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怀念“人民科学家”程开甲院士
热度 2 大毛忽洞 2019-9-18 10:11
科学网新闻： 授予叶培建、吴文俊、南仁东（满族）、顾方舟、程开甲“人民科学家”国家荣誉称号 博文的题目中的“人民科学家”来自以上新闻。 和程先生 20多年的交往中，我们的共同兴趣是“TFDC电子密度”。 1996年12月6日，为了研讨“TFDC电子密度”，程先生从北京坐火车到淄博，然后转乘汽车来到位于东营（胜利油田）的石油大学，程先生在石油大学住了10多天，当年程先生78岁。 下面的故事让我从元素周期表讲起。 元素周期表中，电子的壳层结构描述的是自由原子。如果原子不是孤立的，电子在原子中究竟如何分布呢？ 为了回答这个问题， 1926 年和 1928 年 Thomas 和 Fermi 独立地提出了一个描述电子在原子中分布的模型，称为 TF 模型， 1930 年 Dirac 将电子交换作用引入到 TF 模型中，将 TF 模型发展为 TFD 模型，被广泛地称为电子的统计理论。 1993 年，程开甲院士根据经典 TFD 模型，求解出了 TFDC 电子密度，将 TFD 模型发展为 TFDC 模型。 我能结识程开甲院士纯属偶然，完全是一种机遇。自从 1988 年硕士毕业以来，我坚持每年申请国家自然科学基金，如果申请书早一年被批准，或者晚一年被批准，我都会错过结识程开甲院士的机会。 1993 年，我获得了第一个国家自然科学基金项目，与此同时，我被金属材料学科的靳达申主任推荐到程开甲院士领导的“集团管理项目”中，这使我结识了程开甲院士。 1993年12月8日，在北京钢铁研究总院，国家基金委金属材料学科（材料科学一处）组织召开“材料设计研究”面上基金集团管理项目研讨会，在这次会上我第一次见到了程开甲院士。程先生作了关于“TFDC模型及其应用”的报告，报告的重点内容是关于TFDC电子密度，像原子序数Z、原子半径r和电子密度n等参数，都反复出现在我当年的笔记本上。 1981年，我在吉林大学上学的时候，程先生编著的《固体物理学》是我们的教学参考书。12年后，在基金委金属材料学科组织的“集团管理”活动中，我亲眼目睹了程先生的科学家风采。“集体管理项目”已经过去好几年了，但是，我和程先生的交往一直维持到现在（2008年完成此文时间），10几年来，我和程先生交流的主题始终围绕着一个新概念，即TFDC电子密度。 程先生早年留学 英国爱丁堡大学，曾经在导师玻恩的指导下学习和工作了四年，程先生当年的主攻研究方向为超导理论，并且在 Nature发表了3篇文章。在新中国的召唤下，1950年夏天，程先生经历一个多月的海上旅行之后，回到了祖国。 程先生回国后在浙江大学物理系任副教授， 1952年全国院系调整时，程先生被调整到南京大学物理系。 1958 年 ，程先生 在《物理学报》发表了题目为 “ 用 Fermi-Thomas 方法计算金属的结合能”的文章，这是我所查阅到的程先生最早发表的 关于 TFD 模型的论文 。后来，经钱三强推荐中央批准，程先生去搞原子弹研究，经过半年的努力，程先生的攻关小组“终于第一次采取合理的 TFD模型，计算出了原子弹爆炸时弹心的压力和温度”。当时负责原子弹结构设计的“两弹一星”功勋科学家郭永怀院士对此评价是“帮我们解决了一个大难题”。 程先生于 1958年发表第一篇关于TFD模型的论文，之后的原子弹研究生涯也都和TFD模型有关，直到2005年，程先生还第一作者发表学术论文，主题仍然是TFDC电子理论模型。 2007年7月4日，经程先生的秘书同意，我到程先生家看望程先生，我们的交谈内容被限制在学术之外的事情，即不能谈学术的内容。乘秘书不在场，程先生马上把话题转移到TFDC模型上来。程先生问我，如何把TFDC模型应用到纳米问题上？我回答道：“程先生，我现在研究的是用TFDC来“组装”原子，似乎已经超越了纳米”，我又用几句话解释了“TFDC原子组装”的大概思路，程先生会意地点点头。如果秘书在场，程先生则采取拐弯抹角的方法，总会把主题引到他的TFDC模型上。而秘书也会不知不觉地参与进来。 程先生的单位为程先生配备的专职秘书，是程先生的女儿，不但负责程先生的对外业务，也负责程先生的日常生活。 程先生秘书对程先生会客有很严格的要求，对我的要求是：不能和程先生谈 TFDC模型，否则，程先生就会陷入沉思，就会失眠。实际上，程先生自己每天都在思考问题，其中包括TFDC模型，当程先生感觉到关于TFDC模型的研究长时间没有什么进展时，则会表现出一种忧虑。因此，完全不让程先生接触外人也不是最好的策略，这就是为什么程先生秘书仍然允许我会见程先生的理由。 1994年，我在北京给程先生打电话，都是程先生自己亲自接电话，那时，程先生的秘书还在外地工作。当时程先生住在某大街的部队大院里，程先生在电话里告诉我他家的地址和门牌号码，当我询问在某大街的具体方位时，程先生描述了很多，而我基本上都没有听明白，我只听懂了北边有个“农林局”的牌子。程先生有很重的吴江口音，当年周恩来总理曾经交给程先生两项任务，一是科研试验任务，二是学普通话。程先生说，其他任务都完成了，只是学普通话的任务完成得不好。 我根据程先生的吩咐，总算找到某大街的部队大院，接下来的事情很顺利，记得程先生当时住在一栋两层高的楼房里，每一户都是上下两层。程先生的书房在二楼，房子不大，非常显眼的地方是书架和黑板。后来程先生搬家到亚运村附近，房子虽然大了，但是书房的特色仍然是书架和黑板。据程先生秘书讲，装修新家时，程先生自己提出的要求只有两条：书架和黑板，而其他事情程先生则一概不管。无论是在亚运村的新家，还是在某大街的旧家，只要我来程先生家里，程先生总是要求我把想法和结果写在黑板上。 1994年，我和程先生讨论的问题的主题词为“ 应力”、“边界作用”、“边界间应力”、“表面张力”等。此外，程先生对我的超塑性研究也很关心，因为超塑性变形也被称为粘性流变，因此程先生曾经从流体力学的角度来启发我 ，提到了“平流”、“湍流”和“雷诺数”等概念。在和程先生交往的开始几年，由于我对程先生的理论还理解得不深，因此，我们还没有更多的共同语言。 1996 年下半年，我用 Zn-5Al合金样品，做了一些X射线衍射实验，结果是：Al相晶胞收缩，Zn相晶胞膨胀。在程先生的家里，给程先生讲述我的实验结果，程先生听后表现出了极大的兴趣，显得特别兴奋，因为我的实验结果正中了程先生TFDC模型的下怀。在这次谈话中，我也很兴奋，因为我触及到了程先生TFDC模型的实质性内核。和程先生讨论之后，我根据TFDC模型解释了我的实验结果。 X射线衍射结果表明：对于再结晶态，合金中Al相的晶格收缩，点阵常数比纯Al的小，而Zn相的点阵常数大于纯Zn的。对于超塑变形态，合金中Al相的晶格收缩更为明显，而Zn相的点阵常数仍然大于纯Zn的。 为了用 TFDC电子密度解释这个实验结果，我使用了一个非常简单的“二原子模型”，即只考虑两个原子，一个Al原子和一个Zn原子。我的解释是： 当 Al原子和Zn原子接触时，在接触面(相界面) 应该满足量子力学波函数连续的条件，即电子密度相等。由此造成的结果是:电子密度小的原子要收缩半径，以便增大表面的电子密度；而电子密度大的原子要膨胀半径，以便减小表面的电子密度。对于晶体材料，点阵常数的变化就是原子半径的变化。