固体物理学的内容与作用 [复制链接]

第7版()
专栏：

固体物理学的内容与作用
罗宗冀
固体物理学是近二十年来在生产发展的基础上逐步成长起来的一门新学科。它的许多分支，本身具有悠久的历史，是一些老的学科（例如磁学、晶体学等），生产的发展，促使它们增加了新的内容。它的另外一些分支，则是新兴的学科（如半导体物理学、固体发光学等），它们利用了新的工具与条件，彼此互相联系，初步形成了实践上与理论上的统一体。目前，固体物理学还在继续向前发展着。
人类很早就发现磁石有吸铁及指南的作用，这是人类由于航海等需要，从生活实践中得到的知识。后来，由于生产向前发展，必须研究各种不同性能的磁性材料来为生产服务，就出现了磁学。磁学研究的发展，进一步引起了生产上的一些重大革新。
十九世纪中叶，电的应用推动了用磁的效应发电，引起了一系列电—磁相互关系的科学研究及其在生产上的新应用，如用硅钢片（一种含硅的钢）做成发电机、变压器等电力工业的机件。但是生产的发展对这些机件的要求越来越高，必须继续改进现有的并寻找新的磁性材料，因而进一步发展了磁学。
磁性材料的研究，是固体物理学的先驱，也是利用和改进天然材料，进而制造新材料为生产服务的典型。在固体物理学中，这种为新技术的创立提供材料与原理的工作，占着首要部分。
固体物理学中当前为生产上新技术提供基础的最突出的例子，是半导体物理学。它是形成固体物理学的重要因素，也是其中目前最活跃的部门。在现在的尖端技术中，几乎没有不用到半导体的。
无线电波开始被利用的时候，是用一些天然矿石接收的，这些矿石就是天然的半导体。但矿石接收电磁波的性能，远不能满足通讯上日益增长的要求，必须寻找新的材料来作成代替矿石的东西。真空电子管的发明，使无线电技术开展了一次巨大的革命，出现了自动控制、电子计算机等。到后来，又发现许多新的问题，是使用电子管所不能解决的，而原来被电子管代替的矿石，经过根本性的发展，以新的内容出现了，这就是半导体。新的半导体晶体管，是“固体的电子管”（固体电子管是形象化的名称，科学上正式命名为晶体管）。晶体管一出现，就明显地表现出它的优越性，不仅体积小，耗电低，而且坚固耐用。它利用电子在固体内部的运动来代替真空管内电子的运动，作成器件，促成了一些新技术的巨大变革。例如，电子计算机在用真空电子管的条件下，计算速度及计算内容，都受到真空电子管的性能的限制；而用半导体晶体管，就可以大大地提高电子计算机的性能和速度。一秒钟内计算一百万次的电子计算机，要用数十万个真空电子管，不仅性能上有问题，而且体积很庞大，使用起来很不方便。而用半导体晶体管作成的电子计算机，则只用一台桌面的地方就可以摆开了。
固体物理学是一个综合体。一方面，生产技术对固体材料性能的要求更多样、更高。例如，现代生产技术要求耐高温、高压以及其他特殊性能的金属材料，要求综合利用极细致复杂性能的固体材料与元件。另一方面，在对这些材料的深入研究中，又逐步发现了它们在科学规律上的统一性。正是人们对固体内部的电子、原子的运动的规律的认识逐渐加深，科学上的研究把固体的各种性能（如电、磁、热、光等性能）就都联系在一起了。当前研究半导体或磁性材料，再也不是孤立地进行了，它们都是固体物理学的组成部分。
从现况看，可以将固体物理学的主要内容，分成三种类型，它包括了十几种学科。
一类是直接为生产提供材料和元件的学科，主要研究固体的性能，其中包括半导体物理学，磁学，固体发光学，金属物理学，介电质物理学等等。随着科学技术的发展，这里面还可能出现新的学科。例如，近期成长起来的固体电子学，就是一例。另一类是在特殊条件下研究固体性能的学科，其中有属于低温物理学（在摄氏负二百多度的温度下）、高压物理学（在数万及数十万大气压下）等范围内的学科。再一类是研究固体内部的结构、电子的分布、原子的排列及其运动规律，从而发现各种固体性能形成的内在原因，为改进现有材料性能及制备新材料的方向提供方向的学科，其中最明显的例子是晶体学。现在我们知道，固体是由各种原子或分子有规律地排列而成的；固体的许多性能（如磁性、半导性等），可以从固体中分子、原子、电子的运动规律来了解。有时，要材料的性能良好，关键问题往往是在制备时须作成单晶体，而晶体学正好为生长单晶体的条件提供知识。因此，如果说固体物理学是新技术的基础，则晶体学正在形成固体物理学的基础之一。当前研究晶体学的主要工具之一是伦琴射线，利用它可以分析固体的内部结构。最近，电子衍射技术、电子显微镜、中子衍射及各种磁共振技术的运用，使研究固体物理学有了新的工具。
