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内容简介

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目录

基础科学
天文学
地球地理
人体科学
生命科学
生物天地
科技发明与应用科学
军事科学
交通与通信
科学未解之谜

精彩书摘

　　半导体的应用与推广
　　现代的汽车安装了“芯片”来监控诸多行驶过程参数，例如进入发动机的燃料流量、轮胎抓地力等。“芯片”还可以控制发光二极管以照亮汽车仪表盘，使汽车行驶更安全。洗衣机、洗碗机和微波炉等家用电器内部都装有芯片，通过预设程序运行。我们日常生活涉及到各种类似的“芯片”，但假如没有半导体，它们将毫无用处。
　　多数金属都是电的良好导体，例如，电线通常就用铜制成。另一类包括玻璃、纸和橡胶等在内的物质都是电的不良导体甚至是绝缘体，因此常用做电线的绝缘材料。介于导体和绝缘体之间的第三类材料即半导体。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体，另外还有锡、硒、锌和锑等；化合物半导体包括Ⅲ-V族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-V族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。所有这些半导体材料中，硅是应用最广泛的。
　　一种半导体可能有时是绝缘体，但在一定条件下能使电流通过019世纪30年代，科学家研究电现象时发现一些材料受热后会丧失导电的性质，而有些导电性较差的材料当用光照射时，只允许电流朝一个方向通过。
　　意大利物理学家古列尔莫？马可尼试验将电流转化为无线电波时，他需借助一种称做整流器的装置来检测进入的无线电信号。整流器只允许电流朝一个方向通过而不允许电流反向通过01874年，德国物理学家费迪南德？布劳恩研制出一种硫化铅晶体整流器。硫化铅晶体是第一种用在无线电接收机上的晶体，所以这种接收机也叫“晶体机”，它将电传导至一根纤细导线的尖端也就是“猫须”上。布劳恩的整流器也是世界上第一种半导体装置。由于杰出的成就，他和马可尼分享了1909年诺贝尔物理学奖。
　　整流器只有两个接线端，但是无线电技术的进展需要具有三个接线端的半导体元件，通过加在第三个接线端的电压或电流控制其他两接线端间的电压或电流。第一种三个接线端的半导体元件是真空管三极管，即真空管。后来发展到将几个三极管密封到同一个真空管中。因为真空管耗电量很大，这样很容易产生大量的热而导致金属部分熔融，最终使真空管烧毁。
　　．1947年，三位物理学家——英裔美国人威廉？肖克利和美国人约翰？巴登、沃尔特？布拉坦——研制出了第一台固体三接线端整流器装置，称做面点接晶体管，利用的是半导体材料锗。他们1948年在贝尔电话实验室研制出了几种“晶体管”，并与其他组件结合，制造出了音频放大器，它与以前的真空管放大器不同，其晶体管不需要预热就可以工作。三位物理科学家分享了1956年诺贝尔物理学奖。
　　1948年，肖克利又提出了面结型晶体管概念，这是一种由半导体材料薄片压缩到一起组成的晶体管。肖克利还发现锗晶体中的不纯物质会提高其半导体特性。
　　现代的半导体是由掺人浓度为百分之几的杂质的硅晶体薄片构成的。半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中加入杂质的步骤称做“半导体掺杂”。如果掺入的杂质为砷，那么在每个砷原子都会与四个硅原子结合，这样，在砷原子的最外层还剩余一个电子。电子携带有一个负电荷，所以这种半导体叫做n-型半导体。如果三价硼掺入硅晶体中，硼原子最外层的三个电子全部与硅电子成键，这样硅晶体为带正电荷的质子留下了一个空位。空位通常被称做空穴，所以这一类型的半导体叫做p一型半导体。当半导体加压通电时，自由电子就会只沿一个方向通过n-型半导体，而空穴则会沿相反的方向通过p-型半导体。
　　1958年，半导体技术取得了新的突破。美国德州仪器公司的电气工程师杰克？基尔比研究发现，晶体管并非一次只能掺杂一种杂质，可以通过叠加几种杂质的手段将它们一起整合到同一块半导体上。然后，在其上再添加如二极管、电阻器、电容器等元件，这就是基尔比发明的集成电路。
　　一年后，美国仙童半导体公司的瑞士物理学家琼？霍尔尼和美国电气工程师罗伯特？诺伊斯研制了平面技术。这是一种利用光掩模在硅晶圆内对金属及化学物质进行层叠和刻蚀的系统。利用这种新技术，工程师们就可以设计出更加复杂、应用范围更广的电路。
　　电脑、数码相机等所有现代电子产品中的芯片都比邮票小得多，它们是用塑料外壳把多层晶体管及相关组件与连接组件的细微导线一并封装在一块条状的硅晶片上。这就是基于半导体技术的集成电路。