因此，Zn-5Al合金中Al相晶格收缩和Zn相晶格膨胀与电子效应有关。 把以上实验结果和根据 TFDC模型的解释，写成一篇题目为“Zn-5Al合金超塑性的量子效应”的论文，投给《中国科学》。论文被接受并且排了版，我也交付了中英文版面费，但是论文发排后被有关专家（能看到发排清样的专家）提出几个问题进行质疑。我根据编辑整理的质疑意见，写了非常详细的答辩意见，就是不想修改“二原子模型”，最后编辑说“争议太大”，结果文章没有被刊登。 《中国科学》的那位编辑在给我的最后一封信中，曾经建议我再和程开甲院士讨论一次，以便修改后能发表。而我觉得没有这个必要了，因为我和程先生已经讨论明白了，要说服“争议”，不是一下子能解决的事情。 2年之后的1999年，《自然科学进展》发表了我的这篇文章，题目仍然为“Zn-5Al合金超塑性的量子效应”，英文版的题目为：Quantum Effect of the Superplastivity in Zn-5Al Alloy，用Google按题目进行学术搜索，程开甲院士引用英文版3次，中文版没有人引用。 1999年为了申请同等学力博士学位，我在清华大学材料系为5位教授报告了我的超塑性研究，也讲了“量子效应”这个实验结果和TFDC模型的解释，由于是面对面，我总算给教授们解释清楚了。后来论文评审和答辩中，有更多的专家学者看到了我的实验结果和解释。 程先生虽然引用了我的实验结果，但是，程先生自己仍然在思考我的实验结果。程先生虽然是理论物理学家，但是程先生的金属学功底也不浅。一次，我在中科院沈阳金属所的成果陈列室里，看到了挂在墙上的程开甲院士的照片，栏目写着“曾经在所里工作和学习过的院士”。后来谈到程先生的工作单位时，我问程先生在金属所工作了几年。程先生说， 1953年为了学习和实践金属的锻、压、加工等知识，曾经在金属所过了一个暑假。 我和程先生的那张看书的照片，仍然是在讨论这个实验结果，那本书是一本原版英文的金属学，程先生指给我的内容是关于锌的结构的论述。程先生说，你的“量子效应”的文章细节不够严谨，但是不碍结论。 在一旁的程先生秘书看到程先生和我讨论的那样聚精会神，那样如醉如痴，她找来了相机，瞄准了镜头，这些环节程先生和我都不知道，等到她按动快门后，闪光灯告诉我们，她照相了。接着程漱玉说：“现在该休息了”。 1996年12月，基金委金属材料学科的“材料设计研究”面上基金集团管理项目研讨会在东营召开，这是程先生和靳达申决定的，会议由我来具体操办。会议规模虽然不大，但是，当时东营的交通条件很差。在这种情况下操办一个规格还不算低的学术会议，确实有一定的难度。在决定开会之前，我向当时任校长的仝兆歧教授说，国家基金委有一个很不错的学术会议要来东营开，但是我没有多少经费，希望学校能给予支持。仝兆歧校长用怀疑的眼光看着我说：“如果真能来我们学校，我全力支持”。 在学校的支持下，会议开得很成功，程先生非常满意。为了这次会议，学校共派出 6辆车，都是学校出钱。会前派出4辆车，一辆小车到北京，接北京钢铁研究总院的王崇愚院士，一辆中巴到北京接其他代表，一辆小车到天津接正在开会的基金委金属材料学科的人，我带一辆小车到淄博接程先生和程漱玉。由于我咨询的25次特快到淄博的时间不准确，结果让程先生在火车站等了1个多小时，时间是早上而且天气很冷。等我7:30赶到淄博火车站时，程先生在火车站管理人员的一个小办公室里等着我。程漱玉说，候车室里太冷了，好说歹说，他们总算让程先生在这里暖和一下。 程先生看见我来了，显出很高兴的样子。本来正式会议是 12月10日开始，可是程先生12月6日就到东营的石油大学了，比别的代表早到了3天。程先生在北京召集会议也是这样，在会议正式召开的前一个晚上，程先生要看望每一个房间的代表，不管年龄和职称。当时我们学校招待所的条件比较差，除给程先生安排一个套间外，其他代表都住标准间。第二天，我去看望程先生，程先生的第一个要求是要参观胜利油田的一个金刚石研究所，希望我尽快联系。我问招待所的条件如何，程先生说可以。我又问程先生秘书，房间怎么样，她说有点冷。我说服机械系办公室主任，出钱买了三台电暖器，给程先生房间放了一台，另外两台放到了朝北的两个房间。食堂的伙食也不是很好，因为会议还没有召开，只供应普通的工作餐。我跟食堂交涉，他们说，会议召开了就会好的。我把交涉的结果告诉了程先生，因为程先生担忧的是参加会议的代表可能不满意。 我把招待所食堂的情况告诉了我妻子，我们决定星期天（ 12月8日），请程先生和程先生秘书到家里来吃午饭。星期六，我妻子到5公里以外的农贸综合市场采购了三样东西，活的螃蟹、活的扇贝和活的黑鱼，每种都买了很多。 星期天中午，程先生来到我家，当程先生看到我的大书架时，伸出大拇指给予了表扬。实际上我家的房子并不大，建筑面积只有 70平方米，而且还是一楼，屋子里显得很暗。我的小孩当时10岁正上小学，他首先请程先生在一个小本子上题词，然后请程先生合影留念，程先生很高兴地满足了我儿子的愿望和要求。 到吃饭的时候，我妻子先把螃蟹和扇贝端在饭桌上，然后去烹调黑鱼。我陪着程先生和程先生秘书趁热吃螃蟹和扇贝，当我夫人把黑鱼端上饭桌时，程先生说，你蒸的螃蟹真好，我从来也没有吃过这么香的螃蟹。实际上 12月是螃蟹最肥的时候，再加上买的时候又精心挑选，蒸的时候只要放少许的盐就可以了。总之，程先生对我家的这顿饭，非常满意。 东营的会议包括两项议程，一是“集团管理项目”汇报，二是一个重点项目的任务和经费分配。我不是这个重点项目的成员，但是程先生坚持让我听到底，参与了全过程。在这次会议上，我只汇报了关于超塑性的内容，因为我承担的面上项目的主要研究内容就是超塑性。 这次会议之后，我把程先生送到济南山东工业大学，程先生又做了几个报告。程先生觉得东营的会议意犹未尽，因此，决定由山东工业大学主持， 1997年4月在泰安再开一次研讨会。 在泰安的会议上，我报告了一个“原子作用体积的概念”，通过原子作用体积，可以把程先生的 TFDC电子密度和余瑞璜先生的价键电子数联系起来。在会上，我和刘志林教授争论得很厉害，程先生却在前排座位上安静地坐着，一边听，一边思考。1948年，程先生在瑞士苏黎世大学召开的低温超导国际学术会议上，程先生和曾经也是玻恩的学生海森伯争论得非常厉害，主持大会的著名物理学家泡利觉得非常有趣，主动说：“你们争论，我来当裁判”。但是，当程先生和海森伯吵了很久之后，泡利却说：“你们师兄弟吵架，为什么玻恩不来？这裁判我也不当了。”当程先生把参加会议和海森伯吵架的情况向玻恩汇报时，玻恩显得非常兴奋，为程先生和海森伯的争论拍手叫好。也许这就是为什么程先生心平气和地观看我和刘志林争论而不发言的理由。别的人都在看程先生，而程先生却不动声色，安静地在听我们吵架。这次会议之后，我围绕“原子作用体积”，写了一篇论文，题目是“晶体价键理论和电子密度理论的沟通”。 在 1997年下半年，王崇愚院士为程先生的“集团管理项目”组织召开了一个学术讨论会，在这次会上，我报告了“原子作用体积”的主要内容，程先生对我的结果公开表示了认同。 TFDC电子密度的量纲是单位体积内的电子数，由于单位体积内的电子数目很大，一般表示为 10的23次方/立方米 。需要强调的是，这是在原子Wigner-Seitz半径处的电子密度值。Wigner-Seitz半径处就是原子和原子接触的界面，是原子和原子的外层电子相互作用的地方，也是这种相互作用使原子实现化学键结合，形成晶体（或者别的什么状态）。