书城童书科学发明与创造
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第21章 物理化学中的发明与创造(3)

只见他们先是互相追逐,很快又变成两人一对,面对面,脚顶脚,胳膊伸直,手指弯曲着勾连在一起,身子向后倾斜着转圈,并不时发出阵阵欢快的笑声。

詹内站在旁边看得着了迷,他从孩子们手拉手的方法中得到启示,他想:“要是能发明一种装置,像两只手一样勾连起来,问题不就解决了吗?”詹内忘了一天的疲劳,立即回到家,动手用木头制作手的模型,使模型的手指弯曲着,能钩在一起,他想用这个办法解决车厢的连接问题。

试验结果,因为木制的手不能活动而失败了。

詹内并不气馁,他经过多次试验改进,最终发明了火车的自动挂钩。这种挂钩是用铁铸造的,像两只手,安装在每节车厢的两端。

“铁手”的掌心有个机关,两只“铁手”一碰,撞动了机关,就紧紧地握在一起了。要想分开,就启动另外的机关,两只“铁手”就又分开了。

火车自动挂钩的发明,使铁路工人从繁重的劳作中解放出来,为铁路运输提供了既安全又方便的条件。

为了纪念这一发明,人们把火车自动挂钩称为“詹内挂钩”。

伦琴与X射线

X射线的发现过程,是一个充满偶然性的故事。

1895年,在德国中部的巴伐利亚,伦琴博士正在进行有关密封玻璃管里的发光现象的试验。这就是:在装有两个电极的真空玻璃管(雷钠管)电极上进行加上高电压的实验。

这项实验本身并不新鲜,是当时的科学家都知道的,一加高电压,管内就要发光。但是为什么发光,当时还是一个谜。

1895年11月8日下午,伦琴和夫人吃完了饭,回到实验室来,要再次观察雷钠管的发光现象。他从架子上拿了一根雷钠管,用黑色纸套把它严严实实地包了起来。接着,他关上门窗,把房间弄黑,然后给管子接通高压电源,让管子放电,以便检查黑色纸套是否漏光。

正当他准备开始正式实验时,突然发现一种奇异的现象:附近的小工作台上有一块涂了氰亚铂酸钡的纸板发出一片明亮的荧光。切断电源,荧光也随之消失了。

伦琴发现这一现象后,又仔细观察了产生这种现象的原因,他让一系列放电通过阴极射线管,结果纸板上出现了同样的闪光。

他确信,纸板发出的荧光,不可能是阴极射线形成的,因为阴极射线的能量连几厘米以上的空气都穿不透,而雷钠管离小工作台有两米多远,阴极射线是无法穿越这样长的距离的。

于是,伦琴又把纸板移开,换上照相胶板,结果胶板感光了。接着,他又在雷钠管和照相底板之间放上几种东西:钥匙、自己常用的猎枪。令人惊奇的是,就连钥匙和猎枪金属部分的细小之处都清清楚楚地照出来了。这真是一个惊人的发现。

接着,伦琴又让他的夫人把手放在雷钠管和胶板中间,结果,夫人手上的每块骨头以及手上戴的戒指都照出来了。从那天起,伦琴就住在了实验室,夜以继日地进行着研究试验,终于在1895年12月28日发表了研究报告。

1896年1月5日,关于X射线的重大报道在维也纳日报上刊出,立即引起全世界的注意。在美国报道此事4天之后,就有人用X射线发现了患者脚上的子弹。X射线很快就进入了医学领域。当时英国一位着名外科医生托马斯·亨利称之为“诊断史上的一个最大的里程碑”。

1901年,伦琴由于发现X射线的贡献,获得了诺贝尔物理学奖金。

万能的机器人

机器人是模拟人的四肢动作和部分感觉与思维能力的机械装置,它是用电器元件或电子仪器控制,通过液压传动元件操纵杠杆机构,实现预期目的。

第一代机器人是一种只能进行固定和变换工作程序的简单机械动作装置,产生于1966年。当时一架载有氢弹的美国飞机在地中海失事,一颗氢弹落入地中海。为了防止射线对人体的危害,制造了一台有电视眼和机械手的简单机械人,把氢弹打捞了上来。

同年,美国某医院安装放射线源时,有半支香烟头大小的放射性钴C60掉了出来,于是就用这种简单的机械人拾起,并放入铅盒内。从此机器人引起人们广泛的注意和研究,仅在1967年美国就有75台机器人用于生产。这一年,苏联的月球卫星就是用机器人挖取月岩和土壤试样的。

