现代物理

【半导体】 导电性能介于金属和绝缘体之间的一些导电材料叫半导体，一般为固体，如锗、硅、砷化镓等。与金属相比，半导体的导电性能还有以下几个显著特点：

1. 半导体中加入微量杂质后，可使其导电性能变化达几个数量级。

2. 温度升高时，金属的电阻略微增加，而半导体的电阻受热后可迅速减小，利用半导体的这种特性可做成体积很小的热敏电阻。

3. 光照可以使半导体的电阻大为减小，而在金属则不变，利用半导体的这种特性，可做成光敏电阻。

利用半导体各种特殊的电学性能，可以制成各种电子器件，这些电子器件总称为半导体器件。如各种二极管、三极管、光敏电阻、热敏电阻、光电池、半导体激光器、半导体集成电路等。

通常，半导体器件具有体积小、耗电少、耐震动、寿命长和可靠性高等优点，为电子设备的微型化和工作高速化创造了条件，因而得到广泛的应用。

【超导体】 人们早已知道，随着温度的降低，金属的电阻会减小， 但是并不知道在温度接近绝对零度时，电阻会降低到什么程度。为了弄清这个问题，荷兰物理学家昂尼斯（1853～1926）开始对极低温度下金属电阻的研究。1911 年，他在测量低温下水银的电阻时发现，水银的电阻并不像人们预想的那样随着温度的降低连续地减小，而是当温度降到—269℃左右时突然完全消失。以后还发现一些金属或合金，当温度降到某一温度时， 电阻也会变为零。这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。物质的电阻变为零时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度，用 TC 表示。物质低于 TC 时具有超导性，高于 TC 时失去超导性。

超导体的发现，在科学技术上有很大的意义。

例如，由于现代生产的发展，对电能的需要迅速增长，有人统计，几乎每隔 10 年对电能的需要就会增长一倍。但输电线有电阻，由于电流的热

1效应，使损失在输送电路上的电能大约超过 。如果我们能够找到常温

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下的超导材料，就可以在发电、送电、电动机等方面大规模地利用超导性能，它将在现代技术的一切领域内引起一场巨大的变革。所以常温超导体的研究，是目前的一个重要课题，即使得不到常温超导体，能寻找到转变温度较高的超导体亦有重大意义。在这方面，我国的研究工作走在世界前列，1989 年已找到 TC 达—141℃的超导材料，这是在高临界温度超导体研究方面取得的重大突破。

【电磁波】 当导体中的电流迅速发生变化或通以高频率的交流电时，导体就会向四周空间发射一种波。这种波是由电磁现象产生的，称为电磁波。

电磁波每秒振荡的次数叫做电磁波的频率，单位是赫兹（Hz），常用单位还有千赫（kHz）、兆赫（MHz）。

电磁波振荡一次向前传播的距离等于电磁波的波长。

电磁波在真空中的传播速度跟光速一样，也是 3×10⁸ 米／秒，它在空

气中传播的速度则近似等于 3×10⁸ 米／秒。

对于电磁波来说，同样有： 波速＝波长×频率。

不同频率的电磁波，传播速度都是相同的。因此频率较大的电磁波， 波长较短。

无线电通讯就是利用电磁波传输信号的。

用例根 据电磁波的频率的大小，判断其波长的大小。

题 1 上海人民广播电台发射的一种电磁波的频率为 990 千赫，中央

人民广播电台发射一种电磁波的频率是 15.58 兆赫。它们发射的电磁波的波长分别是 和 。

因为不同频率的电磁波在空气中的传播速度都等于 3×10⁸ 米／秒，根据波速＝波长×频率，所以，

波长＝ 波速 。

频率

上海台：波长＝

中央台：波长＝

3 × 10⁸ 米/ 秒

990 × 10³

3 × 10⁸ 米/ 秒

15.58 × 10⁶

＝303米，

＝19.3米。

【激光的应用】 激光是一些物质受到外来能量的激发而发射出来的光束。它可由一种叫做激光器的装置发射出来，不同的激光器可以发射不同颜色的激光。与普通光相比，激光的主要特点是：方向性好、单色性好、亮度高、能量高度集中。

由于激光的上述特点，因而被广泛应用于机械加工，通讯，精密测量， 医疗手术，军事等方面。

1. 激光通讯。激光通讯是本世纪 70 年代以后发展起来的新兴技术。激光通讯不但可以大幅度提高通讯容量，还有很强的抗干扰能力，保密性强，成为激光应用的重要领域之一。

激光通讯分“有线”与“无线”两种。“无线”通讯由发射和接收两部分组成，它与无线电通讯十分相似，只是采用激光作为传递信息的运载工具，同时采用一些光学器件。激光“有线”通讯是将光信号沿光导纤维传送出去，在接收端通过光、电转换，使传送的讯号还原。

