绝缘体两侧的金属电极中都有过量的自由电子，在它们与P型半导体发生电接触的位置形成了有效的PN结。图17-1一个简单的晶体管结构示意图（图a）。因此，当有正电压施加在一个P型半导体上时，半导体接近绝缘体的区域传输电流的能力将会显著增强。这块集成电路在一块硅晶片上集成了5～10个晶体管。这一预测的精确性甚至令摩尔本人感到吃惊，到2010年，一块硅晶片上的晶体管数量可能超过10亿个。然而，晶体管为微小扰动...
2023-11-17 理论教育
魔鬼物理学2:迷人又有趣的量子力学
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太阳能电池与纳米技术在魔鬼物理学2中的应用详细阅读
根据第16章的论述，简单的二极管可以起到太阳能电池的作用，这种二极管由一种加入了能提供多余电子的杂质的半导体，和一种加入了能提供多余空穴的杂质的半导体结合而成。此外，即使有足够的太阳能电池，我们还需要将电能从光照充足的区域输送至人口稠密而光线暗淡的大城市。...
2023-11-17 理论教育
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迷人的量子力学-X射线视力和核磁共振成像详细阅读
尽管这项研究取得了成功，他的资助机构却对他宣称的“X射线视力”提出了质疑，并终止了对他的资助。我现在提及的这种设备已在大多数医院和诊所普及，它就是核磁共振成像。于是，核磁共振成像的构想开始形成。如图19-2所示，核磁共振成像使我们得以探测一组三包巧克力花生酱杯糖果的内部秘密，通过应用高级量子力学，我们可以确认在巧克力涂层之下的确包裹着美味的花生酱。图19-2三包巧克力花生酱杯糖果的核磁共振成像示意图。...
2023-11-17 理论教育
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原子：我们的迷人好朋友详细阅读
但是，在第二次世界大战刚刚结束的几年里，大众娱乐在很大程度上保持了对以原子能为动力的未来世界的乐观看法在1957年的电视节目《迪士尼乐园》中，德国火箭专家海因茨·哈勃博士在其主演的《我们的朋友——原子》中，把原子能比作瓶中的精灵，它可以满足人类的三个愿望，让我们拥有更光明的未来。在这个系列文章里，原子能“妖精”将再次为空间站的运行提供能量，并使载人登陆火星任务成为可能。...
2023-11-17 理论教育
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超能力级的粒子自旋！-魔鬼物理学2详细阅读
但他们很快就发现，这些粒子拥有一种隐藏属性或者说一种“超能力”，即“自旋”。所有亚原子粒子都处于自旋状态，这一事实的意义重大。所有组成原子的粒子都有一个与其自旋相关的特征，即电子、质子和中子都有与由电流产生的磁场无关的内部磁场。通过这个磁场，粒子的自旋属性第一次为世人知晓。此外，原子内部粒子的自旋并不是任意的，而是必须对应角动量的特定值。...
2023-11-17 理论教育
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物质波与万有引力定律的奇妙关系详细阅读
“双珀斯”是一种身高约0.9米的企鹅，显然是一个智慧生物种群。万有引力定律表明，无论由何种物质组成，所有下落物体的加速度都是相同的。如果万有引力定律当真有例外和偏差，此前必然会以各种各样的方式出现，而无须通过神秘物质的发现来认清这一点”。***本章开头的第二条量子定律指出，正如光具有粒子属性一样，物质也相应地具有波属性。...
2023-11-17 理论教育
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深入探索量子力学的薛定谔方程详细阅读
薛定谔方程之于原子物理学，堪比牛顿运动定律在经典力学中的地位。事实上，除个别简单情况外，人们经常需要用电脑来解薛定谔方程。薛定谔方程的重要性在于，根据物体的相关作用力，我们可以计算出物体的波函数。薛定谔方程包含在空间和时间上波函数的变化率，因此需要借助微积分来求解。因此，我们可以通过解薛定谔方程，得到与特定的势能V相对应的波函数形式。薛定谔认为，如果Ψ2和电子的电荷相乘，...
2023-11-17 理论教育
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魔鬼物理学2：发现与认知波函数详细阅读
奥斯特曼，以及当天本征场消除实验的对象第15号混凝土块，在他们身上的强力、弱力和电磁作用失效后，丧失了物质形态。也就是说，在本征场被去除并重生为曼哈顿博士之后，乔恩·奥斯特曼似乎已经可以独立地控制他的量子力学波函数了。通过对波函数进行简单的数学运算，我们可以计算出在任何空间和时间点上发现一个物体的概率密度，无论它是一个电子、一个原子或是一个巨大的蓝皮肤裸体物理学家。...
