自然科学概论_技术篇_

1纳米是什么 纳米是一个长度单位 第一章纳米和纳米技术 一 简介 2 纳米技术 在纳米尺度 0 1纳米到100纳米 的范围内研究物质所具有的特异现象和特异功能 通过直接操纵和安排原子 分子的手段来创造新物质材料的技术 1nm 10 9m 年 美国著名物理学家 诺贝尔奖获得者费曼作了题为 底部还有很大空间 的演讲 其中指到人类以后将根据自己的意愿 逐个地排列原子 制造产品 这被公认为是纳米技术思想的来源 3 纳米技术概论的提出 4 纳米技术的实现 1 扫描隧道显微镜 STM 的发明 才使纳米技术真正成为一门科学技术 宾尼博士 1981年 美国IBM公司在瑞士苏黎世实验室工作的科学家宾尼和罗雷尔发明了一种新式显微镜 扫描隧道显微镜 ScanningTunnelingMicroscope 简称STM 罗雷尔博士 获得1986年诺贝尔物理奖 扫描隧道显微镜是研究微观世界的眼和手 2 扫描隧道显微镜工作原理简介 1 势垒 在两块导电物体之间夹一层绝缘体 则在两个导体之间加上一定的电压时 通常不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的 两个导体之间存在着势垒 像隔着一座山一样 假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米 由于电子在空间的运动呈现波动性 根据量子力学的计算 电子将穿过而不是越过这层势垒 从而形成电流 如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样 这种现象称为隧道效应 2 隧道效应 3 STM的工作原理 视频 扫描隧道显微镜 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面 通过隧道电流获取图像 将针尖和样品表面作为两个电极 当其间距离足够小时 在电场的作用下 电子会穿过电极间的绝缘层 形成 隧道电流 STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描 1990年4月 美国IBM公司的两位科学家使用扫描探针将35个氙 Xe 原子在镍 Ni 表面上移动排列出5纳米高的 IBM 的构图 移动铁原子写成了两个汉字 原子 3 用扫描隧道显微镜 刻痕 或移动原子来得到的一些图片 1993年美国科学家在低温下 用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环 并且直接观察到了电子驻波的图形 铁原子的移动过程 1991年2月IBM公司用STM针尖移动吸附在金属铂表面的一氧化碳分子 描绘出 一氧化碳人 其身高为5纳米 我国的纳米先锋 中科院纳米科技项目首席科学家白春礼院士 中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图 中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜 在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图 并写出 中国 两个字 两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米 中科院北京真空物理实验室的科研人员通过STM在硅单晶表面上直接提取硅原子 形成平均宽度为2纳米 3至4个硅原子 的线条 二 纳米材料 1 纳米材料 纳米级结构材料 是指其结构单元 纳米粒子 的尺寸介于0 1纳米 100纳米范围之间 2 纳米材料的奇异特性 当远大于该结构的灰尘 雨水等降落在叶面上时 只能和叶面上凸状物形成点的接触 液滴在自身的表面张力作用下形成球状 在滚动中吸附灰尘 并滚出叶面 莲花 荷花的叶子表面的自我洁净 叶子表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小 荷花因具有 出污泥而不染 的特性 鹅毛和鸭毛的排列非常整齐 毛与毛之间的隙缝小到纳米尺寸 所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛 鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥 这种结构还极其通气 不用洗涤剂的纳米服装 2002年 一批高科技服装面料从实验室走上了展台 不用洗涤剂也能清洁的衣物 