大学物理课件 第12章 当代物理前沿

第12章当代物理前沿

本章要点：1、超导材料、纳米材料、光导纤维的性质及应用；

2、声学的基本理论及应用；3、激光原理及激光技术的应用；4、原子能及其和平利用。现代物理学的内容是极其广泛的，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。物理学取得的成就是极为辉煌的，它本身以及它对各个自然学科、工程技术部门的相互作用深刻地影响着人类对自然的基本认识和人类的社会生活。今天的物理学是一门充满生机和活力的科学，它对当代以及未来的高新科技的进步和相关产业的建立和发展提供了巨大的推动力。而且，近三四十年来的一些物理学研究的重要成果在现代科技中已属于非常基本的内容，了解这些内容已成为培养21世纪人才的基本科学素养的一部分。本章仅就超导、纳米、光纤、声学、激光、原子能六个当代物理前沿专题作一介绍，以拓展同学们的知识面与视野。12.1超导电性我们知道，自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻，电阻存在，使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想：找到没有电阻的导体材料，则电流经过时不受阻力，没有热损耗，那就具有很高的应用价值。这一梦想于1911年由荷兰科学家卡末林—昂纳斯(H.K.Onnes,1853-1926)发现汞的超导现象而实现！超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪末，低温技术获得了显著的进展。1877年氧气被首先液化，液化温度90K，随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。1898年杜瓦(J．Dewar)第一次把氢气变成液氢，液化温度为20K，他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年，卡末林—昂纳斯液化了最后一个“永久气体”——氦气，获得4K的低温，这是当时所能达到的最低温度，为在极低温条件下探索各种物质的物理性质创造了必要条件，当然也为三年后卡末林—昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。图12—1就是超导电性的发现者卡末林—昂纳斯。图12-1超导电性的发现者卡末林.昂纳斯12.1.1超导体的基本性质零电阻效应随着低温技术的进展，1911年卡末林—昂纳斯决定研究一下在他们所达到的新低温区——液氦温区内金属电阻的变化规律。他选择了汞，想知道它在尽可能低的温度下其电阻的变化行为。他发现：当温度降低时，汞电阻先是平缓地减小，但出人意料的是在4.2K附近电阻突然降为零。图12—2是汞的电阻随温度的变化关系。（纵坐标是该温度下汞电阻与0０C时电阻的比值。）图12-2汞的零电阻效应卡末林—昂纳斯指出：在4.2K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际变为零。他把这种电阻突然降为零而显示出具有超传导电性的物质状态定名为超导态。而把电阻发生突变的温度称为超导临界温度或超导转变温度，用表示。此后，他们又发现了其它许多金属有超导电性。如1913年发现了锡在3.69K时，也有零电阻现象。2.完全抗磁性1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导体时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，如图12-3所示，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，超导体的这种现象称为迈斯纳效应。正常态超导态图12-3迈斯纳效应迈斯纳效应和零电阻效应是超导体的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否有超导电性，必须看是否同时有零电阻和迈斯纳效应。3存在临界磁场前面我们已经知道了当温度高于临界温度时，超导态被破坏而变成正常态，即有电阻的状态。通过实验还发现，超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下，当外加磁场强度小于某一临界值时，超导电性可以保持；当外磁场超过某一数值的时候，超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明：对一定的超导体，临界磁场是温度的函数，达到临界温度了时，临界磁场为零。4.存在临界电流实验还表明，如果在不加磁场的情况下．在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流。在临界温度下，临界电流为零。5.同位素效应超导体的临界温度与其同位素质量有关。越大，越低，这称为同位素效应。与有近似关系：=常数。12.1.2高温超导体所谓高温超导体是相对传统超导体而言的。传统超导体必须在液氦温度4．2K下工作，而铜氧化物超导体是可以在液氮温度77K下工作的，通常称之为高温超导体。由于传统超导体转变温度很低，这给超导的应用带来了极大的困难。如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料的超导体，自从超导电性被发现以来，一直是科学家们的研究课题。

1986年以前，人们发现周期表中相当一部分元素在各种不同的条件下出现超导电性，超导体种类繁多。40年代初，人们发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌NbN，其Tc＝15K。50年代以后，又发现了多种高临界温度超导材料，如V3Si、Nb3Ge等,此间超导临界温度纪录一直在缓慢地提高。直到1973年，在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高临界转变温度纪录。此后该纪录再未被打破，一直到1986年柏诺兹(J.G.Bednorz，1950-)和缪勒(K.A.Muller,1927-)首次发现LaBaCuO(镧钡铜氧化物)陶瓷材料中存在35K的超导转变，为超导体的研究开辟了崭新的道路，将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。陶瓷材料在常温下一般是绝缘体，在低温下一下子变成了超导体，大大出乎人们的意料，改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。中国科学院物理研究所、美国休斯敦大学和日本东京大学的科学工作者重复了Bednorz和Muller的结果，并用Sr置换Ba，将提高到40～50K。1987年，中国科学院宣布，由赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧化物（YBaCuO）的提高到92.8K以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。虽然新型超导体的转变温度还远没有达到室温，但在液氮温区实现超导也是极大的飞跃。由于液氮与液氦相比，价格便宜100倍，冷却效率高63倍，且氮十分安全，故大大扩展了超导的应用前景，使沉闷了半个多世纪的超导界一下子变得气氛活跃起来。为此，柏诺兹和缪勒共同获得诺贝尔物理学奖。12.1.3BCS理论

