费曼对量子电动力学的贡献
理查德·费曼（Feynman Richard Philips，1918～1988）是现代乃至有史以来最受爱戴的科学家之一，他对科学有着异乎寻常的“感觉”，能够用洞察事物内在本质的方式来理解物理学。他具有别具一格的思维风格，这种风格为科学研究注入了无与伦比的活力。他不仅在量子电动力学领域以最卓越的科学贡献赢得了诺贝尔物理学奖，维格纳（Wigner Eugene Paul，1902～1995）称他是“第二个狄拉克。”他生来具有十分可爱的品格和个性，不仅是极其卓越的理论家，而且是才华横溢的教师，并以极为罕见的天赋和热情进行物理教学。通过他那著名的《物理学讲演录》，来向世界展示一位顶尖科学大师的思维方式；正是他鼓励了好几代大学生从一种全新的角度去重新思考物理学。
2、1 费曼路径积分
1927年之前，量子力学的创立工作已基本完成，它已很好地说明了原子和分子的结构，但在处理原子中光的自发辐射和吸收这类十分重要
的现象时，却遇到了困难；为了克服这一困难，1927
年，狄拉克首先提出将电磁场作为一个具有无穷维
自由度的系统，进行二次量子化的方案；1928年约
尔丹和维格纳提出了对于非相对论性多电子系统符
合于这个要求的正则量子化形式。1929年海森伯和
泡利把电磁场与电子场的相互作用理论推广到更为
普遍的形式，从而建立了量子电动力学。
到20世纪30年代，人们对量子理论的理解既
不彻底也不完美，而且需要新的思想。费曼从在麻
图10-13为理查德·费曼在讲课省理工学院做学生以来一直被一个想法所困扰。即
一个诸如电子那样的带电粒子，被认为是通过围绕它的力场而与其他带电粒子相互作用的。量子理论的最大困难就在于计算出来的电子自身能量和电磁场真空能量为无穷大。在用量子理论的微扰方法处理一些物理过程时，最低次近似往往都可得到与实验一致的结果；但要求如果作更高次的精确微扰计算时，得到的结果却常常是无穷大；无穷大的结果当然是没有物理意义的，这就是量子场论的发散困难。1935年，狄拉克出版的《论量子物理学》的书中的说道：“看来这里需要全新的物理思想。”这句话成了费曼尔后生活的一个信条，没有任何地方对于新思想的需要比在这个称为电子“自能”的谜题中更为明显。这个想法在麻省理工学院就已经深深地在他头脑中扎根，随后在普林斯顿开花结果；并对在康奈尔大学时期的学术生涯产生意义深远的影响。
1940年秋的一天，费曼接到惠勒（Wheeler John Archibald，1911～）打来的电话；惠勒告诉他说：“他已知道为什么所有的电子都有相同的电荷和相同的质量。原因是它们都是同一个电子！”他解释了他最新的光辉思想：一个正电子可以被简单地看做一个电子在时间上往回运动，即由将来返回过去，而宇宙中所有的电子和所有的正电子其实都对应于某种被切开的世界线线结的截面，在某个截面里，单个粒子通过一个复杂的扭结穿越时空，通过宇宙。惠勒的光辉思想中包含了一个重要概念的萌芽，即改变某个电子在时间上的运动方向等价于改变它所带电荷的符号，费曼后来用另一种方式发展了这一概念，即一个电子在时间上向前运动就是一个正电子在时间上往回运动。这就是惠勒－费曼（Wheeler-Feynman）的辐射理论。1941年春天，惠勒要求费曼就这一问题做一次专门演讲，演讲的听众有物理学家维格纳，天文学家罗素（Russell），数学家冯·诺依曼（von Neumann），量子理论的先驱者泡利，
还有爱因斯坦。报告结束之后，爱因斯坦认为惠勒——费曼理论尚有发展的可能。
在爱因斯坦想法的激励下，费曼正为这一难题而奋斗，有一天，他正和一位刚从欧洲来的物理学家耶勒（Herber Jehle）交谈，费曼问道：“你知道有什么方法能从作用量出发来构造量子力学吗？”耶勒告诉费曼说，8年前狄拉克曾发表过一篇相关的论文，费曼马上找到了这篇题为“量子力学中的拉格朗日量”的论文。狄拉克在论文中指出：拉格朗日方法之于量子力学类似于哈密顿方法之于经典力学——这恰恰是费曼求之不得的。费曼从直觉看出狄拉克这两种表达方式彼此等价；当他在两表达式之间放上一个比例常数使得这两个表达式彼此成比例时，计算的结果使他最后得到了人们在量子力学中熟知的薛定谔方程。
