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1、第7章习题答案 1. 什么是金属玻璃？分析金属玻璃的结构特点和性能特点。 答：将熔融的合金喷射到冷的铜板上，降温速度在一百万摄氏度每秒以上，由于冷凝速度极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样的非晶态合金。用X射线衍射法进行测试，发现这种急冷的合金与平常的金属不同，它不是晶体而是玻璃体，故非晶态合金又称为金属玻璃。 这些非晶态金属材料内部原子作不规则排列，这样的结构特征使它具有许多晶态材料所没有的性能。主要包括： (1) 原子排列长程无序，这导致金属玻璃的X射线衍射不会出现晶态金属那样的衍射线，也不存在亚微观(即微米数量级)的各向异性(如磁畴结构等性质)。 (2) 短程有序
2、，即金属原子的周围配位情况彼此相似，也和晶态中原子的情况相近。 (3) 无晶界，晶态金属一般由微米量级的小晶粒组成，晶粒间存在晶界。从亚微观来看金属玻璃是均匀的固体，不存在晶粒和晶界，这一特点大大提高了金属玻璃的力学性能和电磁性能，使它具有很高的强度，例如抗拉强度、硬度、断裂强度和弹性模量等都比晶态合金强得多。金属玻璃为非晶态结构，显微组织均匀，不含晶界、位错等缺陷，使腐蚀金属的液体“无缝可钻”，具有高度抗腐蚀性。 (4) 不稳定性，金属玻璃在热力学上是不稳定的，它有向晶态转化的趋势。 (5) 卓越的硬度和机械度，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝
3、的1.4倍，为一般钢丝的10倍。 (6) 优越的磁学性能。 2. 按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成哪几类？ 答：按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成岛状硅酸盐、组群状硅酸盐、链状硅酸盐、层状硅酸盐和架状硅酸盐。 3. 什么是红外辐射材料？什么是透红外材料？它们各自有什么特点？ 答：理论上，在0K以上时，任何物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫热红外。但工程上，红外辐射材料只指能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡辐射体的概念。热平衡辐射体是指当一个
4、物体向周围发射辐射时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能，当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时，该过程可以看作是平衡的。 透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。对透红外材料的要求，首先是红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。透过率定义与可见光透过率相同，一般透过率要求在50以上，同时要求透过率的频率范围要宽，透红外材料的透射短波限，对于纯晶体，决定于其电子从价带跃迁到导带的吸收，即其禁带宽度。透射长波限决定于其声子吸收，和其晶格结构及平均原子量有关。 4. 什么是发光材料？它的发光机理是什么？发光特征有哪些？ 答：发光是一种物体把吸收的能量，不经过热
5、的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光现象广泛存在于各种材料中，因此，发光材料品种很多，按激发方式可分为：光致发光材料、电致发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。 发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光就叫做分立中心发光。它是单分子过程，有自发发光和受迫发光两种情况。 发光特征主要包括颜色特征、强度特征和持续时间特征。发光材料的发光颜色彼此不同，有各自的特征。已有发光材料的种类很多，它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。一个材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。随着基质的改变，发光的颜色也可改变。发光强度随激
6、发强度而变，通常我们用发光效率来表征材料的发光本领。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指发光的量子数与激发源输入的量子数的比值；能量效率是指发光的能量与激发源输入的能量的比值；光度效率指发光的光度与激发源输入的能量的比值。最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光，磷光是指在激发停止后发出的光。发光时间小于10-8s为荧光，大于10-8s为磷光。当时对发光持续时间很短的发光无法测量，才有这种说法。现在瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到10-12s以下，最快的脉冲光输出可短到8fs（1fs=10-15s）。所以，荧光、磷光的时间界限已不清楚。但发光总是延迟于