如果能估算出原子外层电子的作用范围，即外层电子作用的空间范围，那么，这个空间作用范围的体积乘以TFDC电子密度应该等于参与成键外层电子数目，即价键电子数。 一边是 TFDC电子密度，另一边是价键电子数，能把它们联系起来需要一个“体积”因子作为桥梁。为此，我把这个体积因子定义为“原子作用体积”：原子作用体积 等于 Wigner-Seitz原子与密堆积原子的体积差。换句话说就是，用Wigner-Seitz原子半径计算出的原子体积要比用刚球密堆积原子半径计算的原子体积大，它们的差就是原子作用体积。 对元素周期表绝大多数固体元素计算表明， TFDC电子密度乘以原子作用体积，就等于价键电子数，与Pauling和余瑞璜给出的值基本相符。 这篇文章发表在 1999年《自然科学进展》第3期，英文题目为Relationship between the valence electron theory and the electron density theory in crystal，2007年用Google按题目进行学术搜索，中文版被别人引用2次，用了我的原子作用体积公式，计算了他们自己的实验结果。 1997年，是我和程先生会面最多的一年，这年10月，我到基金委金属材料学科办事，靳达申主任让我顺便把一页打印的重点项目指南带给程先生，1998年的《项目申请指南》里，明确为“程氏理论”设立了一个重点项目，题目叫“多层材料界面电子分布对材料性能的影响”。 1997年程先生还住在某大街的部队大院里，当程先生看到“重点项目指南”和下面靳达申写的一行字，非常高兴。我从基金委靳达申主任和程先生这里了解到，想参加这个重点项目的人很多，他们的实力都很雄厚。从1993年结识程先生到现在，我始终不是程先生承担过的项目的正式成员，但是，这并不影响我和程先生的交往。 我连续三天来到程先生家里，向程先生请教“冷化学”、“内应力”、“原子边界条件”、“量子袋”和“少子”等概念。除解答这些概念外，程先生还给了我一些他没有发表的论文提纲。在此期间，我正在悄悄写一个“ TFDC模型导论”，有一些概念我拿不准，所以，有几个段落仍然空着。向程先生请教之后，我把这些疑难之处都解决了。有一天下午，我们讨论得很晚了，程先生就留我在他家吃饭。晚饭是煮面条，当保姆听说我是山东来的，又特意给我热了馒头，说是山东人刚吃面条吃不饱。 我到程先生家的时候，只把握一个原则，即等程先生午休之后再去，但是，到程先生家之后，往往是交谈到晚饭前，结果就留在程先生家吃晚饭，我自己也记不清有多少次了。 有一次，我上午到程先生家里，结果谈到了快要吃午饭的时候。程先生说，跟我们去食堂吃午饭。当我们坐车来到部队大院的食堂门口时，程先生秘书说，你和老先生在这里吃，我要到另外一个食堂去吃。程先生把我带到食堂里，我看到饭菜有一半是我常见的，但是看上去却非常精美。用餐是自助方式，我跟在程先生后面夹菜，程先生每拿一道菜，都要给我介绍一下，如果有人和程先生打招呼，程先生就会把我介绍一下。 1999年，我们全家在北京过的春节，我们住在林业大学附近石油大学办事处的院子里。初一下午，我们全家三口要到程先生家拜年，我在一个鲜花店买了一大束花，然后高高兴兴打车来到了程先生家里。我们赶到程先生家里时，程先生家里正好有客人，是程先生单位的领导，程先生介绍之后，我们就都落座了。我看到客厅的正面墙上挂着程先生被授予“两弹一星”勋章时的大幅照片。当程先生单位的领导走了之后，程先生指着我买的鲜花对我说，你不应该买这个的，花了不少钱吧。只有这次春节拜年，程先生没有和我讨论他的TFDC模型。 2000年，我在北京住的时间最长，但是，我到程先生家里的次数并不多。这年我在清华大学听课，准备我的学位考试和答辩，我策划了12年之久的申请清华大学的博士，成功在望。与此同时，我也在思考如何用TFDC电子密度来修正 Vegard定律，但是，还没有什么进展，也没有什么要和程先生讨论的问题。 Vegard 定律在多数情况下偏离实验结果，也就是说， Vegard 定律在多数情况下并不成立，但是 Vegard 定律被写进了各种教科书，可能是惟一的在多数情况下不成立的而且被广泛接受的定律。 2000年12月，我在清华大学完成了论文答辩，一切进行得都比较顺利。2001年，我获得了清华大学的材料学博士学位，同时，我也得到了访问加拿大的签证。在我出国之前，我到程先生家看望了程先生，此时程先生正在为重点项目“ 多层材料界面电子分布对材料性能的影响 ”而发愁。因为现在要协调四家单位同心协力来攻关，并不是一件容易的事情。 程先生当年搞原子弹的时候，曾经任基地的副司令员，需要经手的工作千头万绪，需要克服的困难比现在要多。实际上，那时的研究经费也不十分充足，连吃饭都成问题。程先生回忆说， 1960s某年春节，周恩来总理宴请研制原子弹的科学家时，三张宴会桌子上，每桌都有一大碗香喷喷的红烧肉。正是这碗红烧肉，让程先生终身不忘，怀念了一辈子。 今天，科学家吃红烧肉是绝对没有什么问题的，但是，在做课题时却有一些难以克服的困难。由于种种原因，程先生建议提前终止了这个重点项目，四年的项目只干了两年。程先生把到手的重点项目退了回去，于 2001年重新申请了一个面上项目，题目为“材料内应力和断裂机制的理论和实验研究”。 我并不知道程先生终止重点项目的细节，我也不知道重点项目内究竟发生了什么事情。因为 2001年我已经在国外，直到2003年回国前，才告诉程先生我在国外的详细情况。我是通过国家基金委的管理系统看到程先生2001年申请了一个面上项目，我就猜到了重点项目内部出了问题。 我在国外期间，既没有和基金委的靳达申联系，也没有和程先生联系，他们都说我失踪了。实际上，我在国外主要干了两件事情，一是写了《魔方的科学和计算机表现》，二是推导了原子相图。就连石油大学的领导也不知道我在哪里，也不知道我在干什么。 魔方编程是一个很复杂的事情，特别四阶魔方和五阶魔方的编程和复位算法求解更复杂，必须长时间聚精会神地工作。如果思路被中途打断，必须从头再来。因此，特殊的任务，必须使用特殊的方法。就这样我在国外隐居了两年，直到完成了 35万字的书稿，我才和程先生、基金委以及石油大学开始联系。 2003年2月回到北京后，我带着我的书稿和三个魔方（一个二阶魔方，一个四阶魔方，一个五阶魔方）来到程先生家。两年没有见面，程先生看到我来了，非常高兴，我首先把三个魔方递到程先生手里，请程先生转动感觉一下，然后，给程先生看了看我的书稿，最后才谈到用TFDC电子密度修正Vegard定律的问题。程先生对我的结果非常满意，对我的魔方研究也大加赞扬。这次会面后，我给程先生留下了一个二阶魔方，随后，程先生为我的书作了个序言。书印刷出来之后，我给程先生邮寄了6本，程先生把我的书给司机和勤务员看。后来程先生秘书说，如果来你这里（石油大学办事处大院），只要向司机提起魔方，司机就知道路怎么走了。 关于魔方的书出版之后，我把对修正 Vegard定律思考的结果写成了一篇“TFDC原子相图”的文章，于2003年发表在《自然科学进展》第11期，在文章的致谢里写到：10年来，程开甲先生不遗余力地指导作者把握TFDC模型的深刻内涵，作者在此对程先生的热情指导表示衷心的感谢。 2006年，我出版了《相界扩散溶解层》，书的封面画了两个圆，圆内分别标注为Al和Zn，TFDC写在两个圆的之间，表示TFDC可以解决Al和Zn的接触问题。