神探贝斯特-第64部分

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　　　　研究历史？

　　　　早在18世纪r。j。阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识，后来a。布喇菲在1850年导出14种点阵。e。c。费奥多罗夫在1890年和a。熊夫利在1891年以及巴洛在1895年各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到基本的数学影响深远。　1912年von劳厄等发现x射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到50年代Α。Β。舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。

　　　　第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在致力于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

　　　　主要特点

　　　　在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式。导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。r。哈密顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动。人们称此模式为电磁耦合场振荡，相应的能量量子称为极化激元。　在很低的温度。由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象，某些半导体中的电子－空穴液滴，以及若干二维体系中的分数量子霍耳效应等都是宏观的量子现象。

　　　　通过巡游电子耦合趋于平行排列，产生铁磁性。居里温度很低的弱铁磁体，其中没有局域磁矩，它的铁磁性同自旋密度的起伏有关。过渡金属的铁磁性是一个困难又复杂的多体问题，还没有比较满意的理论处理。

　　　　相变在固体物理学中相变占有重要地位，它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相平衡、相变动力学、临界现象等。某些固体其特征物性沿一定方向周期变化，此周期与点阵的周期可能通约或不可通约，分别形成有公度相和无公度相。

　　　　晶体缺陷

　　　　实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。大规模集成电路的工艺中控制（和利用）杂质和缺陷是极为重要的。　硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同；但其技术性能之所以强或硬；却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。

　　　　高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向（见晶体缺陷）。

　　　　界面有固体－固体、固体…液体、固体…气体界面之分。固体器件的基础是在界面发生的物理过程，随着微电子技术发展。器件的尺寸日益缩小，表面和界面的物理效应更加突出。特别是硅场效应管的硅－二氧化硅界面形成表面势阱，在其中的电子构成二维运动的电子气，具有独特的性质。包括电子态局域化和　k。von克利青在1980年发现的量子霍耳效应以及d。c。崔琦在1981年发现的分数量子霍耳效应，涉及固体物理基本问题的现象。许多电化学过程发生在固体…电解液界面；腐蚀则常发生于固体…气体和固体…液体界面，因此界面物理和表面物理一样具有巨大的实际意义。

　　　　非晶态固体

　　　　非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别。这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类（见无序体系）。一类是成分无序。在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子（如二元无序合金）或者不同的磁矩（如无序磁性晶体）。在这类体系中物理量不再有平移对称性。另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏。点阵失去意义。　非晶态合金具有特殊的物理性质。非晶态磁性固体可以在较低的外磁场下达到饱和，磁损耗减小。所以非晶态合金具有多方面用途，无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。

　　　　亚稳状态

　　　　无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。

　　　　由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。（。。）

271　闪电学　1（）　
“想不到物理学这么多学科啊，这辈子也学不完啊，哈哈哈。”king警官听着贝斯特的讲座感叹道。

　　　　“哎，还好我是学艺术的，要是学理科估计会死的很惨啊。”恶魔雕塑家奥修自愧不如的说道。

　　　　“哎，连我也学不完全呢，物理确实是基础也是很实用的。”贝斯特说道。

　　　　“那么我们就去这24个人当中找出那个闪电之王出来吧。”king警官说道。

　　　　“在此之前，我再说下闪电的特性，这并不是属于物理的，是自然科学呢。”贝斯特说道。

　　　　闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（一般发生在积雨云中）。

　　　　积雨云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有负电的云层相遇；负电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百米（最短的为100米），但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近。听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表。听到雷声后即把它按停，然后用所得的秒数乘以0。3（声速约340m/s）。即可大致知道闪电离你有几千米。

　　　　产生过程

　　　　如果我们在两根电极之间加很高的电压，并把它们慢慢地靠近。当两根电极靠近到一定的距离时，在它们之间就会出现电火花，这就是所谓“弧光放电”现象。

　　　　雷雨云所产生的闪电，与上面所说的弧光放电非常相似，只不过闪电是转瞬即逝，而电极之间的火花却可以长时间存在。因为在两根电极之间的高电压可以人为地维持很久，而雷雨云中的电荷经放电后很难马上补充。当聚集的电荷达到一定的数量时，在云内不同部位之间或者云与地面之间就形成了很强的电场。电场强度平均可以达到几千伏特/厘米。局部区域可以高达1万伏特/厘米。这么强的电场，足以把云内外的大气层击穿，于是在云与地面之间或者在云的不同部位之间以及不同云块之间激发出耀眼的闪光。这就是人们常说的闪电。

