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[信息] 科普连载——磁性起源

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发表于 2006-12-26 21:52:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
科普连载——磁性起源
奥斯特发现电流磁效应后,法国物理学家安培对电流间的相互作用进行了大量的研究,并在此基础上提出了物质磁性起源的分子电流假说。19世纪末,法国皮埃尔.居里做出了开创性工作,他不仅发现了铁磁性存在的临界温度(后被称为居里温度),确立了在临界温度以上顺磁磁化率与温度的关系,还在大量实验基础上指出了抗磁性和顺磁性的存在,并提出了居里抗磁和顺磁定律。之后,朗之万将经典统计理论应用到固体原子磁矩的系统,导出了居里定律。外斯在朗之万理论基础上提出了分子场假说和磁畴假说,这两个假说成为分子场理论的基础。然而问题是,朗之万理论中认为的原子存在的固有磁矩是无本之木,范列温证明,从经典力学出发的统计物理无法导出原子存在平均磁矩的结论。直到量子力学建立之后,人们才知道,原子固有磁矩的存在是一种量子效应。1928年,海森伯根据氢分子的结合能与电子自旋取向有关的量子力学计算结果提出了铁磁体的自发磁化来源于量子力学交换作用的海森伯模型。几乎同时,布洛赫提出了描述集体电子的能带模型……历史叙述就到此为止吧,以后的磁学发展就不很清楚了。 物质的磁性大体分为三类(实际上有7类),顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁和抗磁的磁化作用很弱,其应用也较少,故我们只介绍铁磁质。最常见的铁磁质自然是铁了,其次还有钴、镍、以及它们的合金、锰铝合金、稀土元素的一些化合物等。它们有非常高的饱和磁化强度,故在外磁场下可以表现出很强的磁性。所有的铁磁性物质都存在使铁磁性消失的一个温度,称为居里温度。铁的居里温度为770度,即将铁加热到770度以上,它就会转化为普通的顺磁性物质,这就是顺磁-铁磁相变。顺磁-铁磁相变与气液相变有很多相似之处。在居里温度以下,铁磁物质存在磁滞现象,其磁化强度与磁化过程有关,在交流磁场中的磁化曲线是一条闭合的曲线,称为磁滞回线。此外,铁磁物质还存在磁致伸缩现象,即磁化过程伴随着磁化状态的变化会产生长度和体积的变化,可以用这一效应产生超声波。 外斯分子场假设认为,铁磁物质内部存在强大的“分子场”,因此即使无外加磁场,其内部各区域也已经自发磁化了。外磁场的作用仅仅是将各区域的磁矩方向调整到外磁场方向上。因此,在很弱的外磁场下,铁磁质即可达到饱和磁化状态。磁畴假说认为,铁磁体内部自发磁化分为若干区域(磁畴),每个区域都自发磁化致饱和,未加磁场时,各区域磁距方向杂乱无章,故磁性相互抵消,宏观上不显磁性。在这两个假说的基础上建立的理论称为分子场理论。分子场理论在解释铁磁性物质的磁性方面相当成功,它说明了铁磁物质的自发磁化,给出的磁化强度与温度的关系与实验也基本相符,并导出了居里温度和居里-外斯定律。 分子场理论的成功促使人们去寻找分子场的起源。但是这一问题在经典力学的框架内根本无法解决。分子场不可能由原子磁距产生,因为原子磁矩产生的磁场比分子场小了3个量级。β粒子通过铁磁体的偏转实验也证明,铁磁体内部并不存在磁性质的分子场。在量子力学建立之前,没有人能对分子场的起源做出过合理的解释。1928年,海森伯应用量子力学中电子的交换效应正确的解释了铁磁体内磁有序现象的产生,证明了分子场实际上就是电子之间交换作用的一种平均场近似。这一模型的建立,为铁磁性量子理论的发展奠定了基础。 交换效应来自于波函数的重叠区域。根据全同原理,此区域内的电子是全同粒子,不可区分。如果我们仍然按照经典的粒子处理方式,对它们进行标记区分,必然会出现一项附加的修正项,这一项被称为交换积分,相应的能量叫交换能。这一交换能我们曾在本连载中讨论共价键时提到过。氢分子中的两个电子如果自旋是相反的,交换能为负,故反自旋的两个氢原子可以结合成更稳定的氢分子。又因为这两个电子反自旋,磁性相互抵消,故氢气是一种典型的抗磁质。在铁磁理论中,我们遇到的情况刚好相反。我们需要电子自旋平行,这样磁场就不会互相抵消而是互相加强了。也就是说自旋平行时的交换能小于自旋反平行时的交换能是物质存在铁磁性的必要条件。通过计算交换积分,满足此条件的元素恰好就是铁、钴、镍等传统的铁磁质。 计算机中作为信息载体的电流尽管沿用已久,也有很多非常优越的性质。但是面对高速发展的科技,电子这个可爱的精灵似乎也有点不堪重负,想分担一点责任给别人了……


 楼主| 发表于 2006-12-26 21:53:17 | 显示全部楼层
科普连载-原子结构众所周知,电子是带负电的,显然,原子中应该存在带正电的物质,汤姆孙提出了一种“葡萄干布丁模型”,他假设原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内,而电子是镶嵌在其中的,为了能够解释元素周期表,他进一步假定电子分布在一些同心圆上,每个环上存在有限个电子。这一模型不久就被他的学生卢瑟福推翻了。在当时,X射线与放射性刚发现不久,是当时研究的热点。卢瑟福在X射线与放射性方面做出过许多突出贡献,尤其是他发现了放射性射线的三种成分:α射线,β射线,γ射线,而且证明了α射线就是氦离子。 卢瑟福利用镭放射出的高能α粒子作炮弹轰击各种原子,通过测量出射的α粒子的角分布来研究α粒子与物质的相互作用。1909年,他的学生盖革和马斯顿等在实验中发现有约八千分之一的粒子被反射回来。这一实验直接否定了汤姆孙的葡萄干模型,通过严谨的理论推导,卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型。