晶体二极管

晶体二极管（精选十篇）

晶体二极管 篇1

1 资料与方法

1.1 临床资料

随机选取我院2012年1月至2013年5月收治的36例高度近视患者, 共68眼, 其中, 男20例, 女16例, 最小年龄16岁, 最大年龄62岁, 平均年龄 (34.6±2.5) 岁, 治疗前视力为0.1~0.3。所有患者均经检查准确为高度近视患者, 均采用有晶体眼人工晶体植入术进行治疗。

1.2 护理方法

(1) 术前护理:进行手术前, 护理人员应指导患者进行眼球训练, 转动眼球, 并对患者的头部进行固定处理, 嘱咐患者尽量避免打喷嚏或咳嗽, 以免对眼球造成刺激。严密观察患者的眼部变化, 给予抗生素眼药水预防眼部感染。另外, 还应做好术前准备工作, 备好手术所需医疗器械, 并向患者说明手术流程, 强调手术治疗效果及其安全性, 以免患者出现术前紧张、恐惧等不良情绪。

(2) 心理护理:术前, 由于患者对高度近视及手术认识不足, 容易出现不安、焦虑、紧张以及恐惧等心理, 对手术治疗造成不利影响[1]。因此, 医护人员应仔细观察患者的心理变化, 主动与患者交流, 向患者讲解手术治疗的目的, 说明手术治疗的优点, 减少患者的心理负担, 使患者积极面对治疗。

(3) 术中护理:清洗患者的泪道, 使患者保持眼周清洁, 并采用乙醇 (75%) 消除眼周, 也可以将乙醇换为碘伏 (0.5%) 。在进行手术操作时, 应严格按照手术要求, 执行无菌操作, 留意患者的手术反应, 积极配合医生完成手术。

(4) 术后护理:手术结束后, 给予抗生素眼药水预防眼部感染, 将药水滴于眼部, 每天4次, 并给予人工泪液清洁眼周。嘱咐患者保持眼周清洁, 多卧床休息, 尽量减少用眼, 避免头部大幅度活动, 以免导致头部碰撞, 刺激眼部神经。采用静脉滴注方式, 给予止血敏或地塞米松治疗, 并采用点必舒滴眼液进行滴眼, 给予扩瞳剂托呲卡护眼。

(5) 出院指导:患者手术结束出院后, 应嘱咐患者保持眼部清洁, 避免过度用眼, 并按时滴眼, 若出现眼周充血、呕吐、视力降低、恶心等症状, 应及时就医[2]。

2 结果

经手术治疗和护理干预后, 所有患者的近视症状均得到不同程度的改善, 其中, 20例38眼视力恢复至0.9~1.0, 12例24眼视力恢复至0.6~0.8, 其余4例6眼视力恢复至0.4~0.5。无患者出现人工晶体露出现象, 5例患者出现角膜内皮质水肿现象, 4例出现前房溢出, 后囊混浊、晶体夹持、瞳孔领积血各1例。

3 讨论

高度近视是临床常见眼科疾病, 发病率随着人们生活节奏的加速逐渐升高, 有晶体眼人工晶体植入术是治疗高度近视的有效方法, 是一种近视矫正手术, 现被广泛应用于高度近视治疗中。少数高度近视患者对自身疾病不重视, 以为佩戴眼镜可改善近视症状, 已有研究表明, 佩戴近视眼镜可矫正患者视力, 但并不具备改善视力的作用, 近视患者应采取治疗措施, 以免近视程度加重, 转变为高度近视或超高度近视。对于高度近视患者, 除了采取手术治疗措施外, 还应在手术前后, 给予护理干预, 有效提高治疗效果。进行眼科护理时, 应按要求执行无菌操作, 保持动作轻柔, 并密切留意患者的治疗反应, 在各个治疗阶段给予全面护理, 促进患者视力恢复[3]。在本研究中, 经手术治疗和护理干预后, 20例38眼视力恢复至0.9~1.0, 12例24眼视力恢复至0.6~0.8, 其余4例6眼视力恢复至0.4~0.5。无患者出现严重不良反应, 可见护理干预对高度近视手术治疗患者具有重要意义。

综上所述, 对于高度近视患者, 不仅要采取有晶体植入治疗措施, 还应在手术前后给予护理干预, 促进患者的视力恢复, 改善患者的近视症状。

参考文献

[1]赵春玲.有晶体眼人工晶体植入术治疗高度近视的护理[J].中外医学研究, 2011, 10 (21) :132-133.

[2]李翠荣, 贾沁.有晶状体眼后房型人工晶体植入术的护理[J].宁夏医学杂志, 2011, 12 (06) :104-105.

晶体二极管 篇2

一、学习目标

1．掌握分子间作用力和氢键对物质的物理性质的影响。

2．掌握构成分子晶体的微粒，分子晶体的物理特性。

3．了解物质的“相似相溶”原理。

二、学习过程

(一)引入新课

[复习提问]

1．常温下氟是淡黄绿色的        ；氯是黄绿色的         ；溴是深棕红色的        ；碘是紫黑色的         。卤素单质常温下状态不同的原因是                                                                                                                                                  。

[新授内容]分子晶体、相似相溶原理

一、知识要点（学生自学完成）

1.分子间作用力

(1)分子间作用力_________________；又称范德华力。分子间作用力存在于______________________之间。

(2)影响因素：

①分子的极性

②组成和结构相似的：

2.分子晶体

(1)定义：________________________________

(2)构成微粒________________________________

(3)粒子间的作用力：________________________________

(4)分子晶体一般物质类别________________________________

(5)分子晶体的物理性质________________________________________________

二、要点点拨

1.结构对性质的影响：构成分子晶体的粒子是分子，分子间以分子间作用力而结合，而分子之间作用力是一种比较弱的作用。比化学键弱的多。因此造成分子晶体的硬度小，熔、沸点低(与离子晶体相比较)。分子晶体无论是液态时，还是固态时，存在的都是分子，不存在可以导电的粒子(阴、阳离子或电子)，故分子晶体熔融或固态时都不导电，由此性质，可判断晶体为分子晶体。

2.氢键：对于HF、H20、NH3熔、沸点反常，原因在于三者都是极性分子(极性很强)分子间作用力很大，超出了一般的分子间作用力的范围(实属氢键)。是介于分子间作用力和化学键之间的一种特殊的分子间作用力，因此，它们的熔、沸点反常。

3.空间结构：分子晶体中的分子构成晶体时，一般也有自己的规律，并不象我们所想象的那样任意排列。不同的物质，分子之间的排列方式可能不相同，在中学，我们只了解干冰中C02分子的.排列方式就可以了。由干冰晶体求一个晶胞中C02分子数目的方法同离子晶体。

4.影响分子间作用力的因素：

①分子的极性

②相对分子质量的大小。这里所说的分子的极性，一般指极性特别强的，即第二周期的几种活泼非金属的氢化物：HF、H20、NH3。其他组成和结构相似物质分子间作用力的大小，则要看其相对分子质量的大小。

相对分子质量大的分子，其中一般存在原子序数比较大的元素，这些元素的原子体积一般比较大。由于每个分子的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对偏移，从而使原子产生瞬时的极性，并且原子的体积越大，这种相对偏移也越大。因此使分子间产生作用。由于这种现象产生的分子间作用力一般比由于分子本身存在极性产生的作用要弱

三、习题讲练（学生先练，教师再点拨）

[例1]共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是    (    )

A.干冰        B.氯化钠

C.氢氧化钠    D.碘

[解析]干冰是分子晶体，分于内存在共价键，分子间存在范德华力。NaCl是离子晶体只存在离子键。 NaOH是离子晶体，不仅存在离子键，还存在H―O间共价键。

碘也是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在分子间作用力。故只有B符合题意。

[例2]在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是(   )

A.HF、HCI、HBr、HI的热稳定性依次减弱

B.NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次减低

C.F2、C12、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高

D.H2S的熔沸点小于H2O的熔、沸点

[解析]HF、HCl、HBr、HI热稳定性依次减弱是它们的共价键键能逐渐减小的原因，与键能有关。NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次减低是它们的离子键能随离子半径增大逐渐减小的原因。F2、C12、Br2、I2为分子晶体。熔、沸点逐渐降低由分子间作用力决定。H2S与H2O的熔沸点高低由分子间作用力及分子的极性决定。故选C、D。

[例3](1)PtCl2(NH3)2成平面立方形结构，它可以形成两种固体。一种为淡黄色，在水中溶解度较小；另一种为黄绿色，在水中溶解度较大。请在空格内分别画出这两种固体分子的几何构型图。

(1) 淡黄色固体 ,分子构型

（1）

               （2）

黄绿色固体,分子构型

(2)试解释：钠的卤化物比相应的硅的卤化物熔点高的多

[解析]分子对称、无极性、颜色为淡黄色、难溶于水，因为是非极性分子

分子不对称、有极性、颜色为黄绿色能溶于水、因为分子有极性

(2)钠的卤化物比相应的硅的卤化物的熔点高得多，这与晶体的类型有关。前者是离子晶体而后者为分子晶体，前者靠阴、阳离子相互作用比后者的范德华力大的多。

[例4]在干冰晶体中每个CO2分子周围紧邻的 CO2分子有___________个  在晶体中截取一个最小的正方形；使正方形的四个顶点部落到CO2分子的中心，则在这个正方形的平面上有___________个C02分子。

[解析]解答此题要求对干冰的晶体模型十分熟悉。以右下角C02分子研究对象：与其紧邻的为

面心上的3个C02分子，而CO2分子被8个这样的立方体所共有，故有3×8=24。又考虑到面心上的 C02被2个这个的立方体共有，故24/2=12个。

由C02晶体模型分析得出，符合题意的最小正方形即模型的角对角面的一半，不难看出有4个C02分于。

[答案]12个    4个

四、总结

1．分子间通过分子作用力相结合的晶体叫分子晶体。构成分子晶体的微粒是分子。分子晶体中，由于分子间作用力较弱，因此，分子晶体一般硬度较小，熔、沸点较低。

2．一般来说，对于组成和结构相似的物质，分子间作用力随着相对分子质量增加而增大，物质的熔点、沸点也升高。例如：F2

3．组成相似的分子，极性分子的熔、沸点大于非极性分子，如：SO2>CO2

第二讲针对性练习

一、选择题

1.下列物质在变化过程中，只需克服分子间作用力的是    (    )

A.食盐溶解    B.铁的熔化

C.干冰升华    D.氯化铵的“升华”

2.下列化学式能真实表示物质分子组成的是(    )

A.NaOH    B.S03

C.CsCl    D.NaCl

3.最近科学家发现了一种新分子，它具有空心的类似足球的结构，分子式为C60，下列说法正确的是    (    )

A.C60是一种新型的化合物

B.C60和石墨都是碳的同素异形体

C.C60中虽然没有离子键，但固体为离子晶体

D.C60相对分子质量为720

4.当S03晶体熔化或气化时，下述各项中发生变化的是    (    )

A.分子内化学键    B.分子间距离

C.分子构型        D.分子间作用力

5.IA族元素的原子与最外层有7个电子的原子结合，可以形成    (    )