超导电性量子理论是巴丁(J.Bardeen)、库柏(L.K.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在1957年提出的,被称为Bcs超导微观理论。按照此理论，在超导体中两个自旋相反以及动量大小相等、方向相反的电子对之间有很强的关联作用（吸引作用），且胜过电子间的排斥，使两个电子结成对（称为库柏对）。在超导体中导电的不是自由电子，而是库柏对。该理论成功地指明了电子通过交换虚声子形成库柏对，定性地描述了能隙、热学和电磁性质。当考虑被绝缘体隔开的两个超导体，即超导体——绝缘体——超导体，绝缘体通常对于从一种超导体流向另一超导体的传导电子起阻挡层的作用。若阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的概率穿越绝缘层。当超导隧道结的绝缘层厚度只有10埃左右时，将发生一种奇异的约瑟夫森隧道电流效应，即库柏电子隧道效应，电子对穿过势垒时仍保持着配对状态。12.1.4超导材料的应用超导态是物质的—种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上去。开展应用问题的研究可以追溯到本世纪二十年代，人们对超导应用的热情总是比研究超导机理更高。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质，因而在工业、国防、科学研究的大工程上有着广泛的应用。大功率的发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化；如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力；在交通运输方面，负载能力强、速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。此外，超导体在电力、交通、国防、地质探矿和科学研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中都有很多应用。1.超导材料在强电方面的应用在超导电性被发现后首先应用于制作导线，目前最常用的制造超导导线的材料是传统超导体Nb—Ti(铌钛合金)与Nb3Sn合金，现在已能大规模生产。在lT的强磁场下，输运电流密度达103A／mm3以上。而截面积为1mm2的普通导线为了避免融化，电流不能超过1A一2A。超导线圈已用于制造发电机和电动机线圈、高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统，以及用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体，这些物理研究需要很强的磁场，这样的磁场可由超导磁体提供，一些特殊的设备如果没有超导磁体就不能使用。中国科学院合肥等离子体研究所已建造了使用超导磁体的用于研究受控热核反应的托卡马克装置HT—7，见图12-4。

目前，应用超导体产生的强磁场，已研制出磁悬浮列车。列车运行时，超导磁体在地面环中产生强大感应电流，由于超导体磁场与环中感应电流相互作用，使车辆悬浮起来，因而车辆不受地面阻力影响，可实现高速运行，车速高达500公里/小时。若使超导磁悬浮列车在真空隧道中运行，完全消除空气阻力影响，车速可提高到1600公里/小时。图12-4托卡马克装置2.超导材料在弱电方面的应用根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到电压的精确值。它把电压基准提高了两个数量级以上，并已被确定为国际基准。约瑟夫森效应的另一个基本应用是超导量子干涉仪(SQUID)。用SQUID为基本元件可制作磁强计、磁场梯度计、检流计、伏特计、温度计、重力仪及射频衰减仪等装置，具有灵敏度高、噪声低、响应快、损耗小等特点。约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大潜力，它的开关速度可达10-12s，比半导体元件快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，比半导体元件小1000倍。超导芯片制成的超导计算机，速度快、容量大、体积小、功耗低。3.高温超导体的应用从原则上说，高温超导器件可比传统超导器件在更高的温度下工作，高温超导体的特有性质可用于研制未知的新器件。由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100倍。我国第一根铋系高温超导输电电缆于1998年研制成功，运载电流达到1200安培。利用溅射、脉冲激光沉积、金属有机化学沉积等技术已能制备高质量的YBCuO(亿钡铜氧化物超导体)薄膜和高温超导多层膜，薄膜技术的发展为高温超导电子学器件的研制提供了先决条件。这种薄膜特别适用于蜂窝电话基地电台的滤波器，经其过滤的信号保持原来强度而提高了信噪比，而常规的铜滤波器使信号强度降低，难以与噪音区别。1996年，这种薄膜进入市场。由于高温超导体具有较低的表面电阻和较高的工作温度，高温超导无源微波器件的研制获得了巨大的成功。例如滤波器，谐振器，延迟线等，这些器件可望在今后几年里变为商品面市，为全球通讯服务。综上所述，我们看到在人类的生活中已得到了超导电技术带来的诸多好处，我们还将看到超导电技术会越来越广泛地造福于人类。如解决人类未来能源的基本技术是受控热核反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类的未来离不开超导电技术及其相关技术的发展。12.2纳米技术在当代，随着高新技术的发展，材料和器件的微型化成为一个重要的发展方向，这样在从宏观走向微观的过程中，出现了介于宏观与微观之间的纳米层次。它要在纳米尺度空间内，研究电子、原子和分子的特性及运动规律，从而实现人类按自己的意志直接操纵单个原子，重新认识和改造客观世界，这确实是让人激动的事情。纳米科学是目前最核心和前沿的科学，纳米材料被誉为跨世纪的材料。12.2.1纳米材料纳米是nanometer的译名，用nm(1nm=10-9m)表示。纳米尺度为0.1~100nm，比原子尺寸略大（约为几十个原子排列起来那么长），大约相当于一根头发丝直径的万分之一。纳米材料是指几何尺寸为纳米量级的微粒或由纳米大小的微粒在一定条件下加压成型得到的固体材料。故纳米材料又称超微颗粒材料，其颗粒的大小范围为0.1～100纳米，约为原子半径的1～103倍。1.超微颗粒的奇异特性把宏观的大块物体细分为超微颗粒后，将显示出许多奇异的特性，在光学、热学、电磁学、力学及化学等方面的性质与大块物体相比有很大的差别。当颗粒尺寸达到纳米数量级的小颗粒在保持新鲜表面的情况下压制成块状固体或沉积成膜时，会产生许多异常的物理现象。这些奇异性质的产生主要来自于小尺寸效应、表面效应和量子效应（1）．小尺寸效应当颗粒的尺寸小于可见光波波长时，对光的反射率低于1％，于是均失去原来的光彩而呈黑色。又如磁性颗粒在小到一定的尺寸时，会丧失磁性。（2）．表面效应球形颗粒的表面积与半径的平方成正比，其体积与半径的立方成正比，故表面积与体积之比与半径成反比，颗粒半径越小，这比值越大。例如一个边长为1米的立方体，它的表面积为6平方米，若将此立方体切割成边长为1毫米的立方体，再按原样堆成边长为1米的立方体，此时体积没变，但切割后各小立方体的表面积之和为6000平方米，比原来增大1000倍。表面积增大，活性就增强，因此超微粉末很容易燃烧和爆炸。另外，表面积增大，表面原子占总原子数的百分数将会显著地增加。（3）．量子效应量子力学已成功地揭示了原子能级结构，由无数的原子构成固体时，由于原子间的相互作用使单独原子的价电子能级合并成能带，能带理论阐明了宏观的导体、半导体和绝缘体之间的区别。对介于原子、分子和大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带变窄，逐渐还原为分立的能级，能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当温度较低时，原子分子的热运动能以及电场能或者磁场能比平均的能级间距还要小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是量子效应。例如，在低温条件下，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，比热可出现反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动等。2．纳米材料的类型（1）．颗粒型随着社会的信息化，信息储存量大、信息处理速度高，要求录音带录像带和磁盘等磁性记录介质的记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用20纳米左右的超微磁性颗粒制成的金属磁带，磁盘已开始商业化。具有记录密度高，低噪音的特点。（2）．纳米固体材料纳米固体材料是指由超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。这种材料具有巨大的颗粒间界面，从而使得纳米材料具有高韧性。（3）．颗粒膜材料颗粒膜材料是将某种颗粒嵌于不同材料的薄膜中所生成的复合薄膜。通过改变两种组分的比例以及改变颗粒膜中的颗粒大小与形态，可控制膜的特性。12.2.2纳米加工与原子操纵纳米技术的创始人是物理学家、诺贝尔奖获得者理查得.费思曼，他大胆提出“用原子搭积木”的想法，设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。他的设想包括以下几点：如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么小的地方；计算机如何微型化；重新排列原子，若有朝一日能按自己的主观意愿排列原子，世界将会发生什么？在纳米尺度上的原子与在体块材料中的原子的行为表现有什么不同？即有些什么新颖的性质以及千奇百怪的效应？其关键点在于如何操纵原子、分子。1.移动原子移动原子的工具是扫描隧道显微镜STM，它是一种新型的表面分析工具，是根据量子力学的隧道贯穿效应制成的。它实际上就是一个由电子计算机操纵控制的长探针，探针一头很细，只有几个原子的厚度。利用探针和材料平面间的电流，可逐个地把原子吸起来并放置到其他地方。下面，以STM移动氙原子的过程为例。用STM针尖移动吸附在金属表面上的氙（Xe）原子。当针尖距氙原子较远时，不产生影响。当把针尖向氙原子逼近到相距约0.3纳米时，在针尖与原子之间产生一个吸引力，其大小约等于原子与金属基底之间的吸附力，但又不足以使氙原子脱离基底表面而吸附到STM针尖上。这时，移动针尖，就会拖着氙原子在表面滑动。滑动到预定的位置后，再把针尖移离氙原子，氙原子就留在了预定的位置,这样可使原子按我们设想方案重新进行排布。通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样，如图12-5所示。2.纳米加工利用STM可人为地制造出某些表面现象，进行表面刻蚀及修饰工作。利用计算机控制STM的针尖，在某些特定部位加大隧道电流或使针尖尖端直接接触到表面，使针尖作有规律的移动，就会刻出有规律的痕迹，形成有意义的图形或文字。图12-6所示的是用纳米加工的五环图案。因此，STM对于研究高密度信息储存技术，具有重要意义。原子尺度的操纵技术在高密度信息存储、纳米级电子器件、新型材料的组成和物种再造等方面，将有非常重要和广泛的应用前景，它是公认的21世纪高新技术。图12-5用原子排出的IBM12-6用纳米加工的五环

