物理学

从量子力学诞生之日起，原子和分子结构及其性质的计算一直是物理学家与化学家极为重视并为之付出不懈努力的最基本的问题。尽管随着计算机的存储与计算能力的急剧发展，从第一原理出发或从头计算取得了许多可喜的进展，但由于面对的问题过于复杂，即使应用大规模并行计算方法，能够精确求解的问题仍然十分有限。相比之下，计算机模拟方法在许多复杂的情况下，能对许多重要问题给出很好的近似结果，表现了强大的应用能力，因此近年来受到越来越普遍的关注。

本书是由两位几十年来一直从事计算机模拟研究的专家撰写的一部原子计算机模拟的实用性专著。他们在工作实践中经常遇到人们向他们请教如何做原子计算机模拟以及各种不同方法的实用能力及其局限性的比较，特别是在指导研究生开始进入相关课题研究工作时。面对这样一些问题，他们发现找不到一本合适的书作为参考。为此他们下决心自己写这样的一本。

本书既不打算提供对于许多不同的可用的原子计算机模拟技术所赖以建立的理论的详细介绍，也不想成为一本关于如何编写和运行一些特殊算法的菜单类型的书籍。作者们力求写成一部教科书，旨在为读者提供设计和实现任何涉及原子模拟所必须的知识，力求使本书成为在模拟过程中最为实用的一种指南。为此在书中的一些关键章节包括了对于每一类模拟必须规定的关键词的最小集合以及为了防止发生简单错误和机时的浪费而专门设计的一些核对清单。

全书内容共18章，分5个部分。第1部分 原子尺度的世界，含第1-4章：1.原子、分子和晶体；2.化学键；3.化学反应；4.可以准确计算什么？第2部分 引入描写系统的方程，含第5-6章：5.总能量最小化；6.分子动力学和蒙特卡洛。第3部分 描写原子之间的相互作用，含第7-9章：7.计算能量和力；8.电子结构方法；9.密度泛函理论的细节。第4部分 调试和运行计算，含第10-13章：10.设计一个方案；11.坐标和模拟网格；12.核心与筛选；13.试验。第5部分 分析结果，含第14-18章：14.浏览输出文件； 15.利用所有这些数字做些什么？16.可视化；17.电子结构分析； 18.与实验比较。

书末给出了两个附录。附录A简单介绍了UNIX系统，附录B简略地介绍了科学计算相关的进展。

与传统教科书不同，本书没有包括习题与问题。作者认为全书就可以看作是一个练习，希望读者一边读一边就开始试用一种原子模拟方法，而且在网页www.AtomisticSimulations.org 上作者既讨论了展示最新结果的研究文章，也给出更多的学习原子计算机模拟的练习。建议读者能从那里找到更新的材料。

本书内容广泛、叙述逻辑清晰，对于读者一步一步地引导，特别注重实际应用。虽是一本专著，但仍可作为理论物理、原子与分子物理、材料科学和化学学科研究生深入学习原子计算机模拟课程的辅助教材。对于实际操作原子计算机模拟的研究人员，本书极具参考价值。

高能物理学自从上世纪中叶诞生以来，以基本粒子及其相互作用为研究目标，已经取得了诸如建立了统一弱、电与强相互作用的标准模型这类无比辉煌的成果，极大地深化了人类关于物质最深层次结构的认识。回顾这一伟大历程，不难看到这些成果无不是在对世界范围内许多高能实验室特别是一些大型加速器以及对撞机上所提供的数量浩瀚的实验数据进行复杂而细致的分析基础之上取得的。基本粒子的行为遵从量子力学，同时各种反应和探测过程受到环境和条件（背景）不可控制的影响，因此对它们的描写充满随机性。比如，对于两个粒子的碰撞或者甚至一个粒子的衰变，我们不可能确定性地预言究竟会发生什么，而只能给出各种可能输出的概率。我们必须透过这些随机性，寻求对于复杂过程的清晰了解，从而获得精确的科学结论。正因为如此，高能物理实验数据的分析工作，不仅对于高能物理实验家，而且对于那些密切依靠实验结果的理论家们都是至关重要的。实际上，几乎所有的高能物理的异常精确结果都是借助于需要高度技巧的统计方法得到的。在粒子物理领域，统计推理是数据分析的最基本的步骤。