A.离子晶体

B.分子晶体

C.离子晶体，分子晶体都不可能形成

D.无法确定

6，支持固态氨是分子晶体的事实是

A.氮原子不能形成阳离子

B.铵离子不能单独存在

C.常温下，氨是气态物质

D.氨极易溶于水

7.下列有关共价化合物的说法：①具有较低的熔、沸点  ②不是电解质  ③固态时是分子晶体  ④都是由分子构成  ⑤液态时不导电，其中一定正确的是

A.①③④    B.②⑤

C.①②③④⑤    D.⑤

8.下列分子晶体：

①HCl  ②HBr  ③HI ④CO  ⑤N2  ⑥H2熔沸点由高到低的顺序是    (   )

A.①②③④⑤⑥    B.③②①⑤④⑥

C.③②①④⑤⑥    D，⑥⑤④③②①

9.下列性质适合于分子晶体的是    (    )

A.熔点1 070℃，易溶于水，水溶液导电

B.熔点10.31 ℃，液态不导电、水溶液能导电

C.能溶于CS2、熔点112.8 ℃，沸点444.6℃

D.熔点97.81℃，质软、导电、密度0.97 g／cm3

二、填空题

10.有两组关于物质熔点的数据分析以上数据，回答：

I组

物质

NaCl

KCl

RbCl

CsCl

熔点

II组

物质

SiCl4

GeCl4

SnCl4

PbCl4

熔点

(1)有什么规律可循______________________________________

(2)造成这些规律的主要原因是 __________________________________________

11.已知白磷是由P4分子形成的分子

晶体，每个P4分子是正四面体结

构。分子中的四个磷原子位于正

四面体的四个顶点。则P4分子中

共有___________个P―P键。

12.磷在空气中充分燃烧后生成结构如图所示的分子。图中圆圈表示原子、实线表示化学键。试回答：

(1)请从图中找出磷原子，并在图上将其涂黑。

(2)形成化合物的化学式为 ________________。

(3)分子内的磷原子排列成______________形。

(4)每个磷原子处于______________中心。

(5)在用实线表示的化学键中，两原子间单线表示

的是 _________极(填写非极性键或极性键)。

13. 诺贝化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家.C60分子是形如球状的多面体(如图),该结构的建立基于以下考虑:

①C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键;

②C60分子只含有五边形和六边形;

③多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,遵循欧拉定理:

据上所述,可推知C60分子有12个五边形和20个六边形,C60分子所含的双键数为30.

请回答下列问题:

(1)固体C60与金刚石相比较,熔点较高者应是____________,理由是:

_________________________________________________________.

(2)试估计C60跟F2在一定条件下,能否发生反应生成C60F60(填“可能”或“不可能”)_________________________,并简述其理由：

________________________________________________________.

(3)通过计算,确定C60分子所含单键数.

C60分子所含单键数为_______________.

(4)C70分子也已制得,它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知.通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目.

C70分子中所含五边形数为____________,六边形数为_________.

第2课时练习答案

一、选择题

1.A  2.B    3.BD  4.BD  5.AB    6.C    7.D 8.C  9.BC

二、填空题

10.(1)I组：随离子健的减弱，熔点降低

Ⅱ组：随分子量的增大，熔点升高。

(2)原理：工组为离子晶体  Ⅱ组为分子晶体。

11.  6个

12.（1）

(2)P4010   (3)正四面体

(4)由原予排列成的正四面体

(5)极性

13.解答

(1)  金刚石

金刚石属原子晶体,而固体C60不是,故金刚石熔点较高.

(答出“金刚石属原子晶体”即给分)

(2)  可能

因C60分子含30个双键,与极活泼的F2发生加成反应即可生成C60F60

(只要指出“C60含30个双键”即给分,但答“因C60含有双键”不给分)

（3）依题意C60分子形成的化学键 ：

也可由欧拉定理计算键数(即棱边数):60+(12+20)-2=90

C60分子中单键为:90-30=60  (1分)

(4)设C70分子中五边形数为x,六边形数为y.依题意可得方程组:

辨析分子晶体与原子晶体 篇3

一、原子晶体与分子晶体的判断方法

1. 依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断

原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键；分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。

2. 记忆常见的、典型的原子晶体

3. 依据晶体的熔、沸点判断

原子晶体熔、沸点高，常在1000℃以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百度以下至很低的温度。

4. 依据导电性判断

分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。

5. 依据硬度和机械性能判断

原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。

例1 铁室中，用激光将石墨靶上的碳原子炸松，同时用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜，这种化合物比金刚石更坚硬，其原因可能是（ ）

A. 碳、氮原子构成空间网状结构的晶体

B. 碳、氮的单质化学性质均不活泼

C. 碳、氮键比金刚石中的碳碳键短

D. 氮原子最外层电子数比碳原子多

解析 分子间作用力影响分子晶体的物理性质；共价键既影响原子晶体的物理性质，又影响原子晶体的化学性质。通过比较晶体的物理性质，可以判断粒子间作用力的类型。碳氮化合物薄膜比金刚石更坚硬，说明此薄膜粒子间作用很强，比金刚石中C—C共价键更强，因此，该碳氮化合物应该是原子晶体。我们知道N的原子半径比C小，故N—C键长比C—C键长要短一些，键能也就大一些，符合条件。故A、C项正确。

二、分子晶体与原子晶体结构上的差异

分子晶体与原子晶体在结构上有很大差异，构成晶体的粒子、粒子间的作用都不相同。

1. 分子晶体的结构特征

干冰和冰的晶体结构见课本图3-11、3-12。两者的差异见下表：

大多数分子晶体结构有如下特征：

（1）如果分子间作用力只是范德华力。以一个分子为中心，其周围通常有12个紧邻的分子。如O2、C60、CO2，我们把这一特征叫做分子紧密堆积。

（2）如果分子间除范德华力外还存在着氢键，分子就不会采取紧密堆积的方式。如在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，形成正四面体。氢键不是化学键，比共价键弱得多却跟共价键一样具有方向性。氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体的空间利用率不高，有相当大的空隙，因此冰的密度小于水的密度。

2. 原子晶体的结构特征

以金刚石晶体为例，其晶体结构见课本图3-14：

（1）金刚石中每个C原子以sp3杂化，分别与4个相邻的C原子形成4个σ键，故键角为109°28′，每个C原子的配位数为4；

（2）每个C原子均可与相邻的4个C构成有中心的正四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚石晶体，在一个小正四面体中平均含有1+4×[14]=2个碳原子；

（3）在金刚石中最小的环是六元环，1个环中平均含有6×[112]=[12]个C原子，含C—C键数为6×[16]=1；

（4）金刚石的晶胞中含有C原子为8个，内含4个小正四面体，含有C—C键数为16。

例2 下面关于SiO2晶体网状结构的叙述，正确的是（ ）

A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si和O原子数之比为1：2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

解析 二氧化硅是原子晶体，结构为空间网状，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于4个顶角，所以A项错误；在SiO2晶体中，每6个Si和6个O形成一个12元环（最小环），所以D项正确，B、C项都错误。

点评 怎样理解SiO2的结构？可从晶体硅进行转化，晶体硅与金刚石结构相似，只需将C原子换成Si原子，再将Si—Si键断开，加入氧即可，见下图：

但是若将题目中B、C、D三个选项前面分别加上“平均每个”，则本题的答案就又变了，这时就要应用均摊法了。由于每个Si原子被12个环所共用，每个O原子被6个环所共用，每个Si—O键被6个环所共用，则均摊之后在每个环上含有0.5个Si，1个O，2个Si—O键，即在1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键，此时则B、D项错误，C项正确。

三、分子晶体与原子晶体在物理性质上的差异

1. 分子晶体熔、沸点高低的比较规律

分子晶体的熔化或汽化都需要克服分子间的作用力。分子间作用力越大，其熔化或汽化时需要的能量就越多，熔、沸点就越高。因此，比较分子晶体的熔、沸点的高低，实际上就是比较分子间作用力（包括范德华力和氢键）的大小。

（1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高，如：O2>N2，HI>HBr>HCl。

（2）相对分子质量相等或相近，极性分子的范德华力大，熔、沸点高，如：CO>N2。

（3）含有氢键的，熔、沸点较高，如：H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3。

（4）结构相似、相对分子质量相等，分子排列越紧密，分子间作用力越强，熔、沸点越高，如：正戊烷>异戊烷>新戊烷。

2. 原子晶体熔、沸点比较规律

一般来说，原子间共价键键长越短，键能越大，共价键越牢固，原子晶体的熔、沸点越高，硬度也越大。如：金刚石、碳化硅、晶体硅。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键长逐渐增大，键能逐渐减弱。故熔、沸点：金刚石>碳化硅>晶体硅。

例3 1999年美国《科学》杂志报道：在40 GPa高压下，用激光器加热到1800 K，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断中不正确的是（ ）

A. 原子晶体干冰有很高的熔、沸点

B. 原子晶体干冰易汽化，可用作制冷材料

C. 原子晶体干冰的硬度大，可用作耐磨材料

D. 1 mol原子晶体干冰中含4 mol C—O键

解析 该晶体是原子晶体，熔化时要克服C—O共价键，很困难，故熔点、沸点很高，硬度很大，难汽化。A、C项正确，B项错误。该晶体的结构应该与SiO2相似，每个C原子与4个O原子形成4条C—O共价键，即1 mol原子晶体干冰中含4 mol C—O键。

例4 下列各组物质熔、沸点逐渐升高的是（ ）

A. AsH3、PH3、NH3

B. CH3OCH3、CH3CH2OH、CH3COOH

C. SiC、Si3N4、SiO2

D. SiI4、SiBr4、SiCl4

解析 AsH3、PH3、NH3都是分子晶体。NH3分子间存在氢键，熔、沸点最高；AsH3的相对分子质量大于PH3，故AsH3的熔、沸点高于PH3，A项错误。CH3OCH3、CH3CH2OH、CH3COOH中，CH3COOH分子间有氢键，且相对分子质量最大，其熔、沸点最高，CH3OCH3、CH3CH2OH的相对分子质量相等，而CH3CH2OH含—OH，分子间有氢键，故其熔、沸点较高，B项正确。SiC、Si3N4、SiO2三者均为原子晶体，熔、沸点的高低决定于共价键的强弱。C、N、O的原子半径逐渐增大，Si—C、Si—N、Si—O键长逐渐增长，共价键减弱，熔、沸点降低。C项错误。SiI4、SiBr4、SiCl4都是分子晶体，结构相似，它们的相对分子质量逐渐减小，分子间作用力逐渐减弱，熔、沸点逐渐降低。D项错误。

【练习】

1. 水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的，玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述正确的是（ ）