在读完狄拉克的那篇论文不久之后的一天，费曼躺在床上难以入睡，“他的这个想法使你不得不考虑一个粒子能从A走到B的每一条可能的路径，即每一种可能的‘历史’；A与B之间的相互作用，可以表示成联系这两个事件的所有可能路径的贡献之和。”理由很明显，这就成了人们所知的量子力学的“历史累加”或者“路径积分”的方法。最小作用量原理是沿着单一轨道积分（或说累加），而路径积分方法是扩展到它所包含的一切可能的轨迹，把所有这些路径累加（积分）在一起，而不只是沿一条路径积分。粒子从时空中的一点运动到另一点的每一条可能的路径对应于一个数，费曼称之为振幅，并写下了他的量子力学新方法的普遍原则。就这样，费曼用拉格朗日量解决了涉及复合时空中事件的路径问题；并以《量子力学中的一个最小作用量原理》完成了他的博士论文。
到1942年春天，他的论文写完之时由于有关战争事务的打断，直到1948年这篇量子力学的路径积分方法的博士论文，才在《现代物理学评论》月刊上发表，这种新方法在解决量子电动力学问题中取得了可喜的成功。此时量子世界已经有两种截然不同的描述：一种是薛定谔的方法，基于波；另一种是海森伯的方法，基于粒子。量子力学的这两种形式已被证明彼此完全等价。现在，费曼找到了量子力学的第三种方法：基于作用量；路径积分的思想对事件的行为给出了一种物理直觉，并提供了一个华丽的智力图像。可以证明，仅此一项就足以将费曼与薛定谔、海森伯和狄拉克这些物理学巨匠相提并论。在所有能够做比较的方面，这种方法能得出与其他两种形式的理论相同的答案，它甚至还能用来处理用波函数的方法所不能解决的问题，应用起来极为简便；而且，通过拉格朗日量，对于理解从牛顿时代发展而来的经典力学，有着清晰的衔接。惠勒甚至称费曼的博士论文，标志着“量子理论变得比经典理论更简单”那一刻的到来。戴森（Dyson）在他那极富人文关怀的《宇宙波澜》中说道：“费曼的路径积分法的精神，给人看到的正是早年英气焕发的爱因斯坦……。”
2、2 量子电动力学的费曼形式
1947年6月21日，在长岛顶端的谢尔特岛拉姆斯赫德酒店，举行的主题是“量子力学和电子问题”的会议，后来被称为“谢尔特岛（Shelter Island）会议”，在这次大人物的集会中，除了费曼，还有一位聪明的年轻人施温格（Schwinger Julian S，1918～1994），他是哈佛大学的教授。施温格和费曼同年出生，而且他也是个有名的天才。
在谢尔特岛会议上的讨论热点乃是几周前，由兰姆（Lamb Willis Eugene，1913～）及其同事拉瑟福德（Retherford）在哥伦比亚大学的实验中发现的，他们所用的微波束探测技术来测量氢原子中电子的能级。实际上，他们测量了各个能级之间的能量差。按照狄拉克的理论，氢原子的一个电子可以有能量完全相同的两种量子态，类似于在同一个梯级上有一个双重的台阶。但兰姆发现，在这两个能级间有个微小的能级分裂，好比梯级中这对本应一般高的台阶却有一个比另一个稍微高了一点。后来称这个现象为兰姆移位。兰姆的工作表明狄拉克的理论偏差，对应于非常小的能级移位的很小的数，但它暗示了狄拉克理论不够完善。几乎同样富于戏剧性的发现，即电子磁矩的精确测量，由拉比（Rabi Isider Isaac，1898～1988）向会议做了报告，但由于兰姆的工作而显得有些黯淡，不久后它将在量子电动力学的发展中
扮演了重要的角色。
既然狄拉克理论有不足之处，那么量子理论是否能预言能级改变的正确数量呢？核物理学家贝特在这次会议后，做了氢原子中电子能量的兰姆移位的第一次“重正化”计算。所谓“重正化”计算，就是把理论上能够通过重新定义电子的电荷e0、质量m0和场量ψ这些发散量吸收过去。例如可以重新定义电子质量（称为重正化质量）m e=m0+δm，此处δm是各级修正中的发散量。然后把m e解释为实验观测的电子质量。至于m0，它是不可观测的，因为它代表中磁场不存在时的电子质量，而不和电磁场相互作用的电子是根本不存在的。经过重正化的处理后，各阶修正的结果都不再包含发散，计算的各阶辐射修正可和实验进行比较；这一方法给出了兰姆移位的正确答案。“重正化”方法是贝特在物理学研究方面惯常所用的点睛之笔；在多数物理学家看来，这是贝特对这个世界运作方式的一个基本发现。