近年来，研发了许多新的统计技术以及相关的软件包。对于从事高能物理研究的科学家，尽快掌握这些统计知识的需求急速增长。本书正是为服务于这一目的，向读者提供在高能物理研究中碰到的各种典型的统计分析方法细致和实用的介绍。

本书内容共分12章，它们分别由相关课题的一些专家或研究组撰写。各章标题和作者列举如下：1.基本概念（R.Barlow）；2.参量估计（O.Behnke and L.Moncta)；3.假设检验（G.Schott）；4.间隔估算（L.Demortier)；5.分类（H.Voss)；6.展开（V.Blobel）；7.约束拟合（B.List)；8.如何处理系统的不确定性（R.Wanke)；9.理论的不确定性（M.Diehl)；10.高能物理常用的一些统计方法（C.Hensel 和 K.Kroninger)； 11.分析选析（A.Heijboer 和 I.van Vulpen)；12.在天文学中的应用（H.B.Prosper)。

本书注重实用性，阐述尽可能具体，各章内容中插入了许多特定的设计实例。每章后面都提供了一些练习题，它们的提示、答案、一些必要的软件可以在出版商提供的网页上找到。本书对于实验类型的高能物理相关专业的研究生以及实验工作者都是一部难得的参考书。

众所周知，物质由于温度不同可以处于固态、液态和气态。而各种物态的根本区别在于构成它们的微观粒子之间的结合或凝聚程度不同。实际上在自然界中还有一种同样重要的物质第四态，它是指物质的分子或原子被部分或完全电离的状态，通常称之为等离子体。与平常我们熟悉的前述三种状态不同，它们的行为主要取决于带电粒子的运动。在很多情况下，带电粒子形成集团作用，引起许多复杂的集体运动模式。等离子体现象在自然界普遍发生，现代科学断言，宇宙中99%以上的物质处在等离子体状态。在实验室中对于等离子体的研究始于19世纪末，1929年首次引入"等离子体"这个名称。而对于等离子体研究起了极大推动与激励作用的是近几十年来受控热核聚变的研究。

随着在物理学、天文学或工程技术领域获得大量应用，等离子体物理急剧成长为科学与技术的一门分支学科。但本书作者在实际工作中发现，没有任何单独的一本教科书能够涵盖这一枝繁叶茂的等离子物理领域的各个方面，因此作者企图填补在一些优秀的、传统的宽泛基础的等离子体物理书籍与那些取向更为专门的参考文献之间的缝隙，作者收集了大量与等离子体物理相关的基本公式、定义、数据以及参考文献，提供给读者全面的、不限定于任何特定专门领域的等离子体物理综合实用知识。它们对于在物理、天文以及工程技术领域工作的对等离子体物理感兴趣的研究人员与教学人员都极为重要。本书的宗旨不是作为一本教科书，它不仅有大量的篇幅给出当代的发现成果，而且也收编了在现代书籍中不易找到的上世纪50-60年代许多得到公认的确立的结果，这些结果随着非完美电离与约束等离子体重新受到重视而再一次变得重要。

本书第一版于2001年出版，十多年来受到了普遍的欢迎。在第2版中添加了许多涉及原子和分子新的可用的数据，内容有了较大的扩充。

全书内容共分10章：1.基本的物理数据；2.基本的等离子体参量；3.放电等离子体和基本过程；4.辐射；5.动理论；6.等离子体输运；7.等离子体波； 8.流动；9.平衡与不稳定性； 10.数学。

本书作者考虑到由于等离子体物理涉及的领域太广，物理单位的使用多种多样。因此在这本公式汇编中所有的公式同时使用SI和cgs-高斯单位两种单位制来表示。作者希望有助于这一领域能够整体向只使用SI单位制平稳过渡。因此本书适用于那些工作于等离子体物理前沿的物理学家、天文学家和工程技术人员。