他认为原子几乎所有的质量和全部电荷都集中在一个非常小的体积内,称作原子核,电子在核外绕核运动。为了证明这一理论,他们又经过了无数的反复实验,最后以严格的、确凿的实验结果证实了散射理论与有核模型。 卢瑟福的学生中有十几位诺贝尔奖获得者,著名的有玻尔、查德威克、科克罗夫特、卡皮察、哈恩等,原子核发现后,卢瑟福于1919年利用α射线轰击氮原子核,在人类历史上首次实现了“炼金术”,第一次实现了核反应。从此元素在也不是永恒不变的东西了。卢瑟福通过一系列核反应发现了质子也就是氢离子是一切原子核的组成成分,并预言了中子,中子后来由他的学生查德威克发现,并且最终确立了以质子和中子为基础的原子核结构模型。泡利不相容原理建立之后,元素周期律也得到了解释。卢瑟福后来被称为核物理之父。当然,就在英国轰轰烈烈的时候,不要忘记法国的居里夫妇,因为卢瑟福一系列发现所需要的原子炮弹就是放射性元素(尤其是镭)放出的α粒子。此时的法国成立了居里实验室,居里因车祸丧生,玛丽因在放射性方面的成就再获诺贝尔化学奖,有名著《放射性通论》传世,居里实验室后由小居里夫妇:约里奥.居里和伊莱娜.居里主持,同样人才济济,与三大圣地相比也毫不逊色。小居里夫妇运气差了一点,发现中子被查德威克抢了先,发现正电子被安德森抢了先,发现核裂变被哈恩抢了先,机遇稍纵即逝。不过最后终于因为人工放射性的发现而获得了诺贝尔奖。如今放射性同位素已经达到了几千种,绝大多数都是人工产生的,这要归功于小居里夫妇。 有核模型在实验上取得了成功,但与当时的基础理论存在严重的冲突。按经典电动力学,由于电子作圆周运动,一定会辐射电磁波,由于损失了能量,会在1ns时间内落入原子核,同时发射连续光谱。也就是说,理论上根本就不可能存在原子这种东西。但是原子的确存在,而且是稳定的,发射线状光谱,有大量的实验事实和整个化学的支持。1911年,一个26岁的丹麦年轻人来到剑桥,随后转到曼彻斯特的卢瑟福实验室,从而了解到了原子核这一惊人发现。最终,他找到了有核模型的一个根本性的修正方法,既能说明原子的稳定性,又可以计算原子的半径。他就是与爱因斯坦齐名的尼尔斯.玻尔。 1885年,瑞士的一位数学教师巴尔末发现了氢原子可见光谱的一个经验公式,后由瑞典物理学家里德伯推广为里德伯公式。1900年,德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念,解释了黑体辐射谱。1905年,爱因斯坦提出了光量子概念。这些结论给玻尔很大的启发。在这些启示下,玻尔于1913年将量子化的概念用到原子模型中,提出了玻尔的氢原子模型。这一模型的关键是玻尔引入的三个假设。定态假设:电子只能在一些分立的轨道上运动,而且不会辐射电磁波。频率条件假设:能级差与原子吸收(或放出)的光子能量相同。角动量量子化假设:电子的角动量是约花普朗克常数的整数倍。通过一系列推导,氢光谱之谜逐渐浮出水面,取得了巨大成功。玻尔因此荣获1922年诺贝尔奖。尽管玻尔模型现在看来是比较粗糙的,但它的意义并不在于模型本身,而在于建立模型时引入的概念:定态、能级、跃迁等。玻尔引入了对应原理,协调了氢原子模型与经典力学间的冲突。玻尔成功后,拒绝了导师卢瑟福的邀请,回到祖国,并在哥本哈根成立了研究所(后改名为玻尔研究所),玻尔研究所吸引了一大批来自世界各地的优秀青年物理学家,其中就包括量子论的创始人海森伯、泡利和狄拉克,形成了浓郁的学术气氛,此时的哥本哈根开始了对基本物理规律的探索。 直到现在,物理学仍然大体可以分为两派,一派是以爱因斯坦为代表的经典物理学派,成员大致有普朗克、德布罗意、薛定鄂等;一派是以玻尔为首的哥本哈根学派,成员大致有波恩、海森伯、泡利、狄拉克等。自然,这场争论还没有结果。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:53:32 | 显示全部楼层
科普连载-光子概述这50年的沉思,并没有使我更接近“什么是光量子”这个问题的解决。今天每个乡巴佬都以为知道它的答案,但他是错了。——爱因斯坦 光究竟是什么呢?牛顿时代的人们坚信,光是由光源发射出的大量微粒。与他同时代的惠更斯明确提出了光的波动说,但没有竞争过微粒,因为他认为光波类似于声波,是一种流体介质中的纵波,这种流体就是后来的流体以太(流体中横波不能传播),我们知道,光实际上是一种横波,因此惠更斯推导出的结论与当时的实验符合得并不好。虽然微粒说对牛顿环的解释牵强附会,但它的确很好的解释了当时已知的各种光学现象,比如直线传播、反射、折射等(微粒说认为水中的光速大于真空中光速)。进入19世纪,著名的大科学家如拉普拉斯、泊松等人都是微粒说的支持者,然而托马斯.杨做成了双缝干涉实验,菲涅尔也提出了他的波动光学,牛顿的微粒说被推翻了。光的偏振的发现又表明,光是一种横波,于是学者们不得不抛弃流体以太,重新建立起一套弹性以太模型。为了解释各种光学及力学现象,科学家们为以太附加了许多奇特的性质,从而使以太学说成为19世纪科学理论的两大基础之一(另一个基础是原子论)。麦克斯韦电磁场理论问世后,光作为一个特殊波段的电磁波,使得光学成为电磁学的一个分支,也使得人们对光的认识有了质的飞跃。然而麦克斯韦却发现在他的方程组中没有以太的位置,光速是作为一个常数的身份出现的,在当时看来,在地面上和飞奔的火车上测量到相同的光速是不可理解的,因此麦克斯韦做出了一个非常遗憾的论断:他的方程组只在以太参考系内严格成立,在其他惯性系内需要用伽利略坐标变换,导出在新的惯性系内成立的方程组。结果在除以太系外其他惯性系内的方程组均其丑无比,方程组天然的美感被破坏的几乎荡然无存。这一状况直到相对论问世才被消除,不过在当时所有的人都认为,地面参考系内的麦克斯韦方程组只是近似。 