可用做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新 具有易洁纳米涂层的陶瓷 摔不碎的纳米陶瓷 纳米陶瓷 强度比常规铜高5倍纳米铜 纳米铜 天梯 古人幻想 顺着天梯就可以非常简单地上天 同步卫星或月球上放下一个天梯到地球 人们到太空游览或来往地球和月球之间就很容易了 组成天梯的材料 碳纳米管 碳的几种同素异形体 金刚石 石墨 碳60和碳纳米管等 它们的不同性质是由微观结构的不同所决定的 碳60和巴基球 1985年 美国科学家用激光束去轰击石墨表面 发现了C60 C60的外形像足球 中心是空的 外边围砌着60个碳原子 它们组成了12个五边形和20个正六边形 碳60有一个别名 巴基球 一个巴基球的直径是0 7纳米 碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状 纤维 内部是空的 外部直径只有几到几十纳米 其重量为钢的六分之一 但强度是钢的100倍 它像金刚石那样硬 却有柔韧性 可以拉伸 它的熔点是已知材料中最高的 碳原子既然可以排列成足球的形状 就可以排列成圆筒形 球形只能扩大成为越来越大的球 圆筒形却可以加长 成为一根纤维 于是科学家就用碳元素组成了一种圆筒材料 碳纳米管 碳纳米管是在1991年1月由日本的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的 碳纳米管 碳纳米管 是指用纳米技术将碳做成的细管 C60C60C70 金刚石 石墨 1 激光的产生 2 激光的特性 3 激光的应用 第二章激光和激光技术 1 激光的产生 1 激光 LASER 受激辐射的光放大 一 激光 1960年 美国物理学家梅曼 Maiman 在实验室中做成了第一台红宝石激光器 2 世界上第一台激光器 我国于1961年在长春光学精密机械研究所研制出第一台激光器 3 中国的第一台激光器 一 激光的产生原理 1 受激吸收 1普通光源发光 2 普通光源发光 自发幅射 处在高能级 E2 的原子 即使没有任何外界的激励 总是自发地跃迁到低能级 E1 并且发射一个频率为 能量h E2 E1的光子的过程 2 激光 受激幅射的光放大 1 受激幅射 1917年爱因斯坦提出 处在高能级上 E2 的原子 受到能量恰为h E2 E1的外来光子的激励 或诱发 或剌激 从而跃迁到低能级E1 并发射一个与外来光子 一模一样 的光子的过程 外来光子 受激幅射光子 受激幅射光子 与外来光子频率 相同 相位相同偏振方向和传播方向相同 2 受激幅射特点 受激幅射中 光子成倍增长 产生了光放大 受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的 粒子数反转状态 3 产生激光的必要条件 粒子数反转 三 激光器的结构 1 工作介质 产生激光的原子系统或可以实现粒子数反转的气体 液体或固体 2 激励源 泵浦或抽运 用来实现和维持粒子数反转 有电激励 光激励 热激励 化学激励等 3 谐振腔 要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造 四 激光器分类 1按工作物质的性质分类 气体激光器 固体激光器 液体激光器 半导体激光器 2按频谱分类 红外激光器 可见光激光器 紫外激光器 X射线激光器 3按激光器的能量输出大小分类 大功率激光器 中功率激光器 小功率激光器 微功率激光器 舞台上应用的激光是由可见光激光器发出的 第二节激光的特性 1 方向性好 激光发射到几千米以外 光束的直径也不过几厘米 2 单色性好 激光具有很好的单色性 是普通光源完全达不到的 普通光源单色性最好的谱线宽度为10 4nm的量级 而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光 632 8纳米 的谱线宽度达到10 8nm的数量级 3 高亮度 激光的亮度是普通光源的上百万倍 4 相干性好 就氦氖激光而言 其相干长度可达400km 1 激光测距 激光雷达2 激光用于农业3 激光用于加工领域4 激光用于医疗领域5 激光通信6 激光舞台与激光唱片7 激光武器 第三节 激光的应用 激光侦测 夜色降临 海面上有一无形的 视而不见 触而不觉的哨兵 红外激光探测器监视着海面 当有不速之客到来 光线挡断 光电探测器探测不到激光而进行声光报警 Laser 激光测距用途 能迅速而精确地测定目标距离 将距离信息直接输送给火炮系统 大大提高武器的射击精度以及首发命中率 在各兵种中普遍使用 分别安装于各种坦克 地炮 舰艇 飞机上 精度一米 现在研制的激光相位测距仪 