　　超导体的发现与应用
　　1911年，荷兰莱顿大学的海科？卡茂林？昂尼斯偶然发现，将汞冷却到液态氦的温度时，汞的电阻突然消失了。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温超导态。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，科学家们开始把处于超导状态的导体称为超导体，并将超导体应用到医学成像、交通运输和粒子研究等多个领域。
　　超导体对流经的电流没有任何阻碍。超导体在1911年就被发现了，但是多年以来，科学家们认为超导只有在导体温度极接近绝对零度（-273.15）时才会发生。超导现象发
　　生时的温度即为临界温度（Tc）。在大部分I型超导体中，首先被确定的是金属或准金属（介于金属与非金属之间的一类物质），并且它们只有在极低的温度下才能发生超导现象。某些合金和金属化合物被划人Ⅱ型超导体，具有更高的临界温度——特别是施加超高压时。直到1985年，科学家发现了在普通大气压下具有的最高临界温度为23.2K（-249.95℃）的超导体——铌的一种合金。
　　1986年，“高温”超导研究取得了突破性的进展。1986年，IBM苏黎世欧洲研究中心的两位科学家阿列克斯？穆勒和贝德诺尔茨在镧-钡一-铜-氧化物陶瓷材料上发现了高温超导电性——尽管陶瓷材料常用做绝缘材料。这种金属氧化物陶瓷材料的超导临界温度约35K（-238.15℃）。尽管35K还是一个超低的温度，但是这个发现暗示找到具有更高超导临界温度的材料是可能的，这就进一步激发了科学家研究的兴趣。就在穆勒-贝德诺尔茨超导新发现发布几个月后，一些实验室用锶代替原来的钡，将超导临界温度提高到39K（-234.15℃）。1987年3月，物理学家朱经武及其同事在美国休斯敦大学，以及阿拉巴马大学的吴茂昆等研究人员，用钇取代原来的金属镧，构成的钡-钇-铜金属氧化物陶瓷材料的超导临界温度升高到98K（-175.15C）o他们将其命名为“ibco”，并且根据材料中的三种原子钇、钡、铜组成比例将这类的超导材料称做1-2-3化合物。在1987年上半年，至少有800篇关于高温超导研究的论文发表在科学期刊上，并且在下半年，这方面的论文以每周30篇的速度迅速递增01988年，许多实验室称，由铊、钡、钙、铜和氧组成的化合物超导临界温度达到了125K（一148℃）；还有报道称，铊化合物超导临界温度已高达140K（一133.15℃）o铊基化合物在英国被称为“烟草”o铊类化合物很难被分析，因为其具有超强的毒性。
　　在许多科学家继续研究陶瓷材料时，另一些科学家则转向了全新的超导研究方向，并在“巴基球”（1985年富勒发现）上发现了超导性。巴基球是碳原子的三种同素异构体之一（另外两种形式是石墨和金刚石），巴基球分子（C60）是由60个碳原子以球状相互键合而成，外观形状像一个微小的足球。1991年，AT&T;（美国电报电话公司）贝尔实验室研究人员将钾原子掺杂在C60中构成K3C60，发现其是一种超导体，超导临界温度为18K（-255.15℃）o其他的研究人员后来改变了K3C60的组成，用铷或铯取代钾原子，其超导临界温度提高到33K（-240.15℃）；当用铊取代钾时，超导临界温度升高到42K（-231.15℃）。
　　1993年，超导临界温度问题又取得了突破性的进展，在瑞士苏黎世联邦技术研究所，由汉斯．R．奥特领导的研究小组研制出一种由汞、钡、钙、铜和氧四种元素组成的陶瓷化合物材料，其超导I临界温度达到了133K（-140.15℃）o同年不久，休斯敦大学的朱经武和法国格勒诺布尔极低温度国家研究中心的曼努尔？努伊兹一雷盖罗研制的汞基陶瓷材料在15万~23万倍于海平面大气压的超高压条件下，其超导临界温度达到了153K（-120.15℃）o有些研究小组声称已经发现了室温-300K（26.15℃）——下的超导体，但是没有任何证据证明其真实性。
　　物理学家们都在积极地寻求有价值的研究成果。低温超导体材料必须浸在液氦中，这既不方便又很昂贵。与之相反，液氮不但丰富、价廉而且使用方便。液氮的沸点为77K（-196.15℃），适合高温超导体材料的冷藏。
　　由超导体材料制成的导线用于制造超导磁体。超导磁体在磁分离及医学成像方面有重要作用，而且还可以用于磁悬浮列车。磁体使列车悬浮，消除了列车与车轨之间的摩擦02003年12月，日本一列磁悬浮列车在山梨磁悬浮测试线上行驶速度高达581千米／小时。由超导导线制成的发电机体积只有传统发电机的一半大小，但是其发电效率超过传统发电机的99%。闭合超导线圈可以储存电流而没有一点损耗，可用来制造零损耗充电电池。
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前言/序言

