【文章內容簡介】 共價鍵，多出的一個電子受原子核的束縛很小，因此很容易成為自由電子。所以，在這種半導體中，電子載流子的數(shù)目很多，是多數(shù)載流子，空穴載流子的數(shù)目很少，是少數(shù)載流子，主要靠電子導電，故叫做電子半導體，簡稱N型半導體，如圖b所示。a b第13課 半導體工業(yè)的原料——鍺鍺，是德國化學家文克列爾在1885年用光譜分析法發(fā)現(xiàn)的——也就是門捷列夫在1871年所預言的元素“亞娃”。不過，直到1942年，人們才發(fā)現(xiàn)鍺是優(yōu)秀的半導體材料，可以用來代替真空管，鍺這才有了工業(yè)規(guī)模的生產，成了半導體工業(yè)的重要原料。鍺在周期表上的位置，正好夾在金屬與非金屬之間。鍺雖屬于金屬，但卻具有許多類似與非金屬的性質，在化學上稱為“半金屬”。就其導電的本領而言，優(yōu)于一般非金屬，劣于一般金屬，在物理學上稱為“半導體39。鍺是淺灰色的金屬。據(jù)X射線的研究證明，鍺晶體里的原子排列與金剛石差不多。結構決定性能，所以鍺與金剛石一樣，硬而且脆。鍺在地殼中的含量為一百萬之七，比之于氧、硅等常見元素當然是少，但是，卻比砷、鈾、汞、碘、銀、金等元素都多。然而，鍺卻非常分散，幾乎沒有比較集中的鍺礦，因此，被人們稱為”稀散金屬“?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的鍺礦有硫銀鍺礦（含5—7%）、鍺石（含鍺10%），硫銅鐵鍺礦（含鍺7%）。另外鍺還常夾雜在許多鉛礦、銅礦、鐵礦、銀礦中，就連普通的煤中，一般也含有十萬分之一左右的鍺，也就是說，一噸煤中含有10克左右鍺。在普通的泥土、巖石和一些泉水中，也含有微量鍺。由于鍺非常分散，這就給提煉鍺帶來很大的困難。不過，人們仔細研究，卻發(fā)現(xiàn)一個重要的秘密——在煙道灰中，竟然含有較多的鍺 。這是怎么回事呢？原來，煤里所含的微量鍺，是以氧化鍺或硫化鍺的形式存在。煤燃燒時，這些鍺化合物一受熱，便揮發(fā)了，而進入煙道或，卻又受冷凝結與煙道灰中。據(jù)測定，煙道灰中的含鍺量可達千分之一，有的甚至可達12%，比煤中含鍺量高一百倍到一千倍。現(xiàn)在，我國在各工廠普遍推廣煙道除塵技術，一方面可以變冒黑煙為冒白煙，凈化空氣，清潔環(huán)境；另一方面又可以從煙道灰中提取鍺。我國每年產煤幾億噸，從中可提取幾千噸鍺！北京、上海以及在東北的不少工廠，現(xiàn)在都已從墨黑的煙道灰中，提煉出銀灰色的鍺錠。另外，我國的一些鉛鋅礦、銅礦中也含鍺，在提煉鉛、鋅、銅的同時，也從“雜質”中提取鍺。從煤灰或各種金屬礦中提取的鍺，一般是氧化鍺或硫化鍺。用碳、氫或鎂進行還原，即可制得金屬鍺。不過，用作半導體材料的鍺，必須非常純凈。%，已算夠純的了，而用作半導體的鍺的純度，%以上?，F(xiàn)在，用于制造收音機的半導體鍺，%——%，也就是八個“9”到九個“9”的純度。最近，人們還甚至制得純度高達十一個“9”的純鍺，其中雜質含量只有一千億分之一。這樣少的雜質，用一般的光譜分析還查不出來，要用催化蒸發(fā)發(fā)光譜分析或其他超純分析方法，才能進行測定。在工業(yè)上，是用區(qū)域熔融法來制取純鍺——把鍺錠放在石墨舟（或石英舟）里，裝進石英管，抽成真空，然后用電爐在管外從這端逐漸從溶液中結晶出來，而雜質逐漸集中到鍺錠的末端。這樣，便可制的3幾個“9”的純鍺。近三十年來，純鍺大量地用來制造晶體整流管（即二極管）和晶體放大管（即三極管）。這種鍺晶體管很小，構造簡單，耐震，耐撞，比電子管的壽命長，耗電量小，成本低。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在全世界年產的鍺晶體管已超過五億個。