70 年代，激光光纤通讯技术便开始发展起来，信息容量每 4 年增加 10

倍，在不到 20 年的时间内，光纤技术更新了五代，第五代光纤技术是 1986

年研制的，它在 1 秒钟内可将 10 亿个信息通过光导纤维传送到 1 万公里之外。

1. 激光加工。激光具有很高的亮度，经光学系统可将激光束聚焦为直径比 1 微米还小的光点，在该范围内可以产生几千万度的高温，足以使坚硬的红宝石，不锈钢材料熔化、汽化。所以用激光束进行打孔、切割、焊接具有精度高、效率高、质量好等优点，还节省能源、材料。医学上还可用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤或作其他外科手术。

2. 激光测量。由于激光方向性好，用它来测量距离可以达到很高的精度。多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能够测定目标的方位、运动速度、运动轨迹、甚至能描绘出目标的形状，进行识别和自动跟踪，所以激光雷达被用在导航、气象、天文、大地测量和人造卫星、宇宙飞船等

许多方面。

由于激光的单色性好，测量物体长度的精度很高。用激光测量几米的长度，测量精度可达 0.1 微米以内。

激光的应用还不止上面这些，例如激光化学、全息照相等，并且还在不断发展。

【火箭】 火箭起源于中国，是我国古代劳动人民的重大发明之一。现代的火箭，原理与古代的相同，只是构造复杂得多。

现代的火箭主要用来发射探测仪器、弹头、人造地球卫星或宇宙飞船， 即作为运载工具。

由于用途不同，火箭的大小和复杂程度相差很大。小的如步兵用的反坦克导弹的火箭，连同弹头总共不过十几千克，长度只有一米左右。大的如把宇宙飞船送到月球去的火箭，共有三级，总高度超过 100 米，发射时

包括燃料的质量达 3000 多吨。

现代火箭主要由壳体和燃料两大部分组成，壳体是圆筒形的，前端是封闭的尖端，后端有尾喷管。燃料燃烧时产生的高温高压气体以很大的速度从尾部向后喷出，火箭就向前飞去。

现代火箭在技术上已经有了很大的发展。除了单级火箭外，还出现了多级火箭。多级火箭是由单级火箭组成的，图 5—1 是三级火箭示意图。发射时先点燃第一级火箭，它的燃料用完以后空壳就自动脱离，以后是第二级火箭开始工作。多级火箭在工作中及时把对后面航行没有用的空壳抛掉，使火箭的总质量减少，因此能达到很高的速度，可以用来发射人造卫星、宇宙飞船或洲际导弹等。当然，火箭的级数也不是越多越好，因为级数越多，火箭的构造也越复杂，工作的可靠性也就越差。目前，多级火箭一般都是三级的。

我国的“长征”号系列运载火箭（包括“长征一号”、“长征二号”、“长征三号”和“长征四号”等），在不到 30 年的发展时间内，已经跨入世界先进行列，不但可以满足发射各种不同用途、不同重量卫星的需要， 而且质量好，可靠性高。

自从 1926 年第一枚液体燃料火箭试飞成功以来，利用液体燃料或固体燃料的化学能作能源的火箭一直占有重要的地位。目前，科学家正在研制用电能或太阳能作能源的电火箭、太阳能火箭等。但是，无论哪一种火箭， 都将向经济可靠和多次使用的方向发展。

【放射性现象】 铀、钋、镭等物质能放出射线的现象叫做放射性现象。放射性现象的实质是，放射性元素的原子核放出某种射线（粒子）并自发地转变为另一种原子核的过程。

人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律，是从发现天然放射现象开始的。

天然放射性物质放出的射线有三种：α射线，β射线和γ射线。 α射线，由带正电的α粒子组成．研究表明，α粒子就是氦原子核。

α粒子射出的速度约为光速的 1／10，但是其贯穿物质的本领很小，在空气中只能飞行几厘米，一张薄铝箔或一张薄纸就能把它挡住；不过它有很强的电离作用，使照相底片感光的能力也很强。

β射线，是高速运动的电子流。它的贯穿能力很强，很容易穿透黑纸， 甚至能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱。

γ射线，是一种波长很短的电磁波。它的贯穿能力非常强，甚至能贯穿几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。

射线的应用：可以检查金属材料内部损伤情况和金属板的厚度；用适度的放射线照射种子，可以提高农作物产量；可以用来检查、抑制和医治恶性肿瘤；放射线还可以使原来不导电的气体发生电离而导电。

过量的放射线照射到人体上，对人体是有害的。因此，切勿靠近有放射性物质的地方；在有放射性的地方工作时要采取保护措施，如用铅板等物把人体重要部位遮起来等。工作时，要防止放射性物质泄漏，以避免对环境造成污染。

【原子核的组成】 原子核是由质子和中子组成的。质子和中子具有相同的质量，中子不带电，质子带正电，一个质子带的正电电量跟核外一个电子所带的负电电量相等。所以，原子核的电荷数就等于它的质子数， 原子核的质量数就等于它的质子数和中子数的和。

