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1、第九章第九章 物理学与高新技术物理学与高新技术 20世世纪纪以以来来，物物理理学学的的基基本本概概念念、基基本本理理论论、基基本本实实验验手手段段和和研研究究方方法法全全方方位位渗渗透透到到技技术术领领域域，导致了一系列高新技术的产生。导致了一系列高新技术的产生。 高高新新技技术术是是指指基基本本原原理理建建立立在在最最新新科科学学成成就就基基础础上上的的技技术术，是是位位于于科科学学技技术术最最前前沿沿的的综综合合性性技技术术群群,通通常常包包括括材材料料技技术术、能能源源技技术术、信信息息技技术术、空空间间技术、海洋技术和生物技术。技术、海洋技术和生物技术。 9.1 物理学与航空航天技术物
2、理学与航空航天技术航空航空: 人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动。人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动。 航天航天: 人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空 间的航行活动。间的航行活动。 航宇航宇: 人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行 器称器称“航宇器航宇器”。 航空技术主要研制气球、飞艇、滑翔机、直升机、军航空技术主要研制气球、飞艇、滑翔机、直升机、军用及民用飞机等飞行器即航空器。用及民用飞机等飞行器即航空器。航天技术主要研制运载火箭、人造卫星、导弹武器、航天技术主要研制运载火箭、人造卫星、导弹武器、无人及
3、载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等无人及载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等人造天体即航天器。人造天体即航天器。 9.1.1 火箭推进原理火箭推进原理 宇宙速度宇宙速度一、火箭推进原理一、火箭推进原理火箭是变质量系统，自身质量和喷出气体的速火箭是变质量系统，自身质量和喷出气体的速度时刻在变。设度时刻在变。设 时刻火箭（包括火箭体和尚存的时刻火箭（包括火箭体和尚存的燃料等）质量为燃料等）质量为 ，速度为，速度为 。经过。经过 时间，时间，火箭喷出的气体质量为火箭喷出的气体质量为 （火箭质量在减小，（火箭质量在减小，为负值），火箭体的速度增大到，质量变为负值），火箭体的速度增大到，质量变
4、为为 若喷出气体相对火箭的速度恒为，则有若喷出气体相对火箭的速度恒为，则有设火箭点火时的质量为，速度为，燃料烧完设火箭点火时的质量为，速度为，燃料烧完后的质量为，速度为，则后的质量为，速度为，则 齐奥尔科夫斯基公式齐奥尔科夫斯基公式 二、宇宙速度二、宇宙速度(1)第一宇宙速度第一宇宙速度人造卫星在距地心为的圆轨道上以速度运行人造卫星在距地心为的圆轨道上以速度运行 地球表面附近的轨道，其半径近似于地球半径地球表面附近的轨道，其半径近似于地球半径 第一宇宙速度第一宇宙速度 (2)第二宇宙速度第二宇宙速度第二宇宙速度对应于航天器逃离地球引力场后速度为第二宇宙速度对应于航天器逃离地球引力场后速度为零、
5、与地球系统的引力势能也为零的情况。零、与地球系统的引力势能也为零的情况。 经计算可得第二宇宙速度经计算可得第二宇宙速度 (3)第三宇宙速度第三宇宙速度第三宇宙速度对应于航天器脱离太阳引力场第三宇宙速度对应于航天器脱离太阳引力场 经计算可得第二宇宙速度经计算可得第二宇宙速度 .航天器的发射与返回航天器的发射与返回一、航天器的发射一、航天器的发射 人人造造地地球球卫卫星星、空空间间探探测测器器、宇宇宙宙飞飞船船、空空间间站站等等航航天天器器装装在在运运载载火火箭箭的的末末级级上上，由由运运载载火火箭箭点点火火发发射射后后送送入入其其运运行行轨轨道道。运运载载火火箭箭通通常常为为三三级级火火箭，其发
6、射后的飞行过程大致可分为三个阶段：箭，其发射后的飞行过程大致可分为三个阶段： 垂直起飞阶段垂直起飞阶段 转弯飞行阶段转弯飞行阶段 进入轨道阶段进入轨道阶段 地球同步轨道卫星地球同步轨道卫星 地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运行周期行周期 T 与地球自转周期与地球自转周期 Te 严格相等严格相等,即即 由由圆圆周运周运动规动规律可以律可以计计算其高度算其高度 和运行速度和运行速度二、航天器的返回二、航天器的返回发发射射过过程程是是航航天天器器从从地地面面经经加加速速穿穿过过大大气气层层而而进进入入其其运运行行轨轨道道的的过过程程；而而返返回回
7、过过程程则则是是航航天天器器从从运运行行轨轨道道经经减减速速到到达达地地面面的的过过程程。 航航天天器器的的返返回回大大致致可可分为调姿、制动、过渡、再入及着陆五个阶段。分为调姿、制动、过渡、再入及着陆五个阶段。 三、航天飞机三、航天飞机 航航天天飞飞机机是是可可以以重重复复使使用用的的、往往返返于于地地球球表表面面和和近近地地轨轨道道之之间间运运送送人人员员和和货货物物的的飞飞行行器器，主主要要由由轨轨道道器器、助助推推火火箭箭和和推推进进剂剂外外贮贮箱箱三三个个主主要要部部分分组组成。成。 .航天器的运行航天器的运行 失重现象失重现象一、航天器的运行一、航天器的运行航航天天器器在在轨轨道道
