壓物理的技術基礎，開創了現代高壓物理研究的先河，他因為對高壓現象的前驅性研究獲得了1946年的諾貝爾物理學獎。R.雅格布（1938）、A.勞孫發展了高壓下物質X射線結構分析技術；勞孫與N.納赫特里布（1952）研究固體中原子擴散的高壓效應。這樣就初步形成了以原子行為為基礎的高壓物理的研究內容。
20世紀50年代，為合成地質上與工業上有意義的人工晶體，如石榴石、藍晶石、金剛石等，又發展了新的高壓實驗技術。高壓下的固體物理研究則開始從側重固體的巨觀熱力學性質深入到研究固體中的相互作用與電子運動規律等的壓力效應。H.德里卡莫研究了高壓固體光學性質，開闢了高壓下固體的電子譜、鹼金屬鹵化物的色心和雜質光譜、絡合物與螯合物中過渡金屬的離子光譜、稀土鹽類光譜、有機化合物的R電子譜以及螢光衰減等的電子過程和相變動力學的高壓研究。高壓中子衍射、高壓核磁共振、高壓穆斯堡爾譜等研究也相應開展起來。與此同時，由於利用衝擊波技術而發展起來的動態高壓技術，則從一般的接觸爆炸技術發展到飛片技術，又研製成功了新的輕氣炮技術等，使壓力達到數百萬大氣壓以上。這是高壓物理較迅速發展的時期。
高壓科學現已取得了相當大的進展。毛河光等將以金剛石壓砧為代表的超高壓技術成功地與雷射技術、第三代同步輻射技術和中子技術的結合，在整體觀念指導下，通過多種原位微區精密測試手段的並用，壓力範疇被連連刷新（徐濟安、毛河光將靜態壓力提高到550吉帕），壓力作為與溫度、組分並列的第三度空間的潛力正在得到實質性的發揮。隨著高壓測試手段的大幅度突破，許多認為不可能安排的實驗，現已能夠進行。隨著整體技術的突破，廣闊的新空間，對物質科學將產生強烈的衝擊。
高壓物質狀態
主要由凝聚體的狀態方程描述。由大量原子或分子組成的凝聚體，在高壓的作用下，體積要縮小，原子或分子的間距要縮短。表示一定溫度下物質體積與壓力之間的關係式稱為該物質的等溫狀態方程。它既表征物質的重要的熱力學性質，又反映組成的原子或分子在相互接近時相互作用特徵的變化信息，是高壓物理所關心的基本問題之一。研究物質的等溫狀態方程的理論途徑是從一定溫度和壓力範圍內物質可能具有的某種結構狀態和作用的模型出發，導出其P–V關係。物質的狀態方程在不同溫度壓力範圍內有不同的數學表示。實驗測定物質等溫狀態方程主要利用靜態高壓技術有幾種途徑：在10萬—20萬大氣壓（10—20吉帕）內，藉助於超聲聲速的測定能得到精準的P–V關係；直接測量不同壓力下物質的體積變化可獲得5萬大氣壓以下的P–V數據；300萬—500萬大氣壓（300—500吉帕）以下，靜態物質的P–V關係可通過點陣常數的測定取得；500萬大氣壓（500吉帕）以上的P–V數據僅能藉助於動態高壓技術測定，但它直接測到的不是等溫壓縮特性數據，而是衝擊壓縮數據（許貢紐曲線），在少數情況下是等熵壓縮數據。上述三種壓縮特性數據可通過理論方法互相換算。
在壓力作用下，被壓縮物質內部的原子（或分子）相互靠攏，並引起原子間相互作用能及其壓縮特性發生相應的變化。在較低壓力下，元素的原子體積V隨原子序數Z呈明顯的周期性變化。這種周期性變化的規律說明，鹼金屬的壓縮係數k（k=－1/V）最大，短周期的Ⅲ、ⅥA族元素和長周期的Ⅶ族過渡金屬的壓縮係數最小。這種周期性特徵甚至在100吉帕壓力下還能見到。100吉帕量級的壓力產生的能量作用在0.1電子伏，壓縮性主要取決於決定元素化學性質的外層電子，即價電子。隨著壓力增高，元素的內層電子逐漸參與原子的相互作用，因而決定元素化學性質的價電子作用也相應地減弱。到1太帕左右，壓力的作用可以達到100電子伏，這時將對內殼層電子產生實質性作用。