2023-11-17 理论教育
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量子计算机和通信的迷人之旅详细阅读
我不会尝试做预测，那只会徒劳无功，我更愿意解释与“量子计算机”和“纳米技术”等相关的量子力学原理。对计算速度的需求驱使人们对量子力学在计算机中的更加不同寻常的应用产生兴趣，这种计算机通常被称为“量子计算机”。有研究指出，量子计算机可以将原子、原子核、离子、光子或电子用作基本计算元件。...
2023-11-17 理论教育
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新颖有趣的半导体二极管详细阅读
作为机上仅有的4名乘客，他们在空中遭遇了风暴，飞机坠毁。在《漫画试读》第7期中，挑战者团队面临的对手是新型计算机ULTIVAC，一个高达15.24米并能够独立思考的机器人。那时，半导体尚未问世，所以ENIAC使用了将近17500根真空管和超过7000根晶体二极管。1939年，贝尔实验室的一位科学家罗素·奥尔发明了半导体二极管，为这场革命奠定了基础。我们需要了解的第一个知识点就是半导体的定义。...
2023-11-17 理论教育
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自旋电力学与硬盘驱动器：有趣迷人的量子力学详细阅读
计算机硬盘就是自旋电子学的一种应用形式，尽管下一代计算机可能会使硬盘显得多余。类似地，计算机里的硬盘驱动器是一种磁性材料，存在以特定模式磁化的区域，这个模式的最小单元被称为“位”。为了读取硬盘上存储的“1”和“0”形式的信息，硬盘驱动器用“巨磁电阻”或“磁性隧道结”等装置作为探测器。图18-1计算机硬盘驱动器中通过电流测定磁场的器件结构示意图。...
2023-11-17 理论教育
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太阳核聚变:魔鬼物理学中的迷人力学详细阅读
在第二期中，索拉尔因原子弹爆炸而人间蒸发，但他凭借顽强的意志力将自己重构为“索拉尔博士”。在这个故事中，由于控制棒损坏（其作用是吸收中子，降低铀裂变的速率，一座水下核反应堆达到了临界状态。通常情况下，索拉尔博士的能量通过暴露于核辐射而被激活，而这一次，当他潜入水下修理反应堆时，却发现自己的能量被放射性物质削弱。中微子与物质间的相互作用是由仅为电磁作用力的一千亿分之一的弱核力决定的。...
2023-11-17 理论教育
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迷人又有趣：魔鬼物理学2中的量子力学详细阅读
量子力学绝非我们对自然的最终解释，但对固体物理学的发展而言却不可或缺。通过与19世纪电磁理论的结合，量子力学为当下的无线通信技术提供了蓝图。目前，致力于21世纪纳米技术研究的科学家们，仍然要仰仗量子物理学家在20世纪20年代所取得的那些成就。随后，量子物理领域的科学合作因地缘政治轴心的形成而破裂。...
2023-11-17 理论教育
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费米子：水火不相容的量子力学详细阅读
截至目前，我们已经广泛使用了本书第一部分给出的量子力学的前两个定律：光是由被称为光子的不连续的能量片段组成的，以及任何运动的物体都有一种波与之对应。正如第4章所介绍的，电子的内禀角动量恰好是/2。为了纪念他们做出的贡献，物理学家们将所有内禀角动量为/2的粒子称为“费米子”。测试两个费米子，比如两个电子。图12-2每面为不同颜色的色带示意图，色带的两端都是同样颜色的面朝...
2023-11-17 理论教育
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光电效应：迷人又有趣的量子力学详细阅读
在平衡状态下，吸收的光能与放出的光能形成均势。图2-1黑体辐射的光强是光的频率的函数。这将导致另一场灾难，无论是对科学还是对个人来说。随后的研究表明，X射线只是一种电磁波，也就是能量高于可见光和紫外线而低于伽马射线的光。通过将不同的材料暴露于这些放射线中，并观察产生的结果，来探测原子的内部情况。这是有史以来第一次科学家们能够直接探测原子的内部情况。...
2023-11-17 理论教育
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魔鬼物理学2:团结如蜜蜂的玻色子详细阅读
内禀角动量值为的整数倍的粒子被称为玻色子，它们遵循萨蒂延德拉·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦创建的一种量子统计方式——“玻色—爱因斯坦统计”。综上所述，当处于最低能量态时，一个氦原子的总内禀角动量值为零。图13-1图a为两面同色的色带示意图。...
2023-11-17 理论教育