8、上上运运行行时时所所受受地地球球引引力力始始终终指指向向地地心心，该该力力对对地地心心的的力力矩矩始始终终为为零零。近近地地轨轨道道处处于于稀稀薄薄大大气气中中，航航天天器器在在这这些些轨轨道道上上运运行行时时会会受受到到与与运运动动方方向向相相反反的的大大气气的的摩摩擦擦力力作作用用，此此力力对对地地心心的的力力矩矩不不等等于于零零，因因而而航航天天器器的的角角动动量量逐逐渐渐减减小小，最最后落回地球。后落回地球。对对高高轨轨道道航航天天器器，可可忽忽略略其其大大气气阻阻力力和和其其它它天天体对它的作用，其运行过程对地心角动量守恒。体对它的作用，其运行过程对地心角动量守恒。 二、失重现象二、
9、失重现象航航天天器器的的轨轨道道飞飞行行是是围围绕绕天天体体的的惯惯性性飞飞行行。由由于于受受到到地地球球引引力力的的作作用用，航航天天器器的的飞飞行行轨轨迹迹发发生生弯弯曲曲，而而曲曲线线运运动动会会产产生生离离心心惯惯性性(俗俗称称离离心心力力)，这这个个离离心心力力的的大大小小正正好好与与其其所所受受地地球球引引力力相相等等，但但方方向向相相反反。这这两两个个力力相相互互平平衡衡而而抵抵消消，因因而而在在航航天天器器上上形形成成了了失失重重环环境境。严严格格地地说说，只只有有在在航航天天器器的的轴轴线线上上重重力力为为零零，离离开开轴轴线线，则则仍仍然然存存在在微微小小重重力力。所以准确
10、地说，航天器上为微重力环境。所以准确地说，航天器上为微重力环境。 9.2 物理学与材料技术物理学与材料技术物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。研究都离不开物理学。 .材料及其分类材料及其分类 材料材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成是由一定配比的若干相互作用的元素组成的、具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造的、具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。 材料分类材
11、料分类 按按物物理理化化学学属属性性分分为为金金属属材材料料、无无机机非非金金属属材材料料、有有机机高高分分子子材材料料及及复复合合材材料料，或或者者分分为为无无机机材材料料和和有有机材料。机材料。 按用途分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物按用途分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物材料、核材料、航空航天材料等。材料、核材料、航空航天材料等。 结构材料和功能材料结构材料和功能材料 结构材料主要以力学性能为基础、以制造受力结构材料主要以力学性能为基础、以制造受力构件为应用目的（当然也要考虑物理化学性能如光构件为应用目的（当然也要考虑物理化学性能如光泽、导热性、抗腐蚀、抗氧化等）泽、导热性、抗
12、腐蚀、抗氧化等） 功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料，它们对外界环境如生物等特定功能和性质的材料，它们对外界环境如光、电、磁、热、压力、气氛等反应灵敏。光、电、磁、热、压力、气氛等反应灵敏。 现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能相结合的要求，即材料不仅能作为结构材料使用，相结合的要求，即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊功能。而且具有特殊功能。 传统材料和先进（或新型）材料传统材料和先进（或新型）材料 传统材料指制造技术成熟且大批量生产与应用、传统材料指制造技术成熟且大批量
13、生产与应用、价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料 先进材料（新型材料）是指那些正在发展、具有先进材料（新型材料）是指那些正在发展、具有优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中的材料。的材料。 .物理学物理学材料科学与技术的基础材料科学与技术的基础一、凝聚态物理一、凝聚态物理材料科学的理论基础材料科学的理论基础凝聚态凝聚态是大量分子形成的紧密聚集态。是大量分子形成的紧密聚集态。 将量子力学、热力学与统计物理、电磁学理论将量子力学、热力学与统计物理、电磁学理论这些物理学基本原理用于研究由数目巨大的粒
14、子构这些物理学基本原理用于研究由数目巨大的粒子构成的凝聚态物质系统的微观结构、粒子的集体运动成的凝聚态物质系统的微观结构、粒子的集体运动规律、宏观性能以及外界因素对系统性质的影响便规律、宏观性能以及外界因素对系统性质的影响便形成了凝聚态物理，因而凝聚态物理是材料科学的形成了凝聚态物理，因而凝聚态物理是材料科学的理论基础。理论基础。 凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之间的关系的学科。间的关系的学科。 二、现代物理技术二、现代物理技术材料结构表征与性能检测的基本手段