3．单分子操纵当前，单原子操纵移位技术进一步发展为单个分子的探测、操操纵和人工合成新分子等技术，它远比单原子操纵复杂。1991年IBM公司的

“拼字”科研小组创造出了“分子绘画”艺术。这是他们利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上，构成分子间距约0.5纳米的“分子人”。这个“分子人”从头到脚只有5纳米，堪称世界上最小的人形图案。目前科学家从操纵小分子扩展至大分子乃至生物大分子。在分子世界里，人们首先关注的是决定人类遗传性状的大分子DNA。第一张DNA分子的STM图像于1989年问世。1990年，中科院上海研究所与上海细胞生物学研究所及前苏联科学院分子生物学研究所合作，首次获得了一种新的DNA构型—平行双链DNA的STM图像。

图12-7“分子人”12.2.3C60与碳纳米管1．举世瞩目的C60过去一直相信自然界中只存在两种碳的同素异形体：金刚石和石墨。然而，1985年柯尔（R.F.Curl,1933-）斯莫利（R.E.Smalley，1943－）和克罗托（H.W.Kroto，1939－）发现了碳的第三种稳定的同素异形体，这就是C60。它的正式名称是巴基敏斯特富勒烯，简称巴基球或足球烯。其结构如图12-８所示。C60分子是由60个碳原子组成的笼状大分子，其分子直径约0.17纳米；其结构是由12个正五边形（边长称为长键，为0.146纳米）和20个六边形（其中短键长为0.139纳米）组成的32面体，共有60个顶角，每个顶角上占据一个碳原子，C60分子模型正好是一个足球。这种封闭型的C60分子，本身的化学键已经饱和，没有空键，所以由C60分子构成的固体就不需要其他原子（如氢）来填补其表面的化学键，是纯碳结构。C60晶体不导电，是一种新型的半导体材料。C60可以承受各向同性的静态压力达20万个大气压。C60超导体是现在所有的有机物超导体中转变温度最高的，具有较大的临界电流、临界磁场。掺杂金属原子的C60超导报道最引人注目。有人预测，随着碳分子族的进一步加大，通过掺杂，有可能发现室温超导体。这将是超导技术上的一大突破，C60超导体有着十分广阔的应用前景。图12-8C60分子的足球模型2．碳纳米管贵比黄金、细赛人发的“超级纤维”碳纳米管，实际上和金刚石、石墨同属于一个家族。作为近年来材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视。碳纳米管,是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。碳纳米管于1911年由日本科学家合成问世，随后又发现了它的一些特殊性质，并加以应用。1992年，发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。