封面设计也表明，我是通过Zn-Al合金理解了TFDC模型。 10年来，我查阅了3000多篇有关电子密度的文献，没有看到从TFD模型求解出电子密度文献，因此，程先生的TFDC电子密度及其应用是原始 创新。 13年前（本文写作时间2007年），我和和程先生第一次见面是在“材料设计研究” 面上基金集团管理项目研讨会上，而原子“组装”应该是材料设计的最高境界。此外， 程先生在论文中明确写道： “改进的 TFD模型可以作为固态物理理论研究的一个‘探针’，为实际材料设计提供了方法和手段”。探针的灵敏度极限是探测一个或者几个原子，而原子“组装”理论就需要这样的探针。 人们先把沙土制成秦砖汉瓦，然后用砖瓦来盖房子。同样的道理，先把元素周期表中的两个或者几个异类原子组装成原子砖，根据 TFDC电子密度定义原子砖的参数；然后用原子砖来“组装”纳米材料或者原子器件，再使用一定的模型计算出纳米材料或者原子器件的技术参数。这就是我根据TFDC电子密度领悟到的原子“组装”理论，这也是我2007年7月4日和程先生谈到的内容。 2014 年，我和我的学生发表了 Vegard 定律的原子模型： An empirical atom model of Vegard's law has been proposed to account for signs of deviations according to the electron density at Wigner–Seitz cell from Thomas–Fermi–Dirac–Cheng model. Empirical atom model of Vegard's law （文章被引用了 13 次） Vegard 定律简单地给出固溶体晶格常数随组元成分变化的线性关系式，在多数情况下， Vegard 定律与实验事实不符，但是人们习惯上却说实验偏离了 Vegard 定律。 如果能把经典的 TFD方程的限制 Wigner-Seitz多面体上，则可以求得更接近实际的原子电子密度，用这样的电子密度数据，似乎可以探测到固体中原子更多的秘密。数学上看，经典的TFD方程来自泊松方程，边界条件限制在球面上，如果把边界条件限制在Wigner-Seitz多面体上，这需要强大的数学。
个人分类: 电子密度理论|8603 次阅读|4 个评论
悼念程开甲院士：两个原子的故事
热度 4 大毛忽洞 2018-11-19 07:52
“ 两弹一星 ” 功勋奖章获得者程开甲院士逝世 （科学网） 【 “两弹一星”功勋奖章获得者， 2013 年国家最高科学技术奖获得者， 2017 年“八一勋章”获得者程开甲院士 11 月 17 日上午在北京病逝，享年 101 岁。 1993 年 12 月 8 日 ，在北京钢铁研究总院，国家基金委金属材料学科（材料科学一处）组织 召开“材料设计研究”面上基金集团管理项目研讨会，在这次会上我第 1 次见到了程开甲院士。程先生作了关于“ TFDC 模型及其应用”的报告，报告的重点内容是关于 TFDC 电子密度，像 原子序数 Z 、 原子半径 r 和 电子密度 n 等参数，都反复出现在我当年的笔记本上。 这是 25 年前的事了。 这是我根据公开的文献归纳出的关于程先生和TFD模型的轨迹。由此可见，程先生在搞原子弹期间，仍然在研究和使用TFD模型。 大量文献表明，TFD在X射线衍射理论中的应用取得了成功，早年的原子散射因子就是根据TFD模型计算出来的。由此可见，TFD模型是个好东西。 程先生和我讨论锌铝合金的结构， 1999 年 11 月 25 日 在程先生的家里。这照片是程先生女儿程漱玉抓拍的，她拍摄这张照片后，就下令说：该休息了。 实际上，这次讨论的起因是 Al 原子和 Zn 原子如何接触？ 在这次讨论之前，我自认为我已经把握了程先生 TFDC 模型的核心思想。 这张照片是程先生女儿程漱玉拍摄于 1997 年，我正在和几位教授吵架！ 1997 年 4 月在泰安再开一次研讨会。在会议上，我报告了一个“原子作用体积的概念”，通过原子作用体积，可以把程先生的 TFDC 电子密度和余瑞璜先生的价键电子数联系起来。在会上，我和刘志林教授争论得很厉害，程先生却在前排座位上安静地坐着，一边听，一边思考。 1948 年，程先生在瑞士苏黎世大学召开的低温超导国际学术会议上，程先生和曾经也是玻恩的学生海森伯争论得非常厉害，主持大会的著名物理学家泡利觉得非常有趣，主动说：“你们争论，我来当裁判”。但是，当程先生和海森伯吵了很久之后，泡利却说：“你们师兄弟吵架，为什么玻恩不来？这裁判我也不当了。”当程先生把参加会议和海森伯吵架的情况向玻恩汇报时，玻恩显得非常兴奋，为程先生和海森伯的争论拍手叫好。也许这就是为什么程先生心平气和地观看我和刘志林争论而不发言的理由。 别的人都在看程先生，而程先生却不动声色，安静地在听我们吵架。这次会议之后，我围绕“原子作用体积”，写了一篇论文，题目是“晶体价键理论和电子密度理论的沟通”。 和他们吵完“原子作用体积”之后，我仍然在思考 Al 原子和 Zn 原子如何接触？ Zn-5Al 共晶合金是双相合金（α + β），合金中包含大量的α / β，为了用 TFDC 模型研究α / β界面的“电子效应”，我要把α / β界面简化为 Al 和 Zn 两个原子接触的问题，即只考虑 两个原子 ： Al 原子和 Zn 原子的原子半径和电子密度。这个电子密度参数，就来源于经典的 TFD 模型。 上图中，左边第 2 式就是著名经典的 TFD 方程，其下方是两个边界条件。需要强调的是，经典 TFD 方程是从泊松方程导出的，其边界条件是限制在球面上。如果描述晶体中的原子，比球形更接近实际情况的是 Wigner-Seitz 多面体。 Wigner-Seitz 多面体可以充满整个晶体空间，而球却无法充满整个晶体空间。 上图的第 1 个式子可以描述电子在原子中的分布。现在电子密度泛函理论求得的电子在原子中的分布曲线，可以显示原子的壳层轮廓。而用 TFD 模型求得的电子密度曲线是单调的，不能显示原子的壳层轮廓。但是，早年计算 X 射线衍射的原子散射因子就是靠这个经典TFD模型完成的。由此可见，任何有用的理论都有其局限性。实际上，TFD模型仍然是现代 电子密度泛函理论的最基本的近似方法之一。 如果把边界条件限制在 Wigner-Seitz 多面体上，这样求得的电子密度更接近于实际情况，可是，这需要非常强大的数学。 由前面第一张图知道，程先生从 1958 年开始发表关于 TFD 模型的文章，思考和研究 TFD 模型有 50 多年。我是 1993 年开始接触 TFDC 模型，我尽量把我自己局限于某几个经典问题。例如，实验偏离 Vegard’s Law 的问题。 2003 年，在和程先生交谈时，我说 TFDC 模型可以表达出一个“ Vegard 定律的原子模型”，由于有个参数我三年五载是无法从物理上导出的，因此，我和一个博士研究生于 2014 年发表了一个经验原子模型，英文题目为 Empirical atom model of Vegard's law （ Physica B ）。 2014 年，这个博士生答辩外审，有位外审专家把 TFDC 和 EET （经验电子理论）评价得一塌糊涂，顺便把这位博士生的学位论文也给歪评了。 2014 年 6 月，我到程先生家看望程先生（并且请求程先生评审博士生的博士论文， 2003 年就和程先生讨论过的命题）。