高壓物理學(xué)是研究物質(zhì)在高壓作用下的物理行為的一門學(xué)科。高壓是一種極端條件，泛指一切高于常壓的壓力條件。但是有兩點(diǎn)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(jìn)行這一研究時，有時也可能得到受壓物質(zhì)在負(fù)壓下物理行為的信息。
高壓物理的研究對象多數(shù)是凝聚態(tài)物質(zhì)，所以，高壓物理學(xué)實(shí)際上主要是指在高壓這種極端條件下的凝聚態(tài)物理學(xué)。高壓物理被劃為一門學(xué)科還因?yàn)楦邏毫Φ漠a(chǎn)生和高壓下各種物理行為的檢測，都需要發(fā)展特殊精巧的專門的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。
高壓物理學(xué)的發(fā)展簡史
最早的高壓物理實(shí)驗(yàn)可以追溯到1762年，坎頓對水的壓縮性實(shí)驗(yàn)。但直至19世紀(jì)末，阿馬伽創(chuàng)建了活塞式壓力計，并打下了壓力計量基礎(chǔ)以前，高壓實(shí)驗(yàn)基本上僅限于對液體壓縮性的觀察。之后，塔曼利用體積隨壓力變化時所出現(xiàn)的不連續(xù)現(xiàn)象，以測定固體的熔點(diǎn)與相變點(diǎn)，開創(chuàng)了高壓相變的研究。理查茲于1903年改進(jìn)壓縮率的測量方法，證實(shí)原子的可壓縮性。
在以上的近150年間，高壓物理一直是在五千大氣壓以內(nèi)的范圍中進(jìn)行的，這是高壓物理的草創(chuàng)時期。1906年以后，布里奇曼進(jìn)一步推動了高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，并對固體的壓縮性、熔化現(xiàn)象、力學(xué)性質(zhì)、相變、電阻變化規(guī)律、液體的粘度等宏觀物理行為的壓力效應(yīng)進(jìn)行極為廣泛的系統(tǒng)的研究。雅各布、勞遜發(fā)展了高壓下物質(zhì)X射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；勞遜與納赫特里布研究了固體中原子擴(kuò)散的高壓效應(yīng)。這樣，就初步形成了以原子行為為基礎(chǔ)的高壓物理的研究內(nèi)容。
二十世紀(jì)五十年代，為合成地質(zhì)上與工業(yè)上有意義的許多人工晶體，如石榴石、藍(lán)晶石、金剛石等，又發(fā)展了新的高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)。高壓下的固體物理研究則開始從側(cè)重固體的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)深入到研究固體中的互作用與電子運(yùn)動規(guī)律等的壓力效應(yīng)。
德里卡莫研究了高壓固體光學(xué)性質(zhì)，開辟了高壓下固體的電子譜、堿金屬鹵化物的色心和雜質(zhì)光譜、絡(luò)臺物與螯合物中過渡金屬的離子光譜、稀土鹽類光譜、有機(jī)化合物的電子譜,以及熒光衰減等的電子過程和相變動力學(xué)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繼開展.