在上述壓力範圍內的低壓部分，物質的物態方程可用有限應變理論物態方程描述；高壓部分則可用格林艾森物態方程描述。更高壓力下，物質可被壓縮到其點陣結構與原子的殼層結構不復存在。這時可近似地認為電子是連續分布的部分簡併性費米–狄拉克氣體。原子核被高密度電子禁止，其間的長程庫侖相互作用可忽略，這樣原子核的運動可用經典方法處理，如可視為理想氣體。這種被高度壓縮物質的近似結構模型稱為托馬斯–費米模型或統計近似模型。描述這種物質狀態方程是托馬斯–費米狀態方程和托馬斯–費米–狄拉克狀態方程。僅當電子密度足夠高時，托馬斯–費米模型才能適用。對於重元素，如原子序數大於90時，需要壓強達到100萬大氣壓以上；對於輕元素諸如氫，理論預測需要壓強達到一億大氣壓以上。以上假定電子氣體是非相對論性的，當壓力達到1017大氣壓（1013吉帕）後，相當一部分電子的動能可與mec2相比擬（me為電子質量，c為光速），這樣需要涉及相對論性效應（見狹義相對論）。
物質如再進一步壓縮，核電荷將更加減少，結果原子核中含有的中子過多，變得不穩定而蛻變。當壓力達到1024大氣壓（1020吉帕），密度達到3×1011克/厘米3時，中子數開始超過電子數。當密度超過1012克/厘米3後，中子對壓力的貢獻也超過了電子的貢獻。這時物質可視為主要由中子的簡併性費米–狄拉克氣體構成，電子與各種原子核則是少量雜質。
物性相變
考察高壓力作用下凝聚體物理性質的變化特徵是高壓物理中另一類寬廣的研究領域。對高壓下凝聚態物質性質的研究，發現了許多新現象，已在數千種物質中發現了相變，如分子晶體轉變為金屬、非超導物質在高壓下變成超導體，加深了磁性、超導等現象物理機制的認識，指導了新材料的研究。高壓科學研究正在發現許多常壓下不曾有過的新現象、新物質、新規律，形成新理論。決定凝聚態物理性質的，除組成原子的類別和晶體結構形式外，結構缺陷、物質中原子的運動、電子的運動以及彼此之間的相互作用均是導致物質具有特殊物理性質的重 要因素。凝聚體的物理性質是在有大量原子、大量電子參與下所表現出來的集體行為，它深受外加壓力的影響。研究高壓物性，一方面為掌握物相變化規律所必須；另一方面又是認識凝聚體中各種集體現象的途徑。如不同半導體對稱性相似的導帶能谷具有相似的壓力係數，而同一半導體對稱性不同導帶能谷具有不同的壓力係數的經驗規則，曾在固體能帶理論發展及有關物性研究中起過重要作用。高壓原位研究對檢驗和發展現有模型與理論的作用是任何其他手段無法代替的。高壓可改變物質中電子的關聯作用及電子與晶格的相互作用，使許多非超導體成為超導體。高壓可導致固體中的電子的非局域化，使絕緣體、半導體和分子晶體變為金屬。高壓研究很可能在電子關聯、電子–聲子相互作用，以及各種元激發過程等物質科學最基本問題的認識上取得新的突破。高壓在凝聚態物理的研究中扮演越來越重要的角色。如在高溫超導體的研究中，高壓原位（30吉帕）測試在HgBa2Ca3O8+δ超導體中得到了160K超導轉變。元素超導中有近一半是在加壓條件下實現超導的，溫度最高的元素超導體Li也是在高壓下實現的（在十幾萬壓力下Tc可達到20K）。由於Li是類似於H的鹼金屬族元素在高壓超導，所以為探索金屬氫的超導電性點燃了新希望。
在壓力作用下物質的體積收縮，自由能改變，這時受壓物質也會發生結構形態的改變：液態的物質會凝固結晶；非晶態的物質的晶化規律可能改變；晶態的固體可能發生晶體結構上的或電子結構上的變化；高壓下半導體、絕緣體乃至分子固體氫可能成為金屬態（見金屬氫、金屬化現象）等。這些現象統稱為高壓相變，它的變化機制與過程是高壓物理科學的一個極為豐富的探索領域。高壓下的X射線衍射、中子衍射、核磁共振、穆斯堡爾譜、拉曼散射、布里淵散射、光學測溫、超聲測量、核共振非彈性散射（NRIXS），以及非彈性X射線散射等是提供高壓相變信息的有效方法。物質在高壓相變時常伴隨著物性的改變，因此高壓下各種物性的測量也常被用於高壓相變的研究（見高壓相變）。
相關分支學科
新物質新材料