碳纳米管潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。12.24纳米技术的应用1.在陶瓷领域方面的应用

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。

所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。科学家指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的范性形变。并且发现，纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。

虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

2．在微电子学上的应用

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。并且，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。

美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为本世纪信息时代的核心。

3．在生物工程上的应用生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。

到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。4．在化工领域的应用

(1)．在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着重要的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子用于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。

(2)．在涂料方面的应用纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如

Fe2O3、TiO2

等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。

(3)．

在其它精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特魅力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。

5．在医学上的应用随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米

SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。

研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。

6．在分子组装方面的应用

利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。目前主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究。虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。

1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”，该算盘的算珠由球状的C60分子构成。美国佐治亚理工学院的研究人员利用碳纳米管制成了一种崭新的“纳米秤”，能够称出一个石墨微粒的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量

12.3光导纤维

12.3.1光及其特性

我们知道，光是一种电磁波。可见光部分波长范围是：390～760nm。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850，1300，1550三种。

因为光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同的。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。12.3.2光纤

1.光纤结构：

光纤结构呈同心圆柱状，一般分为三层：中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm)，中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)，最外是加强用的树脂涂层。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。

2.数值孔径入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同(AT&TCORNING)。

3.光纤的传输模式

光线以某一特定角度射入光纤端面，并能在纤芯与包层的界面上形成全反射传输时，称为光的一个传播模式。若光纤的纤芯直径d较大，则在由数值孔径确定的入射角度范围内，可允许光以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播。此时，我们称光纤中有多个模式，并把这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤。如果光纤的纤芯直径d较小，只允许与光纤轴方向一致的光线传播，即只允许光的一个模式沿光纤的轴线传播。我们把这一个模式称为基模，把只允许传输一个基模的光纤称为单模光纤。

4.光纤的种类

上已述，按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。

多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤：中心玻璃芯较细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

5.常用光纤规格

单模：8/125μm，9/125μm，10/125μm

多模：50/125μm欧洲标准，62.5/125μm美国标准

工业，医疗和低速网络：100/140μm，200/230μm

塑料：98/1000μm用于汽车控制。

12.3.3均匀折射率光纤导光原理光线是怎样在光纤中传播的呢?我们讨论光在均匀折射率光纤中的传播情形。在均匀折射率光纤中，光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图12-9(a)所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进；另一种斜光线，它不穿过纤芯的轴线。如图12—9(b)所示，从光纤的端面上看，斜光线的传播轨迹呈多边形折线状。

图12-9均匀折射率光纤中光线的传播

12.3.4光纤制造与衰减：

1.光纤制造：现在光纤制造方法主要有：管内CVD(化学汽相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法。2.光纤的衰减：

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

本征是光纤的固有损耗，包括瑞利散射，固有吸收等；弯曲是光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉造成的损耗；挤压是光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗；杂质是光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失；不均匀是光纤材料的折射率不均匀造成的损耗；对接是光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

12.3.4光纤的应用

光纤在通信等领域具有日益广泛的应用。人类社会现在已发展到了信息社会，声音、

图象和数据等信息的交流量非常大。以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其独特的优点得到广泛应用。其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。下面简略介绍光纤通信。各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用透明的光纤传输光波。虽然光和电都是电磁波，但频率范围相差很大。一般通信电缆最高使用频率约9～24兆赫，光纤工作频率在1014～1015Hz之间。

光纤通信系统的基本组成见图12-10，它包括发送机、光缆、中继器和接收机。发送机主要由光源及其相关的驱动电路组成，接收机主要由光检测器、放大器和信号恢复电路组成。中继器负责放大和整形信号，而光缆作为最主要的部件之一，用于传输光信号。一根光缆中通常包括若干根像头发丝一样细的光纤和多种光纤保护层，用于远距离通讯的光缆中甚至还包含金属导线，以便用来对放大光信号的中继器供电。图12-10光纤通信系统的基本组成

光纤通信最主要的优点是：（１）容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8～9个数量级，故所开发的容量很大。(２）衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。（３）体积小，重量轻。同时有利于施工和运输。（４）防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。（５）节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。（６）成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。光纤通信首先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长途干线网上，成为宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。

随着光纤放大器、光波分复用技术、光弧子通信技术、光电集成和光集成等许多新技术不断取得进展，光纤通信将会得到更快的发展。12.4声学

我们人类生活在一个充满声音的世界里。在空气中的某一物体一旦发生振动，它就会引起物体周围媒质的运动，这种运动会一直向远处扩散开来。当这种振动传到我们耳朵里时，会引起鼓膜的同样的振动，再传到大脑的听觉神经，我们便有了声音的感觉。声音实质是一种机械振动的传播。声学是研究机械振动在弹性媒质(气体、液体或固体)中传播规律的学科。具体地说，就是研究声波的产生、传播、接收和效应。声学是一门古老而又年轻的学科。它的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等的认识。我国人民很早就从事乐器制造和乐律的研究。夏商时期就有了铜制的铃、钟、编钟、皮制的鼓等多种乐器。现代声学的研究始于17世纪牛顿力学形成和发展以后，人们认识到声音是媒质中传播的机械波，从而把声学现象和机械运动统一起来。到19世纪70年代，物理学家瑞利的《声学理论》这部经典声学著作问世，使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科。

20世纪以来，声学的研究对象已从“可听声”延伸到人耳无法听到的次声和超声、特超声，其应用范围已遍及国民经济各个部门及国防和人类的日常生活。并且，声学与其它学科互相结合互相渗透，形成了不少独特的边缘学科。如水声学、电声学、环境声学、激光超声、语言合成、语言识别、超声诊断和超声医学等。声学技术在许多领域中有着重要的应用。譬如，随着声信号的编码、解码技术；声信号的压缩、传输技术；声控电话、语音识别、语音合成等领域的发展，IP电话、汉—英、汉—日简单口语翻译系统都已走向市场。声学应用领域在不断扩大，并日益深入千家万户。