與此同時，由利用炸藥爆炸技術(shù)而發(fā)展起來的動態(tài)高壓技術(shù)，從一般的接觸爆炸技術(shù)發(fā)展到飛片技術(shù)，又研制成功了新的輕氣炮技術(shù)等，使壓力達(dá)到數(shù)百萬大氣壓以上。這是高壓物理較迅速發(fā)展的時期。
到70年代，激光技術(shù)、同步輻射以及金剛石壓砧高壓技術(shù)的出現(xiàn)，推動了高壓下固體喇曼散射、布里淵散射、快速X射線結(jié)構(gòu)測定等技術(shù)的發(fā)展，用于揭示固體中相互作用、運(yùn)動模式、相變機(jī)制等研究。靜態(tài)高壓技術(shù)突破了百萬大氣壓；動態(tài)高壓技術(shù)又通過地下核爆、電炮、磁通壓縮、軌道炮等新技術(shù)的發(fā)展，把壓力進(jìn)一步提高到數(shù)千萬大氣壓。并且取得一批固體材料的壓縮性數(shù)據(jù)。
高壓下物質(zhì)的物理變化
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(zhì)體積與壓力之間的關(guān)系式稱為該物質(zhì)的等溫狀態(tài)方程。它既表征物質(zhì)的重要的熱力學(xué)性質(zhì)，又反映組成的原子或分子在相互接近時互作用特征的變化信息，是高壓物理所關(guān)心的基本問題之一。
實(shí)驗(yàn)測定物質(zhì)等溫狀態(tài)方程主要是利用靜態(tài)高壓技術(shù)：一兩萬大氣壓以內(nèi)，借助于超聲聲速的測定，能得出較精準(zhǔn)的密度體積關(guān)系；直接測量不同壓力下物質(zhì)的體積變化，可以獲得五萬大氣壓以下的密度體積數(shù)據(jù)；20萬大氣壓以下，晶態(tài)物質(zhì)的密度體積關(guān)系可通過點(diǎn)陣常數(shù)的測定取得；50萬大氣壓以上物質(zhì)的密度體積數(shù)據(jù)，目前僅能借助于動態(tài)高壓技術(shù)測定。上述三種壓縮特性數(shù)據(jù)可以通過理論方法互相換算。
在壓力作用下，物質(zhì)的體積收縮，同時其自由能改變，這時受壓物質(zhì)也會發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變：本來是液態(tài)的物質(zhì)會凝固結(jié)晶；非晶態(tài)的物質(zhì)，其晶化規(guī)律可能改變；原為晶態(tài)的固體，可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)上的或電子結(jié)構(gòu)上的變化；在很高的壓力下，半導(dǎo)體、絕緣體乃至分子固體氫可能成為金屬態(tài)等。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為高壓相變，它的變化機(jī)制與過程是高壓物理研究中的一個極為豐富的探索領(lǐng)域。
高壓下的X射線衍射實(shí)驗(yàn)、中子衍射、核磁共振、穆斯堡爾譜、喇曼散射、布里淵散射、光學(xué)制溫，以及超聲測量等是提供高壓相變信息的有效方法。物質(zhì)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于高壓相變的研究。
考察高壓力作用下凝聚體物理性質(zhì)的變化特征是高壓物理中另一個十分寬廣的研究領(lǐng)域。決定凝聚體物理性質(zhì)的，除組成原子的類別和晶體結(jié)構(gòu)形式以外，結(jié)構(gòu)缺陷、物質(zhì)中原子的運(yùn)動、電子的運(yùn)動，以及它們彼此之間的相互作用，是導(dǎo)致物質(zhì)具有這種或那種物理性質(zhì)的重要因素。凝聚體的物理性質(zhì)是在有大量原子、大量電子參與下所表現(xiàn)出來的集體行為，它深受外加壓力的影響。
高壓下固體中的中子非彈性散射、喇曼散射、吸收光譜、熒光光譜等測量，以及固體的力學(xué)、電學(xué)、磁性、超導(dǎo)電性等宏觀物理量的測量，是研究高壓下固體物性及其集體現(xiàn)象的常見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)
發(fā)展高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案的新構(gòu)思，是和高壓物理研究緊密相連、不可分割的環(huán)節(jié)。高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括高壓力的產(chǎn)生技術(shù)與高壓下各種物理測量技術(shù)，大體上分靜態(tài)高壓與動態(tài)高壓兩大類。
靜態(tài)高壓的產(chǎn)生對不同的研究對象和選擇的壓力范圍采取的技術(shù)各不相同，但所依據(jù)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(qiáng)度隨壓力增高的效應(yīng)。根據(jù)這些，解決了高壓的密封問題和克服了材料有限強(qiáng)度的限制。
