适合高中学生的课外物理读物：物理科普

适合高中学生的课外物理读物：物理科普

阿基米德能举起地球吗

“给我一个支点，我就能举起地球。”相传这是古代发现杠杆原理的力学家阿基米德说的话。我们在波卢塔克的书里读到：“有一次，阿基米德写了一封信给叙拉古国王希伦，他同这位国王既是亲戚，又是朋友。信里说，一定大小的力可以移动任何重量(1)。他喜欢引用有力的证明，补充说：如果还有另一个地球的话，他就能到上面去，把我们的地球移动。”

阿基米德知道，如果利用杠杆，就能用一个最小的力，把不论怎样重的东西举起来：只要把这个力放在杠杆的长臂上，而让短臂对重物起作用。因此，他又想到，如果用力压一根非常长的杠杆臂，他的手就可以举起质量等于地球的重物(2)。

然而如果这个古代伟大力学家知道地球的质量是多么大，他也许就不会这样夸口了。让我们设想阿基米德真的找到了另一个地球做支点，再设想他也做成了一根够长的杠杆。你知道他得用多少时间才能把质量等于地球的一个重物，哪怕只举起1厘米呢？至少要30万亿年！

地球的质量天文学家是知道的。质量这样大的物体，如果把它拿到地球上来称的话，它的重力大约是：6000000000000000000000吨。

如果一个人只能直接举起60千克的重物，那么他要“举起地球”，就得把自己的手放在一根这样长的杠杆上，它的长臂应当等于它的短臂的100000000000000000000000倍。

简单地计算一下就可以知道，在短臂的那一头举高1厘米，就得把长臂这一头在宇宙空间里画一个大弧形，弧的长度大约是1000000000000000000公里。

这就是说，阿基米德如果要把地球举起1厘米，他那扶着杠杆的手就得移动大到这样不可想象的一个距离！那么他要用多少时间才能做完这件事呢？如果我们认为阿基米德能在1秒钟里把60千克的重物举高1米，那么，他要把地球举起1厘米，就得用去1000000000000000000000秒。

即30万亿年！可见阿基米德就是用一辈子时间按着杠杆，也不能把地球举起极小的一段距离。

不管这位天才的发明家怎样聪明，他也没法显著地缩短这段时间的。“力学的黄金律”告诉我们，任何一种机器，如果在力上占了便宜，在位置移动的距离上，也就是在时间上一定要吃亏。即使阿基米德的手能够运动得和自然界最大的速度——光速（300000公里每秒）——一样快，他也只能在做了十几万年的工作以后，才能把地球举起1厘米。

（1）在物理学中，重量概念已取消，应为重力。

（2）“举起地球”这句话，我们指的是，在地球表面上举起一个质量等于地球的重物。半导体激光器

这是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由GaAS（砷化镓）、InAS （砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS、InAs、InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS、ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

常规潜艇吊装鱼雷

鱼雷是一种海军常规水下攻击性武器，一般装备在鱼雷快艇、

驱逐舰、潜艇中,另外飞机也可以空投鱼雷对舰船实施攻击。其

主要作用是打击舰艇的水线以下部分，造成敌方舰船大量漏水使

之迅速沉没。过去的鱼雷大多采用蒸汽驱动两付转动方向相反的

螺旋桨为动力，因此在发射之后可以看到明显的蒸汽航迹，敌方

舰船有可能发现后采取转变航向进行躲避。现代鱼雷多数采用电动机驱动两付螺旋桨，所以其行径不易被肉眼发现，但是现代舰船上的声纳系统还是可以判断它的运动轨迹。现代战舰多数采用导弹作为主要武器，其原因是鱼雷的速度比较慢，水下制导的难度比较大。尽管出现了自动跟踪的制导鱼雷，但也大多数装备潜艇使用。

同学们想一想，为什么鱼雷的两付螺旋桨的转动方向是相反的呢？我们知道，当物体转动时，存在着转动扭矩。所以一付螺旋桨在转动时，鱼雷的雷体将向螺旋桨转动方向相反的方向转动，这样鱼雷就产生了侧滚运动，航迹也就不是直线的了，这就给瞄准装置的设计带来了难以克服的问题。因此人们采取了再加一付转向相反的推力螺旋桨来抵消第一付螺旋桨的转动扭矩，使鱼雷保持直线运动。同样，潜艇也是采用两付转向相反的螺旋桨。那么水面舰船如果也是两付螺旋桨，可不可以转向相同呢？会产生什么样的现象呢？思考一下。

同学们再想一想，这两付螺旋桨是完全一模一样的吗？到军事博物馆看一下。我们发现这两付螺旋桨就象我们的左右手，非常相象，但就是不一样耶。为什么？如果完全一样，转向相反，鱼雷还会前进吗？！

超导

氦的液化和超导电性的发现,十九世纪后半叶，在研究气体的性质随压强和温度变化的关系上，荷兰物理学家作出了重要贡献。

1873年，范德瓦尔斯（Wzdcr Waals）在他的博士论文《态和液态的连续注》中，提出了包括气态和液态的“物态方程”，即范德瓦尔斯方程。

1880年，范德瓦尔斯又提出了“对应态定律”，进一步得到物态方程的普遍形式。在他的理论指导下，英国人杜瓦（Dewar）于1898年实现了氢的液化。他所在的荷兰莱顿大学发展了低温实验技术，建立了低温研究所。这个研究所的创始人就是著名低温物理学家昂纳斯（Onnes，1853一1926）。

1882年昂纳斯应聘担任菜顿大学实验物理学教授，发表题为《定己测量在物理学中的重要性》的就职演说，他化了极大气力，以前所未有的规模装备低温研究所的实验室，举办训练技师和玻璃的技术学校，创办《莱顿大学物理实验室通讯》杂志，为低温实验技术和低温物理学的发展作出了贡献。

氦的液化

自从1813年法拉第第一次观察到疲化氯以来，各种气体的液化和更低温度的实现一直是实验物理学的重要课题。但实验的规模始终不能满足需要。1894年，盖勒德队（Cailleiiei）和毕克特（Piciet）分别在法国和瑞士同时实现了氯的液化。

1895年德国人林德（LLind）和英国人汉普逊（HamPson）利用焦耳一汤姆生效应（即多孔塞效应）开始大规模地生产液氧和液氮。著名的林德机成了低温技术的基本设备。

几年后，英国皇家学院的杜瓦实现了氢的农化和固化．本来以为达到了低温的极限，但接着发现调还存留庄残余气体中。他想了许多办法，经过多年努力，终未能实现氦的衣化。

昂纳斯决心攻克这一低温堡垒。荷兰莱顿大学比起英国皇家学院，条件当然要差得多，经验也可能不足，但是昂纳斯有足够的氦气，有配合默契的技术班子，特别是低温设备规模之大，使他有可能实现氦的液化。

1908年7月10日是一个具有历史意义的日子。这一天，昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。这一天值得大书特书，因为氦的液化不仅是昂纳斯和莱顿实验室的重大胜利，也是二十世纪物理学发展中的一件大事。因为它标志着二十世纪“大科学”首次登台，初战告捷。

昂纳斯的准备工作极其细致，他事先对氦的液化温度作了理论估算，预计在5-6℃，氦气大量储备，有充足的供应。液氢是目制的。在实验前一天，制备了75升液态空气备用。7月10日凌晨5时许，20升液态氢已准备好，逐渐灌入氦液化器中。用液氢预冷要极端小心，如果行很微囊的空气混人事统就会前功尽弃。下午一时半，全部灌进氦液化器，开始令氦气循环。液化器中心的恒温器开始进入从未达到过的低温，这个温度只有靠氦气温度计指示。然而很长时间看不到指示器有任何变化。人们调节压力、改变膨胀活塞，用各种可能采取的措施促进液化不断的工作，温度计都似动不动，很难作出判断。这时液氢已近告窑，仍然没有观下到入氦点半，眼看实验要以失败告终，有一位远讯前来观看的教授向昂纳斯建议说：会不会氦温度计本身的氦气也液化了，是不是可以从下面照亮容器。看看究竟如何？昂

纳斯顿开茅塞，立即照办。结果使他喜出望外，原来中心液化器中几乎充满了液体，光的反射使人们看到了液面。这次昂纳斩共获得了60cL的液氦。达到了4．3K的低温。他们又经过多次实验，第二年达到38.1。

尽管一直没有实现氦的固化，却为超导电性的发现作好了必要的准备。

超导电性的发现，昂纳斯的目标不仅在于获得更低的温度，实现气体的液化和固化，他更注意探讨在极低温条件下物质的各种特性。金属的电阻是他的研究对象之一。当时对金属电阻在接近绝对零点时的变化，众说纷纸，片测不一。根据经典理论，纯金属的电阻应随湿窒的降低而逐渐降低，在绝对零窒时达到零。不少人认为，理论不一定适用于极低温，当温室降低时，金属电阻可能先达一极小值，再重新增加，因为自由电子也许会凝聚在原子上。