1947年夏秋几个月，费曼一直是钻研如何计算自能和所有那些被忽视的问题，然后再来解决兰姆移位的问题。终于有一天在计算结果中发现无穷大消失了，方程是收敛的，而用的就是正确的“重正化”方法。1948年4月召开第二次重要会议——“波科诺（Pocono）会议”。在这次会议上，费曼公布了他已做完了他荣获诺贝尔奖的那项工作的全部事情，其中包括把正电子看做在时间上往回走的电子的最新讨论。费曼用他自己的新的量子力学，能解决贝特用重正化方法所能解决的每一个问题，而且都得到相同的答案。他还能解决用旧的量子力学无法处理的许多问题。费曼是以形象化的方式来思考，对习惯于用哈密顿方法和薛定谔方程来思考问题的普通物理学家，要想抓住费曼的思路是实为困难的。他那形象化的方式使他对世界如何运作，有一个鲜明的物理绘景，这种绘景给予他新的见解，从而用很少方程就能解决复杂的问题。在这次会议上，施温格尔借助于高超的数学技巧，用数以百计的方程准确地推导出他的量子电动力学另一种形式。
此时的费曼正处在他的能力的顶点，快乐地用他的新理论解决问题；1949年1月，美国物理学会的会议上一位叫斯洛特尼克（Slotnick）的物理学家用老方法花了好几个月时间算出了描述电子从中子上反弹的方式的一些新结果。费曼用他的理论花费一个晚上就得到相同的结果。斯洛特尼克还发现费曼不仅是得到了和他相同的特解，而且他得到了这个问题一种普遍形式的通解，因为他考虑了电子与中子两者之间的动量转换（被电子击中时中子的反作用）；而斯洛特尼克只解决了零动量转换（没有反作用）情况下的问题。戴森后来描绘道：“这是我所见过的费曼能力的最令人眼花缘乱的表演，这些问题曾花费了大物理学家们几个月的时间而他却用两三个小时就解决了……用的是这种非常经济的方式……甚至在把方程写下来之前就把一些答案串起来了，并且直接从图形中得出结果。”
1949年4月11日至14日，在纽约州皮克斯基尔的哈德孙河畔的欧德斯通，召开了科学史上第三次重要会议——“欧德斯通（Oldstone）会议”；此刻费曼意识到：“这终于使我确信，我确实有了某种方法和技巧，懂得如何去做其他人还不知道该怎么做的事，这是我的胜利的时刻。”这次会议，量子电动力学的费曼方法居于舞台的中心，他告诉人们：量子电动力学是有效的，它能计算关于电子和光子的每一件事情。一个未满31岁的年轻人，成了他那一代领头的物理学家，用他的新思想在前面指路。随后，人们用同样的思想去弄懂包括弱相互作用、引力、核力等物理学的其余方面，费曼的研究方式对20世纪后半叶的整个理论物理学起到了核心作用。
量子电动力学是描述包含光（光子）和带电粒子，特别是光子和电子的所有相互作用的理论。由于原子之间的相互作用取决于电子在原子核周围的电子云中的分布；这就意味着除了别的学科之外，量子电动力学是所有化学过程的基础。它解释了弹性是如何消长、甘油炸药是如何爆炸、眼睛是如何工作以及草为何是绿色的等问题；它还能解释引力尚未能解释的所有其他现象。量子电动力学是一个非常准确而又易于理解的理论，从在地球上实际完成的实验角度看，它是成功理论的范例，因为它非常精确地预言了实验的结果，电子磁矩的性
质和兰姆移位是新理论取得如此成功的典型例子，它们全都能用费曼的技巧来简洁地解释。利用狄拉克的电子理论，你可以择定单位，使电子磁矩的值精确地为1。量子电动力学计算的磁矩值由于高阶修正偏离一个玻尔磁子e B m e 2 =μ。1981年有人计算了α四阶修正，得出 e μ=l ．001159652460（148）B μ，而实验值是e μ=l ．001159652209(31)B μ；可见，量子电动力学理论和实验的一致性精确到小数点后第10位上为2，或者说是0．00000002％。费曼比喻这个精确度，相当于从洛杉机到纽约的距离与人的头发丝的粗细之比。至今量子电动力学通过了在很高的精度上与电子和μ子的反常磁距及原子能级的兰姆移位（有人已计算出兰姆移位的理论值是：△ν(212S －212P )=1057．884±0．013兆赫，而实验值是：1057．862