然而麦氏方程组真的就完美的刻画了光(或者说电磁波)的本质了吗?光是什么这一悬案已经彻底告破了吗?可惜的是,麦氏方程组预言了电磁波,而电磁波的性质却超出了方程组的限制。1900年,普朗克发现能量量子化,最终量子化的概念横扫整个物理界。1905年,爱因斯坦发表了光量子理论,解释了光电效应,因此获得了1921年诺贝尔奖。现在让我们重温爱因斯坦的推理:能量现在有两个基本性质:一个是能量守恒,一个是能量量子化。如果一个振动电荷能量是量子化的,那么它的能量变化只能从一个允许的能量瞬间跃迁到另一个允许的能量,因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着电荷发射的辐射,必须是以一股瞬时的辐射迸发的形式从振动电荷产生出来,而不是麦克斯韦电磁理论预言的长时间的连续波。这样,辐射永远是以一个个小包的形式出现,它以光速运动,静止质量为零,由振动的带电粒子发出,这就是光量子。这似乎就是牛顿光微粒的翻版,光源中有大量的振动带电粒子,因此光源向空间发射出有限数目的光量子。然而怎样解释干涉呢?又如何解释麦氏方程组的成功呢?麦氏方程组在光量子理论中又是什么角色?爱因斯坦通过分析指出,麦克斯韦理论中场量的平方正比于光量子的粒子数密度(玻恩后来从这里得到启示,提出了波函数的概率诠释,并因此获得了诺贝尔奖),而统计力学中那个玻色-爱因斯坦统计应用于光量子时,就是光量子随频率分布的概率密度函数。这样自然就可以解释光量子的行为了,干涉和衍射是一种光量子的统计行为,只有大量光子才会在整体上表现出波的性质。可惜爱因斯坦却对这种统计解释非常不安,这样一来,麦氏理论似乎只能是统计意义上的理论了。而爱因斯坦眼中的统计,意味着不确定和理论的不完备。这也就能够理解他为什么要花费后半生30年光阴去寻找统一场论了(而他当时认为的统一场论中只包含引力和电磁力),因为他认为麦克斯韦理论不够完备,只有统一场论才能够真正理解光量子。 相信几乎所有的量子力学教科书中都会提到让人发疯的单电子干涉实验。将电子换成光子有同样的效果。一个粒子怎样才会有一个伴生的频率?单个粒子如何实现自身的干涉?光子如何知道前面的缝是双缝还是单缝?当然,这一切疑问对于哥本哈根学派来说易如反掌。然而,我根本无法理解玻尔的互补原理,我接受了费曼的忠告:在量子力学里永远不要去钻死胡同,因为在这里还没有人安全的出来过。 不过作为一篇完整的文章,互不原理是不能少的。我觉得,对于互补原理一千个人会有一千种解释。我的理解是:当没有观测者时,不存在光量子的概念,光量子在这里没有意义,而它对应的波函数以严格的因果律演化,并在空间中弥散,表现出波的性质;而一旦试图观测,波函数会立即坍缩,以一个光量子的形象出现在观察着面前,光量子出现的概率与波幅平方成正比。如果换作通俗的语言的话那就是:波和粒子是硬币的正反面,是光量子的两个不同的属性,你可以得到它的波的一面,也可以得到它的粒子的一面,但无法同时得到波和粒子。波和粒子是一对互斥互补的概念,互斥的概念可以同时存在于一个事物上,但不能同时被感知,光具体表现出什么性质与具体的实验操作有关。因此问光是波还是粒子没有意义,在干涉实验面前,光是波,在光电效应面前,光是粒子,离开了实验,光无所谓波或粒子。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:53:51 | 显示全部楼层
科普连载-量子场论狭义相对论在宏观世界里无疑是一个成功的理论,它用简洁优美的公式统一了低速和高速世界,发现高速世界的景象并不是我们常识中的东西。量子论在微观世界也无疑是一个成功的理论,它发现了一个全新的微观世界,原子并不是我们想象中的那样是一个宏观物体的缩小,它会干涉、衍射,还会跃迁、坍缩。然而狭义相对论进入微观领域就有些力不从心了,虽然质能方程仍然普遍成立,虽然微观世界也不存在超光速信号,但微观粒子既然连轨道的概念都不存在,又怎么会受到相对论力学的束缚呢?同样,量子论中的薛定鄂方程也不满足相对性原理,所以在处理高速问题时肯定会有麻烦。即使是氢原子,它也无法解释精细结构,需要相对论修正,更何况还要引入一个看上去毫无道理的电子自旋概念。所以自然的想法就是找到一个新的理论,既满足相对性原理,又可以在低速近似下退化为薛定谔方程。通过探索,学者们找到了两条路。其中一条路上走着的是克莱茵和狄拉克,他们的思路是找到一个新的满足相对论的波动方程。于是分别建立了KG方程和狄拉克方程。狄拉克求出了氢原子的严格解,并且自然的预言了电子自旋。同时,相对论方程预言了反物质的存在。现在我们去第二条路上看看。 爱因斯坦认为,法拉第最大的贡献不是电磁感应定律,而是他的力线。法拉第为了理解磁现象,首先提出了场的概念。简单地说,场是弥散在空间中的一个区域,或者说是空间的一种紧张状态,它代表了一种施力的可能性,而且场可以独立的存在。麦克斯韦关于电磁场的场方程组一直是物理美的典范,爱因斯坦广义相对论也是一种经典场论。量子场论的核心是,万物都是由场构成的,而且仅仅由场构成。场具有能量,因此有质量。实物粒子都是场的状态,粒子是场的中心。 1926年,玻恩、海森伯、约当提出了电磁场的量子理论,量子场论从此诞生。在这个理论里,电磁场本身是一个同时满足量子力学原理和相对性原理的系统,从而建立起描述这个系统的场方程。它实际上就是描述电磁场本身运动的“薛定谔”方程,如同电子的Ψ场一样,描述了电磁场的Ψ场。更确切的说,它预言了在空间某点处发现电磁场有不同强度的概率。薛定谔方程预言粒子能量量子化,同样,电磁场的量子场论预言电磁场会量子化为各种频率的能量包,这些能包就是光子。新的理论解释了光子存在的理由,而爱因斯坦的光量子假说只是假设光子存在,并没有更基本的理由。 量子场论的思想是:从场论出发,然后将场量子化,从而导出与场相联系的粒子,这些粒子是场的量子,它以分立的能包形式(粒子)显示自身的存在。 