按照这种看法，绝对零匿下的金属电阻有可能无限增加。两种看法的预言截然相反，孰是孰非，唯有实验才能作出判断。昂纳忻先是用铂丝作测试样品，测k电阻靠惠斯顿电桥。测出的拍电阻先是随温度下降，但是到液氦温室（七3K）以下时，电阻的变化却出现了平缓。于是昂纳斯和他的学生克莱（Clay）在1908年发表论文讨论了这一现象。他们认为是杂质对铂电阻产生了影响，致使铂电阻与温度尤关湖果金属纯净到没有杂质，它的电阻应该绍慢地向零趋近。为了检验自己的判断是否正确，昂纳斯寄希望于比铂和金更纯的水银。水嚷是当时能够达到最高纯度的金寓，因为采用连续蒸馏法可以做到这一点，。昂纳斯的水银管如图1．这是一沮U形毛细营，内径只有V20毫米，反复提纯过的水银在真空伏态下注入管中，水银降温后即凝固形成金属线。最难处理的问题是如何防上玻璃管在温度变化时破裂，于是就精Jc‘设计了贮存水银样品的U形音。从图、可见，在 U形管上端没有贮液器，以适应水银体帜的变化。在电阻两头设有四个端点，分别为电流接头和电位接头，电位接头又由铂丝引出。 1911年斗月的一天，昂纳斯让他的助手霍尔斯特（c。 Holsi）进行这项实验。水银样品浸于氦恒温槽中。恒定电流流经样品。测量电位接头引出的电位差。出乎他们的预料，当温度降至氦的沸点（4．2【】以下时，电位差突然降到了零。会不会是线路中出现了短路？在查找短路原因的过程中，霍尔斯特发现当温度回升到今K 以上时，短路立即消失。再度降温，仍出现短路现象。即使重接线路也无济干事。于是他立即向昂纳斯报告。昂纳斯起先也不相信，自己又多次重复这个实验：终于认识到这正是电阻消失的真正效应。品纳斯在1911年斗月28日宣布了这一发现。此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。！、月25日他作了《水银电阻消失速度的突变》的报告，明确地给出了水银电阻（与帘图2水银宅阻尖降为零报告中说：。“测量表明，从氢的融点直到氦的沸点附近，曲线呈现出电阻下降速度通常表现的那种逐渐降低的现象，……在略高于与略低于沸点处，即从七29K到今．21K之间也可清楚看出电阻育同样的逐渐变化的趋势。但是在年．21K与4．19K之间，电阻却咸小得极快，并在乎．19K 处完全消失。” 在赐K，1913年间，民纳斯又发现了锡（h）在 3．8K电阻突降为零的现象，随后发现铅也有类似效应，转变差匣估计为6K（后来证实为人20．N！二年、帛纳斯宣称，这些材料在低温下“进入了一种新的状态，这种伏态具有特殊的电学性质。”趄导一词就是昂纳斯命名的。昂纳斩进而研究杂质对超导的影响，出乎他的意料，在水银中加杂质并不影响迢导现象的出现＼看来，昂纳所为了试验最纯的金属，选用了水银）却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象——超导电性。。然而，对于昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然，因为第一，他首先实现了氦的液化，而且亘到二十年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温研究所有大规模的液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。所以超导电性的发现对于昂纳斯来说，又是必然的。昂纳斯因对低温下物质性质的研究，特别是液虱的制备祆1913年诺贝尔物理奖。他是继洛仑兹、塞曼和范德瓦尔斯之后荣获这一最高科学荣誉的第四位荷耸物理学家。

超导体

在温度和磁场都小于一定数值的条件下，许多导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的物体叫做“超导体”。1911年荷兰物理学家卡曼林-昂尼斯（1853～1926年）首先发现汞在4.173K以下失去电阻的现象，并初次称之为“超导性”。现已知道，许多金属（如锡、铝、铅、钽、铌等）、合金（如铌—锆、铌—钛等）和化合物（如Nb3Sn、Nb3Al等）都是可具有超导性的材料。物体从正常态过渡到超导态是一种相变，发生相变时的温度称为此超导体的“转变温度”（或“临界温度”）。现有的材料仅在很低的

温度环境下才具有超导性，其中以Nb3Ge 薄膜的转变温度最高（23.2K ）。1933年迈斯纳和奥森费耳德又共同发现金属处在超导态时其体内磁感应强度为零，即能把原来在其体内的磁场排挤出去；这个现象称之为迈斯纳效应。当磁场达到一定强度时，超导性就将破坏，这个磁场限值称为“临界磁场”。目前所发现的超导体有两类。第一类只有一个临界磁场（约几百高斯）；第二类超导体有下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当外磁场达到Hc1时，第二类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc2时，其体内的混合状态消失而转化为正常导体。现在已制备上临界磁场很高的超导材料（如Nb3Sn 的Hc2达22特斯拉，Nb3Al0.75Ge0.25的Hc2达30特斯拉），用以制造产生强磁场的超导磁体。超导体的应用目前正逐步发展为先进技术，用在加速器、发电机、电缆、贮能器和交通运输设备直到计算机方面。1962年发现了超导隧道效应即约瑟夫逊效应，并已用于制造高精度的磁强计、电压标准、微波探测器等。近两年来，中国、美国、日本在提高超导材料的转变温度上都取得了很大的进展。1987年研制出YBaCuO 体材料转变温度达到90～100K ，零电阻温度达78K ，也就是说过去必须在昂贵的液氦温度下才能获得超导性，而现在已能在廉价的液氮温度下获得。1988年又研制出CaSrBiCuO 体和CaSrTlCuO 体，使转变温度提高到114～115K 。近两三年来，超导方面的工作正在突飞猛进。

超声波及其应用

人耳最高只能感觉到大约 20 000 Hz 的声波，频率更高的声波就是超声波了．超声波广泛地应用在多种技术中．

超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播．它的应用就是按照这两个特点展开的．

理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大．在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度．这就是超声波加湿器的原理．对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．

金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事．如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净．

俗话说“隔墙有耳”(图1)，这说明声波能够绕过障碍物．但是，波长越短，这种绕射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射．如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了．这种仪器叫做声纳．声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度．

根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹．

人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的“B 超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变．

有趣的是，很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官．以昆虫为食的编幅，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物．海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置．现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器．深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学．

超子 质量超过核子（中子、质子）的各种重子。超子包括三种粒子，所有的超子的自旋均为

221h （h 为普朗克常数）；所以都是费密子。这三种超子为：(1)Λ°（lambda ）粒子——只有一种，不带电，其质量约相当于1，115.4Mev 。(2)Σ（sigma ）粒子——共有三种：Σ

＋，Σ°，Σ－。并且还有与其相当的反粒子。Σ+带正电，质量约相当于1，189.4MeV。Σ°不带电，其质量约相当于1，192.3MeV。Σ-带负电，其质量约相当于1，197.2MeV。(3)Ξ（ksi）粒子——共有两种：Ξ°和Ξ-，还有其相当的反粒子。Ξ°不带电，其质量约相当于1，314MeV；Ξ-带负电，其质量约相当于1，321MeV。超子都不能稳定存在，经过一定的平均寿命后，即衰变为其他基本粒子。其中：(1)Λ°粒子的半衰期约为2.6×10-10秒，其主要衰变方式为

Λ°→P+π-

Λ°→n+π°

(2)Σ+粒子的半衰期约为0.79×10-10秒，其主要衰变方式为

Σ+→P+π°

Σ+→n+π+

(3)Σ-粒子的半衰期约为1.58×10-10秒，其主要衰变方式为

Σ-→n+π-

(4)Σ°粒子的半衰期很短，约为10-14秒，很显然Σ°的衰变主要是一个电磁交互作用的反应，因此在衰变中有光子被放出来，其反应方式为

Σ°→Λ°+γ

(5)Ξ°粒子的半衰期约为3×10-10秒，其主要衰变方式为

Ξ→Λ°+πo

(6)Ξ粒子的半衰期约为1.75×10-10秒，其主要衰变方式为

Ξ-→Λ°+π-

Ξ粒子也称为递次粒子，因为其主要的衰变方式是先衰变为Λ°粒子，然后Λ°粒子再衰变为质子和介子。

潮汐产生的原因

到过海边的人都知道，海水有涨潮和落潮现象。涨潮时，海水上涨，波浪滚滚，景色十分壮观；退潮时，海水悄然退去，露出一片海滩。我国古书上说：“大海之水，朝生为潮，夕生为汐。”那么，潮汐是怎样产生的？

古时候，很多贤哲都探讨过这个问题，提出过一些假想。古希腊哲学家柏拉图认为地球和人一样，也要呼吸，潮汐就是地球的呼吸。他猜想这是由于地下岩穴中的振动造成的，就像人的心脏跳动一样。

随着人们对潮汐现象的不断观察，对潮汐现象的真正原因逐渐有了认识。我国古代余道安在《海潮图序》一书中说：“潮之涨落，海非增减，盖月之所临，则之往从之。”汉代思想家王充在《论衡》中写到：“涛之起也，随月盛衰。”他们都指出了潮汐与月球有关系。到了17世纪80年代，英国科学家牛顿发现了万有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太阳对海水的吸引力引起的假设，从而科学地解释了潮汐产生的原因。

原来，海水随着地球自转也在旋转，而旋转的物体都受到离心力的作用，使它们有离开旋转中心的倾向，这就好象旋转张开的雨伞，雨伞上水珠将要被甩出去一样。同时海水还受到月球、太阳和其它天体的吸引力，因为月球离地球最近，所以月球的吸引力较大。这样海水在这两个力的共同作用下形成了引潮力。由于地球、月球在不断运动，地球、月球与太阳的相对位置在发生周期性变化，因此引潮力也在周期性变化，这就使潮汐现象周期性地发生。潮汐发电

由于引潮力的作用，使海水不断地涨潮、落潮。涨潮时，大量海水汹涌而来，具有很大的动能；同时，水位逐渐升高，动能转化为势能。落潮时，海水奔腾而去，水位陆续下降，势能又转化为动能。海水在运动中所具有的动能和势能统称为潮汐能。