第二代机器人具有触觉和视觉功能,能在“理解”周围环境的情况下进行工作,它是在20世纪60年代末小型电子计算机已推广使用和价格降低的条件下出现的。由电子计算机控制、存贮和处理周围环境反馈的信息,进行判断,然后按既定的要求进行操作。这种设想早在1958年就在美国提出来,1961年底研制出电子数字计算机控制的机械手模型,在60年代末才推广使用。1970年,丹麦人索伦森制成一个操纵挖掘机用的电子液压控制的机器人。美国也研制出模仿人的肩、肘、腕和手指动作的机器人,可以用几种速度连续行走。以后有某种感觉的机器人,如有触觉和重量感的机器人,也相继在美国、日本和英国问世。

第三代机器人是具有人的简单智力和学习功能的机器人,它能满足两种基本要求:一种是具有较大的自由度和灵活性,在复杂条件下能完成多种处理物品的形状和相对位置的任务。另一种是具有识别环境及其变化,并做出正确判断和进行工作的能力,具有进行联系“思考”和学习的智能。

早在20世纪70年代初,日本就制成了可看清图纸,并可在传送带上进行装配的机器人。接着又制成装有电脑、具有视力的电视摄像机、有触觉的传感器和相当于手腕的机械手的“智能机器人”。

1973年7月,日本早稻田大学一研究组制成有腿的机器人,它有人造耳,可根据人的口头指令做出反应;有识别物品的人造眼和有触觉的手,以及可做出答复的人造口。这标志着机器人的发展进入了一个新阶段。1974年,美国航空航天局和加省理工学院又制成具有电视摄像机和激光器的人造眼和编入几千个指令的电脑,用于对月球表面进行科学考察。到1978年,“智能机器人”已具有某些视觉、触觉、温度感觉功能,能讲简单的语言和识别图纸和图像,并做出反应和进行操作。不同类型的机器人已大量应用于生产线上,在陆上、水下和月球上面等人难以或不可能进行工作的地方,机器人都可以发挥作用。

目前,机器人的研制正向进一步模拟人的部分智能和感觉的方向发展。

激光器的发明和应用

激光的出现是20世纪60年代最重大的科学技术成就之一。它以其高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等突出特点,得到了广泛的应用,并在科学技术的许多重大领域开辟了新的生长点,引起了革命性的变化。

1916年,爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》一文,首次提出了受激辐射的概念。按照这个理论,处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用,将转变到低能态,并产生第二个光子,同第一个光子同时发射出来,这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大,而且是相干光,即两个光子的方向、频率、位相、偏振都完全相同。

随着量子力学的建立和发展,人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的了解,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等也得到了更有力的证明,这就在客观上更加完善了爱因斯坦的辐射理论,为激光的产生奠定了理论基础。

40年代末,出现了量子电子学,它主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并从而研制出相应的器件。这些理论和技术的进展,都为激光器的发明准备了条件。

1951年,美国物理学家珀塞尔和庞德在核感应实验中,把加在工作物质上的磁场突然反向,结果在核自旋体系中造成了粒子数反转,并获得了每秒50千赫的受激辐射,这是在激光史上有重大意义的实验。

1954年,美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起,制成了第一台氨分子束微波激射器。这台微波激射器产生了1.25厘米波长的微波,功率很小,但它成功地开创了利用分子或原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例,因而具有重大意义。与此同时,前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯,也分别独立地提出了微波激射器的思想。

由于微波激射器的成功,使人们进一步想到,如果把微波激射器的原理推广到光频波段,就有可能制成一种相干光辐射的振荡器或放大器。生产和科学技术发展的需要,也推动科学家们去探索新的发光机理,以产生新的性能优异的光源。

1958年,肖洛与汤斯将微波激射器与光学、光谱学的知识结合起来,提出了采用开式谐振腔的关键建议,并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪声等性质。同一时期,巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。

1960年7月,美国青年科学家梅曼成功地制造并运转了世界第一台激光器。工作物质用人造红宝石,激励源是强的脉冲氙灯,它获得了波长0.6943微米的红色脉冲激光。

第一台激光器问世以后,激光发展很快,短短时间里就出现了许多不同类型的激光器。1961-1964年,先后制成钕玻璃激光器和掺钕钇铝石榴石激光器,它们和红宝石激光器都是迄今仍被大量应用的固体激光器。

1960年底,贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年,又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等。

由于激光器的种种突出特点,因而很快被运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面,并在许多领域引起了革命性的突破。比如,利用激光集中而极高的能量,可以对各种材料进行加工。