辐射可以分为非电离辐射和电离辐射两个大类，通常辐射防护关心的对象是电离辐射，电离辐射包括高能电磁辐射（x射线、γ射线产生的辐射）和粒子辐射（中子、α粒子、β粒子、质子等产生的辐射）。在日常环境中，除了宇宙射线等天然辐射外，医疗照射、核电站、核试验等人工辐射也是辐射的重要来源。辐射防护的目的是既要保护从事放射工作者的本人和后代乃至全人类的安全，又要保证安全正常的作业，以造福于人类。

本书主要内容来自辐射防护和保健物理学入门课程的教学资料。本书是第3版，与前两版相比，在编排上更注重辐射防护基本原理的应用，并且加入了一些新的内容，如介绍日本福岛第一核电厂的事故。为了照顾仅具备基本科学知识背景而非辐射物理学专业的读者，本书内容从辐射物理学基本知识开始，逐渐深入到有关辐射防护的内容，如辐射防护中的常用量及其单位、辐射剂量、射线对人体的作用、辐射防护的基本方法等。

全书共14章：1.原子结构；2.原子与能量；3.放射性转变；4.相互作用；5.核裂变及其产物；6.自然辐射和放射性；7.辐射线与物质的相互作用；8.辐射屏蔽；9.内照射剂量；10.环境扩散；11.核临界状态；12.辐射探测与测量；13.辐射物理学中的统计资料；14.中子。

本书图文并茂，由浅入深，并且以大量实际的例子说明辐射防护的基本原则和方法应用。辐射防护与环境工程、核化工与核燃料工程、核技术及应用、放射学等与辐射环境相关学科的工作人员、工程师、研究生、教授可以阅读和参考本书。

本书论述了如何测量自然生成的地球磁场的变化，测量这些变化可以用来提供近地空间环境的信息。这是一个复杂和不断变化的区域,空间的天气将影响轨道航天器和地面技术系统。测量主要来自地面磁力计，但也来自高频雷达,以及卫星平台的非常低的频率信号传送器。这样的遥感是可能的，因为源自地球的磁场线将在太阳风中产生响应，通过大气、进入太空，并在称为等离子波的周期性磁场和电场中产生扰动。

全书含9章：1.引论，介绍磁地震学研究的领域；2.磁层和电离层，论述地磁场,地球的磁气圈结构,磁性层的电流系统,辐射带；3.在磁层中的ULF等离子体波，讨论等离子体的基本属性,粒子运动,低频磁化等离子体波； 4.ULF波的来源，介绍外因的来源,边界不稳定,场线谐振,谐振腔波导模式，空间局部波和离子回旋加速器波；5.检测场线共振的技术，论述光谱能量变化与纬度、变异与纬度的阶段,波极化特性、光谱功率差异和分裂,从纬度分开的传感器；6.基于以地面为基地的磁层遥感，讨论估算等离子体质量密度、Tamao的时距法，确定电子密度；7.空间天气的应用，介绍磁层的结构和密度、等离子体层顶动力学、等离子体纵向密度的变异、太阳周期变化,判断在高纬度地区磁性层的密度拓扑；8.离子球体中的ULF，论述静电和归纳电离层,电离层的ULF波解，一个现实的电离层ULF波解，遥感ULF电场 ；9.在其他行星和恒星的磁地震学，讨论在其他行星的磁地震学和日冕的磁地震学。

本书可供空间物理和等离子体物理等相关领域的大学生、研究生、教师、工程师和研究人员阅读和参考。

纳米技术能在纳米尺度操控物质，开发出一些具有特殊性能的新材料。近年来纳米技术获得突破性发展，特别是在能源领域的应用。通过引入一些有效、环保、成本效益好的技术，能开发出超越传统的新能源生产方式。本书由纳米技术及应用领域的领军科学家撰写的论文编著而成，探讨了能源的生产、存储和利用问题。第2版与第1版相比有较大改进，内容也有扩展，增加了第4，5，7三章。