潮汐能的重要应用之一是发电。潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建筑一座拦水堤坝，形成水库，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组，利用潮汐涨落时海水水位的升降，使海水通

过水轮机时推动水轮发电机组发电。从能量的角度说，就是利用海水的势能和动能，通过水轮发电机转化为电能。潮汐发电的优点是成本低，每度电的成本只相当火电站的八分之一。

1913年德国在北海海岸建立了世界上第一座潮汐发电站。我国大陆海岸线长，潮汐能资源很丰富。1957年我国在山东建成了第一座潮汐发电站。据不完全统计，我国潮汐能蕴藏量为1.1亿千瓦，年发电量可达2750千瓦时，其中可供开发的约3850万千瓦，年发电量870亿千瓦时，大约相当于40多个新安江水电站。

电镀

利用电解作用，在物件之表面镀以一层金属以防止生锈，并使部件美观的加工工艺。电镀时以被镀之物件作为阴极，并以欲镀金属的盐或酸溶液为电解质，通以电流则溶液分解，金属附着于物体表面。阳极为欲镀金属逐渐被溶解，以保持溶液的浓度一定。用这种方法可以将各种金属镀在物体表面，在金、银、镍、铬等金属，不易生锈又比较光亮，所以很多机件和生活日用品往往都是电镀件。电镀时析出的金属皆为结晶体，晶体越细越均匀越好。在通常电镀工艺中的注意之点有：（1）电镀时电镀液里的金属离子浓度越低越好。而液体中的金属盐浓度则大些为宜；（2）要有适当的添加剂，添加少量的明胶等胶状物质。此种物质与金属共同被阴极吸收，可使被电镀的金属结晶变小；（3）电流密度不宜过大，因为电流密度小时结晶核的生成较迟，故结晶的成长甚佳，电镀比较均匀。电流密度过大结晶核多，各部分离子浓度不均匀，以致发生树脂状海绵状等；（4）要搅拌使电镀液均匀，以得到平滑的电镀；（5）温度要适当高一点，因为温度高可以使电镀液浓度增高，因而减少含氢现象；（6）酸性不宜过强，否则生氢而妨碍电镀；（7）电镀前应把金属件的锉痕、生锈或油污等弄平滑和清洗干净，再行电镀。

电晕放电

带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象，常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内（例如高压导线的周围，带电体的尖端附近）。其特点为：出现与日晕相似的光层，发出嗤嗤的声音，产生臭氧、氧化氮等。电晕引起电能的损耗，并对通讯和广播发生干扰。例如，雷雨时尖端电晕发电，避雷针即用此法中和带电的云层而防止雷击。我们知道，电晕多发生在导体壳的曲率半径小的地方，因为这些地方，特别是尖端，其电荷密度很大。而在紧邻带电表面处，电场E与电荷密度σ成正比，故在导体的尖端处场强很强（即σ和E都极大）。所以在空气周围的导体电势升高时，这些尖端之处能产生电晕放电。通常均将空气视为非导体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行徐徐中和。若带电导体有尖端，该处附近空气中的电场强度E可变得很高。当离子被吸向导体时将获得很大的加速度，这些离子与空气碰撞时，将会产生大量的离子，使空气变成极易导电，同时借电晕放电而加速导体放电。因空气分子在碰撞时会发光，故电晕时在导体尖端处可见亮光。

电子感应加速器

电子感应加速器是回旋式加速器的一种，它是利用变化的磁场而激发的感生电场而达到加速电子的目的。在圆形电磁铁的两极间，有一环形真空室，在交变电流激励下，两极间出现交变磁场，这交变磁场又激发一感生电场。从电子枪射到真空室的电子受到两个作用力：(1)受感生电场沿切向的加速力；(2)受磁场沿径向的洛仑兹力，充当维持圆周运动的向心力。电子计算机

电子计算机包括模拟计算机和数字计算机两大类，都具有度量和计算的简单观念。然而通常所指的计算机，都指数字计算机而言。实际上，每架大型的数字计算机，包括有成千个恒温器，求积计和小型模拟计算机，这些仪器都是以度量他量，来计算某量的。电子计算机的构造极为复杂，通常可分为输入、输出、记忆、计算及控制五大部分。又记忆、计算及控制三大部分称之为“中央处理机”。图3-89为其方框图。电子计算机的计算，是有一定的法则。通常它在作计算或逻辑运算时，已有一部分的法则储存于电子计算机中，其余的法则如数目字或指令，则由外界输入。因此，电子计算机在作运算时，必须将许多输入资料事先存储于记忆单位，然后再根据需要，依次自储存单位取出，进行计算。如图3-89记忆单位与计算单位是相互沟通的，记忆单位所存储的资料，送入计算单位中，经过运算后的结果，再送回记忆单位储存。此外，指令执行的先后次序，必须根据需要而且有一定的规则，因此电子计算机除了以上两单位外，必须有一控制单位，来执行所需要的指令。经由计算的结果，

并不能永远储存于记忆单位，必须取出，而用数目字或字母表达于报表或卡片上。电子计算机的功能，除了可以预测变幻无常的气象、进行医疗诊断，帮助引导人们到月球去，加强各大城市之间的通讯等。电子计算机还有绘制建筑图样和商业图表的能力，并被用来绘制各种美术图案。现在电子计算机已成为现代化办公室不可缺少的手段，在发达的国家电子计算机已进入家庭和生活中。

电子显微镜

是一种电子仪器设备，可用来详细研究电子发射体表面电子的放射情形。其放大倍数和分辨率都比光学显微镜高得多。因为普通光学显微镜的放大倍数和分辨率有限，无法观测到微小物体。以电子束来代替可见光束，观察物体时，分辨率就没有波长要在可见光谱之内的限制，不过电子透镜无法作得像光学透镜那样完美。因此理论上，电子显微镜所具有的分辨率并不可靠。目前电子显微镜的分辨率可达10-7厘米（约为原子直径的两倍）。通常电子显微镜的放大率是200～200 000倍，再经照相放大可达1000 000倍。电子显微镜有两大类：（1）发射型。（2）电磁、静电扫描型。前者用于研究电子放射现象；后者用以增加普通光学显微镜的应用范围。1924年法国物理学家德布洛意指出电子和其他的粒子也都具有和光类似的波动性质。他还求出了计算它们波长的公式mv

h =λ式中m 是粒子的质量而v 是它的速度，h 是普朗克常数。此公式发明的年代较早，后来由美国科学家德维生及革末用实验证明其正确性。既然正确，也就告诉人们：虽然电子是一种可称重量，可数数目，可以被电子枪发射的粒子，但它同时又是一种波。从公式中我们可以看到，如果使电子运动的速度十分巨大的话，它就可以明显地显示出波长极短的波动性。如果在光学显微镜中被观察物的大小比光波波长还小的话，人们就不能分辨出来。在实用上通常取波长λ的三分之一作为限度，光波波长约在6×10-5厘米左右，它的三分之一就是2×10-5厘米了。然而，有很多科学家急待观察的微小东西如病毒体、胶体粒子及结晶结构的大小都在这限度以下，既然如此，如果我们把一颗运动中的电子加速，使它产生巨大的速度，从而有极短的波长，则利用此原理制成的电子显微镜就能观察到极微小的物体了。把电子加速的办法是在真空中加上若干万伏的高电压，电子就会以极快的速度射出，其波长可能会达到4×10-5厘米这样短的长度，也就是说：电子显微镜可以观察到101043

1-??厘米或10104.1-?厘米这样小的物体。当然这是理论上的结果，在实际上由于仪器等等原因，不可能达到这样理想的地步。但无论如何，电子显微镜已可以放大五万倍以上；而有些精良到可将物体放大十万倍。电子显微镜中有一个电子枪，电子在枪集束射出，正像光学显微镜中利用光学透镜的成像作用得到显微的放大像一样，在电子显微镜中用磁透镜，使电子束会聚成像。我们把一片待观察的物体，例如一片很薄的晶体，放在电子显微镜中，电子束就会射向这片物体上，在一块荧光幕上就会得到一个放大的影像。如果在电子显微镜中用感光的底片代替荧幕的话就可以得到一张微观世界的珍贵图片。而一些特别好的电子显微镜，甚至可以观察到一些巨分子的结构！这些图片在科学研究上的价值十分重大。当然，在电子显微镜中不会这样简单，它要涉及电子射线通过物体产生不同的散射而造成明暗不同的影响。最近，有些电子显微镜是利用电子束的反射来观察较厚的物体例如病菌、病毒及其他极微小物体的巨分子组织。而最新的显微镜用的却不是电子显微镜，而是离子显微镜借以达到更短的波长，米勒曾经利用氦的离子显微镜成功地拍摄到金属表面的单独分子运动！这种离子显微镜可以分辨原子之间相隔百万分之二十七厘米的空隙，它是目前显微镜中最好的一种。

调幅

调幅是借声频信号或视频信号的强度（大小）变化迫使射频载波的振幅随之变化。由单一声频电波所形成的振幅调制，如图3－86所示。假设图3-86a 为1兆赫的载波，图3－86b 为1千赫的单音。如果将载波及单音的声频电波同时加在一个电阻上，其合成的波形则如图3－86c 所示，此时载波的振幅完全没有改变，只是其每周电波之瞬间极性有连续的改变而已，显然，这不是振幅调制，一无线电收音机无法判定这种信号的瞬时极性，所以也无法播出声音信号来。图3－86a 是所要调幅的信号的载波，此种已调幅的载波是将载波与声频电波同时加在一电路上，但电路的电流与所加的电压不是正比关系，也就是此电路是非线性的，