12.4.1声学的基本概念与理论

1．

声波在空气中传播

声速

声学的基本理论在于研究振动与波的传播。如果质点振动的方向与波的传播方向相同，称为纵波，如果质点振动方向和波的传播方向垂直，就称为横波。

传播声音的媒质可以是气体、液体和固体。在气体和液体中，机械振动只能产生纵波；在固体中除了纵波之外，还可能有横波。在日常生活中，声源的振动是通过空气传到人耳的。下面讨论声振动在空气中的传播。

设声源是一个振动着的音叉，音叉的振动引起空气疏密状态的变化。如图12-11所示。在声波传播的过程中，质点本身并不随声波向四周扩散，它只在某—固定点附近来回运动，这种运动，我们称之为简谐运动。

图12-11声音传播过程中空气疏密的变化

其微分方程是：其中A,B是任意常数,是圆频率，我们有时也用频率

，表示质点每秒振动的次数。现代声学研究的频率范围为10-4~1014Hz,其中可听声频率为20~2*104Hz；次声为10-4~20Hz，超声为2*104~1014Hz。

其中

E是媒质的弹性模量，单位为Pa(be)，是媒质密度，单位是kg/m3。声波在15℃的空气中的传播速率为340m/s、在淡水中为l440m/s、在钢中为5000m/s。一般说来，声速在气体中较小，在液体中比较大，在固体中最大。

其解是

声波在媒质中的传播速率为

2．声压与声强在有声波传播的空间，空气中任一点附近质点时密时疏，该点压强发生时而增大、时而减小的变化。空气中有声波传播时某点的压强与没有声波时的压强之差，称为该点的声压（p）。随着空气中各点的声振动的周期性变化，声压也作周期性变化。

声波传播时伴随着能量的传播。声强就是声波的能流密度，即

其中为声压的振幅。从上式可见，声强与振幅的平方成正比。大振幅的声波如爆炸、炮声，声强都很大。

从声学实验和心理学实验得知，人耳主观感觉到对声音强弱的反应不是和声强成正比。而是近似地与声强的对数成正比，因此引入声强级作为声强的量度。声强级定义为声强与标准声强标准声强

之比的对数，即0其单位为贝尔(Bel)。

又因为贝尔这个单位太大，通常采用贝尔的十分之一即分贝（dB）做单位，则声强级的表示式为

又由于正比于,所以（dB）。

一般把人耳所听到的最低声压2*10-5Pa作为比较标准的参考声压,以此为标准，可得表12-1。（dB）

声源声强级（dB）影响程度人耳最低可听阈0安全普通谈话60管弦乐队（最大声音）100长期影响，听觉受损喷气式飞机起飞（100m外）120听觉快速受损，耳聋表12-1声强级

12.4.2听觉、语言和音乐

1.听觉

双耳是人的听觉器官，它非常灵敏。人的听觉能感受到的最小声压已接近于空气中分子热运动所产生的声压，能感受的频率范围约为20Hz～20000Hz，宽达十个倍频程(即十个“八度”),人耳能感受的强度范围约为10-12w·m-2～lw·m-2，大小相差1012倍。

(1)．纯音

音叉振动发出的声音，它的声波可以认为是简谐波，不要再进行分解，这种具有简谐波形的音，叫做纯音。

(2)．响度

一个声音在听觉感受上有多响，并不与这个声音的物理强度成线性关系。所以在普通声学中，除了有一套物理量之外，与之对应的还有一套心理量，用以表示声音在主观感受上的程度。一个声音有多响除了与它的强度大小有关外，还与它的频率高低有关。与人的感受成正比的声音大小的量称为响度。

(3)．音调

一个声音在听觉感受上有多高，主要与它的频率有关，但是它的强度也起很大作用。如果一个声音里包含许多频率成分，它的音调高低就更复杂。

音调高低的心理标度单位为mel(美)，它是以1000Hz，40Phon的纯音的音调作基准，定为1000mel。要是一个纯音听起来比它高一倍，即为2000mel，要是低一半就是500mel，依此类推。(4)．双耳效应

人们判断声源的方向与距离，要靠两个耳朵来接收，特别是觉察声源运动，从嘈杂的环境中倾听一个较弱的声音等，靠的都是两个耳朵的功能，这称之为双耳效应。人们熟知的立体声就是利用双耳效应。双耳效应的主要作用，来自于声音到达两个耳朵的时间差。头部左右转动，可以提高声音定位的准确程度。在有混响的地方，如音乐厅、电影院，定位只依赖最先听到的声音在两耳的时间差，这是立体声系统的根据。

2．语言

语言首先是有声语言，是与人类同时发展进化而来的。人的发音器官也是一具复杂而灵巧的机器，它主要是说话和唱歌，当然也可以发出各种声音。发音器官由肺、气管、声门、咽腔、口腔和鼻腔等构成。肺是能源，声门由声带振动调制气流使成交变信号，再经过声道(口腔、鼻腔、咽腔)加以滤波形成不同的简正振动方式。由口和鼻(如果是鼻音的话)辐射到空气环境中便是语音了。

语言是由语音(包括元音和辅音)按一定规则编排组合而成。在声学上来看，不同的语音特征，体现在它们具有不同的时间—频率特性上。

(1)．语言频谱

人们日常谈话辐射的声功率平均约为l0mw，所以语言信号的功率是不大的，可是它所能传递的信息是无限的。

语言频谱有两种。其一是表示语音整体长时平均特性的长时平均频谱，从现有的多种语言的测量结果来看，各种语言的长时平均频谱是大同小异的。语言信号的频带约在100Hz～10000Hz，主要频段约为l00Hz～4000Hz,不传送基音的电话语言则定为300Hz～3400Hz。语言的另一种频谱是短时频谱，发音是一个连续慢变过程，用短时频谱来表示不同语音的声学持征。从声源看，语音声源可分为：准周期激励、噪声激励和脉冲激励三种。有的语音是由它们三者的某种组合构成的，如浊浦音就可能是由第一种准周期激励(声带振动)，再加上第二种或第三种噪声激励所构成(如汉语的浊声母r、英语的浊辅音b、d、g)。