15、材料结构表征与性能检测的基本手段无论是性能检测，还是结构表征与成分分析，无论是性能检测，还是结构表征与成分分析，都需要各种物理测量仪器，都与物理学密切相关。都需要各种物理测量仪器，都与物理学密切相关。 、X射线分析技术射线分析技术 利用利用X射线与物质相互作用时产生的吸收和散射线与物质相互作用时产生的吸收和散射现象，可进行物相鉴定、物质成分分析、晶体点射现象，可进行物相鉴定、物质成分分析、晶体点阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、缺陷分析、非晶态结构测定等。缺陷分析、非晶态结构测定等。 、电子显微分析技术、电子显微分析技术光光学学显显微微镜镜
16、能能使使欲欲观观察察的的细细节节放放大大，然然而而光光的的衍衍射射理理论论表表明明，光光学学显显微微镜镜的的放放大大倍倍数数是是有有限限的的。电电子子的的波波长长远远小小于于光光子子，用用电电子子束束作作光光源源，显显微微镜镜的的分分辨辨率大为提高率大为提高电电子子束束打打到到样样品品后后，电电子子或或从从薄薄样样品品透透穿穿而而过过，或或从从厚厚样样品品表表面面掠掠射射而而过过，电电子子的的行行踪踪将将发发生生改改变变，并并释释放放各各种种信信息息将将这这些些信信息息加加以以收收集集、整整理理、分分析即可得知材料的微观结构和成分。析即可得知材料的微观结构和成分。 。 、扫描隧道显微镜（、扫描
17、隧道显微镜（STM）与原子力显微镜）与原子力显微镜(AFM)扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜不不同同于于电电子子显显微微镜镜。电电子子显显微微镜镜是是利利用用高高速速电电子子穿穿进进物物质质内内部部研研究究物物质质的的微微观观结结构构。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜不不用用光光源源也也不不用用透透镜镜，其其显显微微部部件件是是一一枚枚非非常常细细而而尖尖的的探探针针。在在物物质质的的表表面面有有一一层层阻阻止止内内部部电电子子向向外外运运动动的的势势垒垒屏屏障障，但但量量子子力力学学告告诉诉我我们们，表表面面电电子子能能够够穿穿过过这这个个屏屏障障，到到达达表表面面外外形形成成一一层层电电子子云云，
18、这这就就是是所所谓谓的的隧隧道道效效应应。这这层层电电子子云云的的纵纵向向和和横横向向分分布布与与样样品品表表面面的的微微观观结结构构有有关关。STM就就是是通通过过探探针针探探测测出出这这层层电电子子云云的的分分布布，来观察物体表面的微观结构的。来观察物体表面的微观结构的。 STM 使使人人类类第第一一次次能能够够立立体体显显示示单单个个原原子子在在物物体体表表面面的的排排列列状状况况，其其纵纵、横横向向分分辨辨率率分分别别达达到到0.01nm和和0.2nm，从从而而为为材材料料表表面面表表征征开开拓拓了了新新的的领领域域。STM的的出出现现也也为为纳纳米米科科技技注注入入了了活活力力，使使
19、人人们们能能够够实实现现在在纳纳米米尺尺度度甚甚至至原原子子尺尺度度上上对对物物质质进进行行微微加加工和对单个原子、分子的操纵。工和对单个原子、分子的操纵。 1990年年美美国国IBM公公司司研研究究人人员员首首先先用用STM在在金金属属镍镍表表面面用用35个个氙氙原原子子排排出出了了“IBM”字字样样。1994年年，中中国国科科学学院院研研究究人人员员利利用用STM在在硅硅单单晶晶表表面面直直接接取取走走硅原子，形成了硅原子晶格背景下的书写文字。硅原子，形成了硅原子晶格背景下的书写文字。 用用扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的针针尖尖在在铜铜表表面面上上搬搬运运和和操操纵纵4848个个原原子子
20、使使它它们们排排成成圆圆形形。圆圆形形上上原原子子的的某某些些电电子子向向外外传传播播逐逐渐渐减减小小同同时时向向圆圆内内传传播播的的电电子子相相互互干干涉形成干涉波。涉形成干涉波。 用扫描隧道显微镜的用扫描隧道显微镜的针尖将铁原子一个个针尖将铁原子一个个地操纵按照实验者的地操纵按照实验者的意愿排列成汉字。汉意愿排列成汉字。汉字的大小只有几个纳字的大小只有几个纳米。米。 1994年初，中国科学院真空物理实验室年初，中国科学院真空物理实验室的研究人员成功地利用一种新的表面原的研究人员成功地利用一种新的表面原子操纵方法，通过子操纵方法，通过STM在硅单晶表面在硅单晶表面上直接提走硅原子，形成平均宽
21、度为上直接提走硅原子，形成平均宽度为2纳米纳米(3至至4个原子个原子)的线条。从的线条。从STM获得获得的照片上可以清晰地看到由这些线条形的照片上可以清晰地看到由这些线条形成的成的100字样和硅原子晶格整齐排列字样和硅原子晶格整齐排列的背景的背景(图图11)。 图图12是中国科是中国科学院化学研究学院化学研究所的科技人员所的科技人员利用自制的扫利用自制的扫描隧道显微镜，描隧道显微镜，在石墨表面上在石墨表面上刻蚀出来的图刻蚀出来的图象。图上象。图上中国中国字样，中国科字样，中国科学院的英文缩学院的英文缩写字写字CAS和和中国地图以及中国地图以及奥运会五环旗奥运会五环旗图案都十分清图案都十分清晰逼