这张照片就是当晚在程先生书房拍摄的。 以上是我发表的和程先生 TFDC 模型密切相关的文章，研究的核心问题是原子和原子如何接触。 这是我最后一次见到程先生的照片。程先生一见我，立刻就叫出了我的名字。 2015 年春节初二，我从包头过年回到北京，我给程先生秘书打电话说要来看望程先生，秘书说程先生在 304 医院。因为程先生洗澡洗到一半时热水变成了冷水，结果感冒了。这张照片拍摄于 2015 年正月初二在 304 医院。 从 1993 年 12 月 8 日 ，我第 1 次见到程先生。此后，我和程先生密切交往了 20 多年。程先生主持的重点项目里没有我的名字，我和程先生从来也没有一起署名发表过文章。但是，为了一个物理概念— 电子密度 ，我和程先生和谐地学术地交往了 20 多年。 俗话说，君子之交淡如水。我和程先生 20 多年的学术交往，为的就是： 1 个 A 原子和 1 个 B 原子到底如何接触？这就是两个原子的故事。 An empirical atom model of Vegard's law has been proposed to account for signs of deviations according to the electron density at Wigner–Seitz cell from Thomas–Fermi–Dirac–Cheng model.
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三年前,程开甲院士帮我评审博士生论文
热度 14 大毛忽洞 2017-7-29 14:01
物理学家程开甲院士获得 “ 八一勋章 ” 2017 年 7 月 28 日 ，“两弹一星”功勋科学家程开甲院士获得“ 八一勋章 ”。 2013 年，程开甲院士获得 国家最高科技奖（ 2013 年） （博文） 。 程先生获得“两弹一星”功勋奖章的时间是 1999 年。 程开甲院士生于 1918 年，今年 99 岁。 2015 年春节初二， 我从包头过年回到北京 ，我给程先生秘书打电话说要来看望程先生，秘书说程先生在 304 医院。因为程先生洗澡洗到一半时热水变成了冷水，结果感冒了。这张照片拍摄于 2015 年正月初二在 304 医院。 2014 年，我到北京高等教育出版社交书稿，晚上去看望程先生（并且请求程先生评审博士生的博士论文）。这张照片就是当晚在程先生书房拍摄的。 2003 年，在和程先生交谈时，我说 TFDC 模型可以表达出一个“ Vegard 定律的原子模型”，由于有个参数我三年五载是无法从物理上导出的，因此，我和一个博士研究生于 2014 年发表了一个经验原子模型，英文题目为 Empiricalatom model of Vegard's law （ Physica B ） 。 2014 年，这个博士生答辩外审，有位外审专家（ 搞准晶体起家 ： 准晶体，我们离诺贝尔奖究竟有多远？ ）把 TFDC 和 EET （经验电子理论）评价得一塌糊涂，顺便把这位博士生的学位论文也给歪评了。 为了让这位博士生能拿到学位证书，我亲自出马和研究生院学位办的头头交涉，我提出了一个解决方案：因为这位博士生学位论文的核心内容和 TFDC 和 EET 有关，程先生不但是 TFDC 的创始人，程先生也精通 EET 的核心思想。我补充说道，程先生是 1980 年当选的中科院院士， 1999 年获得“两弹一星”功勋奖章， 2013 获得国家最高科学技术奖。 我提高嗓门对学位办的头头说，程先生应该有资格为你石油大学的一个博士研究生评审一份学位论文吧？你们引进所谓的人才的时候，不就是看头衔吗？实事求是地说，把你们引进的那些人才，全捣成泥也捏不出一个程开甲。 最后，学位办的头头同意让程先生补评一份，但是要靠我来操作。 幸亏我 2003 年和程先生交谈时打下了埋伏， 2014 年的文章 Empirical atom model of Vegard's law 里，有醒目的 Thomas–Fermi–Dirac–Cheng model 。 因此，程先生没有理由不给我的博士生评审一份学位论文。头天晚上我和程先生的秘书讨论草稿，我拿回宾馆输入计算机并且打印，第二天晚上到程先生家，程先生秘书读而程先生听，然后程先生亲自签名。白纸黑字，程先生给我的博士生学位论文的评审意见就封装在博士生的答辩档案中。 Empiric alatom model of Vegard's law 文章的摘要中的最后一句话： Anempirical atom model of Vegard's law has been proposed to account for signs of deviations according to the electron density at Wigner–Seitz cell from Thomas–Fermi–Dirac–Cheng model . 1993 年 ，我以讲师硕士的身份获得了第 1 个国家基金项目，当时基金委金属材料学科（现在的材料科学一处）搞了一个材料设计“集团管理”（程开甲院士领衔），我被推荐到这个集团管理。 请看 1993 年基金委金属材料学科的红头文件（第 12 张 PPT ） 我当年的基金项目题目是：“超塑性的耗散结构模型和金属物理模型”，为期 3 年，从 1994 年到 1996 年。 1993 年12月8日 ，在北京钢铁研究总院，国家基金委金属材料学科（材料科学一处）组织召开“材料设计研究”面上基金集团管理项目研讨会，在这次会上我第一次见到了程开甲院士。程先生作了关于“TFDC模型及其应用”的报告，报告的重点内容是关于TFDC电子密度，像原子序数Z、原子半径r和电子密度n等参数，都反复出现在我当年的笔记本上。 我和程先生的交往，可以说是纯粹的学术交往。如果说有感情的话，这种感情也是来自学术的“纠缠态”（电子密度）。下面是我发表的和 TFDC 模型有关的文章： 1999 年， 《晶体价键理论和电子密度理论的沟通》（独立作者）； 1999 年， 《Zn-5Al合金超塑性的量子效应》（独立作者）； 2003 年，《TFDC相图》（独立作者）； 2011年， AEC: A New Toolfor EET, TFDC andCrystal Formula （独立作者）。 Empiricalatom model of Vegard's law - Science Direct www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921452613006947 翻译此页 作者： L Zhang - ‎ 2014 - ‎ 被引用次数： 6 - ‎ 相关文章 2013 年 11 月 7 日 - The magnitude of the variation willdepend on the cohesive energy of corresponding element crystals. An empiricalatom model of Vegard's law ... 程先生和我讨论锌铝合金的结构，1999年11月25日在程先生的家里 程先生说：当Al中含有65%at的Zn时，实际上其合金结构应该是HCP. 穿军装的程先生，照片来自网络，向拍摄者致谢!
