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20世纪物理学进展与百年重大新技术
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20世纪物理学进展与百年重大新技术 世界经理人•科技TECH.ICXO.COM 当我们翻开科技发展史册，不难发现许多重大应用技术都是建立在物理科学研究的成果之上的，如人类近代社会发生的三次技术革命中，起到关键性作用的都是物理科学的创新成果．第一次技术革命开始于18世纪60年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这是牛顿力学和热力学发展的结果；第二次技术革命发生在19世纪70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线电通信的实现，这是电、磁现象的研究和经典电磁场理论的重大突破所带来的辉煌成果；第三次技术革命发生在20世纪40年代，基础科学的研究成果引起了技术上一系列革命性的突破，产生了一系列高新技术，如核能源技术、激光技术、电子计算机技术、电子与信息技术、生物工程技术、材料技术、空间技术等，形成了现代技术群，它们已经扩散到社会生产和生活的各个领域.然而，在这个庞大的技术群中，几乎没有一项与现代基础科学无密切关系，尤其是20世纪物理科学的百年成果，给现代高新技术的研究、开发、利用，提供了不尽的源泉和坚实的基础. 一、从“质能公式的提出”到核技术 1905年9月，爱因斯坦创立狭义相对论，并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗”论文中，揭示了质量与能量之间的关系，提出了著名的质能公式E=mc2，这就从理论上预言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度，甚至大科学家卢瑟福也认为“通过原子的变换去探索能源，那简直是无稽之谈”.然而，人类的认识是不会停滞的，科学技术必然是不断进步的.1909年3月，物理学家盖革和马斯顿进行了著名的α粒子散射实验；卢瑟福了解到此实验中α粒子出现了反常的漫散射现象，他则以原子内存在强电场的观点，探索α粒子大角散射的内在原因，推断出原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，并据此于1911年提出了原子有核结构，确立了“原子核”概念；1913年，玻尔以卢瑟福原子模型为基础，引入量子概念，构筑了一个新的原子模型——量子化原子模型；1919年，卢瑟福又用天然放射源放射出来的α粒子轰击氮，首次发现了原子核的人工嬗变，即这个实验既发现了在原子核中有呈中性的质子，也第一次用人工方法成功地把一种元素转变为另一种元素，从而开辟了人为变革原子核的途径. 那么，原子核又由什么组成呢?由于当时已知的粒子只有电子和质子，而且研究得最多的是氢原子，因此，曾认为原子核是由质子组成的.然而，因氦原子有两个电子，那么氦核则由两个质子组成，于是氦原子的质量就是氢原子的二倍，可是实际上却是四倍!有人认为原子核是由质子和电子组成的，但这又引起许多矛盾；1920年卢瑟福在英国皇家学会的一次演讲中，大胆地提出可能存在一种中性基本粒子，其质量与质子大体相等.如果原子核内存在这种粒子，则可圆满地说明原子核的组成.此后，卡文迪许实验室用了十年时间寻找这种中性粒子，但却一无所获.1932年3月27日《Nature》（自然杂志）刊登了物理学家查德威克的一篇论文，他提出：α粒子轰击铍所产生的“铍辐射”并不是α射线，而是一种新粒子，此新粒子不带电荷，因此取名为“中子”.由此，物理学家则提出了原子核的质子-中子模型. 1934年，约里奥-居里夫妇在用α粒子轰击铝靶时，得到一种天然不存在的新放射性元素磷，这是历史上第一种人造的放射性同位素，当然这也是对原子核结构理论的有力证明.为了说明质子和中子结合在尺度很小（10-14m）的原子核内，科学界提出了“核力”概念，核力不同于当时已知的万有引力和电磁力.1933～1939年间的中子-质子散射实验，确定了核力的基本性质.中子和人工放射性的发现极大地激发了物理学家们的热情，促使他们去揭开原子核的奥秘.1934年，费米等人用中子照射铀，企图使铀核俘获中子，再经过β衷变得到原子序数为93或更高的超铀元素.在实验中，他们偶然发现经过慢化的中子（热中子）反而比快中子能更好地引起核反应.