22、真。图形晰逼真。图形的线宽实际上的线宽实际上只有只有10nm。由由于于隧隧道道电电流流的的产产生生需需要要两两个个电电极极，因因此此STM对对绝绝缘缘体体表表面面不不能能直直接接测测量量。为为了了解解决决这这一一问问题题，1986年年宾宾尼尼格格(Gerd Binnig,1947-)等等人人在在STM基基础础上上又又发发明明了了原原子子力力显显微微镜镜（AFM）,利利用用针针尖尖与与样样品品之之间间的的原原子子力力（引引力力、斥斥力力）随随距距离离的的变变化化测测量量样样品品表表面面微微观观形形貌貌、弹弹性性、硬硬度度等等。原原子子力力显显微微镜镜对对各种材料均可获得原子级分辨图像。各种材料均
23、可获得原子级分辨图像。 .半导体材料半导体材料半导体材料之所以有极为广泛的用途，是因为半半导体材料之所以有极为广泛的用途，是因为半导体中的电子可以做多样化的运动，半导体物理的研导体中的电子可以做多样化的运动，半导体物理的研究阐明了电子多样化运动的规律性。究阐明了电子多样化运动的规律性。 一、半导体器件的基本构成一、半导体器件的基本构成 pn结结 电电子子由由n区区通通过过交交界界面面向向p区区扩扩散散，空空穴穴由由p区区通通过过交交界界面面向向n区区扩扩散散,界界面面附附近近p区区积积累累负负电电荷荷，在在n区区积积累累正正电电荷荷。在在结结区区便便会会形形成成由由n区区指指向向p区区的的电电
24、场场，称称为为内内建建电电场场。 pn结的单向导电性结的单向导电性 半导体二极管就是一个半导体二极管就是一个pn结构成的器件。结构成的器件。 两个两个pn结紧密相连且共用中间的结紧密相连且共用中间的p区或区或n区，区，便形成便形成pnp或或npn结构，就变成了半导体三极管结构，就变成了半导体三极管. 二极管在电路中起开关和稳压作用二极管在电路中起开关和稳压作用.三极管在电路中起电流分配、放大和开关作用。三极管在电路中起电流分配、放大和开关作用。 二、半导体材料的应用简介二、半导体材料的应用简介1、传统的典型半导体材料及应用、传统的典型半导体材料及应用 硅硅是是目目前前世世界界上上最最重重要要、
25、用用量量最最大大的的半半导导体体材材料料，资资源源极极为为丰丰富富、成成本本低低廉廉、禁禁带带宽宽度度较较大大、性性能能较较稳稳定定、机机械械强强度度高高、结结晶晶性性好好，是是制制造造大大规规模模集成电路最关键的材料。集成电路最关键的材料。 砷化镓砷化镓是继锗、硅之后发展起来的第二代半导是继锗、硅之后发展起来的第二代半导体材料，如今已成为除硅以外最重要的半导体材料，体材料，如今已成为除硅以外最重要的半导体材料，广泛应用于通讯、医疗、家电、办公设备、航空航广泛应用于通讯、医疗、家电、办公设备、航空航天等民用及军事领域。砷化镓的禁带宽度比硅、锗天等民用及军事领域。砷化镓的禁带宽度比硅、锗都大，介
26、电常数小，电子迁移率是硅的都大，介电常数小，电子迁移率是硅的6倍，适于制倍，适于制造高频、高速的电子器件和电路。造高频、高速的电子器件和电路。 碲碲镉镉汞汞(Hg1-xCdxTe)是是三三元元化化合合物物半半导导体体材材料料，物物理理性性质质随随x的的改改变变可可连连续续地地从从金金属属变变到到半半导导体体，其其禁禁带带宽宽度度随随x的的增增大大可可从从HgTe的的负负值值过过度度到到CdTe的的正正值值。Hg1-xCdxTe的的本本征征载载流流子子浓浓度度低低，电电子子迁迁移移率率高高，导导电电类类型型可可以以由由本本身身组组分分的的改改变变来来调调节节，也也可可用用掺掺杂杂方方法法来来控控
27、制制，适适于于制制作作光光导导或或光光伏伏型型器器件件。碲碲镉镉汞汞本本征征半半导导体体的的吸吸收收系系数数大大，可可以以全全部部吸吸收收几几微微米米到到几几十十微微米米波波长长的的光光，是是目目前前制制造造红红外外探探测测器器最最理理想想的材料。的材料。 碲碲镉镉汞汞是是继继硅硅、砷砷化化镓镓之之后后发发展展起起来来的的第第三三代代用途广泛的半导体材料。用途广泛的半导体材料。2、集成电路、集成电路 采采用用氧氧化化、光光刻刻、扩扩散散、外外延延、离离子子注注入入等等工工艺艺，将将晶晶体体管管元元件件和和电电阻阻器器、电电容容器器等等元元件件，按按照照一一定定的的电电路路连连接接，集集成成在在
28、一一块块半半导导体体晶晶体体片片上上，这这便是便是集成电路集成电路。 集集成成电电路路是是现现代代计计算算机机科科学学技技术术发发展展的的重重要要基基础础，它它使使计计算算机机小小型型化化、运运算算速速度度提提高高、不不断断升升级级换代，为现代信息社会奠定了主要的物质基础。换代，为现代信息社会奠定了主要的物质基础。 3、可控硅、可控硅可控硅的结构为三个可控硅的结构为三个pn结的四层元件结的四层元件pnpn，能连，能连续随意地改变输出直流电压的大小。续随意地改变输出直流电压的大小。 4、半导体微结构材料及应用、半导体微结构材料及应用异质结异质结在一种半导体材料在一种半导体材料A 上生长另一种半导
29、体上生长另一种半导体材料材料B （或金属），交界面就形成异质结。（或金属），交界面就形成异质结。同质结同质结同一块半导体单晶中掺入不同杂质做成同一块半导体单晶中掺入不同杂质做成 .量子阱量子阱两个同样的异质结背对背接起来且两个同样的异质结背对背接起来且A、B两种半导体材料禁带宽度相差较大。两种半导体材料禁带宽度相差较大。 超晶格超晶格几种不同的薄层材料周期性地交替生长而几种不同的薄层材料周期性地交替生长而成的人工材料。成的人工材料。 5、半导体光电效应及其应用、半导体光电效应及其应用光电效应光电效应物质受光照射后引起某些电性质变化物质受光照射后引起某些电性质变化的现象，包括光电导、光电子发射和