以上三类的划分是粗略的，它们彼此相互交叉，联系密切。固体物理学的理论部分——固体理论，就是在上述各学科的成果上发展起来的，将实验现象提高到理论上，从固体内原子运动的规律来理解现象的本质，又回过头来指导实验，推动固体物理学全面向前发展。
固体物理学的应用范围是极其广阔的，这里只举一些例子来加以说明。
在国民经济各部门，特别是工业、交通等部门的技术改造中，固体材料、元件的改进与革新是一个极重要的环节。像前面所谈到的电力传输系统中用的变压器，是用硅钢片做成内心的。而通过磁学、金属物理学，并结合晶体学的研究，可以改进硅钢片，从而缩小变压器、电机的体积，节省电线及电力消耗，对国民经济有着巨大的意义。
研究固体发光现象，可以提高发光灯的发光效率，延长其使用寿命，降低用电量。特别是近期出现了场致发光材料，有可能实现大面积照明，使墙壁和天花板都发出光来，而且没有影子。这将是一件有意义的事。
合理地利用金属材料，提高材料性能，是一个迫切的重要的问题。拿金属强度来说，从理论的研究来看，目前使用的金属强度有可能提高百倍甚至千倍；如果能将现有的金属强度提高一些，那怕是十倍，就会扩大金属应用的范围，并意味着金属产量的成倍增长。
在国民经济中一项重要的技术革命，将是自动技术的普遍采用，而自动控制技术正是建筑在大量的半导体、铁氧体、电解质等元件和材料的特殊性能上。研究固体物理学，把这些材料和元件制备出来，改进性能，提高效率，降低成本，当然有着重大的意义。铁路上控制调度车辆，就少不了光敏电阻的元件；无线电及有线广播中的喇叭，中间就放着磁铁。改进这些元件的性能，都将在交通、通讯等事业中起很大的作用。
在我们日常所使用的电视机的萤光屏上，就涂有发光材料。如果对这些发光材料加以改进，可以增加显像的清晰度，做出合乎实景的彩色电视，甚至将显像放大，就像宽银幕一样。
向云层喷射粉状晶体，可使云层结冰，实行人工降雨。如果能制出原料极为丰富、方法简便、价格低廉的材料，供大面积降雨、散云之用，就可以部分地做到改变气候，呼风唤雨，对农业生产有着重大的意义。
此外，人造卫星、月球火箭、金星行星际站、载人宇宙飞船等等的轨道控制，少不了用半导体、电解质、铁氧体这些材料制成的元件，来作成控制系统。因此，固体物理学的研究，与宇宙航行技术有着密切的联系。
利用特殊的固体材料，可使太阳能直接转变成电能。制备出这种大量的、价廉而效率高的光电材料，就可以直接大量地利用取之不尽的太阳能。这对缺乏燃料或边远地区来讲，对全国实现电气化来讲，也是很有价值的。
固体物理学在国防技术上的应用也很广泛。例如，远程雷达系统中的发射、接收以及放大等各类部件，就需要固体元件。改进元件的性能，可以增加雷达的探测距离及准确度。复杂的快速电子计算机，是现代国防中的重要武器，而它的计算技术的提高，有赖于固体材料及元件的性能的改进。现代的电子计算机，不仅用半导体晶体管来代替真空电子管，目前已发展到运用磁性薄膜、低温的超导材料以及运用元件与线路合一的方法，来制造超快速、超小型、超高频的计算机了。根据这些材料的性质，有可能制成比每秒进行一千万次运算还要快的计算机。一个笨重的步谈机，可以做得很小，戴在战士的钢盔上，无线电收发报机，可以做成火柴盒那么大，等等。
固体物理学在目前的国民经济、国防上的应用还只是初露苗头，它有着极为广阔的发展前途。
固体物理学在发展过程中，吸收了化学、电子学等等方面的知识；反过来，它又促进了其他科学的发展。各门自然科学，本来就有着密切的联系。例如，电子学的发展为固体物理实验技术提供了精确的测量方法，从而对固体内部规律的了解就更深入，更精确。固体物理学也为其他自然科学提供了有力的研究工具。例如，天文学，看来离固体物理学较远，同固体物理学的关系不大。但近来天文学上用来观察天体的巨型望远镜，已不是几世纪来一直沿用的光学望远镜，而是采用固体元件作成的无线电的射电望远镜。用这种望远镜可以比光学望远镜看得远，看得更精确。这种射电望远镜中的固体量子放大器，就是用固体材料做成的。生物学要研究生物生长同温度的关系，就必须精确地测量温度，而精确度很高的温度计，就是用固体材料——半导体做成的。