费米认为，这是因为慢中子与快中子相比较，它经过原子核附近时滞留的时间较长，因而被原子核俘获的机会要多一些.1934～1938年间，许多物理学家和化学家做过此类实验，但不同的研究者得到了不同的结果，有的说发现了超铀元素，有的宣称得到了镭和锕.1938年9月，居里夫人的女儿伊伦•居里和萨维奇合作，应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物，发现其中有一个半衰期为3.5小时的放射性元素，其化学性质和元素镧相近，但镧的原子序数为57，恰在周期表中间，绝不会是“超铀”元素.伊伦•居里的实验结果引起了德国的奥托•哈恩的注意，他与斯特拉斯曼重做了一系列实验后提出：所谓镭和锕实际上是原子量远小于它们的镧和钡.如何解释这种现象?他们认为只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块，才能给予解释，这种分裂过程称为“核裂变”；1939年，梅特纳和费里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象；同年玻尔等人在原子核液滴模型和统计理论的基础上，系统地研究了原子核的裂变过程，奠定了核裂变理论的基础.掌 握了核裂变和核能释放，物理学家又进一步思考：铀核被一个中子击中后分裂为两个碎片，那么若与此同时再有一个以上的中子从铀核中释放出来，它们就能引起其它铀核的裂变，如此继续下去，就会发生自动而持续的链式反应.但问题的关键是，铀核裂变时是否能产生新的中子?在进一步的实验研究中，约里奥-居里夫妇、费米、西拉德、津恩等都证实在铀核分裂时能产生2～3个中子，同时释放出大量能量.这就在理论上肯定了链式反应是能够发生的.这样看来，只要有一个中子被铀核俘获，那么就会很容易地产生链式反应. 原子的人工嬗变、热中子核反应、重核裂变、链式反应的可行性等重大发现，虽然都是纯基础理论研究的成果，但它深深触及了人类开发原子核能这个十分现实的问题.然而，这项工作却首先转向了为战争服务，因为当时正值第二次世界大战期间.由于核裂变最先是在德国发现的，因此德国首先开始研制核武器.消息泄露后，爱因斯坦等科学家致信美国总统罗斯福“加紧研制原子弹”.1942年8月美国开始实施以研制原子弹为内容的“曼哈顿计划”.1942年12月，在费米、西拉德、奥本海默、弗兰克等众多科学家的共同协作下，在美国芝加哥大学建成了世界上第一座核反应堆，首次实现了人工控制的核链式反应.1945年7月16日，美国在新墨西哥州爆炸了世界上第一颗原子弹，从此开始了核武器研制和试验的国际竞争. 第一座反应堆的研制成功，其意义是重大而深远的，它不仅直接导致了第一颗子弹的爆炸，还在于建造了原子能反应堆.从此，人类找到了开发原子核能的一条基本途径，为人类的能量来源开辟了崭新的天地.在和平利用原子能方面，核电站的建成是其中的一个主要标志.1954年6月，原苏联建成了第一个小型原子能发电站，首先突破了核能源实际有效利用的新技术；1956年英国建成第一座天然铀石墨冷气发电、产钚两用堆；1957年12月美国也建成了实验性压水堆核电站.20世纪50年代，各国核发电站的发展基本上是实验性的，主要是探索它在技术上的可能性；60年代以后，核电站进入了实用阶段，上述几种主要堆型技术越来越成熟，优越性也日益显露出来，其中轻水堆是目前世界核电站中占首位的堆型，装机容量约点全部核电站总容量的80%；到了70年代，其单堆功率已从第一代的20万千瓦左右提高到130万千瓦，发电效率有很大提高，平均燃耗、发电成本大大降低；从70年代中期起，各国核电站的发电成本已普遍比火电站低，核电站的可利用率已同现代最新的火电站相当，而实际运行的负荷因子已高于火电站；截止到目前，欧洲一些国家核电在整个能源中所占的比例超过50%，法国高达78%.核能在世界能源中的地位和作用在不断地增长，核电站在今后仍将有更大的发展. 核技术的开发和利用是很复杂的综合性设施，它涉及到许多学科、工业部门和多项新技术.显然核物理学是最必要最重要的基础学科之一；而核反应堆、核电站、核武器的研究、设计、制造、调试、试验、运行以及更新换代的过程中，又推动了核物理的发展.核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用效率和经济效益，并为更大规模的核能利用准备了条件. |
