北派小说网

第一部分2（第1页）

第一部分（2）

最轻的金属

1917年，瑞典化学家阿·阿尔夫维特桑在稀有的岩石中，发现了一种银白色的金属—锂。锂非常轻，是所有金属中最轻的一种：比重为0。535，只有铝的15，水的12；不仅能浮在水面上，甚至可以浮在煤油上；有人估计，如果用锂来做飞机，那么两个人就可以抬着走，实际上，锂根本不能制造飞机，甚至连筷、匙也不能做。因为锂很软，用小刀可以毫不费力地将它切开；而且化学性质又十分活泼，在热水中，它便与水发生反应，变成氢氧化锂而溶解于水了。锂在二氧化碳中也能燃烧，发出明亮的火光。

锂的用途极广。在冶金工业上，利用锂同氧、氮和二氧化碳均能反应的特性，来消除金属里的气泡。大家知道、铜的导电性常因杂质存在而大受影响，但铜中掺入适量锂，反而能增加其导电性。在玻璃中加入锂，制成锂玻璃，强度大韧性好，表面光滑致密，热膨胀小，因而锂玻璃被广泛用来做电视机的荧光屏。1000克氢化锂与水作用，可以放出2800升氢气，相当于一个压力为150大气压的钢瓶所贮藏的氢气，这将为以氢气作动力能源提供诱人的前景。最引人注目的是锂作为热核反应的燃料，被用来作氢弹的爆炸物。1967年6月17日我国成功地爆炸了第一颗氢弹，装的就是氘（重氢）化锂。1000克氘化锂相当于5万吨T。N。T（三硝基甲苯）炸药，比原子弹的威力大10倍。

最早的塑料制品

赛璐珞，又叫硝酸纤维素塑料，是世界上最早出现的塑料。那么，这种最早的塑料是怎样发明的呢？

从前，台球是用象牙做的，可是象牙只能从大象身上得到。1860年，美国一个工厂主悬赏10000美元的奖金来征求制造台球用的象牙代用品。许多人都跃跃欲试，其中美国人约翰·卫斯里·海厄特日以继夜地研究制造台球的代用材料。有一次，海厄特把焦木素（纤维素二硝酸酯的俗名）和少量的樟脑及乙醇混合在一起，却惊奇地发现这种混合物外貌酷似象牙，并具有受热会软、冷了又变硬的特性。海厄特就利用这种混合物的特性，在1869年制造出廉价的台球，赢得了这笔奖金。

今天，尽管塑料品种日新月异，但是最早的塑料—赛璐珞，仍没有丧失它的地位。例如赛璐珞的最大优点是质轻、弹性特别好，是制造乒乓球最理想的材料，为其他塑料所望尘莫及。我国“红双喜”牌乒乓球驰誉全球，就是用国产赛璐珞制造出来的。

最硬的人工合成材料

1993年7月，美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻：利用激光溅射技术研制成功了氮化碳薄膜。这种具有β-＼－４结构的新材料的晶体硬度超过了目前世界上最硬的金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料，引起了全世界科学界和工程技术界的强烈反响和巨大震动。

制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。科学家在分析一系列超硬材料结构，如最硬的材料金刚石，体积弹性模量B高达435吉帕，立方氮化硼B=369吉帕，以及硬度相对较低的碳化硅（SiC）、碳化硼（Ｂ＼－４Ｃ）和氮化硅（Ｓi＼－３N＼－4）等超硬材料后，发现其中β-Ｓi＼－3Ｎ＼－４已经有大量的研究结果，于是提出以碳取代硅会产生怎样的结果呢？计算表明，得到的数据令人振奋，描述β-＼－４晶体的弹性模量B=483吉帕！而材料的体积弹性模量B的大小正是表明材料硬度高低的宏观物理量。这就从理论上首次预言了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。

在自然界，至今还没有发现天然存在的氮化碳晶体，而1993年竟然在实验室人工合成了硬度超过金刚石的这种新材料。这一轰动性的事件一经在美国的《科学》和《纽约时报》上报道，成为轰动性科技新闻后．立即引起全世界材料界的关注。于是世界上许多实验室开展了这项研究，一时间形成热潮。在研究机构、国防部门和公司企业的共同协作下，一些实验室很快取得很好的成果。这有力地说明，学者与企业家携手合作在高新技术发展过程中的重要性。