由于声道的不同形状可产生出不同语音，也就有不同的简正方式，表现在语音短时频谱上，称之为共振峰。

(2)．语言合成与语言识别人们早就向往着让机器说话和听话。我国唐代就曾有过用木头做的托钵僧，可以发出“布施”的音来，这可以说是世界上最早的会说话的机器。18、l９世纪西方也有用机械方法合成语音的，直到1939年才出现第一架采用电子线路的发音演示器。现在采用数字信号处理技术和语言声学的基础知识与特征参数，已经可以合成出任何声音。

让机器能听懂人说话，从而用口语指挥机器，做起来要更难一些。其基本原理，是利用实时的信号处理方法，提取语音信号特征，根据机器受过的训练，即所存贮的语音特征模式和必要的语音学、语言学知识，来做出识别和判断，这称为语言识别。语言识别可分为特定人语言识别和任意人语言识别。

语言识别的一个目标是实现语音打字，50年代就是以语音打字机来带动这一研究的。除语言识别之外，在充分利用语法、语意的基础上，又发展了语言理解系统。当把高层次的语言合成系统和语言理解系统结合在一起时，又可实现人机语言对话系统。总有一天可以实现人与计算机打交道，不完全只靠键盘输入和打印输出，这对公共场所的许多服务设施，有着特别广阔的应用前景。3．音乐

音乐和语言一样久远，音乐声学是声学的古老的分支。音乐声学的研究内容包括声乐和器乐两方面，声乐方面也称歌唱声学，主要研究发音的机理、歌声的声学特性；器乐方面主要研究乐律和乐器的声学特性。

音乐上把—个倍频程，如从某一频率为f的纯音到2f频率之间的间隔，称之为一个八度。又把一个八度按频率比为21/12分成12等份，每一等份称为一个半音，每一个半音又分成l00音分。两个频率，相比的音分数按下式来求

音分数＝

现代乐器制造所用的标准音调是＝440Hz。

利用现代电子技术和计算机，根据音乐理论和声学数据，也可以实现计算机作曲和电子合成器乐演奏。12.4.3超声

可闻声段以外低于20Hz或高于20000Hz的声波只能用仪器测得，高于20000Hz的声波叫做超声。超声是人类所听不见的。不过有些动物能够听见较低频段的超声，像蝙蝠、飞蛾、鲸鱼、海狮等。

从客观上讲，超声和可听声，除频率范围不同外，并没有差异。超声具有机械波的通性，可在任何弹性媒质中传播，还具有与声波一样的传播速度。但超声由于频率高，便具有一些特点。尤其重要的是，这些特点可加以利用，这正是人们所以研究超声规律的原因。1.超声的特性

(1)．传播的定向性强

一般声波由于其波长较长，在其传播过程中遇到障碍物时，容易绕过障碍物(这种声波绕过障碍物的现象叫做声的衍射)。只有当障碍物的线度远大于声波的波长时，衍射作用才可忽略。超声波由于波长很短，不容易绕过障碍物，而象光波一样沿直线传播，因而它传播的定向性强。频率越高，定向性越显著。超声波碰到杂质时，有显著的反射现象，在达到介质的分界面时，有折射现象。由于超声波很容易被障碍物反射，因此只要接收到反射波，就可探知目标的距离。(2)．容易聚成细波束我们已知：发射声波的频率越高，发散角就越小，即声波越容易形成细波束。例如发射10MHz的高频超声波，因它在水中的波长仅为0.15mm，所以只需用直径为18mm的振动片，便可得到发散角只有0.60的超声波射线束。超声波的这种特性，使其既便于定向发射以寻求目标，同时又和光束相似，便于聚焦以获得巨大的声强。

(3)．容易获得较大的功率和声压

因为声强是和频率的平方成正比的，所以超声波的功率可以很大。近代超声技术已能产生几百至几千瓦的功率。在极大的高频声强时，压强振幅可达到千百个大气压这就使超声波能对物质产生显著的作用。(4)．穿透本领大超声波在空气内衰减得很厉害，而在液体和固体中却衰减很小，穿透本领很大。它在不透明的固体中传播时，能穿透几十米的厚度。同时，它又最便于在液体和海洋中使用。2.超声的应用

（1）．超声在医学诊断和工业检测中的应用前已提到，超声的一个特点是容易形成细声束，以及可以被相当小的障碍物所散射，其中包括背(逆)向散射。将这束细声束向正前方射出，同时使它上下左右摆动，便可以搜索前方有没有障碍物。用电子学的手段，容易测量反射波或背散射波回转的时间，在已知声速的情况下，可以确定前方障碍物的位置。当障碍物足够大时，从回波随声束移动的分布，可以显示出障碍物的形状；对比较小的障碍物，人们正在寻求判断障碍物的大小、形状、内含物等特征的方法。对于不均匀的透明材料，我们常用光学的办法检测；对于不透明材料，用普通的光学方法是做不到的。而包括超声的声波则能够透入任何媒质，不论这媒质是气体、液体、还是固体，也不论透不透光，对不同媒质的差别只是透入深浅不同。利用超声来检查或显示媒质中是否存在障碍物，以及障碍物有哪些特征，叫做超声检测。

对于超声，障碍物是不同于基质的物体。人的肝脏内如果有个肿块，这肿块的不同于肝脏的，肿块就是超声的障碍物。母体内的胎儿对于羊水中的超声也是障碍物。因此超声检测很自然地用于人体，常称为医学超声诊断，把超声源(超声探头)在人体外表面扫动或在一处转动，使声束在人体内作线扫描或扇形扫描，配合电子学手段，显示出人体内部与声束方向平行的断层内超声图像的方法，就是当今家喻户晓的“超”。类似的原理和方法可以用于检查金属和非金属材料内部的缺陷，缺陷也是障碍物。材料内部可能有夹杂物、气泡或裂缝，夹杂物、气泡或裂缝的都与材料本身的不同．因此将反射或散射入射的超声。用超声检测材料是工业上广泛采用的无损检测手段之一。

