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1、科学家谈物理第三辑一个新的足球烯家族 内容简介以 C6 0为代表的全碳分子是近年来发现的碳的一种新形态，全碳分子及 其固态构成了石墨和金刚石之外的纯碳的第三种稳定的同素异构体，被人们 通俗地称为足球烯。本书扼要介绍了它及它的家族的发现过程、结构和对称 性、新颖奇特的物理、化学性质以及潜在的应用前景。前 言我们生活的自然界丰富多彩而又神秘莫测. 富于探索和进取精神的人类 总是力图揭开笼罩在科学之上的神秘外衣， 探索自然的真谛. 人类正是在不断 认识自然并改造自然的过程中一步步向前发展的. 科学技术的进步， 推动了人 类文明的进程. 回顾人类历史的足迹， 每一次重大的发现和突破无不带来人类 文明的
2、一次飞跃， 导致一场巨大的科学革命和技术革新. 燧石取火和制造工具 开始了人类文明的起点；轮子的发明导致方便快捷的交通工具的出现；蒸汽 机和内燃机的发明将人类带到机械化时代；电的出现从根本上改变了我们整 个地球的面貌，人们从此和电结下了不解之缘；而半导体的出现和晶体管的 发明则带来了 2 0 世纪的科学曙光， 以电子计算机为代表的一批高新技术领域 的出现标志着我们进入了人工智能和高速信息化时代. 人类在漫长的生产实 践和科学实验的过程中，积累了丰富的科学知识，创造了灿烂的现代文明. 人们的认识活动由宏观到微观，由低速到高速，从陆地到天空，人类正是在 不断认识自然并利用科学知识改造客观世界的过程
3、中逐渐向前发展的，并最 终成为地球的主宰. 自然的奥秘是无穷的. 由于客观条件的限制， 人类认识自然的过程是曲折 的. 人类文明发展的历程，呈现一种跳跃式的变加速运动. 重大的发明或发 现，往往是科学进步的催化剂. 回顾人类文明的历史，人们的认识经历了一个 由浅入深、由低到高的发展过程. 在某种程度上说，科学只具有某一特定范围 和一定认识水平上的相对性. 随着认识的深入，新事物向旧事物提出挑战，科 学也不断发展和完善. 1 9世纪末，当英国勋爵开尔文自豪地宣称物理学大厦 的基石已基本建成的时候，由于“晴朗天空中两朵小小的乌云”导致了相对 论和量子力学的诞生， 经典物理学的大厦被动摇了. 过去人
4、们一直按结构将固 体分为晶体和非晶体两大类， 1 9 8 4 年人们从实验上发现一种介于晶态与非晶 态之间的物质新凝聚态准晶，改变了人们的传统观念. 而在 1 9 8 5年以 前，人们一直相信自然界中的碳存在两种同素异形体：金刚石和石墨，这两 种物质都是三维无限的网状固体， 不存在单个的碳分子. 然而英国物理学家克 罗托（H . W . K r o t o ）和美国科学家斯莫利（R . E . S m a l l e y ）等人具有划时 代意义的发现宣告了碳的第三种稳定的同素异型结构的诞生，从此所有教科 书的提法都得改变. 2 0世纪 8 0年代中期，是科学发展史上一个不平常的时代，一系列重大
5、 的发现和突破预示着科学技术的一场巨大变革. 人们不会忘记那个激动人心 的年代. 准晶的发现，纳米材料的认识和利用以及高温超导体和 C6 0领域的蓬 勃兴起，开辟了物理学发展的新时代. 1 9 8 6年贝德诺尔茨（J . G . B e d n o r z ） 和米勒（K . A . M l l e r ）发现的高临界温度氧化物超导体是超导研究史上一个 划时代的突破，并由此导致一场规模空前、席卷全球的高温超导热. 然而在此 之前的 1 9 8 5 年， 克罗托等人已经从实验上发现一种呈足球结构的全碳分子 C6 0，这个注定要脱颖而出的漂亮“足球”，当时并没有引起人们的关注和 重视. 这一方面可