±0．020兆赫）所有实验的考验，这些实验表明量子电动力学在大于10
－16cm 处是正确的；
量子电动力学的成功是重正化量子场论的实验证实。 2、3 费曼图
40年代末期，当费曼在康奈尔完成了量子电动力学的创建工作时，他开始考虑每个对应的都是光子和电子—正电子对的一特定发射与吸收的序列相互作用的简单表述方式，从而发明了“费曼图”（Feynman Diagram ）。赛格雷说道：“它不但能以直观的方式表达了客观现象，同时也可以对数学公式进行分析和推导，它把很长很费力的、而且很容易产生代数差错的运算加以概括，并把它们按照一定的规则转换成很简单的过程。”
在量子电动力学中，用哈密顿量H 所构成的S 矩阵元来描述微观粒子所组成的系统散射或反应过程；在S 矩阵元中，提出一个反映由初态向末态转化过程中能量动量守恒的因子)(4∑p δ后，便得到M 矩阵元，具体物理过程的跃迁几率直接与2
M 成正比。一个重要而又困难的问题如何具体计算各种反应的M 矩阵元，“费曼图”就是给出如何计算M 矩阵的图解方法。
把M 矩阵的每一项都与一定的费曼图联系起来，由确定的图，可以根据“费曼规则”，很快地写出相应矩阵元的表达式，而且由费曼图可以清楚地得出这些过程的物理解释。费曼图里是用一根带箭头的实线代表电子，带反箭头的
实线代表正电子，波浪线代表光子；电子、正电子
和光子的每一次相互作用，都用交于一点的两根实
线（箭头分别指向和指离支点）和一根波浪线来描
写，这支点称为作用顶点。代表初态或末态的线只
有一头连接顶点，称为外线，而介于两个顶点之间
的线称为内线，内线描写传递相互作用的中间过程
的粒子，称为虚粒子。在任一费曼图中，沿实线箭头方向移动，实线或者联成圈，或者由外线引向另一外线，它不会在任一顶点终止，这反映了在反应过程中电子数是守恒的。在任何一个图上多增加一条内线，都会使该图的贡献降低一个系数，该系数
大致等于大自然的一个基本常数，称为“精细结构常数”，这一常数很小，约为1/137．036。因此，复杂图的贡献也很小，我们可通过将几个简单图的贡献相加，计算出散射过程的比率的充分近似值。费曼图的顶点数称为费曼图的级数，n 级费曼图代表M 矩阵展开式中M n 的一项。例如两个电子的散射过程，它的二级费曼图（如上图A 所示）
；它描写一个电子先放
出一个光子，这带有一定能量动量的光子传递到另一电子，并被后一电子所吸收，这样，两个电子的电磁散射，不是它们的直接作用，也不是超距作用，而是由电子场与电磁场的相互作用，透过发射和吸收光子的过程来实现的。作为中间过程的光子，它被发射以后很快被第二个电子所吸收，它与可以被实验仪器直接观测到的物理光子不同，称为虚光子。利用费曼发展起来的这套方法，可以系统而方便地计算各种电磁过程的几率，而且物理意义十分明确。
戴森说道：“费曼主要是依靠突发的直觉所冒出的一些想法，再用他们做为游戏规则，然后以此类推。”费曼图是费曼对自然的所有发现中最富有弹性的通则，量子电动力学非常精确地预测了当时所做的一切实验结果，但在粒子物理学领域显得英雄无用武之地。而时空轨迹、路径积分方法等通则的适用范围比量子电动力学更宽广。费曼图却在每一位理论家手上成为研究微观粒子行为第一套派上用场的工具。古德斯坦（Goodstein）说：“费曼的科学贡献既不平凡而又意义深远，它们与其他人的贡献没有相似之处，他用他的人格和观点来影响科学世界；他重新系统地阐述了量子力学，而实际上是重新发明了它。而且他是以一种如今仍在整个理论物理的每一领域广为应用的形式提供给我们的。”