不能用欧姆定律来解释。为了达到调幅的目的必须利用非直线型电路。当电子管作用于特性电线的非直线部分时，电子管可说是一个理想的调制器。功率放大器的失真，是由非直线的电子管特性曲线所引起的。在某种意义上看，也可将振幅调制当作振幅失真来看，所以造成失真或调制，必须要一个非直线型电路。当电子管作用于特性曲线的非直线部分时，电子管可说是一个理想的调幅器。图3－86d是仅由两个额外频率的电波所形成的调幅载波，一个是1001千赫，也就是等于载波频率1000千赫与声频电波频率1千赫的和；另一个是999千赫，也就是载波频率1000千赫与声频电波频率1千赫的差，1001千赫的频率，称为高旁频率，999千赫的频率被称为低旁频率。在无线电波广播方面，调制载波的声频电波频率范围可达10000赫（10千赫），每一声频电波频率都能产生一个高旁频率及一个低旁频率，因此各声频频率所产生的总高旁频率与总低旁频率，就形成两个频带，一为高旁频带的最高频达1010千赫（对10千赫声频电波而言，低旁频带的最低频率达990千赫。因此借1000千赫载波以传送声频频率达10千赫范围内的电波时，发射频道之频带宽度必须有20千赫（从990～1010千赫），这不只对声频电波而言，就是对视频电波的传送，也是如此。就一般频道的总频带宽度言，也都是所需传送信息电波频率宽度的二倍。由此可知发射机及接收机的调谐放大器，不只通过射频载波一个频率，必须能通过整个频带宽度方可。为了能从已调幅的载波获得信息，所有的发射机及接收机电路，必须能通过具有高旁频带及低旁频带的全部频带。调谐电路必须具有选择能力，使所需的频带通过，并排斥不需要的频带。只讨论一些对载波振幅变化的原理还是不够。调制的程度是一个非常重要的因素，因为正是调制程度决定被传送的信号的强度及特性。图3－87是各种不同程度的调幅载波。图3－87a是声频调制信号电波。图b是未被调幅的载波。调制深度很低的已调载波则示于图3－87c，已调载波的振幅大小变化，完全随声频调制信号的变化而改变。但其振幅变化的程度较小。接收机的检波器之输出，只对载波的振幅变化有相应变化，而对载波的绝对大小无关。已调制载波的调幅程度很小时，声频信号将不会太大，并且此信号可能会被较强的杂波所湮没。如果调制深度大，声频信号一定非常强而又清晰。图3－87d的射频载波，已经被调制到最大的可能强度，振幅的最大值，是原来未经调制前载波振幅值的二倍，称为百分之百的调幅。如果调幅信号（即声频信号）电波的振幅再增大的话，所接收的信号电波，将产生失真的现象。调频

频率调制是借改变载波的频率变化而成，载波的振幅保持恒定，因此在接收后，已调载波振幅的变化，根本不必再出现于声频电波中，所以电杂波引起的振幅变化，完全没有作用。这也表示不受杂波影响的频率调制信号杂波比值，比振幅调变小得多，因此频率调制发射机的功率虽低，也可以得到相同音质的接收。再者，因为频率调制载波的频道，包括所传送20～15000赫的整个声频频带，所以频率调变具有高度传真性。频率调制所需频道的频带宽，比振幅射频调制大。在发展频率调制的同时，很宽的特高频率的频带从（30～300兆赫）内的信息传送，已经可得到了。频率调制广播所规定的总频带为83～108兆赫（即总频带宽为20000千赫），每一广播电台所允许频道的频带宽为200千赫；这表示在同一地区，可以同时有100家电台存在。调频也有它的缺点，如要达到调频的作用，发射机的载波频率必须要在一较宽的频率波段内偏移。虽然优良调频广播，并不需要发射机的频率偏移达最高允许限度（指定中心频率上下各75000赫），但高传真度性能的调频广播电台差不多都能接近这个限度。这样宽的频率范围在通用无线电广播波段是无法容纳的，故通用调频发送指定于88～108兆赫之间。在这频率波段中，调频遭遇到和电视观众所习知的同样缺陷，这便是调频的接收主要只限于离发射天线视线距离内，边远区的接收效果，在每天内的变化极大。调频的另一缺点是每一发射机需要一较宽的频率波段，在波段重叠的情形下便只能收到最强的发射机。这样便需要把全国各地发射机的工作频率，仔细地加以分配，以避免任何可能的重叠。调制

把一种波动变化特征加载到另一个波上，此种过程或所产生的结果称为调制。受调制的波称为载波，调制之波称为调制波。一般地说，就是高频振荡的某种性质随着某一低频信号的变化而变。这些变化的最简单情况，是高频振荡的幅度不为定值，而随作用于它的低频振荡而变化，这种情况叫做“调幅”，以区别于使频率发生变化的调制，即所谓“调频”或使相位发生变化的调制称之为“调相”。调制的用途，是借助于高频振荡以将某种信号发送出去。低频调制振荡相当于某种信号（如电报信号或某些声音），所以已调制的振荡便携带着

这些信号传播出去。利用复原过程（检波），这些信号就可以从高频已调振荡中分离出来。调制由专门的调制装置或调制器来实现，在无线电广播中，一般是应用调幅制，但在我国的许多地区也建立了调频制的广播。电视广播则是利用调频。振荡的幅度变化越大，则调制度越大。调制度m 通常用百分率%1002

121?+-=

I I I I m 来度量，且式中的I 1和I 2分别表示振荡的最大幅度和最小幅度。

俄罗斯导弹驱逐舰访问上海

导弹驱逐舰是以舰对舰导弹为主要武器对海上目

标实施打击，兼有防空、反潜、护航等任务的多用途

的水面攻击型战舰。一般排水量在3000-7000吨。其

主要作战任务是为大型舰队和运输船队护航。其他武

器装备有舰炮、高炮、对空导弹、反潜深水炸弹、鱼

雷等

为什么比重大于水的钢铁战舰可以漂浮在水面航

行呢？

同学们还记得在中学物理中学过的“浮力”吗？

当物体浸入液体中，所浸入的部分就要排开这部分的

液体，当排开液体的质量和物体的总质量相等时，物

体就停止下沉了。如果继续下沉的话，物体排开液体的质量将大于物体的总质量，物体就会上浮。因此，舰船的水下部分的体积是比较大的。我们可以通过观察舰船的吃水刻度来计算舰船的载重。想一想怎么计算？（假设刻度反映的是吃水部分的体积数）

对了！载重量=刻度数×液体的比重 - 舰船的自重

判断一下，同一艘舰船在江水和海洋里，它的吃水哪一种深？（海水的比重大于江水的比重）

二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点：第一，它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。第二，它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。第三，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用，如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。

高能物理

即“高能粒子物理”。研究具有很高能量（一般在1GeV 以上，1GeV=109eV ）的基本粒子的性质，以及它们之间的相互作用和转化规律，这对物质结构的认识具有重要意义。高能加速器是高能物理研究的基本设备之一，目前最大的加速器能把质子加速到具有几百GeV （千兆电子伏）的能量。另外宇宙射线中也含有高能粒子，这一部分的研究也属于高能物理范畴。 固体激光器

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如

Cr3+）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、S2+、Dy2+等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（AL2O3）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG ：Nd3+）为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

光导纤维

光导纤维是利用全反射规律而使光沿着弯曲途径传播的光学元件。它是由非常细的玻璃纤维组成束，每束约有几万根，其中每根通常都是一种带套层的圆柱形透明细丝，直径约为5～10微米，可用玻璃、石英、塑料等材料在高温下控制而成。它已被广泛地应用于光学窥视（传光、传像）和光通讯。光导纤维的结构如图4—6所示，内层材料选取的折射率大，外层材料的折射率低，就是要在内外层之间的界面上产生全反射，以保证光的传输效率。如图4—7所示，单箭头线表示临界光线，它在内外层分界面上的入射角等于或小于临界角A 。若在折射率为n 0的媒质中入射角大于i 0的那些光线（以双箭头表示），在n 1、n 2分界面上的入射角就小于A ，这些光线无法通过纤维而在其中传播。只有在媒质n 0中其顶角为2i 0的锥体内的全部光线才能在光学纤维中传播，根据临界角的定义12sin n n A =

和折射定律n 0sini 0= n 1sini 1可得22

21211100sin 1cos )2sin(sin n n A n A n A n i n -=-==-=π

所以对于一定的n 1和n 2，i 0的值是固定的，纤维所容许传播的光线所占的范围是一定的。要使更大范围内的光束能在光学纤维中传播，应该选择n 1和n 2的差值较大的材料。通常把n 0sini 0的值叫做光导纤维的数值孔径。光导纤维可用于潜望镜和内窥视系统，它可以窥视人眼所观察不到的或有损于人体健康的地方。国防上可以制成各种坦克、飞机或舰艇上的潜望镜。医学上可以用来制作胃、食道、膀胱等内腔部位进行检查和诊断的各种医用窥镜。如果配有大功率激光传输的光学纤维，还可进行内腔激光治疗。由于光纤通讯与电通讯相比具有许多优点，诸如抗电磁干扰性强、频带宽和保密性好、通讯容量大，设备轻巧，制取纤维的二氧化硅的资源又十分丰富。近年来已有数百条光纤通讯线路在世界各地进行试验或正式运行。光导纤维的问世，为光能的应用开辟了更广阔的天地。