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二、从“光量子假说”到激光技术 1900年12月24日，在德国物理学会的年会上，普朗克宣读了他的“关于正常光谱的能量分布定律的理论”论文，提出了一个革命性的思想光量子假说.1916年，爱因斯坦在旧量子论的基础上提出了受激（感应）发射的概念，并在他的论文“关于辐射的量子理论”中首次给出了能态之间跃迁的新认识.他认为，在气体分子（普朗克谐振子）的能态跃迁中，存在两种不同的辐射过程：一种是由高能级到低能级的自发辐射，一种是由于频率响应从高能级到低能级的受激辐?受激辐射概念的提出，实际上已为激光器的发明奠定了理论基础.1921年，美国赫耳发明的磁控管能产生微波振荡，使人类开始了微波的研究；1924年物理学家托耳曼根据原子、分子系统内激发态上粒子数分布的情况，指出可以得到负吸收或放大，并在实验中观察到了这种机制引起的吸收系数的变化；1928年，拉登伯格和科普夫曼在气体放大的色散测量中，观测到由于受激辐射所引起的负色散现象；1934年，美国的斯勒特和维维里曼做了波长1～4cm的各种磁控管，将产生的微波射向充有氨气（NH3）的橡皮球，发现氨分子在1.3cm波长处有强烈的吸收，这是用相干振荡器发现电磁波和分子相互作用的最早实验，也是电磁波谱学的最早实验；1938年，捷尼克在计算各种干涉条件下的光束强度中提出“相干度”的概念.应该说，所有这些研究成果都有助于认识受激辐射概念的实际意义. 1939年，法布里坎特在讨论气体放电的发光机理时，提出用实验来证实负吸收的存在，他分析了由负吸收产生光放大的可能性，以及由此所引起的光强度和方向性增加的问题.他根据拉登伯格发现的吸收系数、爱因斯坦系数与粒子数分布的关系指出：要使辐射通过介质不但不衰减而且还要放大的话，必须实现粒子数反转.法布里坎特的这一见解，是从爱因斯坦受激辐射理论向构思激光器技术原理迈出的极为重要的一步，因为它指出了产生激光的最重要的条件. 1946年，美国和英国几乎发现氨分子谱线中的精细结构和超精细结构，并开始了微波波谱学的研究；1950年，卡斯特勒提出用“抽运”方法实现粒子数反转的设想；1951年，珀塞尔和庞德在美国哈佛大学研究核磁共振时，第一次在实验上用核磁共振实现负温度状态.同年，物理学家汤斯首次提到实现微波受激放大的可能性，他设想用分子而不是用自由电子来实现微波放大，如果使处在微波激发态的氨分子数大于处在低能态的氨分子数，则受激发射就会占优势，于是能观察到微波发射谱，并可能放大.1954年，汤斯等人成功地制成了氨分子激射器，共振频率为23.87GHz（波长1.25cm），功率为10-8W，这是实验室内最早观察到的微波分子发射谱，氨激射器是世界上第一台“辐射的受激发射微波放大”的装置，简称“脉塞”（Maser）. 1955年，前苏联物理学家巴索夫和普罗霍洛夫提出得到Maser的受激分子的另一种可能途径，他们指出具有三个或四个能级的原子、分子系统，用高频电磁波造成粒子数反转，在高能态和居间能态之间或居间能态与低能态之间的跃迁频率有可能得到放大.1956年，汤斯正式提出Maser能被无线电波甚至被光波泵浦.同年，美国科学家布罗贝尔金独立地发现了三个能级泵浦方法，并建议能级固态Maser用Ni-Zn氟硅酸盐和Ga-La乙基硫酸盐.1956～1958年，三能级固体量子放大器问世，使厘米波和分米波的高灵敏度接收成为可能，并很快用于射电天文、雷达和宇宙通信的灵敏的低噪声前置放大器.1958年12月，肖洛和汤斯在美国物理评论杂志上发表文章，讨论了谐振腔、工作物质和抽运方式等一系列问题，对他们所提出的在光波波段工作的量子放大器设计方案进行了详细的理论分析，预言了采用法布里-珀罗干涉仪作为开式谐振腔的选模作用，以及激光的相干性、方向性、线宽和噪声等性质.至此，把微波量子放大器扩展到光波波段的理论基础和技术已基本完备，激光器这个现代科技的宠儿，即将临产了. 1960年7月，休斯研究所的一个从事红宝石微波量子放大器研制工作的年轻人梅曼，大体上按照肖洛和汤斯的设计构思，用一种装有被氙放电管抽运红宝石棒非常简单的装置，成功地制造并运转了第一台激光器——红宝石脉冲激光器（工作波长为0.6943μm）.从此，小说家们所幻想的“死光”，在科学理论的指导和助产下，终于奇迹般地出现了.此后，激光又得到进一步的发展和应用.1961～1965年，激光光谱用于大气污染分析，半导体激光器用于激光通信，CO2激光器用于激光熔炼，激光切割激光钻孔. 1968～1969年，月球上设置激光反射器，地面与卫星联系.1982年，发明激光全息术.1980～1990年，激光外科手术、通信、光盘、激光武器等出现.