7.纳米技术就在我们身边 ［教学目标］ 1.会认12个生字，会写15个生字。 2.准确、流利地朗读课文，把文中的科技术语读正确。阅读时能提出不懂的问题，说出来并和同学交流，尝试解决。 3.抓住关键语句，有目的地筛选信息，了解纳米相关知识。探究“纳米技术就在我们身边”“新奇”的具体体现。 4.培养爱科学、学科学的精神。 ［教学重难点］ 探究“纳米技术就在我们身边”“新奇”的具体体现；培养爱科学、学科学的精神。 ［教学课时］2课时 教学过程 一、图片导入，感受纳米技术的神奇 1.课件展示纳米机器人在人体血管中巡游的图片。 2.这些机器人长约3毫米，它们能自我复制，能消灭人体内的有害病毒。这样微小而具有神奇功能的机器人，是应用纳米材料并使用纳米技术制造的纳米机器人。今天我们就共同走进纳米技术，感受纳米技术的神奇力量！ 二、检查预习情况，学习生字词 1.指名说说对作者的认识，教师补充介绍。（课件出示） 2.检查预习情况。 （1）指名读课文，正音。 （2）检查生字的掌握情况，交流识记生字的方法。 3.出示课文中含有科技术语的词语，先在组内相互听读纠正，然后全班交流。纳米涂层碳纳米管纳米吸波材料纳米检测技术纳米缓释技术 4.引导学生通过查字典，联系上下文理解词语。 无能为力：没有能力去做或力量达不到。本文指普通的光学显微镜看不到纳
米技术的研究对象。 新奇:指新鲜特别。 三、出示学习要求，整体感知课文 1.带着问题速读课文。思考：这篇课文主要讲了（什么是纳米技术），以及它在现代社会各个方面的（应用）。 2.结合中心句，概括每段的大意。 第一部分(第1自然段)：纳米技术是高新技术。 第二部分(第2自然段)：什么是纳米技术？ 第三部分(第3自然段)：纳米技术就在我们身边。 第四部分(第4自然段)：纳米技术可以让人们更加健康。 第五部分(第5自然段)：纳米技术将给人类的生活带来深刻的变化。 第二课时 教学过程 一、复习导入 1.听写字词。 2.上节课我们整体感知了这篇文章的内容和结构，这节课我们细致分析文章的内容，具体感受身边的纳米技术的神奇。 二、细读课文，自主探究 （一）学生活动一：学习第1自然段。 1.自由朗读第1自然段，看看你能获得哪些信息。 2.课件出示活动要求：自主思考，班内自由展示学习的收获。 3.学生回答后，教师归纳，并进行知识补充。 （1）引导学生解读句子“如果说20世纪是微米的世纪，21世纪必将是纳米的世纪”中“必将”的含义及作用。 （2）师补充小资料，了解纳米、微米的小常识，便于学生了解纳米单位之
纳米材料属于纳米技术中的一种，是一种很特殊的材料。物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米材料指的就是这种尺度达到纳米单位的、具备特殊性能的材料。它在现实生活中的应用广泛，包含以下几点： 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳
米材料的延展性的高性能陶瓷。 3、纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。 4、纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 5、纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。 利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，然后生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能
Lect.1 0 引言 1.课程简介 1) 课程内容 “电磁场与电磁波”或者叫电磁学，涉及到很多方面的内容。翻开书本的话，会看到有矢量分析，电磁学的学习的数学基础，有静态电磁场、时变电磁场、电磁波、波导、天线等很多方面的内容。但可以用一句话来概括：电磁学研究静止及运动电荷相关效应的一门学科，它是物理学的一个分支。 由基础物理学的知识可知，电荷产生电场。电荷的移动构成电流，而电流则会在空间中产生磁场。静止的电荷产生静电场。恒定电流产生静磁场。如果电荷或者电流随时间变化，则产生时变电场及时变磁场。时变电场和时变磁场还可以相互激发，形成在空间中独立传播的时变电磁场，即电磁波。所有的电磁场的唯一来源就是静止或者运动状态的电荷。所以我们说《电磁场及电磁波》或者《电磁学》这门课程，不干别的，就是研究静止及运动电荷所产生的效应。 2) 核心概念 这门课程的核心概念有两个，一个是场(field)，一个是波(wave)。那么，什么是场？场是一个数学概念，只某个量在空间中的分布。