本书由三大部分组成，共18章：第1部分 可持续的能源生产，主要讲述在清洁能源生产和存储中纳米技术的发展和应用，含第1-8章：1.应用纳米技术的能源产品：综述了纳米技术在光伏太阳能电池、氢生产、燃料电池以及热-电发电机中的应用；2.敏化染料-光电化学发电装置中的纳米技术；3.从纳米技术的角度来看热-电能量转换：光伏太阳能电池利用200-800nm波长范围的太阳能发电，热-电是利用800-3000nm波长范围的太阳能发电的装置，二者互补；4.能源收集和转换中的压电效应和压电电子效应：介绍了若干种薄片状的纳米发电机及自供电的纳米传感器的结构原理、材料和应用；5.石墨烯在能量产出和存储中的应用：介绍了石墨烯提高电池或电容寿命、降低生产成本的工作原理；6.纳米材料在燃料电池中的应用；7.铁催化费-托合成（FischerTropsch合成）中的纳米催化-远景；8.纳米技术在氢气生产中的应用。第2部分 有效的能量储存，讲述了纳米材料在能量存储系统中的应用，含第9-12章：9.氢储存中所用到的纳米材料；10.电化学式的能量储存-纳米材料的优越性；11.电化学能量储存中所使用的碳基纳米材料；12.利用纳米技术开发的高性能超导体用于能源应用。第3部分 能源的可持续性，讲述了运用纳米技术能更有效地利用能源，并减少对环境的影响，含第13-18章：13.绿色的纳米制造：传统能源利用中的非常规途径；14.燃料生产中的纳米催化技术；15.表面-功能化的纳米多孔催化剂在生物燃料中的应用；16.纳米技术在二氧化碳捕获中的应用；17.纳米结构的有机发光器件；18.节能建筑的电致变色-纳米体，薄膜及装置。详细地介绍了，无需外接电源就有制冷、制热调节室温功能，并能改变室内光线颜色和照度大小的"智能窗"，包括它的原理、结构、材料和功能。每章的末尾有结论和参考书目，序言后面给出了各章作者的简介，书的末尾有主题索引。

本书主编加西亚-马丁内斯博士是西班牙阿利坎特大学（University of Alicante）分子纳米技术实验室主任。他在纳米技术及能源领域有大量论著，拥有超过25项专利，是美国波士顿River Technology公司的创始人之一。他曾多次在欧洲和美国荣获奖章和奖金，是世界经济论坛理事会、英国皇家化学学会以及国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC,International Union of Pure and Applied Chemistry)成员。

本书可作为大学物理系、化学系学生，从事能源研究的研究生，以及研究纳米技术在能源领域中应用的研究工作者的参考书。

热固性材料是一类重要的材料，其显著特点是在加热时不软化，也不在溶剂溶解。与热塑性材料相比，热固性材料广泛应用在隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中。在聚合物基质中加入层状硅酸盐或其他纳米填料，从而形成新型热固性纳米复合材料，是热固性材料新的领域。这种方式产生的热固性纳米复合材料其综合性能更加优异。近些年来，对不同纳米填料或者不同复合方式的纳米复合材料的研究越来越多。本书的目的是将这些最新的研究成果全面而有机地结合起来，希望促进读者对热固性纳米复合材料的设计、优化等问题产生更有创造性的见解。

全书共10章：1.环氧蛭石纳米复合材料；2.紫外光固化环氧基聚合物纳米复合材料；3.粘土矿物纳米复合材料——有机改性和聚氨酯结构对粘土分散性的影响；4.甲醛基热固性纳米复合材料的热物性；5.热固性粘土纳米复合材料的力学性能；6.不饱和聚酯树脂粘土混合结构纳米复合材料；7.采用超支化聚合物对纳米复合材料进行粘土表面改性；8.制备金属及粘土热固性纳米复合材料的新方法；9.生物环氧树脂/粘土纳米复合材料；10.导电热固性纳米复合材料的电气性质与电磁屏蔽响应特性。

本书作者是阿布达比酋长国石油学院化学工程系的助理教授，他于2006在瑞士联邦理工学院高分子与材料科学工程系获得博士学位，他的主要研究领域是高分子纳米复合材料、新型表面改性技术、聚合物乳胶等，并已经在这些领域中发表了40余篇论文。

本书的主要涉及热固性纳米复合材料的前沿研究成果，理论性与专业性较强，适合纳米材料、复合材料、高分子材料等领域的研究生、教授与研究院阅读参考。