由于溫度改變時，鍺的電阻也立即隨之發(fā)生靈敏的變化，所以鍺又用來制造“敏電阻”，即利用鍺的電阻隨溫度升降的變化，來測定溫度的高低。它甚至可覺察一公里外人體所射出的紅外線。此外，鍺還被涂在玻璃上、石英上，制成電阻，用于制造光電管、熱電偶等。由于半導體鍺的發(fā)現(xiàn)和應用，開辟了電子微型化的道路，是無線電技術發(fā)展中的一大進步。二氧化鍺，用來制造某些折射率很強的玻璃。在醫(yī)學上，由于鍺能刺激紅血球的生成，所以鍺的化合物可用來治療貧血病與嗜眠癥。第14課 材料科學——記憶NiTi合金神奇的金屬20世紀60年代，美國的一個海軍研究所正在研制一種新式裝備。試驗需要一些鎳鈦合金絲，一位研究人員便去倉庫領取。可他領回來的合金絲都是彎彎曲曲的，使用起來很不方便。于是，研究人員們把這些合金絲一根一根地拉直，然后安裝在試驗裝置上。試驗開始了，裝置的溫度不斷上升。突然，被拉直的鎳鈦合金絲全部恢復到原來彎彎曲曲的形狀，而且一絲不差。這使研究人員大為驚奇，決心探討一下這一奇異現(xiàn)象。多次試驗的結果證明，被拉直或做成其它形狀的鎳鈦合金絲，只要遇到一定的溫度，便立即恢復到原來那彎彎曲曲的樣子。也就是說，鎳鈦合金絲能“記住”自己原來的模樣。后來，他們又發(fā)現(xiàn)，很多合金都有這種奇特的本領。這可是個了不起的發(fā)現(xiàn)！科學家們將這種現(xiàn)象叫做“形狀記憶效應”，將具有“形狀記憶效應”的合金叫做“形狀記憶合金”。這類合金一被發(fā)現(xiàn)，立即被派上用場。你看——一天，一輛小轎車在一條平展寬闊的公路上飛駛。開車的是一位年輕小伙子，他手握方向盤，輕松地吹著口哨，眼睛還不時地望著路兩旁那迷人的景色。好不愜意：突然，前面出現(xiàn)了一個急轉彎，小伙子猛一打方向盤，沒想到接著又是一個急轉彎，他立即再打方向盤，但為時已晚，小轎車直向路旁的一棵梧桐樹沖去。車熄火了，小伙子下車一看，車的前擋板和前外殼被撞扁了一大塊，漂亮的小轎車剎時變得十分難看。小伙子好像并不傷心，又輕松地吹起口哨。只見他從駕駛室里取出一個大熱水瓶，拔下瓶塞，把熱水澆到被撞扁的地方。隨著水蒸氣的消失，伴著小伙子的口哨聲，奇跡出現(xiàn)了：被撞扁的地方慢慢地向外凸出，不一會，就恢復了原狀。小伙子用布擦了一下前擋板和前外殼上的水，回到駕駛室，又上路了。這一切就像一場精彩的魔術表演！我想，你不應該被這個“魔術”迷惑住，是嗎？第15課 合成氨的誕生氮肥和氮氣空氣中的“隱身人”氮氣被發(fā)現(xiàn)了，使人們對空氣組成的認識大大前進了一步?？伤直豢闯墒恰安荒芫S持生命”的東西，這實在又有點冤枉。你想想，構成生命的蛋白質，除了含碳、氫、氧外，％的氮元素。沒有氮就沒有蛋白質，又怎能談得上生命呢？可在19世紀40年代以前，還沒有人知道這以點。1840年，杰出的德國化學家李比希發(fā)現(xiàn)，氮元素是動植物生命所必需的元素；植物每年從土壤中帶走大量氮素，使歐洲的土地正在一年年貧瘠下去。怎么辦呢？為了解決這一問題，李比希親自從南美洲的智利運來了硝石。可是，他的作法并役有得到人們的支持，誰也不愿意花錢買“石頭”撒到地里。因此，第一批運來的硝石只好倒入海中。難道土壤里的氮不需要補充？不是的！事實教訓了人們，要奪高產必須施用氮肥。于是，硝石又成了搶手貨?！翱諝庵胁皇怯泻芏嗟獨鈫?，怎么會發(fā)生39。氮荒39。呢？”使用了一段硝石后，人們又把注意力轉向空氣里的氮。的確，空氣里含有大量的氮，其總量為41015噸，也就是說，每平方公里地面的上空就有1000萬噸氮。但遺憾的是，除了有根瘤的植物外，絕大多數(shù)植物無法直接吸收利用氮氣。