1929年,海森伯和泡利将量子场论思想应用到实物粒子,对电子的Ψ场进行了量子化。这种电子场遵从量子论原理和相对性原理。他们发现,量子化后的电子场会以分立能包的形式显示自身,只是这个能包不再是光子,而是电子。或更确切的说,量子场论预言了电子的存在。推而广之,自然界中所有的粒子都有对应的场,都是这个场的量子,如质子场、中子场、中微子场、μ子场……因为自然界是由场构成的,而量子化后的场以粒子的形式显示自身,所以我们看到的自然界由粒子构成。 有了量子场,我们可以描述单个电子和单个光子的行为了,但自然界中一个最基本的过程:光电效应或康普敦散射我们如何理解呢?爱因斯坦光电效应方程和康普敦散射的推导只用到了能量(以及动量)守恒这一普遍原理,并没有揭示相互作用的细节。1947年,费曼和施温格分别以不同的方式建立了电子与光子相互作用的理论:量子电动力学。量子电动力学是目前为止最精确的理论,它精确预言了兰姆移位和电子反常磁矩。费曼发现,为了使量子场符合相对性原理,必须存在一个时间上逆行的电子。而这个在时间的反方向上运动的电子其可观测效应与另一个带正电的电子在时间正方向上完全相同。这就是正电子。早在1928年,狄拉克就利用他的相对论波动方程预言了正电子的存在。现在已经有很多学者改变了他们对反物质的看法,放弃了狄拉克的真空负能海,转而认为,反物质就是在时间上逆行的物质。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:54:12 | 显示全部楼层
集成电路
20世纪的科技能够得以飞速发展,除了基础自然科学的创立外,还要归功于电子计算机的应用和发展。然而计算机基本元件的工作原理依然要依赖于在量子力学基础上建立起来的固体物理。计算机的大脑cpu就是一种典型的超大规模集成电路,现如今,集成电路的集成度(每块芯片上包含的元件数)已经在10万以上,集成电路的制备技术也已从常规的半导体平面工艺发展到了微细加工技术,图形线条已从几百微米缩小到微米级甚至亚微米级。从1970年直到现在,集成电路一直精确的按照摩尔定律(每隔18个月集成度增加一倍、速度提高一倍、价格降低一半)运行着。 按功能和性质的不同,集成电路可分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路能够进行数字(0、1)运算,广泛应用于计算机、自动控制及通信等领域;模拟电路是对连续量比如电压、电流等进行运算的电路。集成电路的基本元件有二极管、三级管(晶体管)、电阻、电容等,它们都是在同一块硅片上应用特殊工艺制造的,即在半导体单晶基片上,通过外延、氧化、蒸发形成薄膜,经制版、光刻、刻蚀和扩散杂质(或离子注入)等步骤完成的。 晶体内部粒子有规律的周期性排列,因此存在周期性势场,根据量子力学中一条著名的定理:布洛赫定理可知,晶体的波函数是调幅平面波的形式。在这个周期性势场的作用下,通过引入一些简化假设可以求解薛定鄂方程,由于晶体中存在大量的粒子,使得它们相邻能级之间的间距极小,完全可以看作连成一片,因此叫做能带。不同的能带之间的间隙叫做禁带,禁带内是不允许填充电子的(或者说电子不能取这些能量值)。禁带的宽度大体决定了晶体的导电性质。若电子没有填满一个能带,或虽已填满但是却与其它能带重叠,使得能带上面有一部分没有填充电子,则电子可以很容易的在外加电场下跃迁,这种晶体就是导体。若低能带被电子填满了而禁带宽度又很大,则通常情况下的电场无法使电子获得足够的能量跨过禁带跃迁到高能带,因此这种晶体是绝缘体。若禁带宽度很窄,则热激发可以使得很小一部分低能带电子跨过禁带跃迁到高能带,同时在原来已经填满了的低能带“电子海”中留下了等量的空位,这种空位在电场中的行为就像是一个带正电的粒子在电场中运动一样,因此是一种“准粒子”,物理学家将这种空位命名为“空穴”,并认为它也是一种带正电的载流子。这种晶体就是半导体。半导体内部有电子和“空穴”两种导电粒子。在半导体内部掺入少量杂质会显著改变半导体的电导率比如,在硅中掺入百万分之一的磷,其导电能力会增大百万倍。原因是磷的能级恰好在半导体禁带顶端附近,此能级上的大量电子会在热激发下跃迁到空带上,显著提高电子浓度,称为N型半导体。同样,在硅中掺硼,可以显著提高空穴的浓度,称为P型半导体。但是如果我们在同一块硅片上一半掺磷,一半掺硼会怎么样呢?它们会因为存在电子和空穴的浓度梯度而产生扩散,最终导致交界处建立起一个内电场,形成一个只有单向导电能力的结,这就是大名鼎鼎的PN结。 晶体管(三级管)内部有两个PN结,但并不是任意两个PN结都可以形成晶体管,两个二极管串联还是两个二极管,不会变成三级管。要阐明晶体管的结构需要费一些笔墨,因此从略了。我们只要知道晶体管的作用是电流放大就可以了。在实际应用中,二极管和晶体管一般是用作分立元件使用,而不用作集成电路元件。集成电路中用的是一种特殊的元件:场效应管。其原理和结构讲起来又是一堆,因此也从略了,我们牢记知道一点:结构决定性质就可以了。 现在我们来看集成电路的具体制作:在一片抛光的材料(比如硅)上,用气相外延工艺生长出符合要求的外延层,然后用热氧化法生长出SiO2膜,接着进行光刻。在SiO2膜上涂感光胶,盖上预先制好的模版,在紫外光下曝光(对于线路尺度已经到微米级和亚微米级的电路,可见光、紫外线已经不能胜任了,原因是存在衍射效应,需要用波长更短的电子或X射线进行光刻)。未感光的部分容易溶解掉,露出SiO2膜,用腐蚀剂腐蚀,选择适当的元素进行扩散掺杂,再用光刻法开出引线孔,用真空镀铝工艺经刻蚀形成电极。以上只是大体步骤,实际过程中还有许多问题(比如元件隔离、无源元件的制备、电极引线的外引等)需要解决。 随着微细加工技术的发展,集成器件越做越小,但是这种过程不能无限的进行下去,它受到一些物理原理的限制。主要有本征极限、布线极限、功耗极限三个因素。即使出现了新的器件结构,有两个因素仍将最小尺度限制在10nm以上,即掺杂原子的间距和基本粒子的散射。 然而我们不必太担心,因为这是在传统工艺基础上的理论预言。事实上,利用现代制造工艺,我们可以制造出尺度在0.1nm到50nm的纳米功能器件,如单电子晶体管、巨磁阻层、纳米管和量子点激光器等。为了适应时代的潮流,美、英、日等国已经展开了对单电子器件的研究,而且已经制成了许多实验室器件,但还存在电接触、互连、可爱科技爱生活性等问题尚待解决。现代电子学结合纳米科技无疑可以创造出更大的奇迹。 除了纳米器件之外,还有什么东西有可能挑战现代电子学中半导体一统天下的局面呢?导体?绝缘体?显然不太可能。不过我们可以大胆的猜测,未来的电子学领域似乎又是个三足鼎立的局面:半导体器件、纳米器件还有