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科学网小编的低级错误
热度 3 pukin 2014-1-10 17:40
2013 年度国家科技奖励大会在人民大会堂举行，揭晓了 2013 年度国家科学技术奖的评选结果。 刚才看到科学网专门做了一个 2013 年度国家科学技术奖励大会专题（ http://news.sciencenet.cn/news/sub2.aspx?id=1603 ），点进去看了一眼，发现一个很明显的低级错误。 物理学家程开甲老先生上世纪 40 年代就毕业于浙江大学了，可是科学网小编应把程老先生的毕业时间延长了 20 年，把雷达专业也硬按到了他头上，这种低级错误实在不该犯啊！
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解读：程开甲院士VS国家最高科技奖（2013年）
热度 24 大毛忽洞 2014-1-10 13:21
解读：程开甲院士VS国家最高科技奖（2013年） 我和程开甲院士的关系非常好，可以用“很铁”来形容。 但是，我和程先生的关系是地地道道的学术关系。 我和程先生既无血缘关系，也无学缘关系。 我和程先生从来也没有一起署名发表过文章。 从1993年第一次见面开始，我和程先生能维持20多年的（君子之交淡如水）学术关系，靠的就是一个物理概念— TFDC 电子密度 。 新闻背景参见科学网： 张存浩和程开甲获2013 年国家最高科技奖 2007 年程先生过90岁生日的文集里，有我1篇文章，其中有一段： 【程先生早年留学 英国爱丁堡大学，曾经在导师玻恩的指导下学习和工作了四年，程先生当年的主攻研究方向为超导理论，并且在Nature发表了3篇文章。在新中国的召唤下，1950年夏天，程先生经历一个多月的海上旅行之后，回到了祖国。 程先生回国后在浙江大学物理系任副教授，1952年全国院系调整时，程先生被调整到南京大学物理系。 1958 年 ，程先生 在《物理学报》发表了题目为 “ 用 Fermi-Thomas 方法计算金属的结合能”的文章，这是我所查阅到的程先生最早发表的 关于TFD模型的论文 。1960年，经钱三强推荐邓小平批准，程先生去搞原子弹研究，经过半年的努力，程先生的攻关小组“终于第一次采取合理的 TFD 模型 ，计算出了原子弹爆炸时弹心的压力和温度”。当时负责原子弹结构设计的“两弹一星”功勋科学家郭永怀院士对此评价是“帮我们解决了一个大难题”。 程先生于1958年发表第一篇关于TFD模型的论文，之后的原子弹研究生涯也和TFD模型有关，直到2005年，程先生还第一作者发表学术论文，主题仍然 是TFDC电子理论模型。】 参见本博主的博文： 纯粹的科学家－程开甲院士（ 2 ） 由此可见，TFD模型及其应用是程先生坚持最长久的研究方向。 最近，我们（和研究生）根据程先生的TFDC模型，修正了教科书的一个定律（A tom model of Vegard's law ），用Google即可阅读全文。 这篇文章的思想背景请阅读： 靠一个很离谱的定律在全世界闻名的物理学家 下面的内容写就于2007年，专门介绍程先生的TFDC模型的来龙去脉。 1958 年 ， 程开甲院士在《物理学报》发表了题目为 “ 用 Fermi-Thomas 方法计算金属的结合能 ” 的文章，这是程先生发表的 第一篇关于TFD模型的论文 。此后，程先生就去搞原子弹研究，“他们终于第一次采取合理的TFD模型，计算出了原子弹爆炸时弹心的压力和温度” 。 25 年后，程开甲院士和他的合作者发表了一系列关于TFD模型的论文，主要有：1984年在《物理学报》发表了“TF(或TFD)模型中原子的边界势及状态方程” ；1991年在《力学进展》发表了“冷压状态方程计算的新方法和材料相图研究” ；1993年在《自然科学进展》发表了“TFD模型和余氏理论对材料设计的应用” ，在该论文中，程先生提出了“改进的TFD模型”，学术界称为TFDC模型或者程氏理论；1996年在《自然科学进展》（英文版）发表了 TheoreticalFoundations of Condensed Materials , 在该论文中，程先生第一次发表了元素周期表中38个元素的电子密度数据，即TFDC电子密度。程先生一直在坚持TFDC电子理论模型的研究，2005年还在《自然科学进展》发表研究论文 。 我于1993年开始接触到TFDC模型，并且认定“原子半径、TFDC电子密度和原子界面电子密度连续性条件”是TFDC模型的核心内容 ，TFDC电子密度是TFDC模型能够应用于其他理论的衔接点。10多年来，我查阅了3000多篇关于电子密度概念及其相关理论的文献资料，同时从理论和实验两方面对TFDC模型进行思考，现在把多年思考的主要结果归纳如下： ① 电子密度概念及其发展 电子密度ρ (x,y,z) 是现代电子理论（如密度泛函理论，即 DFT ）中最核心的物理概念，被广泛应用在物理学、化学、材料科学和生物学等领域，成为现代科学应用最广泛的物理概念，显示出越来越重要的作用。电子密度的基本测量手段是 X 射线衍射（包括中子衍射），电子密度的理论计算方法是量子力学（ 1926 年建立量子力学的波动方程）。 1915 年， Debye 在关于 X 射线衍射的文章中提出了电子在原子中的分布问题，而且还强调了 X 射线衍射是探测原子中电子分布的基本方法 。 1917 年， Compton 在 关于 X 射线衍射的文章中 明确提出了电子密度的概念 。 经典的 TFD 方法是密度泛函理论（ DFT ）思想的起源，也是现代 DFT 理论的一种最简单的近似方法。 Bader 建立的 Atomsin Molecules （ AIM ）理论 ，实际是电子密度 ρ (x,y,z) 的拓扑理论，完全将化学键数学化，即用电子密度的拓扑性质来描述化学键。 电子密度 n WS 是原子中特定空间位置的电子密度，即 原子在 Wigner-Seitz 元胞界面处的电子密度，也可以称为原子 Wigner-Seitz 半径处的电子密度。 Wigner-Seitz 半径的概念是由 Wigner 和 Seitz 于 1933 年讨论金属钠的结构时提出来的 。而 Wigner-Seitz 半径处的平均电子密度概念，最早也是由 Wigner 和 Seitz 提出的 ，最初的表达式为 中国科学家程开甲院士于1996年发表的周期表中38个元素的电子密度，实际就是对应于电子密度概念 n WS 的数据 。 需要强调的是，程开甲院士是从经典TFD方程求解出电子密度 n WS ，为了和 Miedema 的经验电子密度数据进行区别，将程开甲院士的电子密度数据称为TFDC电子密度。10多年来，我查阅了3000多篇关于（密切相关）电子密度方面的文献资料，还没有看到从经典TFD方程求解出电子密度的文献。因此，程开甲院士 是第一位从经典TFD方程求解出电子密度 n WS 的人。 1971 年， Meyer 等 试图从经典TFD方程求解Wigner-Seitz半径处的电子密度，即 n WS ，但是由于边界条件选择得不正确，只得到了电子密度随半径单调增加（不正确）的图示关系，没有给出任何具体的数据，如图1所示。 