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量子計量學導論 : 修訂的SI和量子標準(第2版) ![]() 量子計量學始于20世紀后半葉,的國際單位制(SI)中7個基本物理量全部基于量子技術。本書系統(tǒng)介紹了SI演變和量子計量學的發(fā)展,從概述量子計量學的理論基礎開始,介紹了基于自然常數(shù)的新SI發(fā)展過程,描述了基于量子技術的電壓、電阻、頻率、長度和質量標準的理論和實際復現(xiàn)方法,介紹了納米結構中的電導和熱導量子化研究進展,也對應用量子效應的掃描探針顯微鏡、超導量子干涉器件(SQUID)及噪聲溫度測量、電子泵和旋轉柵等電子元件,以及電流標準和電容標準、衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展進行了闡述。 目 錄 第1章 量子計量學理論基礎 ????????????????????????? 1 1?1 簡介 ???????????????????????????????? 1 1?2 薛定諤方程和泡利不相容原理 ????????????????????? 2 1?3 海森堡不確定性原理 ????????????????????????? 4 1?4 測量分辨力極限 ??????????????????????????? 6 參考文獻 ????????????????????????????????? 8 第2章 度量、標準和單位制 ????????????????????????? 9 2?1 計量體系的歷史 ??????????????????????????? 9 2?2 1960年的國際單位制 (SI)?????????????????????? 12 2?3 長度的計量和標準 ?????????????????????????? 14 2?4 質量的計量和標準 ?????????????????????????? 17 2?5 時鐘和時間的計量 ?????????????????????????? 19 2?6 溫標 ???????????????????????????????? 23 2?7 電學量的標準 ???????????????????????????? 27 參考文獻 ???????????????????????????????? 30 第3章 新的單位制2018年的國際單位制 ????????????????? 31 3?1 向新單位制發(fā)展 ??????????????????????????? 31 3?2 用于SI的基本物理常數(shù) ??????????????????????? 33 3?3 千克、安培、開爾文和摩爾的新定義提案 ???????????????? 35 3?3?1 千克的新定義提案 ???????????????????????? 35 3?3?2 安培的新定義提案 ???????????????????????? 36 3?3?3 開爾文的新定義提案 ??????????????????????? 37 3?3?4 摩爾的新定義提案 ???????????????????????? 38 3?4 2018年的SI ???????????????????????????? 39 3?4?1 定義 ?????????????????????????????? 39 3?4?2 單位 ?????????????????????????????? 40 3?4?3 有關2018年SI的討論 ?????????????????????? 42 目 錄 ?Ⅵ? 3?5 在SI中安培和其他電學單位定義的實際復現(xiàn) ?????????????? 44 3?5?1 簡介 ?????????????????????????????? 44 3?5?2 安培的實際復現(xiàn) ????????????????????????? 44 3?5?3 SI電學導出單位的實際復現(xiàn)???????????????????? 45 3?5?4 磁導率0 及相關量 ??????????????????????? 47 3?6 SI千克定義的實際復現(xiàn)???????????????????????? 47 3?6?1 千克的定義 ??????????????????????????? 47 3?6?2 通過比較電功率和機械功率來實際復現(xiàn)千克 ????????????? 48 3?6?3 用 X射線單晶硅密度法實際復現(xiàn)千克???????????????? 49 3?7 SI開爾文定義的實際復現(xiàn)??????????????????????? 50 3?7?1 開爾文的定義 ?????????????????????????? 50 3?7?2 通過原級測溫實際復現(xiàn)開爾文 ??????????????????? 51 3?7?3 聲學氣體測溫 ?????????????????????????? 52 3?7?4 輻射測溫 (1235K 及以上) ??????????????????? 52 3?7?5 極化氣體測溫 ?????????????????????????? 52 3?8 SI摩爾定義的實際復現(xiàn)???????????????????????? 54 3?8?1 摩爾的定義 ??????????????????????????? 54 3?8?2 以小不確定度實際復現(xiàn)摩爾定義 ????????????????? 55 3?9 量子計量三角形和金字塔 ??????????????????????? 57 參考文獻 ???????????????????????????????? 62 第4章 量子電壓標準 ??????????????????????????? 64 4?1 超導 ???????????????????????????????? 64 4?1?1 超導材料 ???????????????????????????? 64 4?1?2 超導理論 ???????????????????????????? 66 4?1?3 超導體的特性 ?????????????????????????? 66 4?2 約瑟夫森效應 ???????????????????????????? 68 4?3 約瑟夫森結 ????????????????????????????? 71 4?4 電壓標準 ?????????????????????????????? 74 4?4?1 基于惠斯頓電池的電壓標準 ???????????????????? 74 4?4?2 直流電壓約瑟夫森標準 ?????????????????????? 75 4?4?3 交流電壓約瑟夫森標準 ?????????????????????? 77 4?4?4 華沙中央計量局 (GUM)的電壓標準 ??????????????? 80 4?4?5 GUM 標準和 BIPM 標準的比對 ?????????????????? 82 4?4?6 精密比較儀電路 ????????????????????????? 83 量子計量學導論修訂的SI和量子標準 (第2版) ?