论文部分内容阅读
超导(1911年)
海克·卡梅林·翁内斯(1853～1926年)
当阿蒙森和斯科特在寻找地球的冷极时，物理学家在研究另一种更为复杂的冷极——绝对零度。绝对零度是达不到的，我们只能越来越接近它。
这一冷的领域引起人们的好奇心。海克·卡梅林·翁内斯首先发现其中的一个。1908年，这位-荷兰物理学家首次将氦冷却到绝对温度4K，或者是降到摄氏温度269℃，得到液化氦。在阿蒙森到达南极的1911年5月，卡梅林·翁内斯注意到一件非常奇怪的事情。他安排两位同事在荷兰拉顿实验室里进行冷金属实验，记录电流通过时的电阻。当一组汞的温度达到绝对零上4.2K时，电阻突然变为零。
这太让人不可思议了。如果电阻为零，电流可以永远在线圈上流动。这意味着什么?卡梅林·翁内斯猜想金属的这种超导状态可能与新量子理论有关。直到1957年才得出完整的解释。约翰·巴迪、雷奥·库珀和罗伯特·施里弗阐述了电子如何通过一系列量子机制结合在一起从而避开它周围的金属。
超导可以为我们节省大量的能量，可以使火车或汽车飘浮在空中，使计算机或电子马达在室内温度下运行速度越来越快，体积越来越小。1986年，乔格·贝德诺尔茨和阿莱克斯·米勒发现了－238℃时的超导陶器材料。从此以后，人们又发现陶器材料可以在－100℃正常运转。但是无人能解释清楚如此高温的超导材料的运作方式。
晶体管(1947年)
威廉·布拉德福德·肖克莱(1910～1989年)
瓦特·豪泽·布喇顿(1902～1987年)
约翰·巴丁(1908～1991年)
早期的无线电晶体作为“整流器”，使交流电得以单向流过。但晶体整流器性能不稳定，很快就被热离子管取代，后者可以整流，还可以加强电流。但热离子管也有缺陷：使用寿命短，电量不足，体积过大。
20世纪30年代，美国贝尔电话实验室的约翰·巴丁探究了半导体的特性——半导体是一种晶体状的固态物，导电性能介于金属和绝缘体之间，其表面效应可引起电流整流。为了确保贝尔电话公司对通讯市场的垄断地位，巴丁、威廉·肖克莱以及瓦特·布喇顿合作，寻找一种可以替代无线电管的半导体。1947年12月23日，他们发现了一种含有杂质的锗晶体不仅整流效果远胜于以往的晶体和无线电管，而且可以用作电流放大器。因为它通过电阻体对电流进行变压，所以被称为“晶体管”。
最早的晶体管是点接触式的，有电流“噪音”，而且只能控制低电量输入，因而很快就落伍于面接触式的晶体管，后者由非常薄的含杂质的硅片组成，这些硅片可以赋予不同的区域不同的电性。一般来讲，“管座”区具有过剩正电截流子，它被夹在“发射”区和“接收”区之间，后两者具有充足的负电截流子。当低电压流被输到“管座”区时，过剩截流子在接收面接收到电流，然后电流从半导体的一侧流向另一侧。与旧的电子管不同，晶体管所需电量极小，而且在分子层次运行时，电量可以很容易地降到最低点。
今天，数以百万计的微型晶体管电路都是蚀刻在比指甲还小的硅片上，为小到助听器，大到超级计算机的各种设备提供动力支持。
准晶体(1984年)
丹·谢克特曼(1941～)
在20世纪80年代之前，最古老的物理化学原理之一就是所有固体都可以分为晶体或非晶体。与瓷砖地板不同，晶体是由被称作“晶格”的极其规则的重复图案构成的。地板的最小重复单位是单独的一块瓷砖，而晶体点阵最小的周期结构是所谓的原子或分子的“单位晶格”。对照而言，构成非晶体的原子和分子是非结晶的，根本没有长距离排列。
但1984年美国国家标准局在盖瑟斯堡的一个小组在以色列结晶学专家丹·谢克特曼的带领下，获得了令人震惊的发现：有一种材料既不是非晶体，也不是晶体。他们发现通过迅速冷却铝和锰合金，能够生成一种底部结构达五层对称的固体。为什么这一发现会令人吃惊?人们最熟知的这种对称形状是五边形。设想用这种形状的瓷砖铺成地板会是什么样子。你无论如何安排都无法使它完全覆盖整个地板表面。同样，五层对称与相同单位品格的周期排列完全矛盾。令人惊讶的是，谢克特曼与其合作者发现的似是而非的材料显然具有长距离排列。因此他们将其命名为“准晶体”。很快人们又报道了其他许多这种结构。