(2)．超声在加工处理和医学治疗中的应用利用超声的能量以及超声与物质的相互作用，可以改变物质的一些物理、化学及生物性质或状态，或者加快这些改变过程，简称加工和处理。超声的频率范围宽、产生的能量大、设备比较小巧、又不伴生噪声，因此声波的加工和处理应用几乎都在超声范围。在工业上，超声大量用于乳化、清洗、粉碎、搪锡、钻孔、雾化、焊接、金属成型等。近几年来，超声加速化学反应的作用受到关注，声化学逐渐发展为一门新兴的热门分支学科。超声用于医学治疗已有多年的历史，应用面广泛，近来报道了治疗偏瘫、面神经麻痹、小儿麻痹后遗症、乳腺炎、乳腺增生症、血肿等等，都有一定的疗效。

12.4.4声与海洋

1.水声学

在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。在混浊和含盐的海水中，无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大，所以声波是人类迄今为止已知的惟一可在水下远距离传播的能量形式。海洋及其边界的详细特征对声传播的影响是非常复杂的。声速是温度、深度和盐度的函数，而温度又是深度、季节、地理位置(纬度)和气候条件的函数。海洋表面有时是非常光滑的反射体，有时又是随机散射声波的非常粗糙且扰动的表面，海底的构造、斜度及粗糙度也是变化多端的，所有这些因素都影响声的传播。声速与海面及海底边界相互作用的效果产生了最终的声传播特性。有关水声方面的研究，形成了水声学。2.海洋开发中的水声学

水声学在海洋开发中有许多应用。人类赖以生存的地球，海洋占表面积的70％，开发和利用海洋是人类生产、生活的重要活动。据估计，海底石油、天然气的储量约占地球总蕴藏量的50％左右，大洋洋底分布的锰结核约有15000亿吨，海洋每年大约可以为人类提供30亿吨食物，海洋中大约有80种化学元素，大洋的变化又是地球气候变化的重要因素。几乎每一项开发海洋的工程活动都或多或少地与水声学有关。如海洋环境参数测量；海底地形、地貌及地质勘探；导航及其他应用等。

12.5光彩夺目的新光源

光，对人类是何等重要。自从钻木取火，到使用蜡烛和油灯，人类经历了几十万年。直到美国发明家爱迪生（T.A.Edison,1847-1931）于1879上试制成世界上第一个可使用的碳丝白炽灯，使光源发生了革命性的变化。在随后不到20年时间里，于1895年发现了一种特殊性能的光源——X光光源，它的出现，也称得上是一次革命性的变化。这种光源不是用来照明，而是使人的视野扩展到了肉眼所看不到的物体内部的微观领域。到了20世纪60年代，激光光源的出现，可以说是在人工制造光源历史上又一次革命性的变化。激光的英文名称是Laser,它是由全称lightamplificationbystimulatedemissionofradiation(辐射的受激发射光放大)中各单词的首字母组成。激光以其优异的特性，在短短的40年时间中得到了迅速发展，激光技术已成为硕果累累的一门新兴科学技术。它以高、精、尖的技术特点，在人类生活、工农业生产、军事以及科学研究等各个领域得到了广泛的应用。尤其在当今信息技术领域中，激光作为一种独特的信息载体，起着举足轻重的作用，已成为一颗光彩夺目的“明珠”。继X光光源和激光之后，又出现了同步辐射光源。这种新光源所发射的同步辐射光是利用同步加速器加速电子而产生的，它不仅具备前述光源的优点，而且具有波长覆盖面广、连续可调的特点，在物理、化学、生命科学、医学、材料科学、微电子工业、微加工技术等领域中获得了广泛应用。12.5.1激光产生的基本原理

激光是一种光。人类对激光的认识，是在对光的本性认识的基础上逐步深入的。1.激光的产生

（1）．光的本性

光学是一门古老的学科，到19世纪，关于光的本性的认识形成了两个不同的学派。一是牛顿提出的光的微粒说，认为光是从发光体发出来的以一定的速度在空间传播的、有弹性的微粒流；另一是与牛顿同时代的科学家惠更斯提出的光的波动说，认为光是在特殊弹性媒质中传播的机械振动，像声音一样是一种波动过程。两种观点各持已见。鉴于牛顿的巨大威望，开始是微粒说占据优势，并一直持续了一百多年。随着科学的发展，光的干涉、衍射、偏振等新的实验事实的逐步被发现，微粒说难以解释，光的机械波动说占了上风。19世纪中叶，电磁学的研究有了重大进展，人们认识到光实质上是一种电磁现象，光波就是一种电磁波，光的电磁理论在认识光的本性上前进了一大步。20世纪初，光学研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制，光的电磁理论在解释黑体辐射问题时遇到了很大困难。为此普朗克提出了能量子假设，后经爱因斯坦发展为光量子理论，它很好地解释了黑体辐射、光电效应，进而使人们认识到光既有波动性，又有粒子性，是波粒二象性的对立统一体。

（1）．自发辐射、受激辐射和受激吸收普通光源的发光是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发，这个过程叫做“受激过程”。在没有外界作用下，电子会自发地从高能级（）向低能级（）跃迁，跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子的能量为这种辐射称为自发辐射。在原子中可能存在一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，使它在这种能级上的寿命特别长（可达到10－3秒，甚至1秒），不易发生自发跃迁以退到低能级上，这种激发能级称为亚稳态能级。但在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称为受激辐射。亚稳态在激光产生的过程中起着特殊的重要作用。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时首先提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是后人发明激光的物理基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级，当一个外来光子所带的能量正好为某一对能级之差，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级向低能级跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个全同光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。（2）粒子数反转处于能级E的原子数密度N的大小是随能级E的增加而指数减小，即式中为波尔兹曼常量，为绝对温度。因为,，所以.可见室温下，全部氢原子几乎都处于基态。所以，在通常情况下，原子处于低能级上的数目比处于高能级上的数目多，这种粒子数分布，叫做粒子数的正常分布。要使原子发光，必须由外界提供能量使原子达到激发态，所以普通光源的发光是包含了受激吸收和自发发射两个过程。只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级上的数目必须比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但正如上面所讨论过的，在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。２．激光的特点