激光之谜

本世纪50年代，无线电电子学飞速发展，为了探求产生更短的相干电磁波，1954年美国哥伦比亚大学的汤斯首次制成了氨分子微波激射器，由此打开了通向激光的道路。1960年世界第一台以红宝石为受激物体的激光器由美国物理学家梅曼研制成功。激光器的问世轰动了全美国，出现了光学物理的“文艺复兴”时代。激光的出现与发展，要说是靠从事电磁波谱学研究的学者们努力的结果，是相干电磁频谱向高频段发展的必然。它不仅是光学领域的伟大成就，更是电子学领域的伟大成就，激光为电子学的发展开创了一个崭新的局面。传统电子学的原理，借助光电、电光转换，用途遍及整个电子工程领域。

尽管目前激光技术还处于幼年时代，却已经为人类带来了几千种之多的各种激光发生器，有固体、气体、半导体、有机染料、化学、准分子、自由电子、巨脉冲等各种类型。目前激光器的波长从100埃至0。5毫米，最大连续功率达10万瓦，最大脉冲功率达10亿千瓦。

什么样的光是激光？简单地说，激光也是一种光。它与普通光，如太阳光、灯光一样也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同，它是物质“受激”而产生的光。

1917年，爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时，得到一条结论：“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射，另一种叫受激辐射”。各种各样的人造光源，例如电灯、日光灯等都属于自发辐射光。各种自然现象所发射出来的光，也都属于自发辐射。这些光都有一些共同之处，比如光线向四面八方射出，其中包含着各种各样的颜色。

激光是原子受激发射而辐射的一种光。激光是一种新型的光源，它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波无论方向、位相或者偏振态都各不相同。激光的发光则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。由于这些差别，激光具有强度高，单色性好、相干性好和方向性好等几个特点。

激光的亮度是高压氙灯亮度的37亿倍。激光领域是光频电子的范畴。激光器的出现，提供了光频波段的电磁振**源。今天无线电子学概念、理论和技术原则上都可以延伸到光频波段。电子学进入了一个新的天地。电子学和光学之间鸿沟已经不复存在。光学本来是一门古老的物理学，而今由于激光的发现和应用，崛起了前途无量的光电子学。

激光在过去书中按英文译音为“莱塞”，意思是“光受激发射器”，1964年以后统称为“激光”。在一些介绍激光的书刊中还常提及一个技术名词叫做“简并度”，这是区别激光与普通光的一个技术指标。激光的简并度高达１０＼＋，而一般普通光线的简并度仅为千分之一。从电子技术角度看简并度低的光只是一片噪音，从光学角度看高简并度的光是具有高亮度的单色光。

激光从物理学上去看是电磁场，是整个电磁辐射的一个组成部分。爱因斯坦基于对电磁现象的研究，提出任何物体相互作用的传播速度都不能超过真空中的光速，每秒30万公里。

激光既然是“有质量”的电磁波，因此它与普通电磁波一样能够成为“载波”用以传播信息。但是激光在空中传播会受到许多因素的干扰，如它遇到云层、雾粒会造成严重信号衰落，遇到空气中的气流，会产生抖动、扩散等情况。因此如何避免干扰，保证传送质量是激光应用的一大关键。

1870年，美国物理学家丁达尔，在一次做流体实验时发现了一个有趣的现象，并从中受到了启发。他在一个盛满水的桶侧钻了一个小孔，水照例从小孔中喷射出来，这一现象原本不足为奇，但细心的丁达尔发现，水桶上方的灯光也随着小孔流出的水柱落在地面，竟然会出现一个光点。光应该是沿直线传播的，为什么会沿水柱的弧线传过来呢？经分析，这是因为水的光折射率比空气的光折射率大，光射到水和空气界面的时候，发生了全反射的缘故。根据光的全反射原理，人们终于找到了理想的激光传输媒质—光导纤维。

1966年，有人曾预言“如果把玻璃中的铁离子控制在百万分之一以下，玻璃对光的损失可望达到一千米20dB”。这句话后半句的意思是，光可以每前进一千米，功率只下降百分之一。1970年美国克林玻璃公司发现了这一预言，他们完成了光导纤维技术上的重大突破，取得了光前进一米，功率损失降到一百亿分之一的光辉成就。