6、能是空前的高温超导研究竞赛的硝烟多少掩盖了 C6 0的光 芒，而主要原因是因为人们尚不能获得足够数量的 C6 0来研究其物理化学性 质. 1 9 9 0年克拉茨奇默（W . K r t s c h m e r ）等人首先发现有效较大量制备 C6 0 的方法以后，立即揭示出 C6 0具有一系列新颖而奇特的物理化学性质，显示广泛的潜在应用前景. 特别是 1 9 9 1 年赫巴德（A . F . H e b a r d ）等人在碱金属 掺杂的 C6 0化合物中发现较高转变温度的超导电性，引起了人们的极大关注 和兴趣，一场空前的 C6 0研究竞赛开始展开. C6 0也因此被美国S c i e n c
7、e 杂 志评为 1 9 9 1年年度分子，同时 C6 0化合物超导体被评为 1 9 9 1年世界十大科 技发现之一，一个宽广的研究领域向物理学家、化学家和材料科学家敞开. 研究揭示出，以 C6 0为代表的富勒烯家族包含了众多的成员，并且一直在发 展壮大，它们由于具有一系列异乎寻常的物理化学性质而倍受人们青睐，明 星分子 C6 0更为世人所瞩目，一个基于 C6 0的全新而独具魅力的研究方向已经 形成. C6 0的出现是时代的产物，同时又是时代的需要. 当今社会，能源、信息 和新材料是构成现代文明的三大支柱. 勿庸置疑， 性能优异的新材料是科学发 展的关键，是技术革命的先导. 可以说，没有半导体材
8、料的出现，便没有今天 蓬勃发展的高速信息和电子计算机技术. 在交通、通信、航空航天等高技术领 域，性能优越的新材料一直是人们孜孜以求的目标，而 C6 0及其他富勒烯首 先是作为一种可实用化的新材料而出现的，它们的一系列独特性质表明这类 全新的物质极有可能走在实用化的前列，尤其是在光学、半导体、超导及微 电子领域. 它们的出现很可能带来科学技术的一场革命， 并为人类带来大量价 廉物美的新产品. 在 1 9 世纪，英国人发明了现代足球，至今已成为世界第一运动，多少人 为之疯狂，为之陶醉. 1 0 0 多年后的今天，英国人克罗托和他的美国同行发现 了足球状分子C6 0，又一次为世人所瞩目. C6 0
9、及其家族以它们无与伦比的 结构和独特新颖的性质开辟了一个全新的天地，一片广阔的研究领域已经敞 开. 然而巴基球及富勒烯家族诞生的意义也许远不止此， 其中蕴藏的思想是深 远的. 天地方圆，自然界的规律是和谐而统一的，简单、和谐、对称是科学美 的体现，是自然的本质. 在广袤的天空中，几乎所有的星球都是圆形的，C6 0 及富勒烯家族则是球形对称在微观世界的体现，从而使整个世界达到高度统 一，因此 C6 0家族的出现为人们深入认识客观世界打开了新的大门. 欢跳着的 巴基球吸引了越来越多的人纵横驰骋，让我们一起来揭开笼罩在美丽 “足球” 之上的神秘外衣，来到这宽广的赛场上一试身手吧.序二柳斌自然科学是生
10、产实践和科学实验经验的总结，是人类征服自然、改造社 会的有力武器. 物理学则是自然科学中一门重要的基础学科. 十七世纪前后物理学发生了一次巨大的飞跃. 以牛顿为代表的一批科学 家用观察和实验的方法研究自然现象，他们建立了以经典力学、热力学、统 计物理学、经典电动力学为基础的一个完整、严密的经典物理学的理论体系. 这个理论体系的建立，大大扩展了人类对客观世界物质结构及其运动规律的 认识，在科学技术领域和哲学领域均产生了划时代的影响，推动了自然科学 和工业革命的迅猛前进. 十九世纪末二十世纪初， 物理学再一次发生巨大飞跃. 以爱因斯坦为首的 一批卓越的物理学家创立了相对论、量子力学，为现代物理学奠
11、定了坚实的 理论基础. 现代物理学克服了经典物理学形而上学的局限. 相对论揭示了物体 在高速（接近光速）运动状态下的各种规律；量子力学打开了微观世界的大 门， 发现了微观物质运动的规律. 现代物理学在更深的物质结构层次和更广阔 的时空领域内扩展了人类对自然界的认识，揭开了伟大的现代自然科学革命 的序幕. 在现代物理学的基础上，原子能、电子计算机、新型材料、空间技术、 海洋开发等新技术相继产生，新技术革命蓬勃兴起. 现代科学技术的发展是现代经济发展的基础和前提条件. 当前世界各国 为了争夺二十一世纪在世界上的有利地位，无不把发展现代科学技术作为战 略重点. 我国人民长期以来遭受帝国主义的侵略和剥