Ⅶ? 4?5 超導數(shù)字電路 ???????????????????????????? 84 4?5?1 半導體數(shù)字電路的未來發(fā)展 ???????????????????? 84 4?5?2 具有約瑟夫森結的數(shù)字電路 ???????????????????? 84 4?6 約瑟夫森結的其他應用 ???????????????????????? 87 4?6?1 壓頻轉換器 ??????????????????????????? 87 4?6?2 太赫茲輻射源 ?????????????????????????? 88 參考文獻 ???????????????????????????????? 89 第5章 SQUID磁通檢測器 ????????????????????????? 91 5?1 磁通的量子化 ???????????????????????????? 91 5?2 RF SQUID ???????????????????????????? 94 5?2?1 RF SQUID等式 ???????????????????????? 94 5?2?2 RF SQUID測量系統(tǒng) ?????????????????????? 95 5?3 DC SQUID ???????????????????????????? 97 5?3?1 DC SQUID等式 ???????????????????????? 97 5?3?2 DC SQUID的能量分辨力和噪聲 ???????????????? 102 5?3?3 DC SQUID的參數(shù) ?????????????????????? 104 5?4 DC SQUID測量系統(tǒng) ??????????????????????? 105 5?4?1 測量系統(tǒng)的運行 ???????????????????????? 105 5?4?2 輸入回路 ??????????????????????????? 106 5?4?3 雙SQUID測量系統(tǒng)??????????????????????? 108 5?4?4 附加正反饋的SQUID測量系統(tǒng)?????????????????? 109 5?4?5 數(shù)字SQUID測量系統(tǒng)?????????????????????? 110 5?5 納米SQUID ???????????????????????????? 111 5?5?1 磁信號和干擾 ????????????????????????? 113 5?5?2 生物磁研究 ?????????????????????????? 114 5?5?3 材料的無損檢測 ???????????????????????? 117 5?6 SQUID噪聲測溫 ?????????????????????????? 118 5?6?1 R SQUID噪聲溫度計 ????????????????????? 118 5?6?2 DC SQUID噪聲溫度計 ???????????????????? 121 5?6?3 SQUID的其他應用 ??????????????????????? 122 參考文獻 ???????????????????????????????? 124 第6章 量子霍爾效應和電阻基準 ?????????????????????? 127 6?1 霍爾效應 ????????????????????????????? 127 6?2 量子霍爾效應 ??????????????????????????? 128 目 錄 ?Ⅷ? 6?2?1 二維電子氣電子器件 ?????????????????????? 128 6?2?2 量子霍爾效應的物理基礎 ???????????????????? 129 6?2?3 QHE樣品 ??????????????????????????? 131 6?2?4 石墨烯中的量子霍爾效應 ???????????????????? 133 6?3 華沙中央計量局 (GUM)的傳統(tǒng)電阻標準的測量裝置 ?????????? 134 6?4 量子標準測量系統(tǒng) ????????????????????????? 138 6?5 SI電阻的量子標準 ????????????????????????? 140 參考文獻 ???????????????????????????????? 142 第7章 納米結構中電導和熱導的量子化 ??????????????????? 143 7?1 電導理論 ????????????????????????????? 143 7?2 宏觀和納米尺度結構 ???????????????????????? 146 7?3 納米結構電導量子化的研究 ????????????????????? 148 7?3?1 納米結構的形成 ???????????????????????? 148 7?3?2 動態(tài)形成納米線的測量 ????????????????????? 149 7?4 用電導量子化測量納米結構的幾何尺寸 ???????????????? 151 7?4?1 方法 ????????????????????????????? 151 7?4?2 技術條件 ??????????????????????????? 151 7?5 納米結構熱導量子化 ???????????????????????? 152 7?6 納米結構電導量子化對科技的影響 ?????????????????? 153 參考文獻 ???????????????????????????????? 156 第8章 單電子隧穿 ???????????????????????????? 158 8?1 電子隧穿 ????????????????????????????? 158 8?1?1 隧穿現(xiàn)象 ??????????????????????????? 158 8?1?2 單電子隧穿理論 ???????????????????????? 159 8?2 SET 結電子電路 ?????????????????????????? 160 8?2?1 SETT 晶體管 ????????????????????????? 160 8?2?2 電子泵和旋轉柵器件 ?????????????????????? 161 8?3 利用電子泵的量子電流標準 ????????????????????? 163 8?4 基于電子計數(shù)的電容標準 ?????????????????????? 164 8?5 庫倫阻塞溫度計 ?????????????????????????? 165 參考文獻 ???????????????????????????????? 168 第9章 原子鐘和時間尺度 ????????????????????????? 169 9?1 理論原理 ????????????????????????????? 169 9?1?1 簡介 ????????????????????????????? 169 量子計量學導論修訂的SI和量子標準 (第2版) ?Ⅸ? 9?1?2 艾倫方差 ??????????????????????????? 