A. 玻璃态是水的一种特殊状态

B. 水由液态变为玻璃态，体积膨胀

C. 水由液态变为玻璃态，体积缩小

D. 玻璃态水是分子晶体

2. 下列4种物质熔、沸点由高到低排列为 （填序号）。

①金刚石 ②锗 ③晶体硅 ④金刚砂

3. 德国和美国科学家首先制出由20

4．氮、磷、砷是同族元素，该族元素单质及其化合物在农药、化肥等方面有重要应用。请回答下列问题。

（1）砷原子核外电子排布式为 ；

（2）K3[Fe（CN）6]晶体中Fe3+与CN－之间的键型为 ，该化学键能够形成的原因是 。

（3）已知：

分析上表中四种物质的相关数据，请回答：

① CH4和SiH4比较，NH3和PH3比较，沸点高低的原因是 。

② CH4和SiH4比较，NH3和PH3比较，分解温度高低的原因是 。

【参考答案】

1. A

2. ①＞④＞③＞②

3. 12 30 分子晶体

4．（1）1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3

（2）配位键；CN－能提供孤对电子，Fe3+能接受孤对电子（或Fe3+有空轨道）。

（3）① 结构相似时，相对分子质量越大，分子间作用力越大，因此SiH4沸点高于CH4； NH3分子间还存在氢键作用，因此NH3的沸点高于PH3。

晶体二极管 篇4

1 资料与方法

1.1 一般资料

共收治26名后囊破裂无晶状体眼患者,其中男性18例,女性36例。年龄(18～65)岁。根据病因分型,其中外伤性白内障吸除术后的无足够囊膜支持的无晶状体眼17例(17只眼),各种原因晶状体脱位半脱位行囊内摘出5例(5只眼),超声乳化术后囊膜破裂4例(4只眼)。均为二期行Artisan人工晶状体植入。

1.2 病例入选标准

①前房深度≥3.0mm(上皮面);②角膜内皮细胞计数(细胞密度)2500/mm2;③患者有手术主观愿望;④排除眼部疾病,如:青光眼、干眼症,眼内炎症性疾病等;⑤排除全身结缔组织疾病、心血管疾病等。常规术前检查包括裸眼视力、最佳矫正视力、散瞳及主觉验光、裂隙灯显微镜检查,三面镜检查眼底、眼压(NCT)、角膜地形图、房角镜查前房角、角膜内皮细胞记数。

1.3 手术后3月比较术前术后眼压变化,裂隙灯显微镜观察术后角膜水肿、前房闪辉、晶状体位置,角膜内皮镜检查比较术前术后角膜内皮细胞计数,对手术的安全性和有效性进行了总结评估。

1.4 统计学方法

用SPSS 10.0软件,手术前后检查数据采用计量资料统计学方法,手术前后资料比较采用配对t检验。

1.5 手术方法

①结膜切口一般在正上方(12点方位)、鼻上方或颞上方。沿角巩膜缘剪开结膜6.0mm,并向后钝性剥离暴露巩膜、烧灼止血。②巩膜外切口采用反眉状切口,中心顶点距角巩膜缘2.0mm,若术前角膜地形图显示存在较大散光(顺规)则切口方位选择在垂直大曲率经线位上;切口长度约(5.5～6.0)mm。③巩膜隧道用3.2mm宽的半月形巩膜隧道刀,自外切口切入进入半层巩膜平面,向前和向两侧分离巩膜板层。④辅助切口选择2:30和9:30时钟位作辅助切口部位。以15°穿刺刀,在预先选定部位角膜缘内,倾斜穿刺角膜进入前房,切口大小约1.5mm,由辅助切口注入1%pilocarpine针剂缩瞳。⑤隧道内口用3.2mm枪状穿刺刀,通过巩膜隧道推进,尖端到达隧道顶端后,向后轻压顶点,再改变方向使穿刺刀与虹膜表面平行,向前推进穿过后弹力层进入前房。⑥植入晶体前房注入粘弹剂,由巩膜隧道植入Artisan前房型人工晶体,虹膜夹持襻位于3:00和9:00,晶体光学中心与瞳孔中心同轴,用虹膜钩钩取襻下虹膜,由晶体襻夹持。⑦缝合隧道外口根据情况缝合(1～2)针。

3 结果

3.1 视力

术前裸眼视力(UCVA)均低于0.06,术后3月裸眼视力(UCVA)均高于0.1;术前最佳矫正视力(BCVA)(0.1～0.5)者20例,>0.5者6例,术后3月最佳矫正视力(BCVA)(0.1～0.5)者10例,>0.5者16例(61.5%),等于或高于术前最好矫正视力26只眼(100%)。

3.2 眼压

术前眼压(17.25±2.92),术后3月眼压(17.14±2.52),配对t检验无统计学差异(P=0.164>0.05)。其中一例患者术后2天开始眼压升高,最高时达45mmHg,考虑粘弹剂未抽干净致继发性青光眼,降眼压处理后,眼压恢复至术前水平,此患者随访3月,无再次眼压升高。

3.3 角膜内皮计数

术前角膜内皮记数(1 907.89±168)/mm2,术后6月为(1 899.28±178)/mm2,配对t检验无统计学差异(P=0.745>0.05)。

3.4 并发症

术后炎症反应,表现轻微,一般于术后(2～3)天房水完全清亮,仅2只眼出现轻度前房纤维素样渗出,于术后6天吸收。人工晶体无倾斜移位,前房出血1只眼,继发性青光眼1只眼,为粘弹剂未抽干净所致,降眼压处理后2天眼压恢复正常。

4 讨论

在白内障手术发展的现阶段,人工晶体囊袋内植入是公认的最安全、最有效的植入方法。但是随着工业的发展,和高速交通工具的普及,各种眼外伤引起的晶状体脱位以及医源性晶状体囊膜完全缺失或大部分缺失也越来越多,使得人工晶体植入术变得较为复杂。如何安全有效地矫正后囊破裂无晶状体眼的屈光不正,尽量减少手术损伤,提高视觉质量,对眼科医生提出了更高的要求。目前临床上一般采用后房型人工晶状体睫状沟缝线固定术手术治疗后囊破裂膜无晶体眼,但比较复杂,对眼后段组织扰动大,手术损伤也比较大,术后并发症较多.常见并发症有人工晶体移位,术后感染及眼内出血,视网膜脱离[1]。前房型人工晶状体植入术因为持续性的角膜内皮损伤和继发青光眼[2]可能,现已经很少采用。

本研究运用虹膜夹持型人工晶状体二期植入术治疗后囊破裂无晶状体眼,通过对比患者手术前后裸眼视力(UCVA)、最佳矫正视力(BCVA),比较术前术后眼压变化,裂隙灯显微镜观察术后角膜水肿、前房闪辉、晶状体位置,角膜内皮镜检查比较术前术后角膜内皮细胞计数,对手术的安全性和有效性进行了总结评估。结果显示患者术后UCVA优于术前BCVA,有100%的患者获得了甚至高于术前最佳矫正视力,术前术后眼压无明显变化,术后角膜无明显水肿,晶状体位置未见明显偏移。术后3个月时角膜内皮细胞丢失无统计学意义。因此结论Artisan虹膜夹持型人工晶状体植入术是一种安全有效的治疗后囊破裂无晶体眼的方法,手术操作相对简单,组织损伤小,并发症少[3]。在虹膜组织足够支撑晶状体时可作为常规术式予以考虑。虹膜夹持型人工晶体二期人工晶体植入术主要适用于单眼后囊完全破裂无晶体眼,对侧眼视力好,患者不能耐受戴框架眼镜或戴接触镜者。术前患眼最佳矫正视力至少≥0.1,角膜内皮计数正常,无房角睫状体损伤,无眼底病变者。

摘要：目的:本项目拟对Artisan虹膜夹持型人工晶状体植入术治疗后囊破裂无晶体眼的可行性与安全性进行研究,为复杂后囊破裂无晶体眼二期人工晶体植入术提供一种新型有效的治疗方法。方法:我院自2006年1月至2009年12月运用Artisan虹膜夹持型人工晶状体植入术治疗后囊破裂无晶状体眼26例,其中外伤性白内障吸除术后的无足够囊膜支持的无晶状体眼17例(17只眼),各种原因晶状体脱位半脱位行囊内摘出5例(5只眼),超声乳化术后囊膜破裂4例(4只眼)。均为二期行Artisan人工晶状体植入,通过比较患者手术前后裸眼视力(UCVA)、最佳矫正视力(BCVA),比较术的术后眼压变化、裂隙灯显微镜观察术后角膜水肿、前房闪辉、晶状体位置,角膜内皮镜检查比较术前术后角膜内皮细胞计数,对手术的安全性和有效性进行了总结评估。结果:显示患者术后UCVA优于术前BCVA,术前术后眼压无明显变化,术后角膜无明显水肿,晶状体位置未见明显偏移。术后3个月时角膜内皮细胞丢失无统计学意义。结论:Artisan虹膜夹持型人工晶状体植入术是一种安全有效的治疗后囊破裂无晶状体眼的方法,手术操作相对简单,组织损伤小,并发症少。在虹膜组织足够支撑晶状体时可作为常规术式予以考虑。

关键词：后囊破裂无晶体眼,Artisan虹膜夹持型人工晶状体,二期植入

参考文献

[1]张晗,黄一飞,张同河,等↑二期植入前房型人工晶状体与巩膜固定型人工晶状体的比较[J].国际眼科杂志,2005;5(6):1175-1177

[2] De Sancfis U,Mutani B.Grignolo FM.Long-term endothelial cell loss after traumatic dislocation and repositioning of Artisan phakic IOL.J Refract Surg,2008;24:546

晶体二极管 篇5

一、晶体的基本性质

晶体的基本性质是由晶体的周期性结构决定的。

1.自范性：指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。2.均一性：指晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的。

3.各向异性：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异。

4.对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。在外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。

这种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复，就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。

5.最小内能：在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。

6.稳定性：晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。7.有确定的熔点：给晶体加热，当温度升高到某一温度便立即熔化。8.能使X射线产生衍射：当入射光的波长与光栅隙缝大小相当时，能产生光的衍射现象。X射线的波长与晶体结构的周期大小相近，所以晶体是个理想的光栅，它能使X射线产生衍射。利用这种性质人们建立了测定晶体结构的重要实验方法。非晶态物质没有周期性结构，不能使X射线产生衍射，只有散射效应。

二、梦幻般的晶体世界 1.什么是晶体

什么是晶体？晶体就是晶莹闪亮的物体吗？如果说下列物质中，只有一种是晶体，那么在“玻璃、珍珠和冰雪”中，你选择哪一个？如果答案是“冰雪”，你会奇怪吗？说到晶体，还得从结晶谈起。大家知道，所有物质都是由原子或分子构成的。众所周知，物质有三种聚集状态：气体、液体和固体。但是，你知道根据其内部结构特点，固体又可分为几类吗？研究表明，固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。究竟什么样的物质才能算作晶体呢？首先，除液晶外，晶体一般是固体形态。其次，组成物质的原子、分子或离子具有规律、周期性的排列，这样的物质就是晶体。但仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是X光技术。用X光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的粒子当成一个点，再用假想的线段将这些代表粒子的各点连接起来，就绘成了像图中所示的格架式空间结构：

图1—7

这种用来描述粒子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中粒子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元称作晶胞。许多取向相同的晶胞组成晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、单晶石英。大家最常见的一般是多晶体。

由于物质内部粒子排列的明显差异，导致了晶体与非晶体物理化学性质的巨大差异。例如，晶体有固定的熔点，当温度高到某一温度便立即熔化，而玻璃及其他非晶体则无固定的熔点，从软化到熔化是一个较大的温度范围。我们吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。我们可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。不是吗？每家厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。

2.晶体的诞生 站在光彩夺目、色彩艳丽的宝石晶体面前很少有人能够漠视这种纯洁、自然和美的魅力，人们常常禁不住俯下身来，从内心中发出惊叹：“世上居然有这么神奇的东西，它怎么长出来的呢？”