12、削， 近百年来沦于贫穷落 后的殖民地半殖民地地位. 为了迅速缩小我国与发达国家在经济上的差距， 为 了把我国建设成为一个社会主义的现代化强国，中国人民在中国共产党的领 导下，奋斗了七十多年. 积正反两个方面的经验，我们深知，人民大众在取得 政权以后，必须大力改革各种束缚生产发展的政策、法令、规章、条例以及 各种不合理的管理制度，以更大地解放生产力；必须高度重视科学技术工作 和教育工作，尊重知识、尊重人才，以更快地发展生产力. 1 9 8 3年，邓小平 同志为北京景山学校题词：“面向现代化，面向世界，面向未来”，高瞻远 瞩地指出了教育工作、 实际上也包括科学技术工作的奋斗方向. 老一辈科学家 艰
13、苦奋斗， 为祖国的现代化事业立下了汗马功劳. 现在的中学生是跨世纪的一 代，是二十一世纪我国各项事业的生力军，肩负着人民的重托和历史的重任. 当代中学生要有志气，继承老一辈科学家们的未竟事业，从小热爱包括物理 学在内的各门自然科学，做到爱科学、学科学，用现代科学技术装备我国的 工业、农业和国防，加速四个现代化的历史进程，使我们的祖国尽快繁荣昌 盛起来. 科学家谈物理丛书的出版，对当代中学生来说是件喜事，年轻的朋 友们不仅可以从中学习许多宝贵的知识，进一步掌握打开科学殿堂的钥匙， 而且可以从中学习科学家们那种为科学事业而执著探索的精神，那种自觉献 身的精神，以及那种实事求是的宝贵品质. 我相信，
14、这套丛书的出版，必将受 柳斌：国家教委副主任到读者的欢迎.1 9 9 2 年 7 月 3 0 日序一朱光亚中国物理学会主编、湖南教育出版社出版科学家谈物理丛书，是一 件很有意义的工作. 半个世纪、特别是近二、三十年来，物理学从亚核世界到 整个宇宙广阔领域的探索研究， 又取得了惊人的进展和成就. 物理学在理论方 法和实验技术上的新突破，使它同数学、生物学、化学、材料科学等邻近学 科的结合与相互作用更密切了，促进了许多边缘、交叉学科以及高、新技术 与产业的诞生及迅速发展， 出现了步伐越来越快的新的技术革命. 这一切不仅 广泛而深刻地丰富了人们对自然界规律的认识，并预示下世纪将会出现新的 重大突破，
15、而且已使人们的社会生活在短短的几十年间发生了从前难以想象 的变化. 当然也应当看到，这种变化还只限于一部分发达国家和地区，而且变化 的程度是很不平衡的. 全人类的社会进步并不是仅由科学技术的进步所能决 定的. 我们面对的仍是一个充满矛盾和激烈竞争的世界. 即使是自然科学基础 之一的物理学的重大发现，例如 2 0 世纪 3 0 年代关于铀核裂变现象的发现， 揭示了人类有可能从自然界获取一种巨大新能源的美好前景，然而它却不幸 地被首先用于军事和争霸，带来了危及人类生存安全的严重威胁. 由我国一批著名科学家撰写专文，向广大读者介绍物理学思想、物理学 发展，特别是近代和现代物理学发展，让大家获得新知识
16、，增加对物理学各 分支学科的主要内容及其作用和影响的认识和理解，激励大家为追求美好未 来而努力奋斗，无疑是非常有益的. 科学家谈物理丛书侧重以广大青少年读者为对象，这又有特殊意义. 人类社会正在动荡和不安中准备迎接世纪之交. 国际上的种种竞争， 关键是科 学技术的竞争，进一步说又在于培养科技人才上的竞争. “科技增强国力. 青 年开创未来”，下一世纪在我国科技领域承担开拓前进重任的，只能是当前 正在学习的青少年一代. 种种事实表明，包括近年来我国中学生参加国际数 学、物理学、化学、信息学奥林匹克竞赛不断取得优异成绩在内，我国青少 年聪明勤奋，是大有希望的一代. 青少年处在长知识、增才干的时期，既要努 力学习，又要善于学习，勤于思考，重视实践，勇于探索，并注意拓宽知识 面. 希望科学家谈物理丛书能对献身科学、立志攀登高峰、振兴中华、实 现祖国四化的青少年朋友们的茁壮成长有所帮助.1 9 9 2 年 7 月 2 7 日 朱光亚：中国科协主席，中国工程院院长、院士.编者的话科学技术的发展，改变着人们的意识，改变着国家
