请详细论述现代物理学中的实验技术
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请详细论述现代物理学中的实验技术
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## 现代物理学中的实验技术

20世纪是实验技术突飞猛进的时期。早期卢瑟福的粒子散射实验为随后的原子核物理学与粒子物理学的研究树立了样板。但技术上的改进是多方面的。轰击靶的粒子束有质子、中子、电子、光子和各种离子等。30年代初中子被发现后，由于其散射截面大，容易引起核反应，受到学术界的重视。E.费米及其合作者用中子来轰击周期表中不同元素，发现了一系列的核反应和新的放射性元素。1938年，O.哈恩与L.迈特纳终于发现和确认铀的裂变。随后原子核裂变的链式反应得以实现，导致了核裂变反应堆的问世。随后，轻元素的核聚变提供了另一种核能源。但可控的聚变能的和平利用还要经历漫长的发展过程。到30年代，科学家开始认识到天然放射性元素发射的粒子能量太低，束流也不够强，在这种情况下发展了加速器技术，早期有高压倍加器和静电加速器，主流是E.O.劳伦斯开创的回旋加速器及其变型。以后加速器的能量要求越来越高，技术越来越精。能量已从早期的兆电子伏量级升高到如今的太电子伏量级。加速器为原子核物理学和粒子物理学的研究提供了必要的实验保证，发现了几百种粒子。与之并行发展的还有粒子检测技术，从早期的盖革-米勒计数器、云雾室，到照相乳胶、气泡室、火花室和闪烁晶体列阵等。虽然技术的进展十分引人注目，但许多物理实验的基本思路，如通过质子对高能电子的深度非弹性散射来论证质子具有夸克结构，仍然与卢瑟福的原型实验十分相似。加速器和反应堆也被用于非核物理学以至于其他科学的研究，同步辐射和高通量中子源就是例证。另一高速发展是基于物理观测技术的天文望远术。光学望远镜越做越大；由雷达技术推动而发展起来的射电望远镜也朝向巨型发展；依据射电望远镜发展起来的综合孔径技术也反馈到光学望远镜的技术中。新波段（如红外、X射线和γ射线）的望远技术得到了发展，带动了新的检测技术的进步。为了超越大气层的吸收和干扰，还将望远镜放到太空中去，如哈勃空间望远镜、钱德拉望远镜、康普顿望远镜等。大量天体谱线红移的数据为宇宙膨胀提供证据，宇宙微波背景辐射、脉冲星、类星体、黑洞及γ射线暴等重大发现，为理论天体物理和宇宙学提供了大量数据，使星体和宇宙成为检验物理理论的庞大实验室。现代高能物理学（包括部分原子核物理）及天体物理学已经成为大科学的主宰领域。20世纪20～30年代，光谱学研究为原子物理学的建立奠定了基础。但第二次世界大战中雷达技术的发展又为微波波谱及磁共振的研究提供了机遇。50年代初，首先在微波频段实现了受激发射，随后转移到光学频段，导致激光器的问世。激光技术引起了光学和光谱学的一场革命，促进了量子光学的诞生，影响十分深远。应该指出，早在1916年爱因斯坦就提出了受激发射的理论，而实验室中的实现却延迟到40年之后。激光技术引入物理实验室，为小型精巧的实验研究提供了机会。X射线衍射和由之派生的电子衍射与中子衍射，导致了晶体结构分析的发展。它为凝聚态物理学和材料科学奠定基础，亦大大地促进了化学、生物学和矿物学的研究。电子显微术超越了光学显微术的分辨极限，并实现了原子尺度的成像。80年代以后，扫描隧道显微术发展成为类型繁多的显微探针技术，不仅实现了原子尺度的成像，还实现了多种原子尺度的测量和控制技术，充分显示了微加工实验技术富有强大的生命力。为消除热运动对凝聚态物质中许多现象的干扰，将试样冷却到低温下进行研究成为重要的手段。现代低温技术始于氦的液化（4.2开），进一步采取稀释致冷可以达到毫开的温度，再进行核退磁致冷，可以达到微开的量级。现在发展起来的激光冷却，再加上蒸发制冷，可使原子气体达到微开以下的温度。低温物性的研究取得许多重要的成果：金属与合金的超导电性，4He和3He液体的超流动性，多种非常规的超导电性和高温超导电性，如有机化合物、重费米子、铜氧化物超导电性的超导转变温度已高于液体氧的温度（77开）。1995年起又在微开温度以下观测到多种气体原子的玻色-爱因斯坦凝聚，随后相位相干的原子束得到了实验演示，即所谓原子波激射器。其他一些极端条件如高压技术也受到科学界的重视。利用大体积压机如单级和6～8双级推进装置可获得8～20吉帕的静态高压，可用来研制人造金刚石等功能材料。金刚石压砧技术可在微区内产生高达500吉帕以上的静态高压，和高温低温强场结合形成综合极端条件，成为高压物理学研究的主要工具之一。利用冲击波可获得数百到数千吉帕的动态高压，1996年利用高温下的动态高压技术观测到液态氢从绝缘体到金属的转变，成为实测到金属氢的首例。高压技术可模拟地球等星体内部的条件，对于地球科学和天体研究颇有意义。强磁场技术也是物性研究的重要手段。恒定的强磁场可以用介质冷却的电磁铁（通常称为水冷磁体）或超导线圈来产生，单独使用水冷磁体可达40特以上，单独使用超导磁体可达30特以上，混合使用可达45特以上。可用脉冲方法产生50～200特脉冲强磁场，而爆炸法则可高达1300特。激光超短脉冲技术则提供瞬态过程的物理和化学的信息，时间间隔可以压缩到阿（10−18）秒的量级。亦可以利用超短脉冲的光场产生瞬态的强电场与强磁场来模拟天体物理的一些条件。晶体纯度和完整性对物性有重要的影响，促使固体制备技术诸如单晶拉制、区熔提纯、控制掺杂的进步。这些技术已成功地应用于光学材料和半导体材料的制备中。1947年，晶体管的发明可以说是20世纪中物理学家所做出的取得最大经济与社会效益的一项成就。70年代后，在超高真空技术下的结构与能谱测试手段相继问世，开拓了表面物理学的新领域。以分子束外延为标志的当代薄膜与异质结制备技术的开发，引起量子纳米结构（量子阱、量子线与量子点等）的研究热潮，并向磁性材料（巨磁电阻效应）和超导电体方面延伸。许多新的物理效应的发现，诸如整数与分数量子霍尔效应、介观量子输运等，显示了凝聚态物理尚有蓬勃发展的新领域。