（1）．高亮度性——比太阳还要亮百亿倍太阳光又强、又热，谁也不敢正视耀眼的太阳，可是与激光相比，太阳光就仿佛是小巫见大巫了。梅曼制成的那台红宝石激光器，它发射出的深红色激光是太阳亮度的四倍。而近年来研制出的最新激光，要比太阳表面亮度高出一百亿倍以上！因为激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内，仅十分之一度左右，激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。再加上激光器能利用特殊技术，在极短的时间内（比如一万亿分之一秒）辐射出巨大的能量，当它会聚在一点时，可产生几百万度，甚至几千万度的高温。（２）．高单色性——颜色最纯太阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。不同颜色的光，它们的波长是各不相同的。在自然界中几乎找不到波长纯而又纯的光，各种波长的光总是混杂在一起的。科学家们长期以来一直努力寻找一种波长一致的单色光源。激光就是这种理想的单色光源。拿氦氖气体激光器来说，它射出的波长宽度不到一百亿分之一微米，完全可以视为单一而没有偏差的波长，是极纯的单色光。（３）．高方向性——方向最集中当我们按亮手电筒或打开探照灯时，看上去它们射出的光束在方向上是笔直的，似乎也很集中，但实际上，当光束射到一定距离后，就散得四分五裂了。唯有激光才是方向最一致、最集中的光。如果将激光束射向月球，它不仅只须花1秒钟左右便能到达月球表面，而且仅在那里留下一个几百米的光斑区。（４）．高相干性——相干性极好当用手将池中的水激起水波，并使这些水波的波峰与波峰相叠时，水波的起伏就会加剧，这种现象就叫干涉，能产生干涉现象的波叫干涉波。激光是一种相干光波，它的波长、方向等都一致。物理学家通常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长度越长，光的相干性越好。而激光的相干长度可达几十千米。因此，如果将激光用于精密测量，它的最大可测长度要比普通单色光大10万倍以上。激光的四大特点是相互联系，相辅相成的。3.激光器的结构激光器一般包括三个部分：(1)．激光工作介质

介质可以是气体、液体、固体、或半导体。现已有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到红外，光谱范围非常之广。(2)．激励源一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源去照射工作介质，称光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。(3)．谐振腔光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的平面镜。腔反射镜常用金属镜或非金属基片上镀金属膜。一块对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射、少量投射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，从而使光被放大。光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。所输出的激光不仅光强，而且有很好的方向性和单色性。4．激光器的种类按工作介质的不同来分类，可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。(1)．固体激光器：具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927-）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。红宝石激光器如图12-12:图12-12红宝石激光器(2)．气体激光器：具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀、光束良好；以及能长时间较稳定地连续地工作的优点。(3)．半导体激光器：体积小，质量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适用在飞机、车辆宇宙飞船上用。(4)．液体激光器：工作原理比其他类型激光要复杂得多。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的突出优点。还可根据激光输出方式的不同，分为连续激光器和脉冲激光器。12.5.2激光技术的应用激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞速发展。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光器的发明不仅是光学发展史上的伟大里程碑，而且是整个科技史上的一个伟大里程碑，激光技术在现代社会中正在发挥越来越大的作用。1.步入人类生活的激光技术(1)．激光育种激光育种是激光技术在农业中的最新应用，并已经获得了成功。激光育种是在其他高科技成果的基础上发展起来的，在微波育种、X射线育种、放射性同位素育种、中子育种等背景下出现的。早在20世纪60年代，科学家就发现，利用红宝石激光照射胡萝卜、蚕豆等种子，可以有效提高其发芽率和出苗率。受到这一启发，科学家开始考虑用激光束来照射种子。由于激光束具有很强的光照度，因此，经过它照射的种子应该有出乎人意料的结果。科学家的预想通过实验变为了现实，结果证明这一预想是科学合理的。20世纪90年代，俄罗斯科学家用激光束照射小麦种子，使用这种小麦种子的小麦分蘖抽穗多，穗头饱满结实，平均每亩小麦可以提高产量60千克，蛋白质含量增加5％。我国也掌握了这一技术，而且水平居于世界前列。我国试验激光育种的植物品种包括水稻、小麦、大豆、玉米、谷子、蚕豆、油菜等200多种植物种子。激光育种方法方便易行，可以照射在植株的特定部位，按波长、剂量、部位和照射时间来进行研究。种子经过激光照射以后，可以大大提高产量。例如用激光培育的油菜种子，经过大面积试种，能够提高60％的产量。（2）激光医疗激光在医学上的应用发展非常迅速，己形成了激光医学这门边缘科学。激光诊疗具有精细准确、安全可靠、疗效好、痛苦少等优点，依其诊疗特点可分为利用汽化、切割、凝固、烧灼等方法的手术性治疗；利用光导纤维导入内腔镜的内腔治疗；发散成低功率密度的理疗性照射治疗；与专科设备配套的专科性治疗；以及结合专用药物、器械的特殊诊疗，除理疗照射（包括穴位照射）治疗外，其实质是一种新型的医学工程，在其发展过程中，其科学和实用的特点确立了激光医学的新形象。光对生物体的作用有光热(photo-thermal)作用、光音响(photo-acoustic)作用、光化学(photo-chemical)作用等，激光治疗就是利用这些作用的。作为穿孔治疗的实例，称为激光TMR的治疗近来成为主要话题。它是在有拍动的状态下，对心肌梗塞的心脏进行激光照射，在心肌上打穿多个孔，恢复血液循环的惊人的治疗方法。