于是，把氮氣變成可被植物直接吸收利用的氮的“攻堅戰(zhàn)”開始了。人們很快把目標集中到氮氣和氫氣的反應上。1900年，法國化學家勒夏特里根據(jù)理論推算，認為這一反應能在高溫下進行，但在實驗中，發(fā)生了爆炸，便草率地停止了這種“冒險”行為。德國化學家能斯特雖注意到氮氣、氫氣反應能生成氨氣，但通過計算，又認為這個反應沒有多大前途，使氨的合成反應又遭夭折。德國化學家哈伯和他的學生卻是氨合成反應的執(zhí)著探索者。經過艱苦的試驗和復雜的計算他們發(fā)現(xiàn)，在175～200個大氣壓和500～600℃時，氮氣和氫氣反應，可獲得濃度高于60%的氨；鋨和鈉對這一反應有較好的催化活性。德國巴登苯胺和蘇打公司對哈伯的研究工作十分感興趣，決心不惜耗巨資并投入強大的技術力量，將這個研究成果付諸于工業(yè)生產?；瘜W工程專家波施受命繼續(xù)試驗。他花了整整5年時間，經過20000多次嘗試，終于找到更有效的催化劑——含有鎂、鋁促進劑的鐵。氨的工業(yè)生產實現(xiàn)了。但人們并不甘心花費這么高的代價。在這一點上，人們是多么羨慕根瘤菌啊，它們在常溫、常壓極其溫和的條件下，就能把空氣里的氮氣變成氨！十幾年前，英國著名生物化學家瓦丁頓博士曾對他的老朋友——瑞典斯德哥爾摩微生物應用技術研究所海登博士，半開玩笑地說：“如果我有幸遇到一位有求必應的仙女，我將以全人類的名義向她祈求利用生物酶合成日前難以合成的化合物，也能像大豆的根瘤那樣，以取之不盡、用之不竭的空氣為原料，源源不斷地生產出可以作為肥料和化工原料的合成氨?！憋@然，他的“玩笑”一旦實現(xiàn)，整個“氮肥世界”就會發(fā)生一場劃時代的革命。目前，化學家和生物學家們正在攜手合作，尋找“人工模擬固氮”的方法，但困難畢竟不小。氮氣如此“頑固不化”，你知道其中的原因嗎？第16課 笑氣的得名有趣的氣體這是一個關于氣體的有趣故事。由于這段故事，這種氣體得到了一個有趣的名字，也被派上了一個重要用場。故事發(fā)生在1799年。那時，被稱為“小化學家”的、年僅21歲的戴維正在托馬斯貝爾茲醫(yī)生的醫(yī)用氣體研究所里工作。這個研究所的主要任務是研究化學家們相繼發(fā)現(xiàn)的各種氣體是否也能應用在醫(yī)療上。戴維首先研究的是一氧化二氮氣體。他很快制得了這種氣體。但人們對這種氣體的看法不一，有的說有害，有的說無害，究竟怎樣試驗它對人的生理的影響，始終拿不出方案。因此，制得的一氧化二氮只好裝在玻璃瓶里備用。一天，貝爾茲來到實驗室，看到戴維制得那么多一氧化二氮，十分高興，夸獎地說：“干得不錯，小伙子！”不料，貝爾茲一轉身，用手將一只盛有一氧化二氮氣體的玻璃瓶打碎了。且玻璃片劃破了他的手指。“不要緊吧？貝爾茲先生?！贝骶S趕忙扶住貝爾茲的胳膊?！安灰o！您看，……哈哈哈哈……”貝爾茲話還沒說完，卻大聲笑了起來，“哈哈哈哈……我的手指一點也不痛……”“哈哈哈哈……”剛才還被貝爾茲醫(yī)生的反常表情弄得驚慌失措的戴維，這時也不由自主地大笑起來。兩位科學家的笑聲，驚動了隔壁房間的人，他們跑過來想看個究竟，不想進屋不一會，也身不由己地大笑起來。一陣狂笑之后，大家才漸漸平靜下來。戴維認識到，剛才這一切，都是一氧化二氮在作怪。事隔不久，戴維到醫(yī)院拔牙。那時根本沒有什么麻醉藥，醫(yī)生硬是把壞牙拉了下來，疼得戴維渾身冒汗。這時，他又想到了一氧化二氮，便急忙到實驗室拿過裝有一氧化二氮的瓶子連吸了幾口。果然，他的牙不痛了，但又哈哈大笑了一番。這一消息很快傳遍了歐洲。外科醫(yī)生們紛紛用一氧化二氮做麻醉藥，來解除做手術病人的痛苦。當然，隨之而來的是，笑聲代替了刺耳的叫喊聲。就在這一片笑聲中，使用麻醉藥的新時代開始了。