目前靜壓高壓達(dá)到百萬大氣壓以上，動態(tài)高壓已達(dá)數(shù)千萬大氣壓的水平，雖然如此，在這個壓力范圍內(nèi)受壓物體中原子結(jié)構(gòu)的壓力效應(yīng)仍不是十分顯著的。
在這樣高的壓力下，由于靜高壓研究中允許使用的試件用量極少；動高壓實(shí)驗(yàn)中的試樣和裝置會徹底損壞，允許進(jìn)行物理測量的時間又極短，都使得提供物理信息的實(shí)驗(yàn)手段受到很大的限制。所以對高壓物理實(shí)驗(yàn)新方案的探索，也是進(jìn)一步發(fā)展高壓物理研究所必須考慮的一個重要問題。
有些物質(zhì)在高溫高壓下，通過相變形成的新結(jié)構(gòu)往往能以亞穩(wěn)態(tài)長期保存在常溫常壓下。利用這一點(diǎn)，可以獲得新的人工合成材料。石墨在高溫高壓下轉(zhuǎn)變成金剛石就是其中一例，人造金剛石已能大量生產(chǎn)，并在相當(dāng)大的工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)，它的硬度僅次于金剛石，但耐熱性卻優(yōu)于金剛石，在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)天然的立方氮化硼，它非常適合于制備切削刀具。高壓在探索其他類型新材料上也顯得十分有用，在實(shí)驗(yàn)室里，數(shù)萬大氣壓能使赤磷變成具有半導(dǎo)體性質(zhì)的黑磷。高壓下加熱非晶物質(zhì)能制得平常難以得到的超導(dǎo)亞穩(wěn)合金等。
研究材料在高壓下的力學(xué)行為表明，常壓下表現(xiàn)為脆性的材料在高壓下可能有良好的塑性。這一效應(yīng)使得有可能利用高壓擠壓技術(shù)，將某些特殊材料加工成異形截面的棒材。利用沖擊高壓的作用，使金屬的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，誘發(fā)各種缺陷的產(chǎn)生、發(fā)展和運(yùn)動，可以達(dá)到特殊的加工硬化效果，這一效應(yīng)也得到了實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用。
高壓物理的研究對象多數(shù)是凝聚態(tài)物質(zhì)，所以，高壓物理學(xué)實(shí)際上主要是指在高壓這種極端條件下的凝聚態(tài)物理學(xué)。高壓物理被劃為一門學(xué)科還因?yàn)楦邏毫Φ漠a(chǎn)生和高壓下各種物理行為的檢測，都需要發(fā)展特殊精巧的專門的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。
高壓物理學(xué)的發(fā)展簡史
最早的高壓物理實(shí)驗(yàn)可以追溯到1762年，坎頓對水的壓縮性實(shí)驗(yàn)。但直至19世紀(jì)末，阿馬伽創(chuàng)建了活塞式壓力計，并打下了壓力計量基礎(chǔ)以前，高壓實(shí)驗(yàn)基本上僅限于對液體壓縮性的觀察。之后，塔曼利用體積隨壓力變化時所出現(xiàn)的不連續(xù)現(xiàn)象，以測定固體的熔點(diǎn)與相變點(diǎn)，開創(chuàng)了高壓相變的研究。理查茲于1903年改進(jìn)壓縮率的測量方法，證實(shí)原子的可壓縮性。
在以上的近150年間，高壓物理一直是在五千大氣壓以內(nèi)的范圍中進(jìn)行的，這是高壓物理的草創(chuàng)時期。1906年以后，布里奇曼進(jìn)一步推動了高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，并對固體的壓縮性、熔化現(xiàn)象、力學(xué)性質(zhì)、相變、電阻變化規(guī)律、液體的粘度等宏觀物理行為的壓力效應(yīng)進(jìn)行極為廣泛的系統(tǒng)的研究。雅各布、勞遜發(fā)展了高壓下物質(zhì)X射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；勞遜與納赫特里布研究了固體中原子擴(kuò)散的高壓效應(yīng)。這樣，就初步形成了以原子行為為基礎(chǔ)的高壓物理的研究內(nèi)容。
二十世紀(jì)五十年代，為合成地質(zhì)上與工業(yè)上有意義的許多人工晶體，如石榴石、藍(lán)晶石、金剛石等，又發(fā)展了新的高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)。高壓下的固體物理研究則開始從側(cè)重固體的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)深入到研究固體中的互作用與電子運(yùn)動規(guī)律等的壓力效應(yīng)。
德里卡莫研究了高壓固體光學(xué)性質(zhì)，開辟了高壓下固體的電子譜、堿金屬鹵化物的色心和雜質(zhì)光譜、絡(luò)臺物與螯合物中過渡金屬的離子光譜、稀土鹽類光譜、有機(jī)化合物的電子譜,以及熒光衰減等的電子過程和相變動力學(xué)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繼開展.