光纤维有完全不受电磁场干扰的特性，比如打雷的时候，不会出现干扰。石英做成的光纤维具有极高的绝缘性能，根本不用担心被雷电击穿。这对要求绝对可靠的全天候精密电子控制是非常有意义的。

制造光导纤维的材料石英，是从石英砂矿中提炼而来，这种资源对于由二氧化硅成份组成的地球来说，真可谓唾手可得；而且是取之不尽，用之不竭。

1904年，英国科学家瑞利在研究稀有气体氩的时候，看到一片神秘而迷人的深蓝色光，这一发现被瑞利称为瑞利散射。研究表明光凭借着比波长还微小的粒子散射于四面八方。瑞利散射与光波长有关，波长越短散射就越强大，当波长减少到一半时，瑞利散射的强度便会增强至16倍，而波长越长的光，瑞利散射强度则越弱。瑞利散射现象对于光的传播有十分重要的意义。

1961年4月12日，首次完成人类太空飞行壮举的前苏联太空飞行员加加林，当他从人造卫星“伏司托克”号的窗口探望地球时，看到的是一片深蓝色无比瑰丽的图景，他为之激动不已。解释这一现象的即是瑞利的散射现象，地球之所以呈现如此此迷人的青蓝色，是地球外围大气中的氧与氩使太阳光中波长短的蓝紫光发现强烈散射的缘故。

人们都知道玻璃、水晶具有非常好的透光性，其实不然，在一般情况下，玻璃的主要成份是二氧化硅（SiO－２）。我们常见的平板玻璃，玻璃瓶罐是含有氧化钠、氧化钙的钠玻璃，而透明度高的水晶玻璃仍掺杂有氧化铅物质，只有高纯度的石英才是理想的光学材料。但无论多么高纯的石英玻璃，在制造过程中仍然含有微量的金属和水。这些杂质会对光线有吸收，也就是说即使用这些高级的光学材料也会产生瑞利散射而对光的能量造成一定量的损失。

我们在商场很容易看到一种工艺品，是用一种透明的细丝材料做成的花束，这种花束的根部装有灯泡，在细丝纤维的尖端会发出金光，然而纤维的侧面一点光也没有泄漏。这个原理同样用于医疗上，可用以对胃肠等器官的疾病观察的胃镜等。

这种应用于传导光线的特殊纤维就是光导纤维，光纤维很细，其直径仅为3～10微米，越细越柔软。光在光纤维内的传播是以全反射的形式进行的，光纤维内传播的光波有别于自由空间的波，打个比方，光在光纤维中如蛇行一般。光在光纤维内传播的速度随光的波长而不同，当光的波长越大，频率越低时光就越难以通畅。因此在光电子学中也把光纤维看作一种阻止高频率光波通过的滤波器。

光纤维怎样才能把光传得远，又同时保证传送应有频带这是光纤维技术研究的主题。

光纤最早应用于微波无线和信号中心之间的相互联结。在本世纪70年代后期，卫星地面站就采用了光纤电缆替代同轴电缆。然而作为远程的光纤互联应用则于武器装备和军事通信中首开先河。

在军事通信系统中天线向外发射电波，这是最容易被敌方察觉的，一旦发觉随之而来的便是惨遭摧毁。为了有效地保护信号中心各种计算机等昂贵的高级通信设施，目前所采取的有效对策是将天线与信号中心分离开相距1～3公里，以保障信号中心的安全。按传统的办法采用同轴电缆完成远程互联有许多问题很难解决，且不说要耗费大量同轴电缆与同轴电线配套的放大器，还会导致信号噪声，给可靠性带来不良因素。在运输上由于同轴电线重量较重也很不便，特别是同轴电缆易遭雷电破坏。用光纤代替同轴电缆，可以直接在较高的频率范围内工作，同时损耗极低，因此完全不需要线路放大器，从而解决了传输噪声，提高了可靠性。光纤具有的高绝缘特性使天线不怕雷电袭击。

在军用通信中，首先应用光纤网路远程装置，是在1980年由美国空军建立的ANGRC206无线电系统。此后许多雷达系统也采用了远程光纤的互联。如新型对空“小猪犬”导弹系统就是采用光纤来互联的。

激光的每一个特点都可以引带出一些应用，正是这些应用才使激光被列为新技术革命的主要特征之一。激光技术是当今一项极富有魅力的新技术。