质子和中子是依靠一种作用力结合在一起组成原子核的，这个作用力叫做核力。

不同物质的原子核中的质子数和中子数是不相同的。具有相同质子数的原子，它们的核外电子数也相同，因而有相同的化学性质，属于同一种元素。

氢的原子核的结构最简单，氢原子核就一个质子，核外有一个电子。氦原子核由两个质子和两个中子组成，核外有两个电子。

【核能】 原子核发生变化时释放出的能量叫做核能，也叫原子能。可以通过两种途径获得核能。

第一种途径是原子核的裂变。例如用中子轰击铀 235，使铀核分裂成两部分而发生裂变，便有核能释放出来。在不同的裂变中，铀核释放的能量并不相同。一般来说，如果 1 千克铀全部裂变，它放出的能量相当于 2500 吨优质煤完全燃烧时放出的化学能。由此可见，裂变过程中释放出的核能是巨大的。

第二种途径是原子核的聚变。例如一个氘（dāo）核（质量数为 2 的氢

核）和一个氚（chuān）核（质量数为 3 的氢核）结合时，就释放出核能。这种较轻的核结合成质量较大的核，同时释放能量的反应叫做聚变。氢弹就是利用轻核聚变制成的。氢弹是一种比原子弹威力更巨大的核武器。

聚变在宇宙中是很普遍的现象。在太阳内部和许多恒星内部都进行着大规模的聚变，太阳每秒钟辐射出来的能量约为 3.8×10²⁶ 焦，这些能量就是由聚变产生的，地球只接受了其中的二十亿分之一，就使地面温暖， 产生风云雨雾，使河川流动，生物生长等。

【链式反应】 铀核裂变时，同时放出 2～3 个中子，如果这些中子再引起其它铀核裂变，就可以使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。

链式反应的主要应用是在两个方面： 1．不可控的核反应。如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间内

就会释放出巨大的核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。2．可控反应堆。如果用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较缓

慢、平稳地释放出来。这种使核能缓慢释放的装置叫核反应堆，核反应堆是核电站的核心。除此以外，反应堆产生的大量中子还可以用来进行各种

原子核物理实验，制造各种放射性同位素以及生产新的核燃料。

【核电站】 利用核能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。目前已建成的核电站，都是利用原子核裂变的链式反应产生的能量来发电的。

图 5—2 所示是核电站原理的示意图，它的核心是反应堆。第一回路中的水或其它液体用泵压入反应堆，在那里被加热，然后进入热交换器，接着又被泵压回到反应堆里。

在热交换器中，第二回路中的水经加热产生高温高压蒸汽，送入汽轮机驱动汽轮做功后温度和压强都降低，进入冷凝器，最后又由水泵把它压回热交换器。

高速旋转的汽轮机带动发电机发电。

核电站的特点是它消耗的“燃料”很少，一座 100 万千瓦的核电站每

年只消耗铀燃料 30 吨左右，而同样功率的火力发电站，每年都要消耗 300 万吨煤。

目前，核能发电技术已经成熟，在经济效益上也跟火电站不相上下， 核能发电对环境的污染，也比火电站要小。到 1989 年，全世界核电站的发电量已占世界总发电量的 17％，核能将成为 21 世纪的主要能源之一。

我国浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站已运行发电，机组采用技术成熟的压水型反应堆。目前，能建造这种堆型核电站的只有美、俄等少数几个国家，可见我国在核电技术方面已进入世界的先进行列。

【能源】 凡是能够提供能量的物质资源，都可叫做能源，如煤、石油、天然气、水流和风等都是能源。

由自然界提供的能源，是一次能源，例如煤、石油、天然气以及水能、风能等。

由自然界提供的能源转化而来的，是二次能源，例如电能等。

人类多年来长期利用的能源叫常规能源，例如煤、石油、天然气及水能等。

人们新近开始利用的能源，叫做新能源，例如核能、太阳能、潮汐能、地热能等。开发和利用新能源，特别是核能和太阳能，是解决能源问题的主要出路。

【太阳能】 太阳是个巨大的能源，它不断地向外辐射能量，其中实际到达地面的太阳能就达 8×10¹³ 千瓦，比全世界的发电总量高出 5 万倍。由于太阳能具有普遍、无害、长久、巨大等特点，因此具有重要的开发和利用价值。

太阳能可以通过四个渠道被人们所利用，这其中太阳被直接利用有两个途径，详见下表。

【热电站】 它是既供电、又供热的电站。一般的火力发电站有凝汽式发电站和热电站两种。前者只发电，后者装有供热机组，在发电的同时可向附近工厂和居民住宅供给蒸汽或热水，以发挥大锅炉的经济效益。

【蓄能电站】 一天中不同时间对电能的需求相差很大的地区，可建立蓄能电站。

水电站可建蓄能水池，在非峰值用电期用多余的动力把水抽运到高处的水池中，峰值期再让池中水流出来，将势能转化为电能.有些沿海地区， 可利用潮水建立蓄能电站，即在涨潮时把水拦在水库中，然后再把水库中的水放出来，驱动水轮机发电。

火力发电站和核电站，可用蒸汽蓄能发电。这种发电方式不改变电站的原先设计，只需增设一巨大型蒸汽蓄存器和峰值汽轮机即可。夜间低负荷时，由主发电机组的高压汽轮机中排出的中压蒸汽被送到蓄能容器中， 变为热水形式贮存起来，在白天用电高峰时把热水重新变为蒸汽，推动峰值汽轮机发电。