　　　　肉眼看到的一次闪电，其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，云底相对的下垫面变成正电荷中心，在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多，电场越来越强的情况下，云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱。称梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培的暗淡光柱，它以平均约150000米/秒的高速度一级一级地伸向地面，在离地面5—50米左右时。地面便突然向上回击，回击的通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。回击以5万公里/秒的更高速度从地面驰向云底。发出光亮无比的光柱，历时40微秒。通过电流超过1万安培，这即第一次闪击。相隔百分之几秒之后。从云中一根暗淡光柱，携带巨大电流，沿第一次闪击的路径飞驰向地面，称直窜先导，当它离地面5—50米左右时，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3—4次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约0。25秒，在此短时间内，窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能，因而形成强烈的爆炸，产生冲击波，然后形成声波向四周传开，这就是雷声或说“打雷”。

　　　　雷电发生的必要条件：

　　　　1。空气要很潮湿

　　　　2。云一定要很大块的，比较黑的云；一般是积雨云

　　　　3。天气干燥的地区一般不容易出现雷电。

　　　　化学反应

　　　　1。闪电时，可以使大气空中的氧气化学合键发生改变，生成极少量的臭氧。

　　　　2。可以让氧气和氮气化合生成一氧化氮；这是天然固氮的一种重要形式。

　　　　3。　3h2＋n2=2nh3

　　　　闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3—5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。

　　　　结构分析

　　　　被人们研究得比较详细的是线状闪电，我们就以它为例来讲述闪电的结构。闪电是大气中脉冲式的放电现象。一次闪电由多次放电脉冲组成，这些脉冲之间的间歇时间都很短，只有百分之几秒。脉冲一个接着一个，后面的脉冲就沿着第一个脉冲的通道行进。现在已经研究清楚，每一个放电脉冲都由一个“先导”和一个‘回击”构成。第一个放电脉冲在爆发之前，有一个准备阶段—“阶梯先导”放电过程：在强电场的推动下，云中的自由电荷很快地向地面移动。在运动过程中，电子与空气分子发生碰撞，致使空气轻度电离并发出微光。第一次放电脉冲的先导是逐级向下传播的，像一条发光的舌头。

　　　　开头，这光舌只有十几米长，经过千分之几秒甚至更短的时间，光舌便消失；然后就在这同一条通道上，又出现一条较长的光舌（约30米长），转瞬之间它又消失；接着再出现更长的光舌……光舌采取“蚕食”方式步步向地面逼近。经过多次放电—消失的过程之后，光舌终于到达地面。因为这第一个放电脉冲的先导是一个阶梯一个阶梯地从云中向地面传播的，所以叫做“阶梯先导”。在光舌行进的通道上，空气已被强烈地电离，它的导电能力大为增加。空气连续电离的过程只发生在一条很狭窄的通道中，所以电流强度很大。（。。）

272　闪电学　2（）　
当第一个先导即阶梯先导到达地面后，立即从地面经过已经高度电离了的空气通道向云中流去大量的电荷。这股电流是如此之强，以至空气通道被烧得白炽耀眼，出现一条弯弯曲曲的细长光柱。这个阶段叫做“回击”阶段，也叫“主放电”阶段。阶梯先导加上第一次回击，就构成了第一次脉冲放电的全过程，其持续时间只有百分之一秒。

　　　　第一个脉冲放电过程结束之后，只隔一段极其短暂的时间（百分之四秒），又发生第二次脉冲放电过程。第二个脉冲也是从先导开始，到回击结束。但由于经第一个脉冲放电后，“坚冰已经打破，航线已经开通”，所以第二个脉冲的先导就不再逐级向下，而是从云中直接到达地面。这种先导叫做“直窜先导”。直窜先导到达地面后，约经过千分之几秒的时间，就发生第二