30、光生伏特。的现象，包括光电导、光电子发射和光生伏特。 光电导光电导光照使半导体材料的电导率升高的现象光照使半导体材料的电导率升高的现象. 光电子发射光电子发射半导体或金属中的电子吸收光子克半导体或金属中的电子吸收光子克服逸出功而从表面离开的现象服逸出功而从表面离开的现象.光生伏特光生伏特在光照射下，半导体在光照射下，半导体pn结两端产生结两端产生电势差的现象。电势差的现象。 6、半导体激光器、半导体激光器 半导体激光器就是一个半导体激光器就是一个pn结二极管，在电流正结二极管，在电流正向流动时发激光。砷化镓、磷化铟、锑化镓等具备向流动时发激光。砷化镓、磷化铟、锑化镓等具备产生激光的特殊能带结构
31、，外界激发是加上直流电产生激光的特殊能带结构，外界激发是加上直流电源注入足够浓度的载流子；半导体激光器谐振腔是源注入足够浓度的载流子；半导体激光器谐振腔是由垂直于结面的二极管两个侧面作为反射镜组成。由垂直于结面的二极管两个侧面作为反射镜组成。 9.2.4 特殊功能合金特殊功能合金一、储氢合金一、储氢合金用金属吸收氢气生成金属氢化物，需要时加热放出用金属吸收氢气生成金属氢化物，需要时加热放出氢，该过程是可逆的。如镧氢，该过程是可逆的。如镧-镍合金、铁镍合金、铁-镍合金等镍合金等 . 二、形状记忆合金二、形状记忆合金一些合金在高于某转变温度时被制成某一形状，把一些合金在高于某转变温度时被制成某一形
32、状，把温度降到转变温度以下后改变其形状，当温度回升温度降到转变温度以下后改变其形状，当温度回升到转变温度以上时，它会按记忆恢复原状，这种现到转变温度以上时，它会按记忆恢复原状，这种现象叫做形状记忆效应。象叫做形状记忆效应。 9.2.5 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷是指以各种粘土、石英等天然无机物为主要原陶瓷是指以各种粘土、石英等天然无机物为主要原料成型后在高温窑炉中烧结而成的制品，许多是金料成型后在高温窑炉中烧结而成的制品，许多是金属氧化物。陶瓷有很多优良的性能，如耐高温、耐属氧化物。陶瓷有很多优良的性能，如耐高温、耐磨、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、强度高等，其缺点磨、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、强度高等，其
33、缺点是易碎。是易碎。陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷指具有机械功能、热功能和部分化学功能结构陶瓷指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷。的陶瓷。功能陶瓷指具有电、磁、光、生物功能等方面特殊功能陶瓷指具有电、磁、光、生物功能等方面特殊性能的陶瓷。性能的陶瓷。 9.2.6 超导材料超导材料 许多金属、合金、化合物在温度低于某一临界许多金属、合金、化合物在温度低于某一临界温度时，电阻完全消失，且成为完全抗磁性物质，温度时，电阻完全消失，且成为完全抗磁性物质，这种性质称为这种性质称为超导电性超导电性。具有超导电性的材料称。具有超导电性的材料称为为超导体超导体。
34、一、超导体的基本性质一、超导体的基本性质1、零电阻效应与临界参数、零电阻效应与临界参数零电阻效应：在零电阻效应：在Tc以下，超导体电阻突然消失。以下，超导体电阻突然消失。 临界温度临界温度Tc ：材料由正常态变为超导态的转变温度：材料由正常态变为超导态的转变温度.临界磁场临界磁场Hc：破坏超导态所需的最小磁场强度。：破坏超导态所需的最小磁场强度。 临界电流临界电流Ic：超导态所允许的最大电流。：超导态所允许的最大电流。 2、迈斯纳效应、迈斯纳效应1933年德国的迈斯纳等人通过实验否认了超导体是年德国的迈斯纳等人通过实验否认了超导体是理想导体的说法，不管初始条件或理想导体的说法，不管初始条件或“
35、历史历史”如何，如何，在超导状态下，超导体内部的磁感应强度恒为零，在超导状态下，超导体内部的磁感应强度恒为零，这就是迈斯纳效应。这就是迈斯纳效应。 二、二、BCS理论理论无论是经典理论，还是量子力学的最初解释，都不能说明绝无论是经典理论，还是量子力学的最初解释，都不能说明绝对零度以上的零电阻现象。对零度以上的零电阻现象。 1957年，美国物理学家巴丁、库柏、施瑞弗建立了超导电性年，美国物理学家巴丁、库柏、施瑞弗建立了超导电性量子理论，即量子理论，即BCS超导微观理论。超导微观理论。BCS理论的核心思想是超导体中电子形成了理论的核心思想是超导体中电子形成了“库柏对库柏对”。 库柏对库柏对由两个动
36、量完全相反的电子组成，按照由两个动量完全相反的电子组成，按照经典理论，这两个电子会沿相反方向分离；而根据经典理论，这两个电子会沿相反方向分离；而根据量子理论，两个动量等大反向、自旋相反的电子结量子理论，两个动量等大反向、自旋相反的电子结合成对时能量最低，是最稳定的。电子对中一个电合成对时能量最低，是最稳定的。电子对中一个电子如果受晶格碰撞而改变动量，另一个电子同样会子如果受晶格碰撞而改变动量，另一个电子同样会受到晶格碰撞而发生相反的动量改变，结果是电子受到晶格碰撞而发生相反的动量改变，结果是电子对总动量不变，所以晶格不会影响库柏对的运动，对总动量不变，所以晶格不会影响库柏对的运动，宏观上表现为