国产歼五喷气战斗机

歼五是

沈阳飞机制

造公司生产

的亚音速喷

气战斗机，是

中国制造的

第一种喷气

式飞机。沈飞

于1955年初

开始，根据前

苏联提供的

米格-17Φ喷气歼击飞机为原型进行仿制。1956年7月19日，歼五原型机首次试飞成功，同年9月停产，共生产767架。该机主要用于昼间截击和空战，也具有一定的攻击能力。其改进型歼五甲，机头装有雷达，用于夜间截击空战。

歼五翼展9.60米，机长11.36米，机高3.80米，机翼面积022.6平方米。最大起飞重

量6吨，最大平飞时速1145公里，实用升限16000米，最大航程1560公里。装1台WP-5涡论喷气发动机。机头左侧2门23毫米机炮，机头右侧1门37毫米机炮；左右翼下可各挂1颗100～250公斤炸弹。

核反应

利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核时，由于相互作用而产生各种变化的过程叫做核反应。在核反应过程中将有能量放出或吸收。所放出或吸收的能量叫做反应能。放出能量的核反应叫做放能反应，吸收能量的核反应叫做吸能反应。历史上第一个人工反应是由卢瑟福在1919年实验的，他用α粒子（He 4

2）轰击氦，产生了

H O He N 1117

84214

7+→+的核反应。现在利用各种加速器和原子核反应堆，能进行上万种核反应，由此获得了千余种放射性同位素和各种介子、超子、反质子、反中子等基本粒子。任何核反应的过程都遵守能量、动量、质量和电荷等守恒定律。这方面的研究对于了解原子核的结构，基本粒子间的相互作用。以及探索新的能源等方面都有重大意义，通过裂变反应而释放出来的巨大能量在技术上已能加以控制和利用。要发生吸能反应，入射粒子的能量必须大于阈能。阈能的值大于反应能。如果入射粒子的能量小于阈能，吸能反应就不能发生。反应能的量值和符号，可以按爱因斯坦相对论的质能关系式加以确定。如果引起反应的粒子和靶核的静止质量分别为M a 和M x ，反应后产物的静止质量分别为M b 和M y ，根据质量守恒定律应满足下式：m M M M M b y a X ?++=+

如果Δm ＞0，则在反应中是放出能量的。反之，当Δm ＜0时，反应将吸收能量。反应中放出或吸收的能量为ΔE=Δmc 2

核反应堆

使原子核裂变的链式反应能够有控制地持续进行而获得核能的装置。是利用原子能的一种最重要的大型设备。如果裂变反应达到一定强度后，控制中子倍增系数K=1，这时裂变链式反应就能有控制地按照这一强度进行下去，不发生爆炸而输出巨大能量。按照不同的目的和要求，反应堆有许多型式。原子核反应堆主要有三种类型，它们是非均匀反应堆，均匀反应堆和增殖堆。(1)非均匀反应堆：此种反应堆的中心部分用重混凝土屏蔽，以防止各种放射性射线对反应堆周围人们的伤害。堆芯部分装着铀棒，这些铀棒是浓缩铀，这些铀棒插在减速剂（通常为石墨或重水）中，减速剂的作用是使裂变产生的高速中子和石墨或重水的原子碰撞后变成慢中子，慢中子不会被铀-238吸收，但能引起铀-235的分裂，所以减速剂使中子倍增系数K 增加。堆芯中还插有控制棒，它们插在各层铀棒之间，通常是用碳化硼或镉制成的，它能吸收中子，控制棒推入深些，吸收的中子就多，逐渐拉出吸收的中子就渐渐减少，通过控制棒插入的深浅可以控制堆芯内的中子数，从而控制了链式反应的速度。堆芯的外面是传热剂，如液态钠吸收了反应堆放出的能量以后，由泵打到热交换器，在那里把热量传给水，然后再回到堆芯去循环。水获得热量后成为蒸气，可以推动汽轮机工作。可用于发电机组的动力，核潜艇的动力等。(2)均匀反应堆：这种反应堆是将浓缩铀的盐类溶解在重水中（重水又作为减速剂），然后通入堆芯，堆芯有一定的体积，在其中进行链式反应，镉棒插入堆芯以控制中子倍增系数K 。溶解着铀的盐类的重水本身同时作为传热剂，这就是均匀反应堆。(3)增殖反应堆：当铀-238俘获中子以后，经过两次β蜕变形成了钚-239。在天然铀中主要是铀-238，其中有一部分钚-239。如果有一个钚-239在中子作用下发生了裂变反应，同时放出几个中子。其中有一个中子引起其他的钚-239发生裂变，而剩下的中子被铀-238俘获后蜕变成钚-239，这就意味着，这块天然铀中不但有钚-239的链式反应，而且还有钚-239的增殖。一个增殖反应堆，中心处是活性区，活性区内是铀-235和稀释剂，铀-235裂变而放出快中子。这些快中子射入围成一圈的铀棒使钚-239增殖，当铀棒中的钚-239增加到一定的程度，增殖和链式反应就开始。这种反应堆可以用较易得到的天然铀作铀棒，其功率也由控制棒来控制。当需要停止反应堆的工作时，可将所有的控制棒全部插进。将大量的中子全部吸收，链式反应停止，反应堆停止工作。反应堆的核燃料的链式反应，不象其他的化学燃料，在燃烧时需要氧气。所以核潜艇的隐蔽性更强。可以长期沉于水下，不需要到海面上吸气。

核能

如果一个原子核裂变，会释放出巨大的能量，这种能量叫做核能。当原子核裂变时，它

们也发出射线，这叫辐射。能发出放射线的物体具有放射性。太阳里有巨大的能量，在那里原子核不是裂变而是聚变，这是产生核能的另一种方式。在核电站内，核反应堆使原子核裂变，以热能形式释放能量，热能被用于产生电能。一颗原子弹产生了巨大的爆炸，成百上千亿个原子核同时发生裂变并释放出巨大的能量。爆炸以后，危险的核辐射要遗留许多年。右图中的标记意思是：“危险！放射性！”它被用在有放射性物质存在的地方。放射性物质是非常危险的，因为它们能引起燃烧，还能使人和动物生病。

恒星的生命历程

像地球上的万物一样，恒星也有一个产生、发展、灭亡的过程。

一、恒星的诞生

在恒星起源问题上，现在主要有两种观点：一种观点认为恒星是由弥漫物质凝聚形成的，称“弥漫说”；另一种观点认为，恒星是由超密物质爆发形成的．不过，越来越多的观测证据支持“弥漫说”，并逐渐得到大多数天文学家的公认．下面介绍这一观点。

设想在银河系里，远离我们几千光年的某个地方，一团巨大的星际气体和尘埃云寂静地穿越近于完全真空的空间．这团星际云的稀疏边缘向四周黑暗延伸几兆英里之遥．星际云占有如此广漠的空间，因此尽管它具有巨大的质量，但原子在星际云的庞大体积里的分布是很稀疏的。

某个特定的时候，在来自宇宙空间冲击波的作用下，相距很远的原子突然紧紧地拥挤在一起，星际云本来是透明的，但由于原子靠近在一起，微弱的星光不再能穿透通过，这时星际云变成了暗星云．冲击波的另一个作用效果是使有些地方含有比平均数稍多的原子数，有些地方含有比平均数略少的原子数，含原子数多的地方引力大，会把附近的原子吸引过来。以这种方式，星际云开始瓦解成团块或球状体。

球状体是不稳定的，在引力作用了球状体开始收缩，变得越来越小，其核心的压力越来越大，温度也随之不断上升．当温度上升到一定程度后，它内部深处的气体开始发光，这时球状体不再是暗黑的了，它已转变为一颗原恒星。原恒星继续收缩，当原恒星中心的温度达到一千万度时，氢燃烧了，4个氢原子核结合在一起生成了氦核，这就是我们常说的热核反应（氢核聚变）．在这个过程中，减少的质量转换为纯粹的能量．由于氢燃烧释放出巨大的能量，原恒星最终能支撑住它的外层质量，于是收缩停止了，一颗恒星由此诞生了．

二、恒星的演化

以太阳为例来说明恒星的演化．大家都知道，太阳能够发光的原因是因为它在不断地进行热核反应释放出巨大的能量，我们看到的光就是太阳热核反应放出的能量．每一秒钟，在太阳的中心有6亿吨氢转换成氦，释放出的巨大能量一方面向外界释放，另一方面用来支撑自己外层的巨大质量．随着时间的推移，太阳中心氦的数量越来越多，而氢的供应越来越少，直到某一天氢用完了，燃烧便中断了．由于不再有能量向外流出，太阳的核心部分在引力作用下变得不稳定，无力支撑住自己的质量，所以含有丰富氦的太阳核心开始收缩，太阳中心的压力和温度迅速增加，使核心以外的各层被加热．由于太阳核心与表面之间的各壳层仍然包含充裕的氢，在经过比较短的时间以后，收缩的核心上面的温度达到400万开左右，这个温度高到可使围绕太阳核心的一个壳层内的氢燃烧，同时，核心的这种收缩把大量的引力能转换成热能，把太阳大气向外推出．