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:54:47 | 显示全部楼层
颜色之谜
牛顿用三棱镜把太阳光分成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七条光带,应该是人们对光的认识的最早的突破。后来的实验表明,可见光是庞大的电磁波谱中极为狭小的一段(400nm到760nm)。实际上,波长最长的红光与波长最短的紫光在人的感觉上又连接起来了,这就是通常所说的“红得发紫”。而且各种颜色间没有明显的界限,是连续变化的。研究表明,任何一种颜色都可以由三种颜色的光合称,这就是三原色理论。通常将光的三原色选择为红、绿、蓝三色,原因是它们差不多等量混合得到的是白光,而且合成其它常见颜色时,其系数在绝大多数情况下都是正值。理论上可以选择任意三种颜色作为原色。 <br/>色视觉与人眼的结构密切相关,可见光通过眼角膜进入眼睛后,经晶状体折射后在视网膜上成像。视网膜由杆状细胞和圆锥细胞组成,且分布不均。视网膜中心有一凹斑,称为黄斑,此处全是圆锥细胞,离黄斑越远,圆锥细胞比例越小。杆状细胞主要用来感光,其灵敏度约是圆锥细胞的500倍,而圆锥细胞主要产生色视觉,观察物体的颜色主要爱科技爱生活黄斑和其附近的圆锥细胞。有一种色视觉理论认为,圆锥细胞有三种类型,每种类型含一种色素,分别对应三种原色,对光进行选择吸收,通过神经将信息送到大脑,大脑将这些信息综合处理,得出对颜色的判断。据统计,约有5%的男性与0.8%的女性是各种不同程度的“色盲”(如红绿色盲、全色盲),他们很可能是缺少相应的一种或几种色素。
当然,仅有人眼和大脑的精致结构还不够,还要有外界刺激,也就是要考虑为什么不同的物体会有不同的颜色。这就需要光与原子相互作用的模型。绝大多数物体本身并不发光,它呈现的颜色是由投射到它上面的外来光被反射、透射、散射、吸收的结果。从量子观点看,散射是光子先被吸收,后被发射的两步过程。但是由于量子力学数学结构比较复杂,而且更关键的是对于一般的现象,经典的电磁理论,也就是洛仑兹的电子论就可以给出很好的近似。电子论认为,原子中的电子在外加电磁场的驱动下做受迫振动,当光的频率与原子固有频率接近时,就会产生共振现象,这就是共振吸收。显然,共振吸收频率与物质结构与组成有关。也就是说,不同的物质会对外来光的频率有选择的吸收,这样,共振吸收改变了散射光的频率组成,吸收较少的光就可以更多的进入人眼,从而产生色视觉。
再来考虑一个问题:为什么很多物体如石头、金属等都不透明,而有些如钻石、玻璃等物质是透明的?这也可以由洛仑兹电子论解释。电磁波谱中不同频率的电磁波没有本质的区别,计算表明,任何物体在电磁波谱中都有透明区,只不过玻璃等的透明区恰好落在可见光区罢了。对于绝缘体或半导体,有两个透明区:电磁波谱的低频区和高频区。玻璃对红外线是不透明的(塑料或玻璃大棚的温室效应原理),而橡皮在红外线下却是透明的,而在可见光区不透明。对于导体一般只有一个透明区:高频区。比如在X射线的照射下,金属通常都是透明的(X射线探伤原理)。这些性质除了取决于外加入射光的性质(频率、组成)外,只取决于介质自身的性质:折射率、消光系数和电导率(对于铁磁体一般还要考虑磁导率)。
1871年,英国科学家瑞利从经典电动力学证明,振荡偶极子散射电磁波的辐射强度与入射光的频率四次方成正比。蓝紫光频率约是红光的两倍,散射强度就是红光的16倍左右。瑞利据此解释了天空为什么是蓝色的这个问题。而海水为何是蓝色的这个问题是由印度的拉曼解决的,它并不是从前认为的天空的反射色,而是水分子固有电偶极距在红外线作用下极易振动,这一振动一直延伸到可见光的红橙光区,因此对红橙光也有一定的吸收,每15m深的水就使红光衰减1/4,因此海水也显蓝色。瑞利和拉曼均获得了诺贝尔奖。
色光是越拼越白的,但为什么颜料却越涂越黑呢?颜料的三原色等量混合为什么得到的是黑色呢?这个问题还是作为思考题留给读者吧。
100多年前的那场量子革命至今令人神往不已,因为那是属于年轻人的充满挑战的时代。它将我们从宏观世界带进了精彩的微观领域。那么我们又是如何一步步走进微观世界的呢?那么请记住19世纪末的三个年头:1895年、1896年、1897年。这三年的三个大发现揭开了微观世界的序幕,可以说,这是近代物理的真正源头……
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:56:16 | 显示全部楼层
广义相对论基本原理