37、零电阻。大量库柏对的出现就是超导宏观上表现为零电阻。大量库柏对的出现就是超导态的形成。态的形成。 BCS理论能解释超导态的零电阻现象、迈纳理论能解释超导态的零电阻现象、迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场、临界温度、超斯效应、超导体比热、临界磁场、临界温度、超导能隙等与低温超导相关的各种实验事实，清导能隙等与低温超导相关的各种实验事实，清楚地揭示了超导电性的微观本质。楚地揭示了超导电性的微观本质。 三、约瑟夫森效应三、约瑟夫森效应在两块超导体中间夹一层纳米厚度的绝缘层、金属在两块超导体中间夹一层纳米厚度的绝缘层、金属层或真空，当一个小于层或真空，当一个小于Ic的电流从一个超导体流向的电流从一个超导
38、体流向另一个超导体时，库柏对会因量子隧道效应穿过中另一个超导体时，库柏对会因量子隧道效应穿过中间的势垒，且仍保持配对状态，这样两侧的超导体间的势垒，且仍保持配对状态，这样两侧的超导体之间没有电压，整个结构呈现零电阻性，这就是超之间没有电压，整个结构呈现零电阻性，这就是超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。 约瑟夫森效应已成为微弱约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测和各种电子电磁信号探测和各种电子学应用的物理基础。学应用的物理基础。 四、超导材料的应用四、超导材料的应用1、在强电方面的应用、在强电方面的应用电力传输电力传输 超导磁体超导磁体 2、在弱电方面的应用、在弱电方面
39、的应用利用约瑟夫森效应制做各种器件利用约瑟夫森效应制做各种器件 3、高温超导材料、高温超导材料金属单质和金属间化合物临界温度低，难于应用。金属单质和金属间化合物临界温度低，难于应用。Tc超过超过77K的超导体可在液氮温度下工作，故称的超导体可在液氮温度下工作，故称为高温超导体。为高温超导体。 9.2.7 介观材料介观材料一、介观材料及其结构单元一、介观材料及其结构单元 介观材料通常包括尺度在纳米级至亚微米级之介观材料通常包括尺度在纳米级至亚微米级之间的超微颗粒或团簇、一维线（直径为纳米级）、间的超微颗粒或团簇、一维线（直径为纳米级）、二维薄膜二维薄膜(厚度为纳米级厚度为纳米级)以及由这些单元组
40、成的无以及由这些单元组成的无序或有序固体材料。序或有序固体材料。 介介观观体体系系的的结结构构单单元元包包括括团团簇簇、纳纳米米颗颗粒粒、纳纳米米线线（管、棒）、纳米薄膜。（管、棒）、纳米薄膜。 二、介观材料的奇异特性二、介观材料的奇异特性1. 小尺寸效应小尺寸效应 2. 表面效应与界面效应表面效应与界面效应 3. 量子尺寸效应量子尺寸效应 4. 介电限域效应介电限域效应5. 库仑阻塞效应库仑阻塞效应6.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 介观体系的力学、热学、光学、电磁学及化介观体系的力学、热学、光学、电磁学及化学等方面的性质与常规材料大相径庭，这些奇异学等方面的性质与常规材料大相径庭，这些奇
41、异特性主要是由以下原因引起的。特性主要是由以下原因引起的。三、介观材料的应用三、介观材料的应用 由于介观材料（团簇，纳米颗粒，一维、二维由于介观材料（团簇，纳米颗粒，一维、二维纳米体系）表现出许多异于宏观物体的性能，因而纳米体系）表现出许多异于宏观物体的性能，因而具有巨大的潜在应用价值。介观材料目前正向新材具有巨大的潜在应用价值。介观材料目前正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。同程度的应用。 9.3 物理学与能源技术物理学与能源技术
42、能能源源技技术术是是关关于于能能源源的的开开发发、输输运运、贮贮存存、利利用用及及节节能能的的手手段段与与方方法法的的综综合合。物物理理学学是是能能源源技技术术的的基基础础，18世世纪纪初初蒸蒸汽汽机机的的发发明明和和利利用用、19世世纪纪初初电电能能的的使使用用、20世世纪纪中中叶叶以以来来对对原原子子能能的的利利用用等等无无不不以以物物理理学学的的发发展展为为前前提提，各各种种新新能能源源的的开开发发利利用用、新新的的能能量量转转换换技技术术和和节节能能技技术术的的实实现现同同样样有有赖赖于于物物理理学学理理论论和和实实验验的的进进展展。可可以以说说，能能源源技技术术的的过过去去、现在和将
43、来都与物理学密切相关。现在和将来都与物理学密切相关。 能能源源是是社社会会生生产产和和国国民民经经济济的的重重要要物物质质基基础础，因因此此人人们们把把它它看看作作国国民民经经济济发发展展的的动动力力、现现代代生生产产的血液。的血液。 9.3.1 能源的分类能源的分类按能量的形成和来源分为三类按能量的形成和来源分为三类 ：来自地球外天体的能量来自地球外天体的能量太阳辐射能及与此有关的能源；太阳辐射能及与此有关的能源； 来自地球内部的能量，包括地热能、地球上的核燃料；来自地球内部的能量，包括地热能、地球上的核燃料； 是来自地球与天体相互作用的能量，如潮汐能。是来自地球与天体相互作用的能量，如潮汐
44、能。 按能源成因和转换传递过程按能源成因和转换传递过程可分为一次能源和二次能源可分为一次能源和二次能源. 进行储量评价时，分为可再生能源和不可再生能源。进行储量评价时，分为可再生能源和不可再生能源。 按开发利用状况，分为常规能源和新能源。按开发利用状况，分为常规能源和新能源。 根据能源使用过程对环境的污染程度根据能源使用过程对环境的污染程度 ， 分为清洁能源和非清洁能源。分为清洁能源和非清洁能源。 9.3.2 能源的开发利用能源的开发利用一、热能一、热能1、煤、煤 石油石油 天然气天然气 这这些些能能源源是是由由远远古古时时期期埋埋藏藏于于地地下下的的动动植植物物经经过过漫漫长长的的地地质质作