　　科学包含了世界的全部奥妙，是揭开自然之谜的钥匙，是通向未来世界的桥梁，它的不断进步给世界带来了翻天覆地的变化。掌握了科学的人，就像搭上了一列高速列车，向着美好的未来飞奔而去。科学是青少年的主要功课，而且，当今的世界对他们的要求也越来越高，因此，广大的青少年朋友需要一条获得科学知识的捷径。对于广大青少年来说，虽然未必人人成为科学家，但作为一个21世纪的现代人，不了解基本的科学知识，是难以想象的。
　　基于此，我们精心编写了这本彩图版的《科学百科》，它专为中国青少年量身打造，就像一片神奇的帆，能将你轻松带进浩瀚的科学海洋，让你开开心心地爱上科学，成为有科学头脑的人。
　　本书按照学科种类组织编写，并考虑到读者的阅读习惯，将纷繁复杂的科学内容归纳为基础科学、天文学、地球地理、人体科学、生命医学、生物天地、科技发明与应用科学、军事科学、交通与通信、科学未解之谜10大部分，从浩瀚的知识海洋中精心选取最有了解价值的内容，具体而直观地介绍当今主要学科领域的基础知识、历史进展、核心概念、主要成就、科学趣谈和最新应用等，帮助读者系统全面地架构起科学知识体系的框架，开阔视野，启迪思维，一步步进入神秘而有趣的科学王国。全书以探索精神和人文关怀贯穿始终，为读者展示了一个丰富多彩、奥妙无穷的科学世界，是一本融知识性和趣味性于一体的理想科普读物。书中的每一节都独立成篇，以通俗生动的语言阐述一个个科学专题，结构完整，讲解准确清晰，能使读者于趣味盎然中轻松受益，且便于随时翻阅，可从任一页读起。
　　全书配有1000余幅精美插图，有珍贵的实物照片、现场照片、手绘插图，也有大量原理示意图和结构清晰、解释详尽的分解图等，再配以简洁、准确的图注，与文字相辅相成，帮助读者形象、直观地理解各学科知识，激发读者热爱科学、学习知识的兴趣，拓展其想象空间，使他们能在充满趣味的阅读中，轻松增长知识，并启发其思维与创造能力。另外，本书还设置了“知识档案”栏目作为知识链接，或对专业术语进行通俗解释，或对相关知识进行补充延伸，或为实用性较强的提示说明，或为与之相关的历史档案，让读者有豁然开朗、触类旁通之感，并留下深刻印象。
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　　今天，“科学技术是第一生产力”的观念已深人人心，崇尚科学的精神正成为时代的主旋律。现代社会要求每个劳动者对博大精深的科学知识体系有个概貌的了解，形成与之相匹配的知识结构，以便能够与时俱进地进行知识更新。这样，才会理解和应对自然界的各种现象和社会上有关科学的各种问题。愿每位读者都能确立科学的观点、科学的方法和科学的精神，具备较为丰富的科学素养。
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