由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理:广义相对性原理.其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效的.这与狭义相对性原理有很大区别.在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别.但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律.这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求.通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3.14.因此,普通参考系应该用黎曼几何来描述.第二个原理是光速不变原理:光速在任意参考系内都是不变的.它等效于在四维时空中光的时空点是不动的.当时空是平直的,在三维空间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动.可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子.第三个原理是最著名的等效原理.质量有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义.引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义.它们是互不相干的两个定律.惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系.那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系.然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等).广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容.惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系.这样,非惯性系与引力之间也建立了联系.那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系.由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对论的一切理论.初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道.等效原理使爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质.由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空.在广义相对论建立之初,曾有第四条原理,惯性定律:不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动.在黎曼时空中,就是沿着测地线运动.测地线是直线的推广,是两点间最短(或最长)的线,是唯一的.比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧.但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯性定律变成了惯性定理.值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆.这样提出是为了解释行星运动.他自然被牛顿力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速圆周而已.
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:56:51 | 显示全部楼层
超导电子
1911年,昂内斯发现了超导电性并获诺贝尔奖;1933年,迈斯纳发现超导体的完全抗磁性获诺贝尔奖;1957年,巴丁、库柏、施里弗发表了超导电性的量子理论:BCS理论,获诺贝尔奖;1960年发现超导结的单电子隧道效应,1962年,剑桥年仅22岁的约瑟夫森理论预言在超导隧道结的绝缘层厚度接近1nm时,不仅存在单电子隧道效应,还存在超导电子对:库柏对隧穿的可能。这就是超导约瑟夫森效应。这一效应经实验验证后,迅速扩展到应用领域,形成了一门新兴的分支科学---超导电子学。约瑟夫森也因此荣获诺贝尔奖。
在超导BCS理论中,最著名的概念就是库柏对。即电子与声子相互作用,在特定条件下,两个电子通过声子产生的引力会大于库仑斥力,从而形成束缚电子对。电子对中两个电子反自旋,且总动量保持守恒,因此不会受到晶格散射阻力的影响。0K时,晶体中的电子在能量最低原理和泡利原理的约束下,依次填入能带,而最后填进去的那一层电子具有的能量叫费米能,这个面叫费米面。在温度T下,费米面附近kT范围内的电子会对晶体的宏观性质产生决定性影响,因此分析费米面是固体物理的重要任务。在超导理论中,由于库柏对中电子反自旋,因此作为一个整体,它是玻色子,不受泡利原理的限制。库柏对在较低温度下可以凝聚在同一个量子态上(玻色-爱因斯坦凝聚),故可以有比费米面更低的能量,从而形成一个能隙。能隙的形成是超导电性的重要标志。
所谓单电子隧道效应,就是在两块金属之间夹一层绝缘体,在外电压下,电子有一定的概率隧穿绝缘体的势垒(而经典理论认为电子是不可能穿过绝缘体的),形成隧道电流。而超导约瑟夫森效应是指库柏对的隧道效应。理论计算表明,在无电场和磁场的情况下,隧道结上可以存在电流,此即零电压电流效应。著名的A-B效应表明,磁矢势A也是物理实在,它能对波函数的相位进行调制,因此在隧道结上外加磁场可以改变波函数的相位。随着磁场强度的增加,电流强度出现了类似于光学单缝衍射那样的变化趋势,称为量子衍射效应。这两个效应统称直流约瑟夫森效应。在隧道结上加一直流电压V,会产生频率为2eV/h的相干电磁波,频率在微波和远红外段,其逆过程,也就是外加一个交变电磁场从而产生直流电流也是可以实现的。这种现象叫交流约瑟夫森效应。