准晶体合金比晶体材料坚硬，电阻也更大。人们已经用准晶体合金制作烹饪用具、手术用具和电动剃须刀。然而科学家们最近才开始探究如此复杂排列的组合。1997年，物理学家保罗·斯坦哈特与郑永柴开发出数学模型解释准晶体如何能形成于一种单一构件块。这可能反过来会让研究者们设计并生产出具有更非凡特性的新型准晶体。
巴克敏斯特富勒体(1985年)
哈里·克罗托(1939～)
理查德·斯莫利(1943～)
罗伯特·科尔(1933～)
在钻石的晶体点阵中，碳原子呈四角的四面体排列，而石墨中的碳原子是六边形的环状物，大片的平面边缘连在一起。1985年，英国化学家哈里·克罗托与理查德·斯莫利、罗伯特·科尔发现，他们可以组成一个小平面的假球形笼子。
克罗托专心研究碳分子的线性链，认为它可能是片刻的分子云形成的。斯莫利擅长制作小原子群，方法是使用激光束将固体目标气化，并从冷却的气体中浓缩原子群。研究者们共同发现，以这种方式形成的大簇碳群都具有偶数原子，而且通过调整实验条件，他们可以创造几乎独自包含整整60个原子的碳群——“C60”。C60异常稳定的关键是关闭碳原子的笼子，由五到六个原子环状物构成，就像用五边形和六边形皮革制成的足球一样，被称为“巴克敏斯特富勒体”。
结果证明，“巴克形球体”具有一些潜在的使用特性。比如，当“加入”金属原子时，它会变成超导体。1991年，科学家发现一个相关的中空结构，称作碳“毫微管”——一个圆柱形管子，样子像卷起来的一页石墨纸，只有几毫微米宽，几微米长。碳毫微管极其结实坚硬，可以用做超小型电子线路中的分子电线，也可用于制作发光显示器的电子发射天线，应用范围非常广泛。
海克·卡梅林·翁内斯(1853～1926年)
当阿蒙森和斯科特在寻找地球的冷极时，物理学家在研究另一种更为复杂的冷极——绝对零度。绝对零度是达不到的，我们只能越来越接近它。
这一冷的领域引起人们的好奇心。海克·卡梅林·翁内斯首先发现其中的一个。1908年，这位-荷兰物理学家首次将氦冷却到绝对温度4K，或者是降到摄氏温度269℃，得到液化氦。在阿蒙森到达南极的1911年5月，卡梅林·翁内斯注意到一件非常奇怪的事情。他安排两位同事在荷兰拉顿实验室里进行冷金属实验，记录电流通过时的电阻。当一组汞的温度达到绝对零上4.2K时，电阻突然变为零。
这太让人不可思议了。如果电阻为零，电流可以永远在线圈上流动。这意味着什么?卡梅林·翁内斯猜想金属的这种超导状态可能与新量子理论有关。直到1957年才得出完整的解释。约翰·巴迪、雷奥·库珀和罗伯特·施里弗阐述了电子如何通过一系列量子机制结合在一起从而避开它周围的金属。
超导可以为我们节省大量的能量，可以使火车或汽车飘浮在空中，使计算机或电子马达在室内温度下运行速度越来越快，体积越来越小。1986年，乔格·贝德诺尔茨和阿莱克斯·米勒发现了－238℃时的超导陶器材料。从此以后，人们又发现陶器材料可以在－100℃正常运转。但是无人能解释清楚如此高温的超导材料的运作方式。
晶体管(1947年)
威廉·布拉德福德·肖克莱(1910～1989年)
瓦特·豪泽·布喇顿(1902～1987年)
约翰·巴丁(1908～1991年)
早期的无线电晶体作为“整流器”，使交流电得以单向流过。但晶体整流器性能不稳定，很快就被热离子管取代，后者可以整流，还可以加强电流。但热离子管也有缺陷：使用寿命短，电量不足，体积过大。