45、作用用而而形形成成的的，所所以以也也称称为为化化石石能能源源或或矿矿物物能能源源，它它们们实实质质上上是是由由古古代代生生物物固固定定下下来来的的太阳能。太阳能。2、地热能、地热能 地地热热能能是是指指地地球球内内部部释释放放到到地地表表的的能能量量。地地球球上上的的地地热热资资源源极极其其丰丰富富，其其总总储储量量相相当当于于煤煤储储量量的的近两亿倍。近两亿倍。 二、电能二、电能 电电能能是是由由各各种种天天然然能能源源通通过过人人工工过过程程由由热热能能、机机械械能能、化化学学能能等等形形式式转转化化而而来来的的二二次次能能源源。可可用用于于生生产产电电能能的的天天然然能能源源包包括括煤煤
46、、石石油油、天天然然气气、太太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、核燃料等。阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、核燃料等。 电电能能由由于于输输送送快快捷捷、使使用用方方便便（可可方方便便地地转转化化为为其其它它形形式式的的实实用用能能源源，且且转转换换效效率率高高、能能精精确确控控制制）、安安全全可可靠靠、利利用用过过程程污污染染小小而而在在能能源源中中占占有有极为重要的地位，成为应用最广泛的能源。极为重要的地位，成为应用最广泛的能源。 三、机械能源三、机械能源 海洋能海洋能1、水能和风能、水能和风能 水水能能和和风风能能都都是是由由太太阳阳辐辐照照而而产产生生的的可可再再生生的的清洁能源，利用
47、方式主要是发电。清洁能源，利用方式主要是发电。2、海洋能、海洋能 海海洋洋能能主主要要来来源源于于太太阳阳辐辐照照、地地球球与与其其它它天天体体的的相相互互作作用用，虽虽然然能能流流密密度度小小、稳稳定定性性差差、开开发发利利用用工工艺艺复复杂杂、对对设设备备材材料料和和技技术术要要求求高高、成成本本高高，但但因因为为其其总总蕴蕴藏藏量量大大、分分布布地地域域广广阔阔、变变化化有有规规律律可循、无污染、可再生而成为新能源开发的热点。可循、无污染、可再生而成为新能源开发的热点。 潮汐能潮汐能 、波浪能、波浪能 、温差能、温差能 、海流能、海流能 、盐差能、盐差能 四、太阳能四、太阳能 太阳是一个
48、永不枯竭的能源库，是地球上能量的太阳是一个永不枯竭的能源库，是地球上能量的主要来源，如动植物体内储存的能量、化石能源、水主要来源，如动植物体内储存的能量、化石能源、水能、风能、海洋能等都直接或间接来自太阳。能、风能、海洋能等都直接或间接来自太阳。 1、光热转换、光热转换 将将太太阳阳辐辐射射能能转转换换成成可可利利用用的的热热能能谓谓之之光光热热转转换，其基础是热箱原理。换，其基础是热箱原理。 2、光电转换、光电转换太阳能电池太阳能电池 光生伏特效应光生伏特效应 3、光化学转换、光化学转换 利用光和物质相互作用发生化学反应，利用光和物质相互作用发生化学反应，将太阳能转化为化学能或电能将太阳能转
49、化为化学能或电能五、氢能五、氢能氢能的开发利用还需解决两个难题：氢能的开发利用还需解决两个难题：廉价易行的制氢工艺；廉价易行的制氢工艺；廉价便捷的贮存和运输方式。廉价便捷的贮存和运输方式。 六、生物质能六、生物质能生物质能：绿色植物通过光合作用合成有机物，将太生物质能：绿色植物通过光合作用合成有机物，将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。七、核能（原子能）七、核能（原子能）核能是原子核在发生变化时由于质量亏损而释放出核能是原子核在发生变化时由于质量亏损而释放出来的能量，包括裂变能和聚变能两种主要形式。来的能量，包括裂变能和聚变能两种主要形式。
50、1、核裂变能、核裂变能 核裂变是重核分裂成较轻原子核的过程。裂变核裂变是重核分裂成较轻原子核的过程。裂变模式有两种：一是少数很重的原子核的自发裂变；模式有两种：一是少数很重的原子核的自发裂变；二是用中子轰击原子核引发裂变，同时放出二是用中子轰击原子核引发裂变，同时放出23个个中子。中子。 2、核聚变能、核聚变能核聚变：轻原子核聚合成较重的原子核。核聚变：轻原子核聚合成较重的原子核。核聚变能：核聚变过程中释放的能量。核聚变能：核聚变过程中释放的能量。 要产生核聚变，必须使带正电的核靠近到要产生核聚变，必须使带正电的核靠近到10-14m以以内内 ，这就要克服巨大的库仑斥力，只有在极高温度，这就要克
51、服巨大的库仑斥力，只有在极高温度下，才能得以实现，这就是下，才能得以实现，这就是热核反应热核反应。 作为民用能源，必须让热核反应平稳、有控制地进作为民用能源，必须让热核反应平稳、有控制地进行，从中不断获取动力，这就是行，从中不断获取动力，这就是受控热核反应受控热核反应。 受控热核反应一旦实现，人类将从根本上解决受控热核反应一旦实现，人类将从根本上解决能源问题。能源问题。9.3.3 能源的现状与未来能源的现状与未来 新能源的开发新能源的开发 化石能源仍是当前世界能源消费的主体，而我们化石能源仍是当前世界能源消费的主体，而我们正面临化石能源将在短时期内枯竭的严峻形势，为正面临化石能源将在短时期内枯