随着壳层氢燃烧的开始，太阳突然有了新的热核反应能源．太阳无活力核心的不断收缩和这种新的向外大量供应能量，造成太阳发生巨大的膨胀．由于太阳的结构要保持与这种新能源的平衡，所以太阳的外层越来越向外扩展．大气膨胀就会引起自身湿度降低，最终太阳的表面温度降低到4000开．温度为4000开的物体发出的主要是红色的光，此时的太阳就变成了一颗红巨星．变成红巨星的太阳将变得很大，它将吞没地球，地球将化为蒸汽．在太阳外层膨胀和冷却的同时，无活力的核心压缩也在进行，太阳内部深处的温度升到新的高度．最后，太阳中心的氦原子核在1亿度的高温下，以高速相互碰撞的形式而熔合成碳和氧，于是出现氦燃烧的新的热核反应．氦燃烧所产生的新的能量输出，阻止了恒星核心的进一步收缩．当氦耗尽时，便到了类似太阳这样的恒星的生命发展的最后阶段．由于没有能力点燃任何新的热核反应，所以恒星会一直收缩，直到体积与地球大小差不多，这时，太阳就变成了一颗白矮星．

三、恒星的死亡

从现在起再过50亿年，太阳就会变成一颗白矮星而终结自己的恒星历程．白矮星的体

积不会再继续缩小．印度天体物理学家钱德拉塞卡发现，是“电子简并压力”支撑住了死亡的恒星，使白矮星不再继续收缩．这种简并压力并不是无限强大的，电子简并压力所支撑的物质总量有一个上限，这个很重要的上限是1．4个太阳质量，换句话说，只有那些残骸质量小于1．4个太阳质量的恒星才能变成白矮星，白矮星的密度值一般是每立方厘米60吨．

如果恒星遗骸的质量大于1．4个太阳质量的话，由于电子简并压力无法支撑住这个质量的压力．不得不继续收缩，这时出现了“中子简并压力”．这种强大的压力随即有力地抗拒任何进一步的挤压，这时，恒星的遗骸就被压成了一颗中子星．同样，中子简并压力不可能支撑住大于3个太阳质量的燃余恒星物质，因而所有中子星包含的物质必定小于3个太阳的质量．中子星的密度值一般是每立方厘米6亿吨．

自然界里，有许多恒星有巨大的质量，有些星系甚至包含40或50个太阳质量的物质．这类恒星的遗骸很有可能大于3个太阳质量，这类恒星的遗骸是电子、中子简并压力所无法支撑的．自然界中没有任何力量能支撑住它们，因此，在严酷无情的引力作用了它们只能不停地收缩．成万亿吨的燃余恒星物质的无比巨大质量从四面八方向里挤压，使这颗星变得越来越小，这颗恒星就这样从宇宙中消失了，遗留下来的东西被称为黑洞．它由一个奇点（单一的点）和视界组成．

黑洞以贪婪的、永无满足的方式吞噬东西，物体一旦掉进黑洞就永远从我们的宇宙中移去了．因为这种物体不再是我们宇宙的一部分，所以它的许多特性便再也检测不到．加到黑洞上去的不管是l 公斤白金，1公斤氢，或者1公斤有生命的组织，我们只把它看作是加上去三公斤质量，并不考虑在此之前它是什么东西．

参考文以

1 黑洞与弯曲时空．W ．J 卡夫曼著，何妙福 车饱印译．北京：科学出版社，1987，9

2 恒星和星云． W ．J 卡夫曼著，马星恒 杨 建 译．北京：科学出版社， 1988， 4 红宝石激光器

红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe （氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe 灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足h ν＝E2—E1（其中h 为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G 足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。

回旋加速器

回旋加速器是自己加速质子、氘核、α粒（氦的原子核）等使之获得高能量的装置。它是核物理研究的重要工具。图3-33为回旋加速器的示意图。D 1、D 2为装于同一水平面上的半圆形中空铜盒（又称D 形盒）。两盒间留有一定宽度的间隙，置于真空中。由大型电磁铁产生的匀强磁场垂直于D 形盒。由高频振荡器产生的交变电压加于两D 形盒间，这个电压将在两盒空隙间产生电场以加速带电粒子，而盒内由于电屏蔽效应其电场强度趋近于零。在加速器中心有离子源。产生的离子通过离子源的引出孔而进入回旋加速器中。假设此时D 2正好处于高电位，则离子将被两D 形盒间的电场加速而进入D 1盒中。D 1盒中不存在电场，但却存在由电磁铁产生的匀强磁场。因而离子以不变的速率在D 1盒中作匀速圆周运动，当离子的荷

质比和B 一定时，该圆周运动的周期qB

m M π2=

（见词目“电荷的圆周运动”）是确定值，它与速度v 和半径r 的数值无关。因而经过2T 后，离子绕过半个圆周从1D 穿出。若设计使得振荡电源的周期T 0=T ，这时两D 形盒的电位差的方向与前者相反，D 1处于高电位状态。离子

在D 形盒空隙中再次被加速获得新的能量。按相同原理，离子经2

T 后又从D 2穿出，继续被加速而进入D 1盒中，如此不断，直至被加速到所需的能量，由于离子圆运动半径qB

mv R =（见词目“电荷的圆周运动”）随v 值增大而增大。最后当被加速离子趋于D 形盒的边缘时，借助于一个有静电电势的偏转板可以控制粒子的运动，使粒子打在内靶或外靶上。假如D 形盒的半径为R D ，则R D 是离子作圆周运动的最大半径，此时离子速率值最大。 由qB mv R =可知，m

qB R V D =max ，则m B q R mv D 2222max 2121= 这就是回旋加速器径加速后离子所获得的最大动能。回旋加速器的优点在于以不很高的振荡电压对离子不断加速而得到高能离子流。若采用一次加速以获得如此能量，其加速电压

U 必定很高，因qU mv =2max 21，即m B q R U D 22221=，所以2221D R B m

q U = 假如离子是氘核其荷质比7108.4?=m

q （库仑/千克）。 设回旋加速器半径48.0=D R （米），8.1=B （韦伯/米2），则

22748.08.1108.42

1????=U =1.8×107（伏特） 即R D =0.48（米），B=1.8（特斯拉）的回旋加速器所获得的氘核能量，等效于直线加速器具有一千八百万伏特加速电压所得到的结果。由相对论可知，物体的质量与速度有220/1/c v m m -=的关系。其中0m 为0=v 时的质量，c 为光速。而回旋加速器必须满

足f f =0（或T T =0）的条件，而m

qB f π2=当m 随v 增大而增大时，f （粒子旋转频率）必然随之减小。若f 0恒定，则破坏了f 0=f 的条件，甚至可能起到减速粒子的作用。若使电子和氘核具有相同能量，由于电子质量远小于氘核，其速度就应远大于氘核，它将很快受到上述相对论效应的限制。因而回旋加速器一般用来加速较大质量的粒子，而不用以加速电子。加速电子可利用“电子感应加速器”。

霍耳系数

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场的方向的导体两侧产生电势差的现象。电势差的大小与电流和磁场强度的乘积成正比，而与物体沿磁场方向的厚度成反比。比例系数称霍耳系数，它同物体中载流子的符号和浓度有关。一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。因此，研究固体的霍耳效应可以确定它的导电类型以及其中载流子的浓度等；利用半导体的霍耳效应可以制成测量磁场强度的磁强计、微波技术及电子计算机中的元件等。有一个厚度为d 、宽为l 的导电薄片，沿x 轴通有电流强度I 。当在y 轴方向加以匀强磁场B 时，在导体薄片两侧（图中的A ，A ＇）产生电势差U AA ＇。这就是霍耳效应。假设所讨论导电薄片的载流子（参与导电的带电粒子）电量为0q 。若0>q 时，其定向漂移速度v 。薄片中这些正电荷的载流子在磁场B 中将受到洛仑兹力

B v q f ?+=||落，由图3-41a 可知，这些正电荷的载流子所得到的力沿+Z 轴方向。若薄片中载流子为负电荷，q ＜0，则其定向漂移速度/

v 与v 的方向相反、受的洛仑兹力B v q f L ?-=/||。虽然此力前有负号，但/

v 与v 方向相反，所以K f 也沿+Z 轴方向见图3-41b 。可见，由于B 的存在，定向运动的载流子（无论0>q 或0

设载流子为正电荷，由于洛仑兹力的作用，正电荷将在A 侧堆积，而在A ＇侧出现负电荷，并产生由A 指向A ＇的横向电场E t 。显然E t 对q 的作用力f e =qE t ，与f L =qvB 反向，当qE t ＝qvB

或当电场E t 满足E t =vB 时，定向运动的载流子所受合力为零。这时载流子将回到与磁场B 不存在时相同的运动状态，同时A ，A ＇两侧停止电荷的继续堆积，从而在AA ＇两侧建立一个稳定的电势差U AA ＇,??==L

A A AA Bdl Edl U 0//所以vBL U AA =/ 又电流强度I ＝nqvL ·d ，n 为单位体积的载流子数。则载流子的漂移速度v ＝I/nqLd 将其代入U AA ＇＝vBl 得d