20世纪30年代，美国贝尔电话实验室的约翰·巴丁探究了半导体的特性——半导体是一种晶体状的固态物，导电性能介于金属和绝缘体之间，其表面效应可引起电流整流。为了确保贝尔电话公司对通讯市场的垄断地位，巴丁、威廉·肖克莱以及瓦特·布喇顿合作，寻找一种可以替代无线电管的半导体。1947年12月23日，他们发现了一种含有杂质的锗晶体不仅整流效果远胜于以往的晶体和无线电管，而且可以用作电流放大器。因为它通过电阻体对电流进行变压，所以被称为“晶体管”。
最早的晶体管是点接触式的，有电流“噪音”，而且只能控制低电量输入，因而很快就落伍于面接触式的晶体管，后者由非常薄的含杂质的硅片组成，这些硅片可以赋予不同的区域不同的电性。一般来讲，“管座”区具有过剩正电截流子，它被夹在“发射”区和“接收”区之间，后两者具有充足的负电截流子。当低电压流被输到“管座”区时，过剩截流子在接收面接收到电流，然后电流从半导体的一侧流向另一侧。与旧的电子管不同，晶体管所需电量极小，而且在分子层次运行时，电量可以很容易地降到最低点。
今天，数以百万计的微型晶体管电路都是蚀刻在比指甲还小的硅片上，为小到助听器，大到超级计算机的各种设备提供动力支持。
准晶体(1984年)
丹·谢克特曼(1941～)
在20世纪80年代之前，最古老的物理化学原理之一就是所有固体都可以分为晶体或非晶体。与瓷砖地板不同，晶体是由被称作“晶格”的极其规则的重复图案构成的。地板的最小重复单位是单独的一块瓷砖，而晶体点阵最小的周期结构是所谓的原子或分子的“单位晶格”。对照而言，构成非晶体的原子和分子是非结晶的，根本没有长距离排列。
但1984年美国国家标准局在盖瑟斯堡的一个小组在以色列结晶学专家丹·谢克特曼的带领下，获得了令人震惊的发现：有一种材料既不是非晶体，也不是晶体。他们发现通过迅速冷却铝和锰合金，能够生成一种底部结构达五层对称的固体。为什么这一发现会令人吃惊?人们最熟知的这种对称形状是五边形。设想用这种形状的瓷砖铺成地板会是什么样子。你无论如何安排都无法使它完全覆盖整个地板表面。同样，五层对称与相同单位品格的周期排列完全矛盾。令人惊讶的是，谢克特曼与其合作者发现的似是而非的材料显然具有长距离排列。因此他们将其命名为“准晶体”。很快人们又报道了其他许多这种结构。
准晶体合金比晶体材料坚硬，电阻也更大。人们已经用准晶体合金制作烹饪用具、手术用具和电动剃须刀。然而科学家们最近才开始探究如此复杂排列的组合。1997年，物理学家保罗·斯坦哈特与郑永柴开发出数学模型解释准晶体如何能形成于一种单一构件块。这可能反过来会让研究者们设计并生产出具有更非凡特性的新型准晶体。
巴克敏斯特富勒体(1985年)
哈里·克罗托(1939～)
理查德·斯莫利(1943～)
罗伯特·科尔(1933～)
在钻石的晶体点阵中，碳原子呈四角的四面体排列，而石墨中的碳原子是六边形的环状物，大片的平面边缘连在一起。1985年，英国化学家哈里·克罗托与理查德·斯莫利、罗伯特·科尔发现，他们可以组成一个小平面的假球形笼子。
克罗托专心研究碳分子的线性链，认为它可能是片刻的分子云形成的。斯莫利擅长制作小原子群，方法是使用激光束将固体目标气化，并从冷却的气体中浓缩原子群。研究者们共同发现，以这种方式形成的大簇碳群都具有偶数原子，而且通过调整实验条件，他们可以创造几乎独自包含整整60个原子的碳群——“C60”。C60异常稳定的关键是关闭碳原子的笼子，由五到六个原子环状物构成，就像用五边形和六边形皮革制成的足球一样，被称为“巴克敏斯特富勒体”。
结果证明，“巴克形球体”具有一些潜在的使用特性。比如，当“加入”金属原子时，它会变成超导体。1991年，科学家发现一个相关的中空结构，称作碳“毫微管”——一个圆柱形管子，样子像卷起来的一页石墨纸，只有几毫微米宽，几微米长。碳毫微管极其结实坚硬，可以用做超小型电子线路中的分子电线，也可用于制作发光显示器的电子发射天线，应用范围非常广泛。