这个问题现在的人们已经能够精确地作出回答。有时，自然界中晶体的形成就同盐的结晶过程一样，从溶液中诞生。如，岩石的裂缝处充满了溶解的液态物质，结晶体逐渐沉积在岩石表面。当岩石表面饱和的溶液蒸发之后，晶体也就随之形成了。有时，许多晶体是在令人难以置信的压力和温度下形成的。如，在岩浆中熔化、流动，尔后随火山喷发的矿石冷却后，晶体就诞生了。大自然用地球内部的超高温火炉来冶炼晶体，这不由得让人想起神话中孙悟空在太上老君丹炉的三味真火中炼成火眼金睛。但是，自然界蕴藏的晶体不论在质量、数量和品种方面都满足不了人们的需要，因此，科学家就师法自然，模拟自然界的成矿条件来培育晶体，这就是人工晶体。

你知道最开始研制人工晶体是在什么时候吗？杨德忠院士告诉我们说：“这个早啦。比如说在中国古代，就有炼丹的这些术士，他们实际上就是在弄人工晶体。还有最简单的，从海水里提炼食盐，把海水拿到池子里去，让它晒干，它里面就可以形成很小的氯化钠晶体，那就是人工晶体。”炼丹术士为寻找长生不老之药，把一些化学物质配方后，拿到高温火炉中去烧，没想到它的丹丸虽无回天之力，却开创了化学科学的源头。同时，创造出了原始的人工晶体。炼丹术士炼出的这些晶体大多是硫化物，因为硫化物在高温下很容易结晶。人造红宝石可以说是人工晶体大家族中的开山鼻祖。它最早是由法国科学家维尔纳叶于1890年采用焰熔法制成的。人工晶体距今已有一百多年的历史，这期间人们发明和设计出了包括提拉法、下降法、水溶液法以及冷坩埚法在内的四十多种生长方法。晶体的生成有的可以在几天内完成，比如盘子中盐水的结晶，而有的晶体需要几百万年的时间才能生成，比如在岩浆内形成的矿物晶体。有时同样的元素可形成多种晶体，比如最软的石墨和最硬的钻石就具有相同的化学成分——纯碳。

寻找十全十美的晶体一直是科学家难以实现的理想。因为无论是在大自然中诞生还是在实验室里合成，晶体都会由于不可逃脱的地球引力难以完美成形。于是科学家们希望换一种环境去生长晶体，建立永久空间站实现了这一切。在高空微重力环境中，即使比重不同的物质也可以均匀混合、和平共处，因此长出的晶体晶格缺陷少，组分均匀，结构完整，性能优良。目前，各国科学家的造物本领已巧夺天工，不仅能用人工方法合成出自然界已有的晶体，如水晶、金刚石、人工合成胰岛素等，也能用人工方法合成出自然界没有的晶体，无机晶体如最常见的半导体单晶硅，有机晶体如青霉素等。

五光十色、丰富多彩的人工晶体已悄悄地进入了我们的生活，并在各个高新技术领域大显神通。

3.神奇的人工晶体

当我们使用电脑上网时，当我们烹饪美味佳肴时，当我们用手机通话时，当新郎给新娘戴上钻戒时，你可曾想到，发生在身边的这些大事小事都与人工晶体有关。它们已成为当代日常生活和高科技领域不可缺少的材料。比如，纯净的人工石英晶体即人工水晶，就具有优良的压电性能，它既能把机械能转变成电能；也能把电能转化成机械能，甚至发出唱歌似的声音。遥控器、电子表、手机、声纳等都是利用压电晶体或其他压电材料来实现能量转换的。压电晶体主要用来制作滤波器、谐振器、光偏转器等，被广泛应用在钟表及无线电工业上。

我们知道，X光的穿透本领很强，无论人体组织还是几厘米厚的钢板，它都能畅通无阻，因此可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析。但X光人眼是看不见的，而通过一种晶体就能看得见。在X光或其他高能射线的照射下，这种晶体能够激发出荧光，射线越强，荧光越强。这种晶体就是闪烁晶体。光电探测器记录下这些光子数，就可以计算出入射粒子的能量，科学家利用这一原理进行高能物理实验和宇宙射线的探测。人们用闪烁晶体做成的探测器或荧光屏比喻为看得见X光和高能射线的眼睛。我们对激光并不陌生，利用激光晶体设计的激光器，激励后能够产生各种激光，如果再加上变频晶体，就能使激光的频率增加一倍或数倍，甚至可以把不可见的红外激光变为可见光，把绿色激光化为蓝色光。现在，常用作激光工作物质的晶体有红宝石晶体、石榴石晶体、掺钛蓝宝石晶体等。激光具有极强的方向性和单色性，能量高度集中，并能产生极高的亮度和极远的射程。红宝石激光器发出的激光，亮度比太阳光要高出几亿倍，照到月亮上也仅是一个变化不大，清晰可辨的明亮光斑。工业生产用激光可以在坚硬的宝石上打出头发针尖粗细的小孔；激光还可用于通信，几根细如发丝的光纤代替了笨重昂贵的电缆，但却可以传递更多的信息。

如果给各种信息技术材料记功授奖，首功当属半导体晶体。自动化技术的日新月异，电子计算机的更新换代，广播电视的普及与提高，通信事业的迅猛发展等都离不开半导体晶体。最常见的半导体晶体是硅和锗，其电阻率介于金属和绝缘体之间。自从1958年第一块集成电路诞生以来，集成电路技术迅猛发展，现在科学家已经能够在米粒大小的硅片上集成数十万乃至数百万个晶体管等电子元件，这就是我们的计算机从“386”迅速发展更新到“奔Ⅳ”的原因。

追溯人类最近百年的历史，我们会发现，人工晶体为现代科技的发展立下了赫赫战功。在两次世界大战的时候，石英晶体作为无线电通讯中的一个关键元件，开创了无线电通信时代。在上世纪五十年代，发现了硅单晶，直接导致了电视、手表、计算机、电话、无线电通讯的诞生，硅单晶的发现，表明了电子时代的来临。上世纪六十年代，红宝石晶体问世，产生了人工激光，为人类迎来了光电子时代。从某种意义上说，人工晶体不仅是划分时代的标志，它还是人类进步与繁荣的阶梯，随着更为神奇的晶体的诞生，人类文明必将走向一个更加美好的高科技时代。

三、晶体缺陷

所谓理想晶体是指晶体中的原子、分子或离子等完全按照严格的周期性重复排列得到的晶体，晶体中所有的晶胞是等同的。而在实际晶体中或多或少总会存在空位、错位、杂质粒子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列，人们称之为晶体缺陷。即使少量缺陷对晶体的性质却有很大的影响。如半导体材料单晶硅和单晶锗，杂质含量要求小于－109。因此人们千方百计设法克服晶体缺陷来满足要求。这样看来，晶体缺陷是件坏事，是需要克服消除的。其实不然，有的晶体材料需要克服晶体缺陷，更多的晶体材料需要人们有计划、有目的地制造晶体缺陷。因为晶体缺陷能影响晶体的性质，在晶体中有计划地制造种种缺陷，就可使晶体的性质产生各种各样的变化，以此造就各种性能的晶体材料来满足五彩

缤纷的物质世界的需要。比如，ZnS晶体的晶体缺陷可以作为蓝色荧光粉。蓝色荧光粉的主要原料是硫化锌（ZnS）晶体，它是白色的。如果往ZnS晶体中掺入大约0.0001%的氯化银＋－＋－（AgCl）时，Ag和Cl分别占据ZnS晶体中对应Zn2和S2的位置，造成晶体缺陷，破坏

＋－了ZnS晶体周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级与Zn2和S2周围的不同。这种掺杂的ZnS晶体，在阴极射线激发下，放出波长为450 nm的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。

四、球烯——碳家族的新成员

提到晶态的碳单质，人们自然会想到光泽夺目、坚硬无比的金刚石和深灰色、质软滑腻的石墨，因人类对它们的认识和应用已源远流长。但在1985年，科学家们用激光照射石墨时，通过质谱法首次检测出C60、C70等纯碳分子，此后，又用它法制出了它们的晶体。除此，还发现了一些结构与C60类似的分子，如C28、C32、C50、C70、C84、C90、C94„、C240、„、C540等，它们组成了一个尚不完整的系列（如下图）。至此，在金刚石和石墨之后，人们发现了碳的第三类晶态同素异形体——球烯。

其中比较重要的是C60，经研究发现C60分子具有封闭球形笼式结构，即C60是由12个五边形和20个六边形所围成的球形凸多面体，具有高度美学对称性的足球状分子，人们称之为“碳足球”。如此结构中共有60个顶点和90条棱边，它们分别代表60个碳原子的位置和90条碳碳键，结构中每个C原子与相邻的3个C原子成键，因每个C原子共可形成4条键，故其中两条为单键，一条为双键、整个分子共60条C—C和30条C==C。C60的球形结构使其内部形成了一个球形空腔。

结构决定性质，C60和C70分子都是非极性分子，通过分子间作用力形成分子晶体。因此，熔、沸点较低、密度较小，易溶于苯、甲苯等有机溶剂。由于球烯类分子中存在着交替的单双键，因而表现出很强的芳香性和热稳定性，如可与F2、H2等非金属发生分步加成反应，生成C60F6、C60F36、C60H36、C60H60等多种加成产物。化学家们尝试往C60的空心球中加入各式各样的金属原子，已成功地研制出了金属掺杂C60的超导体（如K3C60、Rb3C60）。还进一步试验，向球心里放入多种离子，使它们成为一个个带电的球体；化学家还试图通过各式各样的方法为球面上的碳原子“接种”上各种取代基使之成为球烯的各种衍生物。

可以说，球烯的发现，对于碳化学甚至整个化学领域、新型无机非金属材料的研究都具有非常重要的意义。更因为球烯同时具有“内藏”和“外接”的两种可能性，因此今后的化学研究必定会更加丰富多彩。

“Cn”的结构：

1.Cn中有五边形和六边形，每个五边形占有的碳原子数应为5/3个（5×边形占有的碳原子数为2个（6×

1313），而每个六）。

2.关于棱数，由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键），而每个键

却又是两个碳原子所共有，因此棱数为n×3×3.单、双键数的求法： 单键数+双键数=总棱边数 单键数=2×双键数

4.五边形及六边形数目的求法：

设五边形为a个，六边形为b个，则有：

5a2bn(顶点数)33n(ab)n22欧拉定理:顶点数面数棱边数12。

2a、b由两式联立方程组求解可得。

五、可燃“冰”——未来高效新能源

可燃“冰”是一种沉于海底的独特新能源。是天然气（甲烷类）被包进水分子中，在海底低温与高压下形成的透明晶体。

由于海水水温低，压力大，海洋生物和微生物死亡，尸体沉入海底，在无氧环境下，经过厌氧菌分解，生成甲烷等可燃性气体，然后钻入海底疏松的沉积岩，与水结合成可燃冰。年复一年，在海底就形成了绵延数万里的可燃“冰”的矿藏。可燃“冰”的储量大，含能量高，科学家断言，天然气水合物作为未来的一种潜在能源将独具魅力，伴随于我们的生活。