激光技术是现代物理学和现代科学技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出物理科学理论对技术发明的预见性，而且它本身又作为现代科学技术家族中的一个优等生，也大大促进和推动着现代物理学和现代科学技术的发展. 三、从“量子力学的建立”到电子和信息技术 20世纪20年代无疑是理论物理学的黄金时代，在短短的几年之内，物理学家为了解决旧量子论的困难，在不同的地点，从不同的角度、以不同的形式，建立起一种描述微观世界的统一的基本理论——量子力学.它用严格的数学语言调和了波和粒子这两种对立的经典概念在描写同一微观客体时表现的矛盾.量子力学的建立为人类了解物质结构奠定了基础. 1926年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，开始研究全同粒子系统.他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色-爱因斯坦统计；如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从另一种统计，即费米-狄拉克统计.虽然费米在几个月前就提出了这种统计法，但狄拉克却更深刻地揭示了统计类型与波函数对称性质间的关系，并证明了在波函数反对称条件下，新的统计是量子力学的必然结果.这一统计法的提出，使人类得知固体中的电子服从泡利原理. 1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论.根据能带论，在外电场作用下，半导体导电是靠满带中的“空穴”和导带中的电子这两种载流子进行的.“空穴”参与的导电过程称为Ｐ型导电，电子参与的导电过程称为Ｎ型导电.半导体的许多奇异特性正是由“空穴”和电子所共同决定的，能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体. 1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型．他认为，由于半导体自身存在的晶体缺陷和杂质原子，使得半导体具有两种导电类型：一种是“杂质导电”，即由于半导体中的杂质电离能远比禁带宽度小，所以在较低温度下可以把电子从施主能级上激发到导带，或把满带上的电子激发到受主能级上，从而电导率升高；另一种是“本征导电”，即把满带中的电子直接激发到导带上，而使电导率升高.显然，按照这两种导电机理，半导体所有变化多端的性能和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的.因为杂质导电随样品而异，而本征导电则是固定不变的.威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础. 1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属2半导体接触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属2半导体接触整流作用的“扩散理论”.这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景. 大致同时，随着无线电技术发展，在1930年后，短波和超短波通信发展起来，并出现了雷达技术.随着第二次世界大战的到来，对于这两方面的研究愈显得重要，真空管已经不能响应这两种技术中如此迅速变化的电信号，人们又重新回头研究半导体检波器和整流器.由于检波器的性能与半导体材料的纯度关系很大，人们为获得好的材料，对Ⅳ族元素Ge、Si的提纯、多晶制备，以及电学性质作了大量的研究工作.1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料，1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造Ｐ型和Ｎ型多晶Si的技术.还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的ＰＮ结，发现了Si中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用.1942年，普尔都大学物理系对Ge开展全面研究，同年夏天制出了第一个Ge的结，第二年形成反向击穿电压为100Ｖ的Ｇｅ二极管，并研究了Ge整流器的设计与应用方面的问题.到战争结束的时候，半导体科学已经奠定了较为坚实的实验和理论基础. 