IB nd U AA ?=1/ 若载流子为负电荷，作与前相同的讨论，仍然得到上式，不过式中q ＜0，因而U AA ＇＜0即A ＇点的电势高于A 点。只要我们将式中的q 理解为代数量，则/AA U 是霍耳效应电势差

d IB nd U AA ?=

1/的一般表达式。今式中k nq =1则d

IB k U AA =/，k 称为霍耳系数，与所测材料的物理性质有关。当载流子q ＞0时，k ＞0，所以0/>AA U ；当0

IB k U AA =/可由实验测得霍耳系数k ，从而确定该材料的载流子浓度n ，以及载流子的电性能（q ＞0或q ＜0＝。霍耳效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍耳效应以确定一种半导体材料是电子型（n 型——多数载流子为电子）还是“空穴”型（p 型——多数载流子为空穴）。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其它因素的影响很大，因此霍耳效应为研究半导体载流子的浓度的变化提供了重要方法。nq

k 1=的形式，这只对单原子价的金属符合，而对双原子价的金属以及半导体材料，霍耳系数不能写成这种形式，必须用量子理论来说明。但半导体材料的霍耳系数k 与其载流子浓度n 之间仍有反比关系。利用霍耳效应的霍耳元件有很多方面的用途：例如测量磁场；测量直流和交流电路中的电流强度和功率；转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流或交流讯号等。

基本粒子

泛指比原子核还要小的物质单元。包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。现今已发现的基本粒子有30余种，连同它们的共振态共有300余种。每一个基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋、平均寿命等；它们中的多数是不稳定的，在经历一定的平均寿命后转化为别种基本粒子。基本粒子有的是中性，有的带正电或负电，电量大小与电子相同。它们的质量大小有很大差别。按照基本粒子之间的相互作用，可以把它们分为三类：(1)强子。质子和中子之间的作用力，是一种比电磁作用大很多的相互作用，叫做强相互作用。凡是参与强相互作用的粒子，都叫做强子。强子包括重子和介子两类。(2)轻子。轻子都不参与强相互作用。μ介子、电子、μ中微子和θ中微子都属于轻子。(3)光子。光子只有一种光子。即人们常说的光量子。许多基本粒子都有对应的反粒子。一对正反粒子相遇时，会同时消失而转化为别种粒子，这种现象叫做湮灭（湮没）。 激光

用电学、光学及其它方法对工作物质进行激励，使其中一部分粒子激发到能量较高的而又能维持时间较长的所谓亚稳态上去，当这种状态的粒子数量大于能量较低状态的粒子数时，叫做粒子数的反转。由于场效应的作用，处于高能态的粒子受到感应而跃迁到低能态，同时发生光的辐射，这种辐射称为受激辐射。这种辐射又感应其他高能态的粒子发生同样的辐射。受激辐射的特点是辐射光和感应它的光子同方向、同位相、同频率并且同偏振面。若把激光的工作物质置于谐振腔内，则光辐射在谐振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过工作物质，使工作物质中处于反转态的粒子不断受到感应而发光，一个粒子的辐射感应一大片造成雪崩似的放大效果，而形成一束强度很大、方向集中的光束，这种光束称之为激光。激光的特点是：具有很好的单色性、方向性和相干性，并且亮度极高。（1）单色性——如氦氖激光器发射出频率为4.74×1014赫兹的红色激光，它的频带宽仅是9×1012赫兹。（2）方向性——激光光源的光束延伸几公里后扩展范围的线度不到几厘米，而探照灯延伸几公里后的扩展范围的线度有几十米。（3）相干性——受激辐射满足干涉条件，因而激光具有很好的相干

性。（4）高亮度——由于激光能把巨大的能量高度集中地辐射出来。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒时间内产生几千万度的高温。自从激光问世以来，不但使古老的光学又变得生气勃勃，并促使许多科学技术领域发生了巨大的变化，诸如激光手术刀，激光切割，直至激光武器等等。

激光的形成与发展

自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。

本文将就激光的形成与发展作一简要阐述。

一、历史的回顾

激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不开的，至少可追朔到过去的５０年。首先十九世纪末引起物理学观念的革命，１９００年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，１９１７年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相同偏振，相同传播方向等特性。但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至１９５５年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。后于１９５８年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。终于１９６０年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验。

二、激光发射的基本过程

（１）辐射的吸收与发射。众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。在微观世界中电子绕核运动能量不能有任意值，只能取某些固定值，为了表达电子的能量状态，通常用符号E 来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态0E ，当电子离开基态至能量提升状态时称为激发态（e E ），电子由基态至激发态，或由激发态返回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。与电磁波频率相应的光子能量值为

12E E hv -=

其中2E 、1E 表示二能级的能量值，v 为电磁辐射频率，h 为固定值，称为普郎克常数，其值为

秒尔格??=-27106256.6h

秒焦耳??=-34106256.6

光子是辐射能量的最小单位，一般讲来只有正好符合二能级差的光子才能引起光子与电子间的相互作用，产生电子在不同能级间的跃迁。这些作用过程可分为三种，可用图１加以说明。

图中211221,,B B A 代表跃迁机率系数，其中有213321212112,8/,A c hv B A B B π==为自发跃迁机率，21B 为受激跃迁机率，12B 为吸收机率。在外场作用下，若外场光场强度为ρ，则总吸收机率与发射机率为：吸收=n nhv B N B N ,121121=ρ为光子密度，发射=212212A N B N +ρ，其中2N 、1N 为上下能级的粒子数浓度。在平衡条件下2N 、1N 的比例符合波兹曼分布，即2N /1N ＝]/)([12kT E E ex --ρ。其中k 为波兹曼常数，T 为绝对温度。所以吸收总是大于发射，观察到的只是吸收过程和自发发射，光能只会减少。

（2）粒子数分布反转。为了获得光通过的介质，光场能量获得增加，一般要使相应于入射光子的能级的粒子数分布反转，即高能态的粒子数大于低能级上的粒子数，不符合正常温度的平衡统计分布，这从简单二个系统中较难加以考虑。如果考虑有三个或四个以上能级的系统，在某一对特定能级间粒子分布反转是可以达到的。为了说明形成分布反转的能级状态，这里只选用了一个具有四能级系统的例子。

（见图２）

图２（a ）所描述的正常温度的粒子数分布，为粒子数占有随能量增加呈指数减少。图２（b ）中0E 的基态粒子数大于激发态的粒子数，当基态粒子吸收能量被激发至高激发态3E ，由3E 很快驰豫至2E 态，粒子在2E 态积累，2E 态粒子数可大于1E 态粒子数，即2n ＞1n ，在1E 、2E 态之间形成粒子分布反转，当12E E hv -=的光子，通过这样的介质时，由于ρρ121212212B n B n A n +表现出能量的增加，从而获得增益放大。光通过该介质时如用指数函数描述，则kx e I I 0=，其中0I 为人射光强，I 为出射光强，k 为放大系数，当k 是为负值，即通常介质，表现为吸收，因之，具有光放大作用的介质，称为负吸收介质，光通过这种介质，光子强度获得增加。只要泵的速率足够大，1E 与0E 之间的驰豫足够快，该过程可以持续不断的进行，以保持2E 与1E 间的持续反转分布。以d N ：YAG 激光介质为例，5.021=τ毫秒，3010≈τ毫秒，可以足够达到要求。其中21τ代表2E 至1E 态的寿命，10τ是1E 至0E 态的寿命，是自发跃迁机率的倒数。

（３）光学谐振腔。光通过粒子数分布反转的介质获得了光增益或放大，通常有限长度

的介质单程增益很低，为了获得足够的放大，需要依赖在介质的两端放置一对相互平行的反射镜，光在反射镜间可以为回多次通过，相当于无限制地延长了粒子数反转的介质，能够维持光线多次反射的平行反射镜组，称光学谐振腔。构成反射镜组可以是一对平行平面，也可以是一对球面，或泛共焦球面，即二球面的焦距不一定相同，焦点不一定重合，图３是谐振腔的作用的说明。（附图3）

图中１代表具有粒子分布反转的激活介质，

２、2'代表平行平面反射镜对，通常其平行度

要保持几个弧度秒以内，３、3'代表不沿轴向

传播的光线，很快成为散射光，４、4'代表沿

介质轴向传输并垂直于光腔二端面反射镜，来

回多次反射的光束，当反射镜之一的透射率不

为零时会有光输出，通常即为激光。

对反射镜对的相互配置有一定限制，依赖于两个镜面的曲率半径和间距大小，光线在反射镜间来回反射或称光振荡，可以是稳定的或不稳定的，一般设计的激光谐振腔，需要满足稳定条件。若令两个镜面的曲率半径为1r 及2r ，镜间距离为e ，光学谐振腔稳定的条件为：

1)1)(1(021≤--≤r e r e 对平面平行腔，∞==21r r 是属极限情况。对低增益的激光介质，谐振腔镜面的反射率要求很高，通常反射镜面镀多层介质膜，其反射率可达９９．９％以上，对红外及紫外器件，也可直接镀金属，如镀金、镀银，对高增益、大功率器件也有用非稳腔结构，反射镜的输出端不镀膜，甚至镀减反膜，此外行波腔等其他类型结构的应用，也对特定器件中使用。

（４）激光器振荡的阈值条件。通常由于介质的吸收、散射，晶体的不完整性。反射镜的透过率不为零等因素，激活介质的腔内损耗必然存在。为了形成激光，光在粒子数反转介质中来回传播，其每次的行程的增益必须克服或大于损耗，才能使振荡持续。当振荡中光放大的增益等于光损耗的条件，称为振荡的阈值，一旦介质的增益超出阈值增益，光强的增长将非常激烈。假定激光介质的增益与损耗的条件是均匀分布，则光在谐振腔中来回一次的增益G 为：

L r k e R R G )(221-==

初态的辐照度

终态的辐照度 其中1R 、2R 是二端镜面的反射率，L 为激活介质的长度，K 为增益系数，ｒ为损耗系数。当G ＝１时为振荡的阈值条件，对二能级间光束传输的小信号增益系数k 为：