应用约瑟夫森效应可以制造很多超导微电子器件,其优点是非常明显的:1:响应时间快,一般可以达到ps级,比半导体器件快1到2个量级;2:集成度高,目前可以在每平方微米上集成1000个约瑟夫森,比半导体集成度高4到5个量级;3:功耗极低,可以低至1微瓦,比半导体器件低3到4个量级;4:能耗极小,每个门只消耗10^(-15)J到10^(-17)J,比半导体低3个量级;5:工作电压低,可低至3到10毫伏,比半导体低3个量级;6:超导传输线有极低的功率色散和良好的匹配性能,任何导体都无法比拟;7:可爱科技爱生活性高,深低温避免了热噪声、扩散、电迁移、腐蚀等造成的失效。
超导微电子器件可分为二端超导器件、超导量子干涉器、三端超导器件三类。超导量子干涉器件的应用是很广的。由于磁场可以改变波函数的相位,故隧道结对磁场特别敏感,可以作为超高灵敏度微磁探测器和超高速开关。当附加一些线圈时,可以改装成检流计、伏特计、安培计、电流比较器、直流放大器、甚低频天线、磁场梯度计、磁化率测定仪、磁谐振频率仪等。量子干涉仪灵敏度高、频率相应好、测磁范围广、线性特性好、成本低、携带方便、稳定可爱科技爱生活、结构简单,可分为单结、双结、三结、四结型。单结量子干涉仪由具有一个约瑟夫森结的超导环和LC谐振回路组成,其结构简单,成本很低。双结型量子干涉仪由两个约瑟夫森结组成,电流通过超导环(含有对称的两个结),其载流子库柏电子对的波函数相位受环内磁通的调制,形成类似于双缝干涉那样的关系。三结量子干涉仪已作为基本器件广泛应用于逻辑集成电路中。而三端超导器件主要有超导结型三极管和超导场效应管。
1911年就已经发现的超导现象,直到1957年才了解到它的本质,而一直等到1962年约瑟夫森效应的发现,超导的魔力才整个爆发出来,向应用领域发出了冲击波。超导理论在现代物理学、电子学和电工学、化学、生物学、医学等领域内占有重要的地位,在受控核聚变、高能粒子加速器、超导电子计算机、超导接收机、超导磁强基、超导磁悬浮列车、磁流体发电机、人体核磁共振成像等方面,超导有着几乎不可替代的作用。 <br/>磁性是物质的一种普遍属性,从古至今,人们都一直在探索磁性的奥秘。安培的分子电流假说解释了顺磁性和抗磁性物质,现在我们已经知道,即使是最简单的顺磁和抗磁物质,经典力学也是无法解释的,安培分子电流的本质是量子的,只能用量子力学来分析。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:57:44 | 显示全部楼层
相对论总结
在20世纪的100年中,量子论和相对论都获得了极大的成功。从波尔和索末菲的早期量子论到薛定谔、海森堡、波恩、泡利、狄拉克的量子力学,从二次量子化、重正化到杨振宁和米尔斯的规范场论的建立,从弱电统一、大统一到超弦理论的提出,量子论已经发展为相当成熟的理论,并广泛深入到人类的科研、生产和生活之中。
爱因斯坦最初提出狭义相对论,是一个宏观高速运动的理论。他把时间和空间联系为一个不可分割地整体(四维时空),把能量和动量联系为一个不可分割的整体(四维动量)。后来的广义相对论进一步认为物质与时空也是不可分离的,它们存在相互作用:物质引起时空弯曲,时空影响物质运动。广义相对论后来用于研究宇宙的结构和演化,使人们认识到,宇宙同生物界及人类自身一样,也处在不断演变和进化过程中。
广义相对论预言和描述了一朵至今尚未发现的灿烂花朵----黑洞。黑洞最初被认为是一颗死亡之星,后来突然发现黑洞有丰富的内涵,它有量子效应和热效应,有着充沛的生命力,是一颗生命之星。黑洞表面引力可视为温度,表面积可看作熵,有负的热容量,发出热辐射后,自身温度反而升高,因此与外界难以形成稳定的热平衡。大黑洞温度很低,小黑洞有极高的温度,最终会爆炸。
广义相对论的研究,特别是黑洞理论的研究,引出了物理学的一个基本困难----奇点困难。物理学的另一个困难也来自弯曲时空的研究。多年探讨表明,引力场量子化后不能重正化,存在一些无穷大项没法消除,即使采用现在的任何一种超对称、超引力和超弦方案都解决不了这一问题。相对论明确指出引力波的存在,美国科学家泰勒和赫尔曼发现了脉冲双星,提供了引力波的间接证据,因此他们共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。所以引力场量子化的想法是合理的,却总不能成功。人类知道的四种相互作用中,前三种都量子化了,唯独引力场碰到了大麻烦。奇点困难和引力场量子化困难是21世纪前夜摆在物理学工作者面前的两大难题,它们有可能把物理学导向一场新的革命。我们可以隐约的感到,物理学似乎再一次处于重大变革的前夜,新的理论必定是现代物理学各分支的一种统一,尤其是相对论和量子论在更高水平的统一。
从人类有自我意识起,就开始不懈的寻求自然界的终极奥秘。从亚里士多德到伽利略,再到牛顿、爱因斯坦……每一步都走得那么艰辛,每一步却又都掀起一场空前的变革,科学的威力已经使人们深信,科学可以使这个时代的傻瓜胜过上个时代的天才。我们可以嘲笑亚里士多德,也许不久之后会有人嘲笑爱因斯坦,但这终究不过是傻瓜在嘲笑天才。我们知道亚里士多的不知道的东西,比如地球绕着太阳转,但我们拥有的只是别人告诉我们的知识,我们更需要的是思想,是一种天才的预见性。你给我一个苹果,我给你一个苹果,我们每人只有一个苹果;你给我一种思想,我给你一种思想,我们就各自拥有两种思想。只有知识而没有思想的人,可能会是个很好的老师,却绝不会是一个真正的科学家。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:58:08 | 显示全部楼层
仰望星空
当你在散步时踢着一块小石头时,有没有想到过它有过一段“刻骨铭心”的经历,有没有想到过它曾经是一团氢气?