7、激发的。 5. 何为光电效应？主要有哪些光电效应？ 答：物质由于受到光照而引发其某些电性质变化的这一现象称为光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应三种。前两种效应在物体内部发生，统称为内光电效应，它一般发生于半导体中。光电子发射产生于物体表面，又称外光电效应。它主要发生于金属中。 6. 半导体有几种分类方法，它们大致的分类结果是什么？ 答：按成分可将半导体分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。在此，我们顺便谈一下什么是本征半导体、杂质半导体。 半导体中价带上的电子借助于热、
8、电、磁等方式激发到导带叫做本征激发。本征半导体就是指满足本征激发的半导体。利用杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫做非本征激发或杂质激发。满足这种激发的半导体就称为杂质半导体。 按掺杂原子的价电子数半导体可分为施主型和受主型，前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。 还可按晶态把半导体分为结晶、微晶和非晶半导体。此外，还有按能带结构和电子跃迁状态将半导体进行分类。 7. 简单解释超导现象。介绍一下目前主要研究的超导材料。 答：1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现
9、一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称为超导体。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后的状态称为超导状态。 按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。现在已知的有24种元素具有超导性。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以部分为超导元素、部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)X。 8. 解释什么是能源转换，简单介绍人类对能源的
10、使用历史。 答：能源转换是改变能源物理形态的能源生产。一般指化石燃料、水能等一次能源直接或间接转变为电能、热能、汽油、煤油、柴油、煤气等二次能源。例如，水的势能使水轮机运转，水轮机带动发电机而转变为电能；煤通过燃烧转换为热能，热能产生蒸汽驱动汽轮机转换为机械能，再带动发电机转换为电能。 转换后的二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使用时更方便、更清洁。在有热转换的过程中，不可避免地会伴有转换损失。例如，用一定量的煤来发电时，煤的有些能量将残存在未燃尽的煤粒中，有些将以热的形式从烟囱中损失掉或成为锅炉或蒸汽管道的辐射热而散发掉，有些以废热的形态失去，有些成为摩擦损失，剩下的部分转变为电能。
11、所有这些能量加在一起等于煤完全燃烧所应释放的能量。在研究能源转换的问题时，不仅要注意能量的数量，还应注意能量的质量。 人类对能源的利用主要有三次大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是20世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。人类利用能源的历史可分为五大阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子核能的发现及开发利用。 9. 什么是磁光效应？磁光材料可分为哪几种，它们有什么应用？ 答：置于磁场中的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应有磁光法拉第效应、磁光
12、克尔效应等。 与电光材料相比，磁光材料的种类要少得多，在应用上也远不如电光材料那样普遍。磁光材料按其状态可分为磁光晶体材料、磁光玻璃材料和磁光液体材料三种。 磁光晶体材料是指在强磁场作用下，光学性质会发生变化的晶体。一类是具有磁致旋光效应的晶体，另一类是具有磁致双折射效应的晶体。磁光晶体的典型代表为亚铁磁性石榴石。还有很多磁性材料，具有突出的磁光效应，它们是尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属。 磁光玻璃是具有较强磁光效应的玻璃，由基质玻璃中掺入一定量的稀土旋光离子所制成。因此，其结构上常由未成对成键电子的重原子或有大的自旋和轨道磁矩的磁性分子组成。它具有大
13、的原子磁性或分子磁性，从而具有较大的磁光效应。 有少数液体具有较为显著的磁致双折射效应，如水、丙酮、氯仿、苯等。由于这些液体的科顿-蒙顿常数比其他电光克尔常数小得多，故实际很少作为磁光介质来使用。 10. 什么是声光效应？声光材料如何分类？ 答：当声波在介质中通过时，由于光弹效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束若以适当角度射入晶体内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声光效应。 常用的声光材料有声光晶体，声光玻璃和声光液体三大类。 声光晶体是指具有声光效应的晶体。除满足光学晶体的一般要求外，声光晶体还应具备品质因素大、声吸收系数低、声速及其对温度的变化小等特点。 声光玻璃是指能产生强的声光相互作用的玻璃。其性能要求是具有大的声光相互作用品质因素，并有高的光学均匀性和低的光和声损耗。声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫属化合物玻璃；单质半导体玻璃。 声光液态材料主要是水和一些有机碘化物、有机溴化物。水的M2值最低，但因声损耗小，仍然被认为是一种好的液态声光介质。液态材料应用较少，常被一些性能优良的固体声光材料所代替。