壓力是基本物理學參量，可有效地使物質的原子間距縮短、相鄰電子軌道重疊增加，進而改變物質的晶體結構、電子結構和原子（分子）間的相互作用，使之達到高壓平衡態，形成全新的物質狀態。這些物質多具有異於常壓物質的結構，新穎的物理和化學性質。在100萬大氣壓力下每種物質平均可出現三個以上相變，即高壓可提供超出現有材料數倍的新物質，為尋找特殊用途的新材料提供了豐富的來源。高壓可顯著提高元素在物相中的固溶度，使大量的元素替代工作成為可能。另外，壓力對反應動力學有明顯的影響，明顯縮短反應時間，同時產生更均勻的結晶產物。高壓環境還能夠抑制合成溫度下合成物和生成物的揮發和分解，提高熔點。高壓可使一些原子具有異於傳統周期表中的新價態，導致出現常壓下不能發生的化學反應，形成具有特殊物理性質的化合物。如對於高溫超導體的形成具有關鍵作用的Cu3+價態最初就是在高壓反應中獲得的；構成有機物的六角環在高壓下均變成了四面體；眾多氧化物中氧三配位的四面體在高壓下轉變成六配位八面體。這些變化為高壓合成新型功能材料及其物理性質的研究提供了廣闊的空間。
有些物質在高溫高壓下通過相變形成的新結構往往能以亞穩態長期保存在常溫常壓下。利用這一點可獲得新的人工合成材料。石墨在高溫高壓下轉變成金剛石是其中一例。人造金剛石已能大量生產，並在相當大的工業套用範圍內替代了天然金剛石。高溫高壓合成的立方氮化硼具有類似金剛石的晶體結構，它的硬度僅次於金剛石但耐熱性卻優於金剛石，在自然界中尚未發現。它適用於製備切削刀具。高壓在探索其他類型新材料上也顯得十分有用。在實驗室里，數萬大氣壓能使赤磷變成具有導體性質的黑磷。高壓下加熱非晶物質能製得平常難以得到的超導亞穩合金La4Al、La4Au等。高壓技術在高溫超導體的合成方面也扮演了十分重要的角色。由於高溫超導體為類鈣鈦礦結構，結構高度緻密，適合高溫高壓合成。已知的高溫超導體有許多是高壓合成的，或經過高壓處理後性能得到改善。高溫高壓合成了許多常壓不存在的銅氧化物高溫超導體，它們可穩定的保留到常壓，對研究超導機理和新材料探索起到了不可替代的作用。
在衝擊高壓作用下，鐵電性材料或鐵磁性材料會發生鐵電–反鐵電或鐵磁–反鐵磁的相變。利用這種高壓相變過程中釋能效應，可製成一種脈衝式電源，最大輸出電壓可達105伏，最大輸出電流可達103安。利用動態高壓技術中的飛片技術壓縮磁場的原理，可製成一種脈衝式電流放大器，最大輸出電流可達兆安數量級，但這些脈衝能源都是一次性使用的。
在衝擊高壓作用下，鐵電性材料或鐵磁性材料會發生鐵電–反鐵電或鐵磁–反鐵磁的相變。利用這種高壓相變過程中釋能效應，可製成一種脈衝式電源，最大輸出電壓可達105伏，最大輸出電流可達103安。利用動態高壓技術中的飛片技術壓縮磁場的原理，可製成一種脈衝式電流放大器，最大輸出電流可達兆安數量級，但這些脈衝能源都是一次性使用的。
研究材料在高壓下的力學行為表明，常壓下表現為脆性的材料在高壓下可能有良好的塑性。這一效應有可能利用高壓擠壓技術將某些特殊材料加工成異形截面的棒材。利用衝擊高壓的作用，使金屬的結構發生變化，誘發各種缺陷的產生、發展和運動，可達到特殊的加工硬化效果，這一效應也得到了實際的工業套用。
發展高壓物理實驗技術方案的新構思與高壓物理研究緊密相關。高壓物理實驗技術包括高壓力的產生技術與各種物理測量技術，大體上分靜態高壓與動態高壓兩大類。對不同的研究對象或選擇不同的壓力範圍，採取不同的靜態高壓技術。但所依據原理基本上是四個，即無支撐面密封原理、壓縮封墊密封原理、大支座原理和材料強度隨壓力增高的效應。根據這些原理，解決了高壓的密封問題，克服了材料有限強度的限制。靜壓高壓現已達到百萬大氣壓（100吉帕量級）以上，動態高壓已達數千萬大氣壓（103吉帕量級）的水平。在這個壓力範圍內受壓物體中原子結構的壓力效應是十分顯著的。另一方面，在這樣高的壓力下，由於靜高壓研究中允許使用的試件用量極少，動高壓實驗中的試樣和裝置會徹底損壞，而且允許進行物理測量的時間又極短，這都使得提供物理信息的實驗手段受到很大的限制。從以上討論可以看出，對超高壓物理集成型和綜合性實驗新方案的探索，也是進一步發展高壓物理研究所必須考慮的問題（見高壓技術、傳壓介質）。