激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段,已在医疗、农业上取得良好的效果;激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外,各种激光武器、激光制导武器已投入实用。今后,随着激光技术的进一步发展,激光器的性能和成本进一步降低,其应用范围还将继续扩大,并将发挥出越来越重大的作用。

晶体管诞生历程

晶体管是在人们对半导体材料进行深入研究的基础上发明的。半导体材料是导电性介于金属和绝缘体之间的材料,一般是固体,比如锗和硅等。半导体中杂质的含量和外界条件(如温度和光照)的改变会引起导电性能发生很大变化。半导体材料之间,或者半导体和某些金属材料之间相接触的地方,具有单向导电的性能,和二极电子管的性能相像。

1928年,有人提议用半导体材料制作和电子管功能差不多的晶体管。但一方面由于当时还缺少研究半导体电子特性的固体物理学知识;另一方面由于按温度、压力、化学组成等宏观概念产生的半导体材料在微观结构上是混乱的,没有规律,它的电子性能具有很大的偶然性,因此晶体管没有研制成功。

随着研究分子、原子和电子状态的固体物理学的发展,随着晶体生长理论和生长技术的发展,高纯度的晶体锗生产出来了,这就给晶体管的研制创造了条件。

美国贝尔研究所的巴丁、肖克利、布拉顿等人合作研制成功了晶体管。

巴丁原是大学教授,担任贝尔研究所所长,研究半导体理论,1947年他提出关于结晶表面的理论。

布拉顿是实验物理学家,他对半导体表面进行实验研究,发展了半导体单晶的精制、成长等有关技术。巴丁和布拉顿两人,一个是理论家,一个是实验大师。

1948年他们合作研制成功第一个点接触型晶体管。

肖克利从1936年开始进行关于固体物理学、金属学、电子学等基础理论研究。从1945年起在贝尔研究所从事半导体理论研究,1949年他提出了P-N结理论(关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的P型和N型两种导电类型区域的理论)。不久,贝尔研究所研制成功第一个结型晶体三极管。

由于研制成功晶体管,他们三人获得1956年诺贝尔物理奖。

晶体管最初采用锗晶体做原料,后来由于硅的提纯和加工技术的发展,硅晶体比锗晶体的性能优越得多,因此硅晶体管取代了锗晶体管。晶体管具有小型、重量轻、性能可靠、省电等优点。正是由于具有这些优点,到20世纪50年代末和60年代初,晶体管逐渐代替了电子管。

静电复印机的发明与使用

在当今“信息爆炸”的时代,复印机成了人们不可或缺的专用工具。人们在几秒钟的时间内,就能完成一份文件的复制,从而摆脱了繁重的抄写工作,并由此促进了信息的传播。然而,人们也许不知道,复印机的发明凝聚着一位杰出发明人20多年的光阴和心血。

卡尔森是美国纽约市的一个发明爱好者。从1936年开始,他就注意到,当时的人们在需要文件复本时,往往通过成本较高的照相技术来完成。由此,他想发明一种能快速并经济地复制文件的机器。他跑遍了纽约的各个图书馆,搜寻有关这方面的技术书籍。最初他把研究重点定位于照相复制技术合成,然而,当他饱览群书之后,觉得在此方向很难有所突破。

一天,他来到朋友的工厂里,一位来自匈牙利的工程师给他展示了一种当光线增强时能够产生导电性质的物质。卡尔林豁然开朗,意识到这种物质在他的发明中很有应用价值,并把研究重点转向了静电技术领域。

卡尔森在纽约市的一个酒吧里租了一个房间作为实验室,并和他的助手——一位名叫奥特卡尼的德国物理学家开始静电复制技术的试验。1938年10月22日,奥特卡尼把一行数字和字母“10,22,38,ASTORIA”印在玻璃片上,又在一块锌板上涂了一层硫黄,然后在板上使劲地摩擦,使之产生静电。

他又把玻璃板和这块锌板合在一起用强烈的光线扫描了一遍。几秒钟之后,他移开玻璃片,这时,锌板上的硫黄末近乎完美地组成了玻璃片上的那行数字和字母“10,22,38,ASTORIA”。

静电复制技术终于有所突破,卡尔森将这项专利向许多家公司推荐。然而,从1939年到1944年的5年时间里,没有一家公司接受卡尔森的专利。这些公司认为,用硫黄末作为“介质”,从技术上看不够成熟。此外,他们还对生产复印机的市场前景并不看好。实际上,在那时需要复制的文件确实并不很多。