52、竭的严峻形势，为此世界各国都积极研究开发风能、海洋能、太阳能、此世界各国都积极研究开发风能、海洋能、太阳能、氢能、核能等可再生的新能源，并在不同程度上取氢能、核能等可再生的新能源，并在不同程度上取得了可喜成果。得了可喜成果。 我国的能源消费总量约占全世界的我国的能源消费总量约占全世界的11%，仅次，仅次于美国而居世界第二位，但人均消费量却不及美国于美国而居世界第二位，但人均消费量却不及美国的的10%，且能源利用经济效率远低于发达国家水平，且能源利用经济效率远低于发达国家水平，能源结构不合理。能源结构不合理。 开发利用新能源、可再生能源和清洁能源是缓开发利用新能源、可再生能源和清洁能源是缓解能源
53、危机、减少环境污染的有效途径，是能源技解能源危机、减少环境污染的有效途径，是能源技术发展的主要方向。术发展的主要方向。 9.4 物理学与信息技术物理学与信息技术9.4.1 信息与信息技术概念信息与信息技术概念信息信息：消息、情报、资料、数据、信号等包含的内容，：消息、情报、资料、数据、信号等包含的内容，是对客观事物状态的描述。是对客观事物状态的描述。信息处理信息处理包括对信息的分解、组合、排序、转换、变包括对信息的分解、组合、排序、转换、变换、编码、调制、存储、检索、运算等等。换、编码、调制、存储、检索、运算等等。 信号信号：带有信息的光、电随时间变化的形态。：带有信息的光、电随时间变化的形态
54、。连续信号（模拟信号）连续信号（模拟信号）：随时间连续变化的信号。：随时间连续变化的信号。离散信号（数字信号）离散信号（数字信号）：随时间间断变化的信号。：随时间间断变化的信号。 信息技术（简称信息技术（简称IT）是与信息的获取、加工、存储、是与信息的获取、加工、存储、传输及应用有关的技术。传输及应用有关的技术。 9.4.2 信息的获取信息的获取 传感技术传感技术 遥感技术遥感技术信息的获取是信息利用的前提。信息的获取是信息利用的前提。传感技术和遥感技术是信息获取的重要手段。传感技术和遥感技术是信息获取的重要手段。 传感器传感器是一种信号转换的装置或器件，它能将某种是一种信号转换的装置或器件，
55、它能将某种物理量按一定规律转换成有用的信号。物理量按一定规律转换成有用的信号。 传感器技术传感器技术实际上是一种利用材料的能量转换效应实际上是一种利用材料的能量转换效应（包括物理效应、化学效应、生物效应等）制成信号（包括物理效应、化学效应、生物效应等）制成信号转换器件的技术。转换器件的技术。 遥感技术遥感技术是通过非直接接触在远距离对目标进行测量是通过非直接接触在远距离对目标进行测量和识别的信息获取技术。和识别的信息获取技术。 9.4.3 信息存储技术信息存储技术 信息存储信息存储是通过介质把信息保存或记录下来的是通过介质把信息保存或记录下来的一种方式。现代信息记录技术主要是磁记录、光记一种方
56、式。现代信息记录技术主要是磁记录、光记录和半导体记录，其中最主要的是磁记录。录和半导体记录，其中最主要的是磁记录。磁记录磁记录是把可以转换为电信号的信息，输入、记录是把可以转换为电信号的信息，输入、记录和存储到磁性介质中，且能从中取出和重现该信息和存储到磁性介质中，且能从中取出和重现该信息的过程。的过程。 光记录光记录是通过光的调制，将数据按规定格式以亮点是通过光的调制，将数据按规定格式以亮点和暗点形式的二进制位存储在介质上。和暗点形式的二进制位存储在介质上。 半导体存储器最早是用于计算机的内存储器。随着半导体存储器最早是用于计算机的内存储器。随着半导体技术的发展，半导体芯片价格下降，又开始半
57、导体技术的发展，半导体芯片价格下降，又开始用作计算机的外存储器和各种电器的信息存储器。用作计算机的外存储器和各种电器的信息存储器。 9.4.4 信息传输技术信息传输技术 最最早早的的信信息息传传输输采采用用的的是是电电缆缆连连接接的的有有线线通通讯讯系系统统。有有线线通通讯讯必必须须有有专专用用电电线线，远远距距离离通通讯讯成成本本高高，直直流流电电能能成成本本也也高高，且且一一条条线线只只能能只只能能做做一一个通讯线路。个通讯线路。 无线通讯是以无线电波为载波的通讯。无线通讯是以无线电波为载波的通讯。 天波传播天波传播 地波传播地波传播 无无线线通通信信的的基基本本原原理理是是先先将将要要传
58、传输输的的声声音音、文文字字、图图像像等等信信息息转转变变成成电电信信号号，将将其其调调制制到到高高频频等等幅幅振振荡荡电电流流上上放放大大，再再把把信信号号放放在在这这些些电电磁磁波波载载体体上上通通过过天天线线发发射射出出去去；无无线线电电波波传传播播途途中中若若遇遇到到接接收收天天线线，其其高高频频变变化化的的电电磁磁场场会会使使天天线线中中产产生生同同频频率率的的感感应应电电流流，通过解调放大，便可提取被传递的信息。通过解调放大，便可提取被传递的信息。 光光纤纤是是高高透透明明电电介介质质材材料料（如如石石英英玻玻璃璃、塑塑料料）制制成成的的非非常常细细小小（直直径径125200m）的的低低损损耗耗纤纤维维，具有束缚和传输光的功能。具有束缚和传输光的功能。 光光纤纤传传输输依依据据的的是是介介质质的的全全反反射射原原理理。当当光光线线以以临临界界角角入入射射到到光光纤纤内内壁壁上上时时，发发生生全全反反射射，此此时时光光线线在在光光纤纤内内壁壁上上传传播播路路径径呈呈锯锯齿齿状状，避避免免了了折折射射损损耗耗，光的强度基本上没有减弱，这就是光纤传输原理。光的强度基本上没有减弱，这就是光纤传输原理。