你看，一氧化二氮這種氣體多么有趣。那么。你能根據(jù)上面的故事，給一氧化二氮起個“別名”嗎？比比看，誰起的名字最形象。第17課 關于氯化鈉的電離向傳統(tǒng)觀念的挑戰(zhàn)瑞典化學家阿累尼烏斯自幼就顯示出非凡的才華和孜孜以求的品質。17歲他考入烏普沙拉大學后對化學產生了極大的興趣。當時，化學界對電解質電離的認識，停留在法拉第的理論上。法拉第這位化學大師在研究電解反應時。把電解以前未被分解的物質叫做電解質，意思是這種物質是可以用電流分解的，它們在溶液里受到外加電壓的作用會分解成正、負離子。可是，他的理論也受到了嚴重的挑戰(zhàn)：在溶液中加入水，溶液變稀了，照理，溶液的導電能力應該變差了，可實際上溶液的導電能力反而增強了。這究竟是怎么一回事？正在攻讀博士學位的阿累尼烏斯決心弄個明白。他在測定了多種鹽、酸、堿等的稀溶液的導電度并反復研究后，突發(fā)一種大膽的想法：電解質在溶液中，即使外部不給電壓，其中相當部分也已分解成離子了；這些離子在溶液中像分子一樣，是可以自由移動的。他自信已找到解決問題的鑰匙，因此興奮得徹夜難眠，并就此寫成一篇論文。阿累尼烏斯懷著激動的心情來到他的老師克利夫教授那里?！敖淌谙壬矣幸环N新的看法，能夠解釋溶液的導電度問題?！卑⒗勰釣跛褂悬c喜形于色。“是嗎？”慣于墨守成規(guī)、對阿里尼烏斯早有反感的克利夫教授冷冷地吐出兩個字。還沒等阿累尼烏斯講出自己的看法，便揮了揮手說：“再見！”阿累尼烏斯吃了閉門羹，但卻沒有心灰意冷?！皼Q心抱定了。就用這篇論文作博士學位的答辯論文！”為此，他做好了一切準備。1884年5月的一天，論文答辯開始了。那是一場激烈的論戰(zhàn)?！凹兇馐强障?！無法想象氯化鈉在水中會自行分解。鈉在溶液中能存在嗎？不會的！它遇水就會發(fā)生猛烈的反應。氯呢？它是種淡綠色的有毒氣體，可氯化鈉溶液、既無色又無毒，其中又怎么會有氯呢？”克利夫教授的質問咄咄逼人。阿累尼烏斯耐心地做著解釋，但克利夫教授根本聽不進去，其他人對這種認識也一時難以接受。阿累尼烏斯的論文艱難地通過了，級別當然不高，烏普沙拉大學也未授予他渴望已久的物理學講師一職。但深信論文價值的阿累尼烏斯，自然沒有失望。他將這篇論文分送給有判斷能力的各國權威學者，請他們審閱。真理總歸是真理：阿累尼烏斯的電離學說終于得到科學界的承認。他也因此而榮獲1903年的諾貝爾化學獎。第18課 啞泉的秘密諸葛亮四釋孟獲后，孟獲逃至禿龍洞。禿龍大王對孟獲夸下?？?，要借用四個毒泉來消滅漢軍。這四個毒泉中有一個是啞泉，這泉里的水“人若飲之，則不能言，不過旬日必死”。不久，漢軍先鋒王平率數(shù)百軍士探路來到啞泉邊。因天氣炎熱，軍士們口干舌燥，便爭先恐后地喝起泉水來。涼絲絲的泉水既解渴又消暑，軍士們個個喝了個痛快。回到大營，軍士們漸漸腹痛起來，而且越來越厲害，欲言而無聲，治療又無法。眼看著軍士們個個危在旦夕，諸葛亮心亂加麻，不知如何是好。正在這危難之時，遇到了一個老叟。經老人家的指點。眾軍士又飲安溪安樂泉的水，“隨即吐出惡涎，便能言語”。后來，又找到一種薤葉蕓香”草，每人口含一葉，這才“瘴氣不侵”，終于轉危為安。啞泉水為何能使人啞語得??？安樂泉水和“薤葉蕓香”草又為何能使人轉危為安？這一直是個謎。直到當代的化學工作者實地考察及分析研究后，才揭開了其中的奧秘。原來，啞泉水中含有大量的硫酸銅，安樂泉水中含有較多的減，“薤葉蕓香”草中含有較多的生物堿。第19課 “生命力”論的破滅大自然里，到處都是有機物。可以說，人類自誕生之日起，就與有機物結下了不解之緣．但直到19世紀初，人們對有機物的來源仍然不清楚。當時有一種理論認為，動植物體內有一種生命力，只有生命力才能制造出有機物來。這種“