天然气类水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳1个客体分子（如CH4），因此可燃“冰”的极限化学式是8X·46H2O，式中X为客体分子，可以是CH4、C2H6等等（如8CH4·46H2O）。X与H2O之间并非化学键而是被宿主以分子间作用力包藏在笼中，因而把它们叫做包合物（或曰笼形化合物）。

现已探明，我国南海海底有巨大的可燃“冰”带。其总量已超过已知蕴藏在我国内陆地下天然气总量的一半，是外观像冰的甲烷水合物。

想一想：

若把它从海底取出，拿到地面上，它将有什么变化？为什么？它属何类晶体？你做出判断的根据是什么？

从海底取出的甲烷混合物将熔化并放出甲烷气体。因为该晶体属分子晶体，甲烷分子与水分子都是由有限数目的原子通过共价键结合成的小分子。而分子之间是较弱的分子间作用力。所以可燃冰的熔、沸点较低。易发生熔化，汽化现象。

已知1 m3可燃冰释放出164 m3的甲烷气，试估算晶体中水与甲烷的分子数之比： 假设甲烷气体体积已折算成标准状况下的数据，则n（CH4）=164 m3÷22.4 m3/kmol=7.32 kmol。设甲烷水合物的密度与冰的密度相同，即1 g/cm3，则n（H2O）∶n（CH4）=110007.321618∶7.32=6.7∶1，由于可燃冰沉入海底，密度会大增，另外甲烷的密度肯定比水小，合理答案应是n（H2O）∶n（CH4）＞6.7∶1（理论组成为8CH4·46H2O）。所以参考答案为n（H2O）∶n（CH4）=7～9∶1。

甲烷类水合物的可燃冰，其储量之大，含能之高，必将决定其成为未来人类的高效新能源。

六、第三周期元素氯化物及氧化物键型与晶型变化情况

*PCl5固态为离子晶体：［PCl4］［PCl6］

七、课题研究 C60的制作 制作要求：

给你一张白纸，请把C60的图形折叠出来。参考答案：

（1）剪下巴基球模型的附图（见下图）。

（2）沿着黑线的边缘剪成三条长形的连续六角形长条（注意：虚线的地方不可剪断）。（3）将三个长条的所有虚线部分都折一下。

＋

－

（4）将两个标记“AA”的边线并齐后，用胶带粘住。

（5）将两个标记“BB”的边线并齐后，用胶带粘住。此时三个长条变成一个扭曲的Y字。

（6）将两个标记数字“1”的边线并齐后，用胶带粘住，然后依序将2、3„„至11，依上述步骤一一完成。

寻找准晶体 篇6

此刻，保罗·斯坦哈特已经确信这个小颗粒正是他要找的东西。但这块岩石颗粒太小了，他不得不把它粘在一根玻璃棒的末端，生怕它丢失。他已经记不得找到这个岩石样本花了他多少时间。但要真正了解这块独特石头的故事，需要把斯坦哈特带到可以说是世界的尽头，而且在某种意义上——带到地球之外。

斯坦哈特的正式研究领域是理论宇宙学。直到2011年他58岁时，他从未露营过。他之所以突然决定要去荒野待几天，其实是始于20世纪80年代初对一个数学游戏——选择浴室瓷砖的着迷。把许多重复的正方形、等边三角形、平行四边形或正六边形的瓷砖，紧密地拼接在一起，最终刚好能贴满浴室地面。但任何其他形状的瓷砖都不能做到这一点。

或者，把规则再放宽一点。如果每一块瓷砖的形状规则但不重复，依然可以用五边形、梯形和其他形状规则的瓷砖镶满浴室地面。15世纪初建立在伊朗伊斯法罕的多座清真寺（请参见后文链接：《基里赫瓷砖》），都运用了这类“准周期”的瓷砖模式。由英国物理学家罗杰·彭罗斯发明的准周期结构，也是这种模式的一个著名的现代范例。

斯坦哈特则考虑了这样一个问题：在三维空间是否存在准周期结构？这并非是一个完全无端的猜想。透过电子显微镜观察，从钻石到硅石再到石墨，任何结晶固体都会产生典型的衍射模式。这些模式与以规则、重复阵列排列的原子的衍射模式一致。如果把这些阵列视为点阵，并且把它们连接起来，就能得到正方形、三角形、平行四边形和六边形。简直太神奇了。但是，能否把原子也以准周期模式排列呢？

最终，斯坦哈特证明了至少在理论上可以让原子如此排列，并且还证明了：任何这类准周期结构晶体（以下简称准晶体）的衍射模式都非常漂亮，截然不同于常规晶体的衍射模式。1984年11月，当他读到以色列物理学家丹·舍特曼（当时舍特曼一直在研究新型金属合金的制造）的一篇论文时，他立即认出了这种特异的衍射模式。次月，斯坦哈特就与他的学生达夫·列文发表了论文《准晶体：一个新类型的有序结构》，介绍了他们在理论上的发现，文中也提到了舍特曼研发的材料。

并非所有科学家都认同他们的说法。其中最有名的反对者是获得了诺贝尔奖的化学家莱纳斯·鲍林。他宣称“不存在准晶体之类的东西，只存在准科学家”，言下之意是斯坦哈特算不上真正的科学家，其有关准晶体的研究理论也不是真正的科学理论。直到1987年，潮流才开始反转。当时，麻省理工学院的一组科学家运用可互换准晶体衍射模式，创制了一种由铝、铜和铁组成的合金。到2011年舍特曼获得诺贝尔奖时（请参见后文链接：《被嘲笑者赢得诺贝尔奖》），已知的合成准晶体已超过100种。

准晶体的优势并不仅仅在于奇特：准晶体内部的原子排列，赋予了准晶体一系列诱人的特性——非常坚硬，摩擦力很低，是很好的热绝缘体。因此，从飞机到不粘锅的各种表面材料，再到能用废热发电的热电材料和非常节能的发光二极管，准晶体都可能大有用场。但前提是要对准晶体有更多了解，以及找到方便可行的准晶体制造方法。

而这恰恰是问题所在。当科学家试图在实验室里制造准晶体时，哪怕温度或压力的小小波动，也会让原子的精致排列模式偏离到更常规的晶体结构。准晶体只能在精细控制的条件下制造，这无疑是缓慢而又昂贵的过程。但斯坦哈特有一种直觉：制造准晶体应该不会只有以这种方式。但如何证明这一点？如果能在自然界找到准晶体，或许就能证明有更简单的方法来制造准晶体，而我们也许能从中受到启发。

刚开始时，斯坦哈特没有太多时间来寻找天然准晶体。他只是偶尔会抽出时间，向世界各地的博物馆申请岩石样本，目测它们是否具备准晶体的特征。但当他1998年到了普林斯顿后，他得到了一种新装备：电子衍射显微镜。他开始采用一种新算法，与一些同事共同在一个特殊数据库（由来自岩石粉末的成千上万种衍射模式组成）中搜索准晶体结构。那些有希望的样本，来自于博物馆馆藏和个人收藏。科学家们把岩石样本切割成小片，在显微镜下仔细寻找它们可能具有的准晶体特征，却始终未能找到。

2001年，科学家们发表论文宣布自己的失败，其实是希望有人能站出来提供他们想要的岩石，但一直未得到回应。直到6年后的一天，斯坦哈特收到了一封署名卢卡·宾迪的电子邮件。宾迪是意大利佛罗伦萨大学自然历史博物馆的矿物学带头人，专门研究天然矿物质的结构复杂性。全球矿物学家中，只有他回应了斯坦哈特团队。这一点弥足珍贵，而且他很快就像斯坦哈特一样，迷恋上了寻找天然准晶体。

宾迪起初只研究他所在博物馆所收藏的岩石，但接下来他又把目光投向其他地方的样本，终于发现了一块直径只有大约3毫米的样本——白色、灰色、黑色和黄色错杂的颗粒样本。它的标签上说，它属于铝锌铜矿，来自于西伯利亚的科里亚克山脉。

铝锌铜矿拥有科学家们认为有希望的化学组成：就像实验室制造的首批准晶体当中的一些那样，它包含铝和铜。被打磨成粉状来观测，铝锌铜矿很符合斯坦哈特团队的算法。2009年初，宾迪把其中一些微粒（它们的直径约为0.1毫米）送给斯坦哈特。斯坦哈特通过电子显微镜观察这些微粒，发现了确凿无疑的准晶体特征。

不幸的是，这一发现付出了很大代价。宾迪所进行的打磨消耗掉了这些微型样本中的大部分，有关这些样本来源的线索也随之失去。随后几年里，斯坦哈特团队检验了剩下的每一颗岩石微粒，尽可能从中获取信息。他们还分析了有关这种岩石起源的各种大胆的假说：闪电袭击、工业炼铝产生的炉渣甚至核爆炸。然而，它们都不吻合。

他们还把一颗微粒送到加州理工学院，目的是检验它的氧同位素。检测结果是，它的同位素构成与年代在大约45亿年前（太阳系形成时期）的CV3碳粒陨石的这一构成完全匹配。这一检测结果，再加上微粒中存在只能在高温高压下形成的一种硅土矿物质，就强烈暗示这种矿物质形成于两颗小行星在太空中的高速碰撞，碰撞产生的物质随后落到地球上。如此看来，准晶体在自然界中的确存在，但它们的发源地并非是地球。

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这个样本有多古老？它怎么会在小行星碰撞中存活下来？它是唯一的天然准晶体，还是有很多种这样的准晶体，只是我们还没有找到？为了找到答案，斯坦哈特就必须去露营。于是，在2011年的一天，他决定要去这个标本的“老家”寻找答案。

但他首先得决定露营地在哪里。一张写着“科里亚克山脉”的标签根本没有什么帮助——这是西伯利亚最大的山脉。宾迪当年的购买记录中说，这块岩石是1990年由阿姆斯特丹收藏家尼科·寇克寇克卖给他所在博物馆的1万块岩石样本之一。但这条线索起初也没有多大作用，因为找不到寇克寇克。

通过不厌其烦的调查，斯坦哈特还是发现了另一个铝锌铜矿样本。它是俄罗斯圣彼得堡一家博物馆的藏品之一，不允许拿去做衍射显微镜检测。它是由苏联铂金研究院前领导、后来移民以色列的列奥尼德·拉辛捐赠给这家博物馆的。但当斯坦哈特联系到他时，他却称自己对那个铝锌铜矿样本一无所知。这样，又一根线索断了。

山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。宾迪向一个来自阿姆斯特丹的熟人说起他们对准晶体的找寻，此人恰好就住在一位叫寇克寇克夫人的街对面。随后发现，她正是尼科·寇克寇克的遗孀。宾迪立即前往阿姆斯特丹造访她，说服她分享她丈夫的秘密日记。他们发现，这块铝锌铜矿是由罗马尼亚岩石商蒂姆卖给寇克寇克的，而蒂姆又是从拉辛手中得到它的。

如此看来，宾迪所在博物馆收藏的这块铝锌铜矿样本与圣彼得堡博物馆收藏的同类样本是相关的。虽然拉辛拒绝提供线索，但经过曲折的过程，斯坦哈特团队最终还是得到了线索，找到了对这块岩石来源的唯一知情者——瓦内利·克里亚奇科。