其精度可提高到0 1米 战例 1982年6月6日 11日 以色列对黎巴嫩战争中 以色列在直升飞机上装置了137枚陶氏反坦克导弹向黎巴嫩坦克发起攻击 导弹137枚 命中了99枚 取得了很大的成功 战果 投弹 137枚 命中 99枚 死弹 19枚 因没安装激光测距仪而射远 19枚 没命中 38枚 其中 激光通信 以激光作为载波传递信息的一种通信方式 2 1909年和1910年 昂纳斯获得了1 04K的液氦温度 第三章低温与超导 一 荷兰物理学家昂纳斯的贡献 1 1908年 昂纳斯在莱顿大学他所建立的低温实验室里实现了1 15K的低温 将最后一个没被液化的气体氦气液化了 3 1911年 昂纳斯用液氦冷却水银 当温度下降到 269 左右时发现水银的电阻完全消失 4 1912年12月发现了锡和铅的电阻消失现象 5 1913年昂纳斯在他的论文中第一次提到 超导电性 这个词 1913年昂纳斯获诺贝尔物理学奖 以表彰他研究低温下物质的性质 制成液态氦并测量它的温度 1 低温超导现象 导体的电阻在低温下为零的现象 2 超导材料 具有超导性能的材料 二 低温超导 三 超导材料的二个宏观特征 1 完全导电性 零电阻效应 2 完全抗磁性 迈斯纳效应 四 超导材料的三个临界值 材料从正常态转变为超导态 或超导态转为正常态 所需要的温度 电流密度和磁场强度分别叫做临界温度 临界电流密度 临界磁场强度 五 高温超导 临界温度Tc达到温度77K 196 以上的超导材料称为高温超导材料 六 超导的应用前景 1低损耗电能传输 2磁悬浮列车 第四章电子信息技术 一 信息 1 信息就是消息 信息无处不在 2 信息需要载体 语言文字 音符 图表 3 对人类而言 人的五官是信息的接收器 它们所感受到的一切 都是信息 4 大量的信息是五官不能直接感受的 人类正通过各种手段 发明各种仪器来感知 发现它们 第一节概述 二 人类信息活动的五次变革 1 语言的产生 标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高 人类的信息活动从具体走向抽象 2 文字的创造 文字打破了时间和空间的限制 使信息可以传得更久 传得更远 实现了信息的共享 3 印刷术的发明 印刷术的发明使人类信息传递的速度和范围急剧地扩展 人类信息的存储能力进一步加强 并初步实现了广泛的信息共享 4 电信 电视 广播的发展 电信革命的实现 是人类划时代的进步 5 计算机和网络技术的产生 现代信息技术的产生 新型计算机与网络技术的出现 以及与通信技术的结合 使信息处理第一次达到了一体化和自动化 三 信息技术面临的问题 1 信息处理能力的增长远远赶不上信息量的增长 2 信息结构越来越复杂 处理越来越困难 3 信息的利用率越来越低 人们被埋没的数据和信息的海洋之中 不知所措 4 垃圾信息 越来越多 给信息的利用带来很大的麻烦和困难 5 信息的安全问题越来越重要 国家安全 银行 金融系统的安全 个人通信的安全 信息技术主要包括信息的搜集技术 信息的存贮技术 信息的传递技术 信息的处理技术 信息的利用技术 四 信息技术的主要内容 1 信息搜集技术在大量信息中搜集人们需要的有用的信息的技术 1 常规搜集技术 2 非常规搜集技术 信息技术是集数学 物理学 电子学 通信技术 计算机科学技术 智能科学技术以及控制理论与技术等于一体的交叉学科 2 信息存贮技术 把搜集到的有用信息记录和保存的技术 1 纸存储技术 2 缩微技术 3 磁存储技术 4 光存储技术 3 信息传输技术 将信息从一地传送到另一地的技术 这门技术的主体是通信技术 包括有线和无线通信 声通信和光通信等 5 信息利用技术 利用信息进行控制 管理 指挥 决策等技术 如管理信息系统 MIS 办公自动化系统 OA 4 信息处理技术 对各种信息进行的转换 加工 放大 提取和压缩等的技术 这门技术的主体是计算机技术 包括计算机技术 软硬件技术等 要实现信息技术包含的五大技术 需要微电子技术 光电子技术 计算机技术 网络技术等作为支撑 第二节微电子技术 一 什么是微电子技术 微电子技术是以集成电路技术为核心 设计 制造和使用微小型电子元器件和电路 实现电子系统功能的一种技术 以半导体晶体材料为基片 采用专门工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部 表面或基片之上 封装在一个外壳内 执行特定电路或系统功能的微小型化电路或系统 二 集成电路 IC 三 集成电路 按集成度 的发展历史 1 小规模集成电路 称SSI 每片集成100个晶体管以下的集成电路 2 中规模集成电路 