由于真空管在应用中暴露了坚固性、可靠性不够好，响应速度有限等缺点，科学家从20世纪30年代就开始寻找一种固体放大器来代替它.1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，于1947年12月23日成功发明了晶体管.晶体管是在半导体理论和实验基础上发明的.由于它展示了光辉的应用前景，从而激起人们为改善晶体管，努力研究半导体物理和技术的极大热情.20世纪50年代，一批原理、工艺新颖，性能优良的半导体二极管、晶体管，登上了应用舞台.它们中有结型场效应晶体管（1951），齐纳二极管（1952），可控硅（1957），肖特基势垒二极管（1960）等，使得晶体管已经在多方面能够代替真空管.同时，属于化合物半导体系列的InSb，AlSb和GaAs，也相继研制出来. 20世纪50年代末期，由于科学家在研究半导体表面理论和技术的基础上，实现了在半导体表面形成晶体管工艺，从而在1958年4月12日研制成功了第一块集成电路，这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），是一种小规模集成电路.集成电路的发明，是以电子元件为主的电子技术的第三次重大突破.这一突破，使电子技术沿着集成电路所开创的电子元件微型化的新道路大踏步前进. 随着集成电路集成度的不断提高，到1964年研制成功了中规模集成电路；1968年又研制成功了大规模集成电路；1973年大规模集成电路开始进入工业化生产阶段，这个阶段已经出现了集成20多万个元器件的芯片.大规模集成电路与小规模集成电路相比较，元件的功能发生了质的变化.后者需要大量的元件，甚至是整个设备才能完成的功能，而前者由一个元件就代替了.有源元件、无源元件及线路三者之间的内部矛盾关系也发生了根本改变，矛盾的主要方面从开关逻辑元件转化为传输线路连结系统，逻辑元件主要矛盾也从逻辑的简单性转化为逻辑的规则性和品种的单一性，这就为成批生产大规模集成电路创造了条件.因此，大规模集成电路的出现，是以电子元件为主的电子技术的第四次重大突破.20世纪80年代则是超大规模集成电路时代，集成度实际上已经突破了百万大关，从80年代后期开始集成电路技术步入了1μｍ和亚微米时代（1μｍ=10-6ｍ，80年代初芯片的电连接宽度为4～6μｍ），真正实现了微型化.当时间进入21世纪，集成度则以每年100倍的平均速度增长，集成电路的集成度达到几十亿. 集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的.以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用. 此外，量子力学的建立，不仅使人类可以把握宏观物体的各种性能，而且可以深入认识物体的微观结构，从电子、原子、分子、晶格等不同层次来研究材料，发现许多微观结构和宏观性能之间的规律性关系，从更深的层次上揭示出材料性能和结构的本质联系.今天的材料科学技术，已经发展成为一个内容广泛、高度综合的技术系统.描述材料的宏观、微观迁移等现象，要涉及结晶学、凝聚态物理学、固体物理学、分子物理学、核物理学等.研究物质的合成，又需要涉及热力学、物理化学、量子化学等学科.在对材料物性的测定上，要求助于力学、光学、热学、电磁学和声学等方面的技术和设备. 从上述的事例，我们不难看到，在许多新技术发现的源头和过程中，物理科学研究成果起了极大的作用.其实，在空间技术、生物工程技术等其它新技术的发展过程中，物理科学研究成果也同样起到了很大的作用.可以说没有物理科学的创新成果，就不可能有这些新技术的发现或迅速的发展. 其实，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究的新成果带动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步的发展，并出现了一个又一个崭新的产业部门，其影响遍及生产、科研、国防、医学、乃至进入家庭，大大改变了当代社会的结构和面貌，甚至人们的思维方式.历史和经验告诉我们，无论是过去，还是现在、乃至将来，社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步，科学技术的进步离不开物理科学的创新成果，而物理科学的创新成果，靠的是具有高素质的物理科学人才. |
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