C

n hv B N g g N k 21211122)(-= 其中2N 、1N 为2E 及1E 态的粒子数密度，2g 、1g 是二态能级的简并度，n 为介质的折射率，C 为真空光速。对应阈值th k 的粒子数密度差 11

22N g g N N th -

= 与此相应)1ln(212

1R R L r k th += 当th k k ≥激光可持续产生振荡并产生输出，原则上已知1R 、2R 、L 及体积损耗系数r ，可估算出所需粒子数密度的反转值。

（5）激励条件的某些考虑。为了使激光介质形成粒子数反转，必需有外加的激励手段，依赖于激光介质的类型，其激励方式是很不相同，通常对晶体激光介质，只能用光泵激励，要选择光泵辐射的光谱与介质相应的吸收光谱相匹配，为了光泵的激励效率，外加的聚光系统也是必不可少的。光泵的光源可选择高压氙灯、氟灯、汞灯，有连续与脉冲的工作方式，其形式有直管形、共轴式，或螺旋形等，一般选用市售商品便于更换。近年来，更有

用二极管激光器作－为晶体的激励光源，因为二极管激光器体积小，效率高，发光效率常达60～70％，与上能级吸收能更有效匹配。是较理想的全固化小型泵源，半导体激光器的多片集成，连续输出功率已达千瓦级，本身既是很好的激光器，又可作成很好的泵源。聚光系统，通常用椭圆聚光镜；圆柱聚光镜、漫反射聚光器等增加有效耦合入射泵的光能。为了供给光泵的能量，尚需有相应的电源，依赖于连续或脉冲输出，电源的电压、线路多有不同组合。对重复脉冲及连续激光器、介质、光泵及反射聚光系统，都要有效的冷却，以确保多余的热量可很快散发，否则由于激光介质的升温，不仅会影响激光输出的质量、稳定快，甚至会使激光器振荡停止。为了估算所需泵光的功率，可以解光泵粒子分布的速率方程组，对前述四能级系统，在阈值条件下，单位体积介质所需的泵功率th P 。为：

22

2038C

vn k v E P th th ?=π 该方程中只考虑了均匀展宽线型对光泵功率的需要，其中0v 是中心发射频率，v ?是线宽，n 为介质的折射率，该方程没有涉及装置的几何耦合效率、光源光谱效率、电光转换效率等因素。红宝石激光器是三能级系统，光泵需要激励至少基态１／２的粒子于激发态，因而泵的阈值功率是较高的。

气体激光器的激励方式是多种多样的，依赖于具体的激光气体介质，可用光泵、放电、电子束、化学、气体动力激励等多种手段。以放电为例，小功率HeNe 激光器通常采用直流辉光放电，或射频放电激励。r A 、r K 离子激光器用电弧大电流等离子体放电激励，准分子激光器则用快速高电压脉冲放电激励，对2CO 激光器则用直流、高频、快脉冲、电子束、微波激励等多种手段，还可以横流放电、气体动力等方法。目前激光器的种类，可以说是五彩缤纷，各种介质都可成为激光介质，图４给出自体激光器与气体激光器的典型结构示意图。

图４（a ）中１为激光介质，2为激励光源３、3'为谐振反射镜对，４、4'为聚光反射镜。５为高压高频脉冲触发信号，Ｃ为电容器，Ｒ为电阻，Ｅ为高压电源。图４（ｂ）中１为气体激光介质，２、2'为布儒斯特窗，３、3'为共焦反射镜对，Ｃ为电容，Ｒ为电阻，Ｅ为电源。

三、激光的输出特性

前节仅简述了激光是怎样产生的，其所以受到广泛的重视，是因为激光器这一新型光源射出的激光与普通光源发射的光缆有很大的不同，可以概括为方向性、相干性单色性、高亮度等。

（１）方向性。普通光源，如灯泡发光、蜡烛发光、太阳光线都是由光源在π4立体角内均匀照明，而激光是由激光器的谐振腔振荡多次发出的光束，只垂直于谐振腔表面输出，其发散度一般只达毫弧度，即激光束行经１公里，其波束直径约１米。进一步用倒置望远镜，

光束发散角可达421010---毫弧度，直接由地球上照射，其在月球表面上的光束，直径也仅

数公里。可以用于人造卫星测距、大坝安装准直、建筑物的准直、矿山开挖的自动跟踪、定向等，这是激光与通常光源的最直观的不同。

（２）相干性与单色性。即取激光束波横截面上任意二点与光束前后任意两点所组成的电磁波幅，彼此是相互关联的，前者表现为空间相干性，后者表现为时间相干性。通常两个点光源发出的光强在空间交汇于一点时是光强相加，而相于光源中两点发光在空间某点交汇，光强是其振幅相加，因为光强是比例于振幅的平方，则为单一光强的四倍，相当于

21122=+，及4)11(2=+的关系，时间相干性，即光束前后各点彼此位相有关联，表现出单一的正弦函数了则颜色单一称为单色性好。当光波为相干叠加时可于空间观察到明暗条纹，为了说明干涉程度引进干涉条纹的可见度，其定义为：最小最大最小

最大I I I I r +-=

最大I 、最小I 代表干涉条纹的最大与最小处光强。0=r 是不相干，1=r 是条纹最清晰，称完全相干，10<

倘若将一束光分裂为二束，并使该二束光行过不同的光程L ?，若复合此Ｈ束光仍保持位相关系称为时间相干性，与此相应的长度为相干长度，t C

L t ??=?,为相干时间，与激光线宽v ?的关系为：1≈??t v ，光源线宽愈窄，相干时间愈大，相干长度愈大，通常光源的线宽很大，相干长度很短，是不相干的，激光的单色性好，它的相干长度可由几厘米直至几公里以上。利用激光的相干性常用于干涉计量法中，迈克逊干涉仪常用于测相干长度，法卜里一帕洛干涉仪常于测量光源线宽，利用双缝干涉等实验，可用于识别光源的空间相干性。激光的相干性常用于距离测量，全息技术及广泛的一类计量领域，用作频率、时间。长度的标准。相干及非相干光对材料和有机体的作用也不尽相同。

（３）高亮度。亮度是表示光源的明亮程度，定义为光源在单位表面积、单位立体角所发射的光功率，若考虑光源的线宽，则需计及单位波长间隔内的单色亮度。激光的亮度很高，

由于激光的方向性和大功率，其亮度较常规光源高许多数量级。其典型值：He-Ne 激光～10

10瓦·米－2·立体角一1，Ｑ调制红宝石激光器～1016瓦·米一2·立体角一1，经放大后的d N 玻璃激光器～1021瓦·米一2·立体角一1。而太阳的亮度１.３×106瓦·米一2·立体角一1。

随着激光输出加大，新的高阶模也会参加振荡，这种随模式增加的功率增长，一般不改变或很少改变光源亮度。因而为了有效利用激光功率密度，提高单模输出的激光功率将更为基本，当然在一些只要激光能量的场合，将不受限制。

对高质量的激光器，激光束是单模高斯强度分布，对于焦长为ｆ的透镜，光束发散角为θ时，

其焦点的半径θ?=f r s 若考虑光束受行激限制D λθ~，有F D f r s λλ≈?≈。此处．Ｆ即透镜的Ｆ数，则s r 具有波长的量级。对几毫瓦的He-Ne 激光器，焦点的功率密度也可达106瓦·厘米一2。对高功率激光器这一数值可增加３至10个数量级。因而可聚焦激光束能对金属钢板切割、打孔、焊接、合金化、表面热处理，在最硬的材料，如钻石上钻孔，对机体做手术，使原子、分子瞬间离化、分离。利用单颇高功率，选择性吸收等概念，可以形成特殊的物化、生化的反应通道。从而开发更深层次的光与物质相互作用的理论与应用。

四、五彩缤纷的激光家族·

从第一台红宝石激光器发明以来，激光器的种类已进人百花齐放的时代，甚至有人认为，所有物质都可能做成激光介质，构成激光器，无论固体、液体、气体、等离子体、半导体，又无论无机材料、有机材料、聚合物、染料等都可用作工作介质。从运作的时间分类有连续、脉冲、Ｑ调制、重复脉冲、短脉冲，超短脉冲器件，脉冲的时序已可控制，由锁模，至脉压

缩等技术应用，超短脉冲已达皮秒(10－2秒)及飞秒（１飞秒=10－15秒）领域，最短的脉冲记

录已达４.５飞秒脉宽，只包括几个光波波长。以功率分类：有小功率，中等功率，大功率，超高功率器件，当前最大功率的器件，连续输出超过一百万瓦，单脉冲输出大于几十万焦耳。用光波波长分类，可分为远红外、红外、近红外、可见、紫外、远紫外、软Ｘ射线。Ｘ射线激光器也能运转，其波长几乎覆盖了电磁波的整个波段。此外又可分为单频、稳频、选频、调频、多彼长、多色，直至白光激光器。激光束的质量，即模式也是重要因子，模是电磁场在空间组成的稳定花样，一种模式对应于一种花样，模可分为横模、纵模、单模、多模、选模、锁模器件等等，激光腔的结构不同，调整略有差别，模式则有变化。因为激光器光学谐振腔的长度远大于光波波长，所以是一种多模式的光学谐振腔。此外，激光器的激励方式，由于其能量供给方式不同，又可分为光泵、放电激光器、电子束泵；气体动力激励、化学反应激光器、量子阱激光器、自由电子激光器等等。

五、结束语