表1 Miedema经验电子密度的不确定性 Z Name 1973 年 a 1973 年 b 1975 年 1988 年 3 Li 0.52 0.64 0.64 0.63 19 K 0.15 － 0.19 0.18 23 V 2.48 2.97 2.98 2.98 24 Cr 3.04 3.51 3.49 3.50 25 Mn － 3.44 2.82 2.81 26 Fe 2.70 3.71 3.74 3.75 29 Cu 2.43 2.56 2.14 2.15 40 Zr － 1.69 1.81 1.89 41 Nb 2.17 2.70 2.87 2.98 46 Pd 2.50 3.04 3.03 3.14 47 Ag 1.71 2.16 1.81 1.70 57 La － 0.67 0.87 1.11 72 Hf － 1.96 1.97 2.06 76 Os － 4.52 4.56 4.27 77 Ir 3.60 4.39 4.14 4.14 78 Pt 3.10 3.78 3.81 3.81 79 Au 2.29 2.90 2.61 2.61 2001 年，中科院金属所叶恒强院士的研究小组基于局域密度泛函的LAPW方法，计算了26个金属元素的电子密度数据 ，并且和Miedema经验公式的结果进行比较。非常遗憾的是，叶恒强院士的研究小组的文章没有提到中国科学家程开甲院士的工作，因为根据经典TFD方程求出的电子密度 n WS 要优于 Miedema 的经验计算值，因为Miedema 经常毫无理由地修改自己给出的 n WS 数据，如表1所示。 程开甲院士从TFD方程求解出的电子密度，其精确度和准确度都非常高，因为求解TFD方程需要的惟一输入参数是 Wigner-Seitz 原子半径，而原子的 Wigner-Seitz 半径可以根据 X 射线衍射卡片得到。因此，程开甲院士的这种原创性的工作 是对经典TFD模型的新贡献，TFDC电子密度数据可以作为元素的一个新参数而写入周期表。 此外，程开甲院士在文献 中，针对经典TFD模型明确提出：“原子间的边界条件只是电子密度要连续，因为这就是量子力学所要求的波函数连续的条件”。我没有考证“原子间的边界条件只是电子密度要连续”的文献背景，但是如何表述这句话却大有学问。1978年，Alonso在一篇题为 Nonlocalityand the energy of alloy formation 的文章中，试图表述“原子间的边界条件只是电子密度要连续”，如图2所示。当原子的半径发生变化时，原子中的电子密度也必然要发生变化，即（外层）电子在原子中要重新分布，如图3所示，这种表述的正确性已经通过修正Vegard定律得到验证 。 ② 电子密度 n WS 和原子组装 一般说来， 电子密度 ρ (x,y,z) 是 晶体的电子密度， 可以根据密度泛函理论计算出来 ，也可以通过X射线衍射实验测算出来 。显然， ρ (x,y,z) 只能表明电子在具体的晶体中的分布情况，不能描述原子组成晶体的过程。也就是说，电子密度 ρ (x,y,z) 只是一个具体样品的实验数据。 然而，电子密度 n WS 是纯元素晶体中原子Wigner-Seitz半径处的电子密度，是元素的一个参数，是确定的。实际上，电子密度 n WS 描述的是一种“晶格原子” ，即把一个原子从晶体中拿出来，其电子分布仍然和在晶格环境中是一样的。晶格原子的界面处的电子密度就是 n WS ，如图4所示。当把原子A和原子B组装在一起时，就是图5的情形，即组成二原子AB，二原子间的平衡电子密度为 n AB WS 。我认为，这就是未来原子组装技术的理论基础，是我10多来学习和铺垫程开甲院士TFDC模型领悟到的一个结果。 Miedema 根据他的经验电子密度，建立了一个模型（被称为Miedema模型）来描述过渡元素形成合金（化合物）的生成能，公式如下： 式中， 为电子密度，即 Wigner-Seitz 元胞界面处的电子密度，也就是原子Wigner-Seitz半径处电子密度，上角标A、B分别表示两种组元； V 表示元素的原子体积， 被称为两种组元的电负性差，实际上在数值上等于两种组元功函数的差； P、Q、R 是模型的参数，通过选取这些参数， Miedema 模型能够预言 的符号，正确率为95％ 。 实际上 Miedema 模型描述的是一个过程，即从组元到合金（化合物）过程的能量变化。这再一次说明电子密度 的重要性。为了描述从组元到合金的过程，只针对两个原子，我提出了如下的公式 ： 需要强调的是，公式（ 6 ）中的参数全部都是物理量，没有人为的模型参数，在解决 Vegard 定律偏离实验问题（ 35 种连续固溶体）的预言，正确率为 80 ％ 。 ③ TFDC电子密度的其他应用 加拿大学者 Bader 发表了一系列关于电子密度 ρ (x,y,z) 的论著，核心内容是关于 电子密度 ρ (x,y,z) 的拓扑学分析，文献中称为 Atoms in Molecules （ AIM ）理论 。 AIM 理论 直接对晶体（分子）的电子密度作微分，从而得到可以描述电子密度分布性质的物理量。对于电子密度作一次微分可以得到临界点的位置，比较临界点到相邻原子的距离，可以粗略地估算出两原子负电性的强弱。对电子密度的二次微分，能够得到更多临界点的数学性质。然后根据电子密度的数学性质，分析晶体（分子）的化学键特点。 需要指出的是， AIM 理论的前提是要有电子密度 ρ (x,y,z) 的数据。 TFDC 电子密度数据是元素的一种性质，通过TFDC相图 的计算，可以给出异类原子的平衡电子密度 n AB WS ，这就是对应于 AIM 理论中临界点的电子密度。 ④ TFDC电子密度和扩散溶解层 未来的原子器件是通过原子组装来制备的，可以设想，最小的原子器件是由两个原子组成的，即二原子器件。根据 TFDC 模型的思想，可以描述两个异类原子接触之后的平衡电子密度。相界面是由大量异类原子组成的界面，是材料科学的重要研究课题。申请者始终把 TFDC 模型和相界面结合起来研究：首先，通过一种实验技术让两个原来分离的相实现紧密接触；然后，通过扩散溶解反应，在接触的界面处产生一个扩散溶解层，通过分析研究产生扩散溶解层的过程，提取出异类原子接触反应的信息；最后，根据两个原子接触实现平衡的思想，来表征扩散溶解层及其形成过程。 本项目的扩散溶解层实验研究不同于 Kirkendalleffect 的研究，后者主要研究原子的扩散规律和扩散偶界面标志的迁移特性。本项目研究扩散溶解层则是侧重于异类原子在接触后如何实现电子密度的平衡，同时把扩散溶解层和相图中的“横向过程”相对应，不但对未来的原子组装技术有意义，而且还启发人们从新的角度认识合金相图。 参考文献： 1 ．程开甲，用 Fermi-Thomas 方法计算金属的结合能，物理学报， 14(2) ： 16,1958 2 ．熊杏林，“两弹一星”功勋科学家—程开甲，北京：国防科技大学出版社， 132,2003 3. 程开甲，高占鹏，范启科， TF( 或 TFD) 模型中原子的边界势及状态方程，物理学报， 33 （ 2 ）： 176,1984 4 ． 程开甲，程漱玉，冷压状态方程计算的新方法和材料相图研究，力学进展， 21 ： 23-30 ， 1991 5 ．程开甲，程漱玉， TFD 模型和余氏理论对材料设计的应用，自然科学进展， 3 （ 5 ）： 416 ， 1993 6 ． Cheng Kaijia, Cheng Suyu, Theoretical Foundations of Condensed Materials, Progressin Natural Science, 6(1): 12, 1996 7 ． 程开甲，程漱玉， 基于电子理论的断裂机理新探，自然科学进展， 15(12):1528-1529, 2005 8 ．李世春， Zn-5Al 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【微博】祝贺科学网名博的导师获得2013年国家科技最高奖