克里亚奇科被找到时已60多岁。1979年，拉辛派他去科里亚克山脉的李斯特维尼脱河淘沙取铂金。克里亚奇科花了数天筛洗河边的蓝绿色黏土，发现了黄金、泥浆和其他奇异发光的岩石，但没有找到铂金。为证明他没有偷懒，他带回了一些奇异的岩石。

此后他再也没见到这些岩石。拉辛把它们带到了圣彼得堡，然后把它们卖给了收藏者。斯坦哈特说，拉辛或许自认为很聪明，但他实际上亏惨了。这不足为奇——当时根本就没人听说过准晶体。

斯坦哈特团队终于找到了这次露营的地点。随后，赞助款大笔大笔地到来。他们发现，许多富商对两样东西特别感兴趣——恐龙和流星。而他们最需要找到对陨石感兴趣的人。2011年7月22日，斯坦哈特、宾迪和克里亚奇科来到位于西伯利亚最东边的一个偏远城镇——安纳迪尔，随行者包括斯坦哈特的儿子小斯坦哈特，以及来自美国和俄罗斯的其他6名科学家、两名卡车司机、一名协助他们通过法律关口的律师兼随队厨师，以及这名律师的宠物猫。

到达“露营地”的路途长达4天。说是路，其实根本就不是路。在蚊子多得可以阻挡视线的荒野中，他们坐在“雪猫”（加装了毛毛虫状胎面的退役坦克）上前行。他们吃蘑菇、罐装肉和从沿路河中捕来的鱼。最终，他们来到了克里亚奇科几十年前发现铝锌铜矿的地方。他们在河边荒地的中心驻扎下来。

发掘的第一天，在挖掘又厚又硬的泥巴时，他们有两只铲子挖断了。最终，他们用铲刀和刀子从结冰的河中取到了泥巴。他们把泥巴煮沸后淘洗，去掉水和较大的岩石块，再不断淘洗、筛选，在每天工作结束时只得到极少量的细粉尘微粒。当时除了宾迪很乐观之外，几乎无人相信能找到准晶体。

回到普林斯顿后，这种乐观才被证实。疑似准晶体的样本中，有9个颗粒被证实来自于1.5万年前～8000年前闯进地球大气层的陨星，其中4个包含准晶体。但这带来了更多奥秘：除了准晶体之外，这些陨石材料中还含有单独的铝，这样的现象在自然条件下罕有发生（这是由于铝很容易被氧化）。更奇怪的是，这些陨石材料中还含有金属铜，而金属铜的形成条件通常与铝的形成条件截然不同。那么，这些铝和铜是从哪儿来的？一种可能性是，它们来自于一颗被较小岩石撞击的较大的小行星，相撞后的碎片掉在地球上。相撞时，小行星的一部分被加热到足够熔化含铝和铜的矿物质的程度，从而释放这些金属并产生准晶体。在太空的冰冷条件下，岩石迅速冷却，岩石颗粒得以存活下来并最终落到地球上。

从这个意义上说，斯坦哈特等人对准晶体的找寻迄今为止是不成功的。准晶体微粒的形成竟然经历了宇宙中的撞击、与地球大气层摩擦的烈焰之旅以及在永久冻土中蜷缩成千上万年，如此磨难过程说明准晶体的诞生绝非易事。但这并不会让斯坦哈特父子及其团队退缩。既然已经知道准晶体就是陨石，而陨石落在哪里都有可能，所以在近处找也无妨。另外，既然已经找到了一种天然准晶体，那么找到第二种、第三种甚至更多种即便不是理所当然，也并非没有可能。

被嘲笑者赢得诺贝尔奖

结晶材料一般由晶胞（晶胞是指构成晶格的最基本几何单元。晶格是指晶体内部原子排列的具体形式。请参见文末名词解释）组成。晶体中的原子排列模式具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现。这种晶体结构使得石墨成为一种很好的润滑剂。

1982年4月8日早晨，在美国工作的以色列工学院科学家丹尼尔·舍特曼在观察一种迅速冷却的金属合金晶体的电子显微镜图像时，发现了完全不同的东西：这种合金中的原子排列模式不重复。舍特曼当时不禁自言自语：“不可能有这种玩意儿。”这类看似古怪的结构如今被称为“准晶体结构”，并且这类结构已在多种材料中被发现。不均衡的结构使得准晶体尤其坚硬。

舍特曼的这个发现显然背离关于晶体的“经典理论”，所以他“理所当然”遭到了嘲笑。尤其是科学巨擎、两次诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林对他发起了令人害怕的“征战”。鲍林不仅否认准晶体之类的东西存在，而且揶揄舍特曼不懂科学。舍特曼所在研究团队也要他回去重读教科书，并且不要再回团队，以免让整个团队“蒙羞”。

孰料，因为对准晶体的发现，舍特曼最终赢得了2011年诺贝尔化学奖，奖金为150万美元。诺贝尔委员会在颁给他这一奖项时说：“他（指舍特曼）的发现极具争议性。舍特曼对传统科学理论发动了一场鏖战。他的战斗最终迫使科学家们重新思考他们对事物本质的观念——永不重复自己的规则模式是存在的。”而这个模式正是准晶体模式。

科学家们曾经以为固体只有两种状态：晶体，例如钻石，它们的原子精确排列；非晶体，例如金属，它们的原子排列没有特定顺序。准晶体却提供了第三种可能性，打开了一扇通往新型材料的大门。迄今为止，实验室中已经合成了数百种准晶体。

科学家解释说，晶体中的原子排列很对称。而在准晶体中，这种对称性被打破。准晶体结构中有规则的模式，但绝不重复。在一些阿拉伯马赛克（镶嵌画）中也能看到这样的现象。阿拉伯马赛克中的模式有一种耐人寻味的特征，就是被称为“黄金分割率”的数学常数，而这个常数在自然界中比比皆是，其背后是13世纪就已发现的斐波那契数列，即数列中每个数都是其前面两个数的和。

诺贝尔委员会指出，准晶体的存在意味着有关晶体的教科书都需要改写，这是一种观念的彻底转变。事实上，自从伽利略被传统科学嘲弄，并且因为观测到的确如哥白尼所说的那样——是地球绕着太阳转（而不是反之）而被教会迫害以来，推翻传统观念从来都不容易。这，也许正是舍特曼获奖的根本理由。

晶体二极管 篇7

物理实验中常采用白炽灯、钠灯、低压汞灯和氦氖激光器等传统光源, 采用镇流器或变压器及倍压电路来控制真空器件发光, 光源不仅体积大, 而且发光效率低, 寿命短, 价格贵。

随着半导体LED (Light Emitting Diode发光二极管) 、LD (Laser Diode激光二极管) 技术的飞速发展, 由LED、LD组成的半导体光源, 功能上不仅完全可以取代传统光源, 构成点光源、线光源、面光源、漫反射光源、平行光源和频闪光源。而且, 由于半导体光源构造的特殊性, 其实验效果更优于传统的光源。半导体光源还有体积小、发光效率高、寿命长和价格低等优点。现就LED、LD半导体光源取代传统光源进行探讨。

1 点光源和平行光源

LED包括了红、橙、黄、绿、蓝及白等多种颜色, LED、LD都有一个相对光强度最大处, 与之对应的波长叫峰值波长, 用表示。

LED的光谱分布:

LD光谱的峰值波长为650 nm。

从LED、LD的峰值波长范围, 可以看出它们具有非常好的单色性。LED、LD作为单色光源, 完全可以满足干涉、衍射等物理实验的要求。白色LED则可以代替白炽灯作复色光源。

1.1 点光源

LED、LD的发光体——晶片面积仅为0.257 mm2, 更接近于“点”, 而且LD亮度很高, 所以LED和LD更适合作点光源, 实验效果远好于白炽灯。

具体应用时, 我们还需对LED、LD做一些改造。生产厂家为了使光线更集中, 用环氧树脂封装LED、LD时, 在它的发光体——晶片前加装了一个小凸透镜。LED、LD作为点光源使用时, 首先要小心地锯掉这个小透镜, 露出晶片这个“点”, 并轻轻将断面打磨光滑。然后将LED、LD固定在一个支架上。我们再根据实验需要, 构建不同的电路, 如图1, 这样一个点光源就做好了。

其中, 电阻, 可变电阻, 电源电压为3 V。调整可变电阻改变通过LED、LD的电流, 可以方便控制点光源的发光强度, 以适应不同实验环境的需要, 这也是传统光源做不到的。不同位置测量到LD的发光效率见表1, 从表1中可以看出, 去掉小透镜后, 光源完全可以满足各种实验要求。

1.2 平行光源

取一个凸透镜, 将上述点光源固定在透镜焦点上, 即组成一个平行光源。光束的直径大小, 可以通过换用不同焦距的透镜来实现, 以满足不同实验的要求。焦距越长, 则光束的直径越大。

还可以直接使用半导体LD激光器 (镜片和透镜位置已调好) , 作为平行光源。测量标称值功率为1.5~2 mW, 工作电压3 V的半导体LD激光器, 出口处功率略大于2 mW, 在距离出口1.5 m处激光功率仍保持在2 mW, 完全达到了氦氖激光器光的输出强度。但由于LD激光器使用的透镜焦距很短, 所以光束很细, 通常可以使用扩束器来扩大光束直径。

2 面光源和漫反射光源

2.1 面光源

LED光色柔和, 无眩光。目前国际上出现大晶片LED, 晶片面积可达1.016 mm2。取一块30 mm×40 mm的电路板, 为使光分布更均匀, 选取多个“贴片式”大晶片LED, 并将它们集中安装在一起, 组成一个高密度阵列面, 并将电路 (图2) 的其它部分安装完成。这就组成了一个极好的面光源。

由于光源的面积大, 光强分布均匀, 所以实验效果比传统光源要好得多。用LED作光源还有一个好处, 根据不同的实验要求, 采用不同的封装工艺, 可以直接影响光的指向, 能精确控制光型及发光角度。

2.2 漫反射光源

如果在LED阵列面前加一块毛玻璃, 既可得到一个漫反射光源。也可以直接将LED前小透镜用砂纸磨毛, 省去毛玻璃。

另外, 我们可以通过调整电路中的电压, 达到控制光源亮度的目的。电路中;晶体三极管采用9013;电源电压为6~12V。

3 频闪光源

频闪光源通常用来拍摄运动物体, 对其运动轨迹进行分析。LED、LD响应速度很快, 响应时间从使用角度来看, 就是LED、LD点亮与熄灭所延迟的时间。不同材料的LED响应时间也有一定的差异, 如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间<10-9s, Ga P为10-7s。因此它们可用在10~100 MHz高频系统。利用LED极高的响应速度, 可制成非常好的频闪光源, 比现有旧式频闪光源的体积小很多, 而亮度更大。可以做成闪光灯式样, 与数码照相机直接连接, 用于教学演示实验十分方便。由于LED、LD是低压供电, 使用时会更方便和安全。

将多个高亮度LED安装在电路板上 (电路如图3) , 组成的一个发光阵列。利用低频信号发生器作为电源, 将这个发光阵列连接到其功率输出端。调整信号发生器的频率, 即可改变光源的发光时间间隔, 调整信号发生器的输出功率, 可以改变光源亮度。在暗背景下, 打开频闪光源, 用数码相机可以拍摄物体的运动轨迹 (如自由落体、平抛等) , 并可以同时通过投影仪在大屏幕显示轨迹图象, 使结果一目了然。如果需要更强的照明, 可采用大功率LED (单个1 W以上) , 同时, 也需在信号发生器输出端新增一个功放电路, 以提供足够的能量给LED组成的发光阵列。