通过求解爱因斯坦的场方程可得到大爆炸解,宇宙已经存在了大约137亿年,极早期的宇宙已经在大爆炸标准模型中介绍过,因此不详细讨论了。结合粒子物理理论可得到宇宙大爆炸后的产物是约75%的氢和约25%的氦,还有极少数的重氢、锂等轻元素。与观测精确相符,但大爆炸并没有产生重元素,地球的这些物质从何处而来呢?这还要从星系的起源说起。 关于太阳系的起源问题,目前公认的说法是康德-拉普拉斯星云假说,即太阳系起源于星云。而这些星云中的重元素来源于几十亿年前的一次超新星爆发。最原始的星云中几乎只有大爆炸遗留的氢和氦,在万有引力和热运动的作用下平衡,但这种平衡并不稳定,微小的扰动可以产生不均匀的密度分布,而在密度较大的区域通过引力作用逐渐收缩并吸引周围的物质,同时引力势能转化为热能使天体升温,当中心温度升至一千万度时,点燃热核聚变反应,开始了氢聚变为氦的核反应,天体开始发光,形成一颗恒星,产生的光压与引力相平衡。大约燃烧几十亿到几百亿年之后,反应逐渐停止,引力大于光压,恒星开始收缩,引力势能进一步转化为热能,使温度上升。当中心温度上升到约一亿度时,点燃氦聚变为碳的反应(氦闪)。氦大约燃烧几百到几千万年,反应逐渐停止,引力再一次大于光压,使恒星继续收缩,此后的热核聚变逐一进行,碳聚变为氮,氮聚变为氧……直到聚变为硅,此时中心温度大约是20亿度,硅开始聚变,并引发成百上千种核反应,最终转化为铁。而铁是所有的元素中最稳定的,它若转化为其它元素就必须要吸热了。此时的元素家族已经是人丁兴旺了,但大都还留在恒星的内部。恒星的归宿有三种:(1)质量不大于太阳1.4倍的恒星最终演化为白矮星,直径只有几千公里(比如天狼星的伴星);(2)核心质量在1.4-3倍太阳质量的恒星将演化为中子星(如蟹状星云的中心);(3)核心质量大于3倍太阳质量的恒星最终收缩为黑洞。在形成中子星的过程中,会同时猛烈的向外抛出大量的物质,形成新的星云,这就是超新星爆发。而太阳系中的重元素正是来自超新星爆发后残留的星云。由以上叙述,我们可以看到,恒星是锻造元素的“坩埚”,夜空中的点点繁星中,正在进行着这些激烈的反应,正在一炉一炉的锻造着在生命看来比黄金贵重的多的元素:碳氢氧氮磷硫钾钙镁……原来,大自然在几十亿年前甚至上百亿年前就已经掌握了炼金术。
那么为什么不同的元素转化起来竟这样难,甚至需要几千万度到几十亿度的高温呢?粗略估算一下就可以知道,氦原子核中的两个质子间的排斥力大约是90牛顿。这么大的一个力竟加在两个质子上,可以说是难以想象的。好在核子间存在一种更强的核力将它们束缚起来不至散架。但核力是短程力,只在fm(10^(-15)m)数量级范围内才表现出来,因此要想创造新的较重元素就需要克服核子间的强大的排斥力使原子核接近到fm范围。一种方法就是提供高温使原子核高速运动,在碰撞中使它们结合。这就是古代的炼金术士都是骗子的原因。
遥远的的星空蕴藏着无穷无尽的奥秘,双星、聚星、变星、新星、超新星、白矮星、脉冲星、星团、星系、星云、类星体、星际物质、黑洞……它们大都进行着异常激烈的甚至是难以想象的各种变化,与之相比,地球乃至太阳系都不过是茫茫宇宙中的一粒微尘,而且似乎也显得太温和了。这些巨大的星体乃至整个宇宙都遵从着比较简单的,至少是我们可以理解的演化规律,甚至从大尺度上看,宇宙似乎像一个准确的钟表在不紧不慢的走着,我们甚至可以了解到从它诞生后的10^(-36)s直到137亿年后的整个演化规律,而且可以做出较高精度的预言。这不能不说是人类历史上一个巨大的胜利,同时也在鼓舞人们建立这样的信念:世界是可以理解的,宇宙服从简单的,至少是可以理解的、可以预言的规律。 <br/>然而,大自然似乎并不愿这么快将它的内涵全部表露出来,近30年来对非线性的研究又给了机械决定论沉重一击。它表明,既是对一个非常简单的系统,长时期的精确预言也是几乎不可能的,同时也给我们对概率的理解平添了一些神秘色彩,并且成为科技前沿,展现出了复杂世界的美。这又给自然界蒙上了一层神秘面纱。而这些成果却是源于一只蝴蝶……
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