與此同時，由利用炸藥爆炸技術(shù)而發(fā)展起來的動態(tài)高壓技術(shù)，從一般的接觸爆炸技術(shù)發(fā)展到飛片技術(shù)，又研制成功了新的輕氣炮技術(shù)等，使壓力達(dá)到數(shù)百萬大氣壓以上。這是高壓物理較迅速發(fā)展的時期。
到70年代，激光技術(shù)、同步輻射以及金剛石壓砧高壓技術(shù)的出現(xiàn)，推動了高壓下固體喇曼散射、布里淵散射、快速X射線結(jié)構(gòu)測定等技術(shù)的發(fā)展，用于揭示固體中相互作用、運(yùn)動模式、相變機(jī)制等研究。靜態(tài)高壓技術(shù)突破了百萬大氣壓；動態(tài)高壓技術(shù)又通過地下核爆、電炮、磁通壓縮、軌道炮等新技術(shù)的發(fā)展，把壓力進(jìn)一步提高到數(shù)千萬大氣壓。并且取得一批固體材料的壓縮性數(shù)據(jù)。
高壓下物質(zhì)的物理變化
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(zhì)體積與壓力之間的關(guān)系式稱為該物質(zhì)的等溫狀態(tài)方程。它既表征物質(zhì)的重要的熱力學(xué)性質(zhì)，又反映組成的原子或分子在相互接近時互作用特征的變化信息，是高壓物理所關(guān)心的基本問題之一。
實(shí)驗(yàn)測定物質(zhì)等溫狀態(tài)方程主要是利用靜態(tài)高壓技術(shù)：一兩萬大氣壓以內(nèi)，借助于超聲聲速的測定，能得出較精準(zhǔn)的密度體積關(guān)系；直接測量不同壓力下物質(zhì)的體積變化，可以獲得五萬大氣壓以下的密度體積數(shù)據(jù)；20萬大氣壓以下，晶態(tài)物質(zhì)的密度體積關(guān)系可通過點(diǎn)陣常數(shù)的測定取得；50萬大氣壓以上物質(zhì)的密度體積數(shù)據(jù)，目前僅能借助于動態(tài)高壓技術(shù)測定。上述三種壓縮特性數(shù)據(jù)可以通過理論方法互相換算。
在壓力作用下，物質(zhì)的體積收縮，同時其自由能改變，這時受壓物質(zhì)也會發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變：本來是液態(tài)的物質(zhì)會凝固結(jié)晶；非晶態(tài)的物質(zhì)，其晶化規(guī)律可能改變；原為晶態(tài)的固體，可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)上的或電子結(jié)構(gòu)上的變化；在很高的壓力下，半導(dǎo)體、絕緣體乃至分子固體氫可能成為金屬態(tài)等。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為高壓相變，它的變化機(jī)制與過程是高壓物理研究中的一個極為豐富的探索領(lǐng)域。
高壓下的X射線衍射實(shí)驗(yàn)、中子衍射、核磁共振、穆斯堡爾譜、喇曼散射、布里淵散射、光學(xué)制溫，以及超聲測量等是提供高壓相變信息的有效方法。物質(zhì)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于高壓相變的研究。
考察高壓力作用下凝聚體物理性質(zhì)的變化特征是高壓物理中另一個十分寬廣的研究領(lǐng)域。決定凝聚體物理性質(zhì)的，除組成原子的類別和晶體結(jié)構(gòu)形式以外，結(jié)構(gòu)缺陷、物質(zhì)中原子的運(yùn)動、電子的運(yùn)動，以及它們彼此之間的相互作用，是導(dǎo)致物質(zhì)具有這種或那種物理性質(zhì)的重要因素。凝聚體的物理性質(zhì)是在有大量原子、大量電子參與下所表現(xiàn)出來的集體行為，它深受外加壓力的影響。