摘要：物理实验中使用的光源通常有:白炽灯、钠灯、低压汞灯和氦氖激光器等。近年来, 发光二极管 (LED) 、激光二极管 (LD) 构成的半导体光源, 在各个领域被广泛应用。我们也对LED、LD光源在物理实验中取代传统的光源进行了探索和尝试, 并取得了有益的经验。实践证明, 由于LED、LD光源构造的特殊性, 实验效果往往更优于其他光源。

关键词：发光二极管 (LED) ,激光二极管 (LD) ,气体光源,半导体光源

参考文献

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[2]邓剑平, 马鸿洋.高亮度LED在物理实验中的应用[J].实验室研究与探索, 2003, 22 (3)

[3]Hariharn P.Optical Holography[M].Cambridge:The Press Syndicate of the University, 1984

[4]孙绍伍, 郭赫, 孙立勇.LED在物理演示实验中的应用[J].大学物理实验。2006 (3) :106～110

[5]沈元华、陆申花.基础物理实验[M].高等教育出版社, 2005

[6]侯建国, 陈鸣.高亮度白光发光二极管发光特性的研究[J].光源与照明, 2006 (2) :12～14

[7]李平.大学物理实验教程[M].机械工业出版社, 2003

[8]佘建华.LED光源的应用与发展[J].中国电力教育, 2007 (2)

晶体二极管 篇8

各向异性晶体中的光传输问题是光束传输理论的一个重要组成部分,而在研究晶体中光传输问题时,晶体的双折射效应决定了光传输的特殊性,特别是光轴取向对光束传播规律的影响是不可忽略的。在非线性光学中,不同成份的光波需重叠在一起,相互作用,才能实现非线性转换。在非线性光学器件中,利用晶体的非线性实现倍频,为了提高倍频效率,需满足相位匹配条件。在晶体加工时,使晶体表面的法线与晶体光轴间的夹角等于匹配角,当激光正入射时,就能满足相位匹配条件。但由于光轴定向或晶体加工的偏差,造成法线与光轴间的实际夹角不等于匹配角,这时需调整激光的入射角,使倍频效率最大[1,2,3,4]。由于晶体的各向异性,光束在晶体中传播时,其传播速度和方向会随光轴的方向而发生变化,所以研究光束的入射角、光轴任意取向时光束的传播规律具有十分重要的意义。目前虽有许多文章对各种情况下的晶体双折射现象进行了研究,但对e光线透过晶体出射点位置及其变化规律缺少系统的、深入的、定量化的研究。本文利用平面光波在晶体中传播的特性[3,6],推导了光波在晶体表面折射时,对于任意光轴取向、任意入射角确定e光线透过晶体出射点位置的公式;并利用MATLAB对该公式进行了数值计算,对于任意光轴取向、任意入射角绘出e光偏离界面法线距离曲线。给出了对于任意光轴取向、任意入射角确定e光线透过晶体出射点位置的定量关系式。

1 基本原理分析

光波投射到单轴晶体的界面上,形成双折射现象,折射的o光线和e光线传播方向原理见图1(图示负单轴晶体)[3,6],若光波在空气中折射率为n1=1,单轴晶体的主折射率为no,ne,光轴与晶体界面的夹角为β,光束斜入射到晶体的表面,入射角为θ1(0°≤θ1<90°),由折射定律: n1sinθ1=nosinθo,则o光线的折射角为:

$\theta {}_{\text{o}}=\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_o}\right)(1)$

由斯涅尔原理,可知e光线与o光线的离散角为α满足公式[6,7]:

$\tan \alpha =\left(1-\frac{n{}_{\text{o}}^2}{n{}_{\text{e}}^2}\right)\frac{\tan \theta }{1+\frac{n{}_{\text{o}}^2}{n{}_{\text{e}}^2}\tan {}^2\theta }(2)$

其中θ为o光波法线方向与光轴的夹角。

把(2)化简得:

$\tan \alpha =\frac{(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \theta }{n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\theta }(3)$

e光的折射角为θe=θo+α,则有:

$\tan \theta {}_{\text{e}}=\tan (\theta {}_{\text{o}}+\alpha )=\frac{\tan \theta {}_{\text{o}}+\tan \alpha }{1-\tan \theta {}_{\text{o}}\tan \alpha }(4)$

把(3)式代入(4)式得:

$\tan \theta {}_{\text{e}}=\frac{\tan \theta {}_{\text{o}}\cdot (n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\theta )+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \theta }{(n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\theta )+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \theta {}_{\text{o}}\cdot \tan \theta }(5)$

若晶体的厚度为d,e光线距离界面法线出射点位置为:

$\begin{array}{l}L=d\cdot \tan \theta {}_{\text{e}}=d\cdot \\ \frac{\tan \theta {}_{\text{o}}\cdot (n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\theta )+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \theta }{(n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\theta )+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \theta {}_{\text{o}}\cdot \tan \theta }(6)\end{array}$

当$0°\le \beta <90°,\theta =\theta {}_{\text{o}}+\frac{\text{π}}{2}-\beta$,则:

$\tan \theta =\tan (\theta {}_o+\frac{\text{π}}{2}-\beta )(7)$

把(1)和(7)式代入(6)式得

$L=d\cdot \frac{\tan \left[\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)\right]\cdot \left[n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\left(\frac{\text{π}}{2}+\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)-\beta \right)\right]+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \left[\frac{\text{π}}{2}+\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)-\beta \right]}{\left[n{}_{\text{e}}^2+n{}_{\text{o}}^2\tan {}^2\left(\frac{\text{π}}{2}+\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)-\beta \right)\right]+(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)\tan \left[\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)\right]\tan \left[\frac{\text{π}}{2}+\arcsin \left(\frac{\sin \theta {}_1}{n{}_{\text{o}}}\right)-\beta \right]}(8)$

由(8)可知:当单轴晶体的主折射率为no,ne,晶体的厚度d已知时,光轴与晶体界面的夹角β、光束斜入射到晶体表面的入射角θ1的变化将引起e光线透过晶体出射点位置的变化。

当光波垂直照射到晶体的界面上时,即入射角θ1=0°,代入(8)式,化简得:

$L=\frac{(n{}_{\text{e}}^2-n{}_{\text{o}}^2)d\text{s}\text{i}\text{n}\beta \cos \beta }{n{}_{\text{o}}^2\cos {}^2\beta +n{}_{\text{e}}^2\sin {}^2\beta }(9)$

(9)式与参考文献[4]中的公式相符合,证明(8)和(10)式的斜入射的情况的推导公式是正确的。

2 MATLAB数值计算

2.1 β变化引起的L的变化数值计算

当单轴晶体的主折射率为no,ne,光束斜入射到晶体表面的入射角θ1已知时,对光轴与晶体界面的夹角β变化引起e光线偏离界面法线的距离L的变化数值计算。

利用MATLAB程序仿真[8,9],选取负单轴晶体(方解石)的主折射率no=1.658 4,ne=1.486 4,晶体厚度d=16.45 mm,光束斜入射到晶体表面的入射角θ1=0°,30°,45°,60°,90°时,利用(8)式对光轴与晶体界面的夹角β在[0,0.5π]变化引起e光线偏离界面法线的距离L的变化数值计算见表1,数据绘图曲线见图2。

由表1和图2可知:(1)当入射角确定时,光轴从0°～90°变化引起e光出射点的变化,且在变化过程中有极值和零值点;(2)入射角越大,e光出射点偏离法线越远;(3)当θ=0°,β=0°和90°时e光线偏离界面法线的距离L=0,β=45°时,L值最大,该规律与(9)式相符合。

2.2 θ变化引起的L的变化数值计算

当单轴晶体的主折射率为no,ne,光轴与晶体界面的夹角β已知时,对光束斜入射到晶体表面的入射角θ1变化引起e光线偏离界面法线的距离L的变化数值计算。

利用MATLAB程序仿真,选取负单轴晶体(方解石)的主折射率no=1.658 4,ne=1.486 4,晶体厚度d=16.45 mm,光轴与晶体界面的夹角β=0°,30°,45°,60°,90°时,利用(8)式对光束斜入射到晶体表面的入射角θ1引起e光线偏离界面法线的距离L的变化数值计算见表2,数据绘图曲线见图3。

由表2和图3可知:(1)当光轴位置确定时,入射角从0°～90°变化引起e光出射点的变化,且变化是单调的;(2)光轴与界面的夹角越大,e光出射点偏离法线越近。

3 实验验证

实验装置如图4所示,选取波长为632.8 nm的激光器作为光源,样品为厚度16.45 mm的方解石晶体,对该波长晶体的主折射率约为no=1.655 4,ne=1.485 1,光轴与界面夹角为30°,晶体被夹持在有小孔、可旋转的夹具中,光波垂直入射θ1=0°,在接收屏上接收到图像是被双折射的两束光的投射点。确定o光、e光在接收屏上投射点的距离L,测量出晶体旋转一周,e光出射点形成的轨迹圆半径L,记录的轨迹圆如图5所示,利用AutoCAD对轨迹圆进行图像处理,检测出轨迹圆的半径即为测量值L,代入数值计算程序,计算出晶体光轴与界面的夹角值。实验进行了5次,实验数据见表3。

实验证明:光波垂直入射到晶体的界面时,e光在接收屏上投射点的距离L满足理论分析公式(9),而(9)式是(8)式演化来的,由此,可证明对于任意入射角、任意光轴位置理论分析推导的公式(8)是正确的。

4 结 论

(1)利用平面光波在晶体中传播的特性,推导了光波在晶体表面折射时,对于任意光轴取向、任意入射角确定e光透过晶体的出射点位置的公式;

(2)利用MATLAB对该公式进行了数值计算,对于任意光轴取向、任意入射角绘出e光偏离界面法线距离曲线。给出了对于任意光轴取向、任意入射角确定e光的出射点位置的定量关系式。

(3)实验验证了对于任意入射角、任意光轴位置理论分析推导的公式是正确的。

摘要：基于平面光波在晶体中传播的电磁理论特性,推导了光波在晶体表面折射时,双折射光波中e光线透过晶体出射点的位置受到任意光轴取向、任意入射角影响的关系式;利用MAT-LAB对关系式进行了数值计算分析,绘出双折射e光与任意光轴取向、任意入射角关系曲线,并给出了对应的定量关系式;实验验证了该公式是正确的。

关键词：信息光学,双折射晶体,折射光线,MATLAB数值计算

参考文献

[1]张艺,沈为民.单轴晶体锥光干涉的理论与实验研究[J].浙江大学学报(理学版),2005,32(4):403-406.

[2]沈为民,金永兴,邵中兴.光在双轴晶体表面的反射与折射[J].物理学报,2003,52(12):3049-3054.

[3]沈为民,邵中兴.单轴晶体中光轴任意取向时寻常光与非常光间的离散[J].光学学报,2002,22(6):766-768.

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[5]罗海陆,胡巍,易煦农,等.傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质[J].物理学报,2004,53(9):2947-2952.

[6]韩军,刘钧.工程光学[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2007.

[7]梁铨庭.物理光学[M].北京:机械出版社,1987.