称MSI 每片集成100 1000个晶体管的集成电路 3 大规模集成电路 称LSI 每片集成1000 100000个晶体管的集成电路 4 超大规模集成电路 称VLSI 每片集成10万 1000万个晶体管的集成电路 第三节光电子技术 在信息技术中的光电子技术主要是指光通信技术和光存储技术 这两种技术都是激光技术的应用 1 光电子技术 2 光电子技术开始的标志 1960年世界上第一台红宝石激光器的问世 第四节计算机技术 一 对计算机的诞生和发展做出重大贡献的两个人 阿伦 图灵 英国数学家 哲学家 密码破译家 30年代初 发表了一篇著名的论文 论数字计算在决断难题中的应用 他提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置 用它来计算所有能想象得到的可计算函数 图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论基础 ACM图灵奖1966年由ACM 美国计算机学会 创建 该奖有计算机界的诺贝尔奖之称 现代计算机之父 冯 诺伊曼 冯 诺伊曼确定了计算机的五大组成部分的作用和相互联系 形成了计算机的 冯 诺伊曼体系结构 这种体系结构和 存储程序 逐条执行 的设计思想决定了计算机用串行方式工作 串行工作方式很难再提高计算机的运行速度 目前已经进行了并行计算机和并行算法的研究 并且在诺伊曼计算机体系结构下部分实现了一些并行处理 冯 诺依曼教授 JohnVonNeumman 和他设计的 存储程序式 计算机EDVAC 埃德瓦克 二 计算机的发展史 第一代 电子管计算机 从20世纪40年代中期到20世纪50年代末期 第二代 晶体管计算机 从50年代中 后期到60年代中期 第四代 大 超大规模集成电路计算机 70年代中期以来 计算机硬件价格急剧下降 机器的性能价格比迅速提高 第三代 小规模集成电路计算机 从60年代中到70年代初期 第五代 智能计算机 第六代 神经网络计算机 三 计算机系统的组成 四 运算器和控制器 计算机的大脑CPU 1 传统应用科学计算过程控制事务处理 2 现代应用办公自动化 OA 生产自动化 PA CAD CIMS 数据库 DA 网络 NA 人工智能 AI 计算机模拟 CS 计算机辅助教育 CBE CAI CMI 五 计算机的应用 1材料 人类用来制造各种有用物件的物质 第五章材料科学和材料技术 一 概述 2 材料是人类生存和发展的物质基础 也是人类社会现代文明的重要支柱 材料的变化直接影响社会的变革 石器的使用诞生了人类 青铜器的应用使人类步入文明 铁器的使用使人类进入农业社会 蒸汽机的使用使人类进入工业社会 电动机的使用使人类进入电力社会 集成电路的应用人类进入信息时代 1 按物理化学属性分 金属材料 无机非金属材料 高分子合成材料 复合材料 2按使用性能分 功能材料和结构材料二类 二 材料分类 3按使用对象分 建筑材料 电子材料 生物材料 仪表材料 能源材料 纳米材料 金属合金材料 非晶态金属材料 超导金属材料 三 新型金属材料 歼 11机体制造中使用大量钛合金材料 外表轻薄如纸 优雅华丽 用手可轻易撕断的带形金属玻璃 非晶态金属 又称为 金属玻璃 由沸腾的钢液经每秒100万度的速度冷却而成 其内在结构发生了质变 原子从有序排列变成了无序排列 具有极优异的物理磁性能 化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能 传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何 可以在通信 交通 电子 家电 防盗等很多领域大显身手 四 高分子合成材料 1 高分子是由碳 氢 氧 氮 硅 硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物 2 高分子材料主要包括塑料 纤维 橡胶 薄膜 胶粘剂和涂料等 其中合成塑料 合成纤维 合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料 3 高分子材料特点 重量轻 高弹性 强度低 韧性好 粘弹性 耐摩性 绝缘性好 低导热性 耐热性 耐蚀性好 易老化 合成塑料 聚乙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料 全球总产量在1亿吨左右 透光性好的有机玻璃 亚克力 Acrylic 塑料王 的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯作为