热度 3 pukin 2014-1-10 11:52
祝贺科学网名博李世春老师（名号大毛忽洞）的导师，两弹一星功勋科学家程开甲院士荣获 2013 年度国家最高科学技术奖（ http://news.ifeng.com/mainland/detail_2014_01/10/32900776_0.shtml ）。 好几年前，大毛兄就写过多篇博文叙述他和程开甲先生的交往过程，这次导师获奖了，李老师是不是再写点什么呢？   纯粹的科学家－程开甲院士（ 1 ）   纯粹的科学家－程开甲院士（ 2 ）
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程开甲热衷超导理论研究
xcfcn 2013-2-5 16:46
马红孺 2013-2-5 14:00 程和杨是指程开甲先生和杨立铭先生。 程先生与Born一起做了一个超导理论，但不成功。后来BCS理论出来后，程的理论完全被忘掉了。程先生后来做核物理和国防工程，但一直没有忘记他的超导理论研究，晚年还写了一本书，介绍他的理论。当学生时读过程先生的《固体物理》书，也听过两次老人家介绍超导的报告，不过没怎么听懂。 http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-659680.html http://baike.baidu.com/view/57117.htm
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程开甲先生的超导电性的双带理论
热度 3 wanglaow 2012-9-25 09:31
程开甲先生的超导电性的双带理论 记得看南京大学李俊老师的高等量子力学教学视频的时候， 听到李老师提到程开甲先生对BCS理论的评论：“BCS是错的，我20多年没看Physics Review 了”。偶然机会，发现： 1986年以来，程来甲进一步发展和完善了超导电性的双带理论，证明了BCS的电子成对理论是错误的，出版了超导专著 《StudyonMechanismofSuperconductivity》和《超导机理》；近年来程开甲提出了凝聚态的新的电子理论，被称为 TFDC(Thomas－Fermi－Dirac－Cheng)理论并得到实验验证，为材料性能研究和新材料设计提供新的理论依据。现在年逾八十的程开甲 仍活跃在科学研究的第一线。 。。。 当然随便搜来的不太准，因为据说这还是当年他跟其导师玻恩一起开始的工作。 对BCS 理论的评价，总体来说是很高的。但是也有人有不同的看法，例如 劳夫林（因为给出量子霍尔效应的理论解释而获得诺贝尔奖），就认为，类似于BCS理论这样的超导理论，其实有成百上千个，而并不唯一。 程先生的双带理论，大概就是这 成百上千个 中的一个吧。
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答复网友问题：程开甲TFDC电子密度连续条件的物理本质
热度 1 大毛忽洞 2011-7-14 12:48
答复网友问题：程开甲 TFDC 电子密度连续条件的物理本质 所谓的“程氏理论的表面电子密度连续条件”，严格讲应该是如下表述： 程开甲先生在求解固体中原子的 TFD 方程（二阶微分方程）的时候，需要一个边界条件，这个边界条件要约束到固体中的每一个原子。另一方面，固体中的任何原子和相邻原子必然要接触，在原子和原子的接触点，两个原子（例如 A 和 B ）的电子密度应该连续，即在该点处应该只有一个电子密度数据，既属于 A 原子，又属于 B 原子。换句话说，在固体中，原子表面的电子密度连续。这里所说的表面，实际上是原子 A 和原子 B 的接触界面。 根据以上的叙述，可以得到一个推论： 原子 A 和原子 B 接触的时候，为了实现界面电子密度连续，势必会发生原子体积的变化，就是电子密度大的原子要膨胀，电子密度小的原子要收缩。在适当的样品中，可以测量到这种效应。 例如，在纯的 Al 晶体中埋入一个 Zn 原子，宏观上是测量不到任何原子体积变化的。如果有单原子针尖设备，测量这个 Zn 原子的体积，体积应该比纯 Zn 晶体中 Zn 原子的体积大。 如果能使 Al 原子和 Zn 原子相间排列，理想的情况是一层 Al 原子，一层 Zn 原子，那么，宏观上也可以测量到 Al 原子收缩和 Zn 原子膨胀的效应。 例如，在 Zn-Al 共晶合金中， Al 相只有纳米厚度，而 Zn 相有微米厚度，就可以测量到 Al 原子收缩和 Zn 原子膨胀的效应。 总而言之，程开甲先生在求解经典固体中原子的 TFD 方程时，需要一个边界条件，即所谓的原子表面的电子密度连续。实际上，两个原子接触界面处的电子密度连续是一个显而易见的公理，即在接触界面一点处，只能有一个电子密度数据。例如，把一个温度计置于两个人手握手之间，温度计只能有一个读数，即两个人手接触的地方，温度是连续的。 至于根据“原子之间电子密度连续”来推测原子体积的变化（应力应变等），这和每个原子的原子环境密切相关，要具体问题具体分析，没有一般的结论。 网友问题： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2321do=wall 根据程氏理论的表面电子密度连续的条件，当一种晶体（新相）在另一种不同的晶体（母相）表面上生长时，所生长的晶体其界面处的晶体状态不同于其自身内部的晶体，同时，另一侧的母相晶体状态也发生适当改变，以满足界面处电子密度连续。当界面两侧的原子的表面电子密度相差较少（小于 10% ）时，只需两侧的原子状态发生改变即可达到原子的表面电子密度相等。为达到原子表面电子密度相等，表面电子密度大的原子的体积膨胀，表面电子密度小的原子体积缩小，产生了体应变，从而导致原子间的内应力。图所示为同侧两原子 A 1 和 A 2 的作用力与间距的关系曲线，若它们的表面电子密度大于另一侧原子的表面电子密度，原子膨胀，其间距增大，原子间距由平衡间距 a 0 增大至 a 1 ，原子间的作用力为拉力，那么另一侧原子的间距变小，原子间作用力为压力。界面两侧的晶体由界面向内逐渐过渡到原子的平衡间距。那么，由母相和新相组成的复合梁弯向原子表面电子密度大的一侧。当界面两侧的原子的表面电子密度相差较大（大于 10% ）时，完全靠两侧的原子状态改变达到原子表面电子密度相等势必会造成原子间很大的内应力，这时往往界面附近两侧晶体中形成一些位错，通过位错和原子状态的改变来实现原子表面电子密度相等。不过，其界面应力性质仍可以以仅靠原子的膨胀和收缩造成的应力状态来理解。
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