高壓下固體中的中子非彈性散射、喇曼散射、吸收光譜、熒光光譜等測量，以及固體的力學(xué)、電學(xué)、磁性、超導(dǎo)電性等宏觀物理量的測量，是研究高壓下固體物性及其集體現(xiàn)象的常見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)
發(fā)展高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案的新構(gòu)思，是和高壓物理研究緊密相連、不可分割的環(huán)節(jié)。高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括高壓力的產(chǎn)生技術(shù)與高壓下各種物理測量技術(shù)，大體上分靜態(tài)高壓與動態(tài)高壓兩大類。
靜態(tài)高壓的產(chǎn)生對不同的研究對象和選擇的壓力范圍采取的技術(shù)各不相同，但所依據(jù)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(qiáng)度隨壓力增高的效應(yīng)。根據(jù)這些，解決了高壓的密封問題和克服了材料有限強(qiáng)度的限制。
目前靜壓高壓達(dá)到百萬大氣壓以上，動態(tài)高壓已達(dá)數(shù)千萬大氣壓的水平，雖然如此，在這個壓力范圍內(nèi)受壓物體中原子結(jié)構(gòu)的壓力效應(yīng)仍不是十分顯著的。
在這樣高的壓力下，由于靜高壓研究中允許使用的試件用量極少；動高壓實(shí)驗(yàn)中的試樣和裝置會徹底損壞，允許進(jìn)行物理測量的時間又極短，都使得提供物理信息的實(shí)驗(yàn)手段受到很大的限制。所以對高壓物理實(shí)驗(yàn)新方案的探索，也是進(jìn)一步發(fā)展高壓物理研究所必須考慮的一個重要問題。
有些物質(zhì)在高溫高壓下，通過相變形成的新結(jié)構(gòu)往往能以亞穩(wěn)態(tài)長期保存在常溫常壓下。利用這一點(diǎn)，可以獲得新的人工合成材料。石墨在高溫高壓下轉(zhuǎn)變成金剛石就是其中一例，人造金剛石已能大量生產(chǎn)，并在相當(dāng)大的工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)，它的硬度僅次于金剛石，但耐熱性卻優(yōu)于金剛石，在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)天然的立方氮化硼，它非常適合于制備切削刀具。高壓在探索其他類型新材料上也顯得十分有用，在實(shí)驗(yàn)室里，數(shù)萬大氣壓能使赤磷變成具有半導(dǎo)體性質(zhì)的黑磷。高壓下加熱非晶物質(zhì)能制得平常難以得到的超導(dǎo)亞穩(wěn)合金等。
研究材料在高壓下的力學(xué)行為表明，常壓下表現(xiàn)為脆性的材料在高壓下可能有良好的塑性。這一效應(yīng)使得有可能利用高壓擠壓技術(shù)，將某些特殊材料加工成異形截面的棒材。利用沖擊高壓的作用，使金屬的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，誘發(fā)各種缺陷的產(chǎn)生、發(fā)展和運(yùn)動，可以達(dá)到特殊的加工硬化效果，這一效應(yīng)也得到了實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用。