[8]于润伟.M ATLAB基础及应用[M].北京:机械出版社,2007.

晶体管(上) 篇9

1. 通用硅高速开关管

1N4148/1N4448是常用的高速开关二极管, 可做箝位、限幅, 以及检波和高速开关, 其基本特性如表1所示。

作为高速应用时, 最重要的参数是反向恢复时间, 它越小, 开关速度越快。

2. 肖特基 (Schottky) 二极管

肖特基二极管是由金属和半导体接触形成的, 具有反向恢复时间短 (最低可达10ns) 和正向压降低 (可达0.2V) 的突出优点。它主要用于开关稳压电流做整流和逆变器中作续流二极管。表2为肖特基二极管特性。

3. 快恢复 (Fast Recovery) 二极管

快恢复二极管结构与普通硅二极管相似, 压降较肖特基大, 但反向电压较肖特基高。高速的恢复二极管反向恢复时间可达25ns。表3为部分快恢复二极管特性。

4. 通用整流桥

图1为当前常用的2KBP和3KBP系列整流桥的内部结构和外形。表4是它们的特性参数。

5. 二极管应用要点

(1) 电流减额

电流减额因子S≤0.5。

(2) 注意浪涌电流

在某些应用场合, 如充放电电路, 在开始充电瞬间通过D1的电流最大, 选管时应予注意。浪涌电流必须不超过30倍二极管额定平均整流电流。

(3) 反向峰值电压。

二极管的额定电压最好有50%的富余量。

(4) 正向管压降

在低电压大电流的整流电路里, 整流二极管的管压峰不能忽略。

在大电流、低电压高频开关电源中次级整流管的正向压降对整个电源的效率影响甚巨, 即使是肖特基二极管其管压降也可达0.6V。为此常多管并联, 甚至用极低内阻的VMOS管同步整流。

(5) 工作频率

在高频场合应该选用频率高的开关二极管、快恢复二极管及肖特基二极管。

(6) 反向漏电流

如果利用二极管进行隔离, 则希望它的反向漏电流尽量的小, 使其接近理想的隔离状态。一般额定正向电流小的二极管, 反向电流也小。

二、双极性半导体三极管

现代电子电路中, 有时还需要把晶体管和集成芯片混合应用, 因此了解双极性和MOS三极管的性能仍然是必要的。

1. 常用小功率半导体三极管

表5为常用小功率双极性半导体三极管的特性。

2. 表贴有源器件

表贴二极管和三极管一般均封装为一个三端 (或四端) 引线的扁平外壳之中, 封装有SOT-23, SOT-89和TO-252三种类型, 外壳尺寸的不同三极管的耗散功率也不相同, 为150mW～50W。片状晶体管的封装形式及外形尺寸如表6所示, 图中给出了三种类型封装的外形尺寸及耗散功率等参数。

表贴二极管内部的二极管有多种接法, 以提高安装密度和电路板设计的灵活性。

3. 晶体管阵列

(1) MC1411/1412/1413/1416七重达林顿晶体管阵列

晶体管阵列与普通晶体管相比具有体积小, 参数一致和可靠性高等优点, 在微机后向通道中应用较多, 可直接驱动灯、继电器或其它大电流负载。内部的钳位二极管特别适用于驱动感性负载。

表7为MC1411系列晶体管阵列的基本特性与对应型号。

图2为其内部电路。表8为其电参数。图3为其引脚图。

(2) ULN2800系列八重达林顿晶体管阵列

其引脚如图4所示, 其电参数与MC1411系列类同。

4. 双极性半导体三极管选用时的注意事项

(1) 首先必须根据电路的要求确定三极管的类型, 是NPN、PNP型晶体管。

(2) 晶体管特性表一般均会给出极限参数, 在众多参数中主要BVCEO满足要求就可以了。一般高频工作时, fT不要超过0.1～0.2倍工作频率。

(3) 晶体管工作于开关状态时, 一般应选用开关参数ton、toff、Ccb小或fT高的管子。

(4) 小功率晶体管的共射极交流小信号电流放大系数β (hFE) 较高, 数字万用表测的是直流hFE, 和交流hFE接近, 但有差异。大功率晶体管hFE要低得多。特别值得注意的是:即使是小功率晶体管在开关应用时, 饱和状态的hFE, 也远较正常值为小。

(5) 小功率晶体管应避免靠近发热元件, 以减小温度对性能的影响。大功率晶体管必须根据实际耗散功率, 固定在足够面积的散热器上。

光子晶体光纤研究 篇10

光子晶体光纤 (Photonic Crystal Fiber) [1], 又称多孔光纤 (Holey Fiber) , 或微结构光纤 (Microstructure Fiber) , 最早由Philip St. J. Russell 等人于1992年提出。光子晶体光纤是一种具有周期性横向微结构的光纤, 早在1996年就已经作为一种低损耗的波导形式出现在实际应用中。自上个世纪80年代末期Yablonvitch 的先驱性工作以来, 世界上的众多研究机构已相继提出了多种空芯或实芯, 具有规则或不规则几何结构, 使用不同材料 (硅或聚合体) 的光子晶体光纤。常见的光子晶体光纤结构如图1所示。

1 光子晶体光纤的导光机理

光子晶体光纤根据导光机理的不同可以分成两类:折射率导引型光子晶体光纤, 如图1中的A, C, D和光子带隙型光子晶体光纤, 如图1中的E, G, I。

折射率导引型光子晶体光纤中包层的有效折射率低于纤芯的折射率, 所以通过全内反射 (total internal reflection) 可以将光限制在由折射率较高的材料组成的纤芯区域。由于其设计比较灵活, 折射率导引型光子晶体光纤具有较宽的超短光脉冲传送波长, 可见光和近红外波导奇异色散等令人感兴趣的特性。另一方面, 光子带隙 (PBG) 型光子晶体光纤仅能够在一个或几个离散的对应于光子带隙的频带导光。其导波模的有效折射率低于包层模, 通过带隙效应, 特定频率的光能够在由低折射率材料 (固体玻璃、空气孔) 组成的纤芯中传播。

2 光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤由单一材料构成, 其包层中的空气孔微结构已经超出了普通光纤光学和光波导的范畴, 由于其设计上的灵活性, 光子晶体光纤具有许多传统光纤无法比拟的特性, 这就为克服传统光纤发展中的一些技术障碍提供了有效的解决途径。

2.1 无截止单模特性

众所周知, 传统光纤中的归一化频率V决定了光纤支持的模式数目, 当V<2.405时光纤只支持单模。1996年, J. C. Knight[2]等人报道了在337nm到1550nm波长范围内都为单模的光子晶体光纤。与传统光纤类似, 光子晶体光纤的单模传输条件为:

$V{}_{{\rm P}CF}=\frac{2\text{π}r}{\lambda }(n{}_{core}^2-n{}_{clad}^2){}^{1/2}(1)$

其中r为纤芯半径, λ为真空中的波长, ncore为纤芯的折射率, nclad为包层的有效折射率。包层的有效折射率不是包层材料折射率简单的平均或加权平均, 而是由光场分布决定的。

2.2 色散特性

色散在通信系统设计和所有非线性光学实验中起着至关重要的作用。色散使得不同频率的光以不同的群速度传播, 这就直接导致光脉冲的展宽, 限制通信传输速率的提高。与传统单模光纤相比, 光子晶体光纤无论在色散幅度, 还是在色散符号的控制上都有了极大的加强。

随着光频率的增加, 传统单模光纤 (SMF) 在1.3μm波长附近色散值由反常 (D>0) 变为正常 (D<0) 。对于光子晶体光纤, 当其纤芯半径小于1μm时, 其基模的零色散点将移至可见光波段 (400nm～700nm) 。通过使用具有混合成分玻璃作为光子晶体光纤的组成材料, 例如Schott SF6, 其本征零色散点位于～1.8μm。由于设计上的灵活性, 光子晶体光纤可以在极宽的波长范围内具有平坦的色散曲线, 并可以根据实际需要使其变为近零色散、正常色散和反常色散。同时通过调节其结构参数, 可以使得光子晶体光纤具有不同斜率的色散曲线。

2.3 非线性特性

传统阶跃光纤1550nm处可用的最高非线性系数20W-1.km-1。通过巧妙的设计, 折射率引导型光子晶体光纤的非线性系数通常是传统光纤的10～100倍, 而由混合成分玻璃组成的光子晶体光纤在1550nm处的非线性系数高达550W-1.km-1[3]。这种高非线性的光子晶体光纤已经应用于光参量放大, 全光信号处理, 超短孤子脉冲传输, 超连续谱的产生等方面, 其研究成果大大的丰富了传统非线性光纤光学的内容。

2.4 高双折射特性

与传统光纤相比, 光子晶体光纤具有更高的纤芯-包层折射率差, 因此高双折射光子晶体光纤更易于实现。实现高双折射光子晶体光纤的途径有:

(1) 增加其纤芯-包层折射率差, 例如, 各向异性材料的使用。

(2) 在光子晶体光纤纤芯或包层中引入非对称结构。与传统PANDA型或碟结型 (双折射值通常为5×10-4) 等包偏光纤相比, 高双折射光子晶体光具有制作工艺简单, 设计自由度大, 更高双折射等优点。到目前为止, 文献[4]报道了具有10-3级的高双折射光子晶体, 双折射值高达0.0076的光子晶体光纤已经在实验中实现[5]。

3 光子晶体光纤研究进展

目前, 国际、国内对光子晶体光纤的理论研究主要包括数值模拟方法的改进、新方法的提出、对光子晶体光纤特性的分析等。光子晶体光纤的数值模拟方法主要有:有限元方法、平面波展开法、有限时域差分方法、多极法等。近年来, 光子晶体光纤的制作材料已经不再局限于融石英, 采用亚碲酸盐 (tellurite) , 聚合体 (polymer) 等材料的光子晶体光纤都有报道。由于光子晶体光纤由单一材料组成, 所以其自身损耗低于传统光纤。K. Kurokawa等人已于2006年成功拉制出一根长100km, 损耗0.3dB/km光子晶体光纤[6]。随着研究不断深入, 光子晶体光纤传输损耗显著降低。因此, 各研究机构纷纷利用其开展相关的传输实验。H. Kubota等人于2001年在一根2km的光子晶体光纤上进行了首次的飞秒脉冲传输实验。在6个波长 (658, 780, 853, 1064, 1309和1556) 处的超宽带波分复用传输实验显示:光子晶体光纤超宽的单模频带为带宽为263THz的通信系统的建立提供了可能[7]。光子晶体光纤已经广泛应用于光通信、非线性光纤光学等领域的前沿研究, 它在光开关、波长转换、光纤传感、拉曼放大等方面已经取得令人瞩目的成果。

4 结束语

光子晶体光纤由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性, 成为学术界和产业界的研究热点。随着光子晶体光纤研究的深入, 其展现出的各种优异特性将会得到更广泛的应用。可以预见, 光子晶体光纤的发展前景异常广阔, 进一步发展光子晶体光纤的理论及其在通信领域的应用研究有着重要的现实意义。

参考文献

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[6]Kurokawa K, Tajima K, et al.Penalty-free dispersion-managed sili-ton transmission over a 100-km low-loss PCF[J].J.Lightw.Tech-nol.2006, 24:32-37, 2006.