171 9?1?3 原子標準的結構和類型 ????????????????????? 173 9?2 銫原子頻率標準 ?????????????????????????? 174 9?2?1 銫束頻率標準 ????????????????????????? 174 9?2?2 銫噴泉頻率標準 ???????????????????????? 177 9?3 氫脈澤和銣頻率標準 ???????????????????????? 178 9?3?1 氫脈澤頻率標準 ???????????????????????? 178 9?3?2 銣頻率標準 ?????????????????????????? 180 9?3?3 原子頻標參數(shù) ????????????????????????? 181 9?4 光學輻射頻率標準 ????????????????????????? 181 9?4?1 光學輻射源 ?????????????????????????? 181 9?4?2 光學頻率梳 ?????????????????????????? 183 9?5 時間尺度 ????????????????????????????? 185 9?6 波蘭國家時間和頻率標準 ?????????????????????? 187 參考文獻 ???????????????????????????????? 189 第10章 長度標準和測量 ????????????????????????? 190 10?1 簡介 ??????????????????????????????? 190 10?2 米定義的復現(xiàn) ??????????????????????????? 191 10?2?1 CIPM 建議的米的復現(xiàn) ????????????????????? 191 10?2?2 CIPM 建議的長度測量 ????????????????????? 194 10?3 碘穩(wěn)頻633nm 氦氖激光器 ????????????????????? 196 參考文獻 ???????????????????????????????? 199 第11章 衛(wèi)星導航系統(tǒng) ?????????????????????????? 200 11?1 簡介 ??????????????????????????????? 200 11?2 全球定位系統(tǒng) (GPS) ??????????????????????? 202 11?3 GLONASS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) ??????????????????? 204 11?3?1 GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng) ???????????????????? 204 11?3?2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) ??????????????????????? 205 11?4 伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng) ???????????????????????? 206 11?5 區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng):印度 NAVIC和日本 QZSS ???????????? 207 11?6 定位精度 ????????????????????????????? 208 11?7 導航衛(wèi)星系統(tǒng)的應用 ???????????????????????? 211 11?7?1 導航 ????????????????????????????? 211 11?7?2 定位 ????????????????????????????? 212 目 錄 ?Ⅹ? 11?7?3 授時 ????????????????????????????? 214 11?7?4 搜索與救援 ?????????????????????????? 215 參考文獻 ???????????????????????????????? 216 第12章 掃描探針顯微鏡 ????????????????????????? 217 12?1 原子分辨顯微鏡 ?????????????????????????? 217 12?1?1 掃描探針顯微鏡的工作原理 ??????????????????? 217 12?1?2 SPM 近場相互作用的類型 ??????????????????? 218 12?1?3 SPM 基本參數(shù) ???????????????????????? 218 12?2 掃描隧道顯微鏡 ?????????????????????????? 219 12?3 原子力顯微鏡 ??????????????????????????? 222 12?3?1 原子力 ???????????????????????????? 222 12?3?2 原子力顯微鏡性能 ??????????????????????? 223 12?3?3 顯微鏡懸臂梁撓曲的測量 ???????????????????? 223 12?3?4 測量懸臂梁共振的原子力顯微鏡 ????????????????? 225 12?4 靜電力顯微鏡 ??????????????????????????? 226 12?5 掃描熱顯微鏡 ??????????????????????????? 227 12?6 掃描近場光學顯微鏡 ???????????????????????? 229 12?7 掃描探針顯微術的發(fā)展機遇 ????????????????????? 230 參考文獻 ???????????????????????????????? 232 第13章 新質量標準 ??????????????????????????? 233 13?1 簡介 ??????????????????????????????? 233 13?2 基于普朗克常數(shù)的質量標準 ????????????????????? 237 13?2?1 功率天平標準 ????????????????????????? 237 13?2?2 懸浮標準和靜電標準 ?????????????????????? 240 13?3 硅球標準 ????????????????????????????? 240 13?3?1 參考質量與阿伏加德羅常數(shù) ??????????????????? 240 13?3?2 硅晶胞體積的測量 ??????????????????????? 242 13?3?3 硅球體積的測量 ???????????????????????? 243 13?4 離子累積標準 ??????????????????????????? 244 參考文獻 ???????????????????????????????? 246
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