这个量可以不随时间变化，也可以随时间改变，前者称为静态场，后者称为时变场。例如，在地球表面或者附近，任意位置，任意一个有质量的物体都受到重力的吸引，我们说地球在其周围的空间中形成了重力场。例如，一个流体，流动的液体或者气体，每一个位置上流体的质点都对应一个速度，我们说，空间存在流体的一个速度场。对于物理学上的场而言，空间上，每个点都对应有某个物理量的一个值。这个物理学上的场，根据物理量本身的性质，有标量场和矢量场之分，我们之后会学到。 波(wave)的概念。振动在空间的传播，伴随能量的传播过程。举例：声波。 电磁波电磁波相关内容：波的描述、界面上的反射与折射、波在开放及封闭空间中的传播等。 3) 电磁理论的发展 早期：电及磁现象被视为两种独立的不同的现象。 希腊人琥珀中国《吕氏春秋》司南 富兰克林正负电荷、电荷守恒。风筝实验 库伦库伦定律定量电学 1820，Hans Christian Orsted: 电流可以造成磁针的偏转.即电流可以产生磁场。 1820-1827 Ampere的贡献：实验：两平行通电电线之间的吸引与排斥。安培定律 Farady的贡献：电磁感应：由磁产生电。 Maxwell：所有电磁现象用一组方程表示。光是一种电磁波。（对爱因斯坦的启发。）1873 电磁通论。
浅谈纳米材料与生活 摘要：人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期，计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪，在这个日新月异的新的世纪里，科学家通过运用的发达的计算机技术，为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术，它有着广阔的发展前景，随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化，给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点，向大家普及纳米材料的特性，以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际，向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止，它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利，我相信在纳米技术不断进步、发展的未来，纳米材料一定有更广阔的空间。 关键词：纳米、纳米技术、纳米材料、应用 现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机，他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，并将成为最有前途的材料，它所见具有的独特物理和化学性质，可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。 纳米材料的特性： 纳米材料是英文“napometer”的译音，是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一，用我们能看见的最小微粒院子来表示的话，相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度，遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右，一个典型的病毒大约100纳米长，相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米，并没有物理内涵，当物质到纳米尺度后，
纳米科技与人类生活 纳米,是一个十亿分之一米的长度单位。纳米技术是人类首次用单个原子、分子自由排列物质的科学技术。 在20世纪发展改变了人类的生活方式,现代信息技术对人们的生活影响巨大,而纳米技术将在21世纪极大地影响人类的生活,继电子技术、现代信息技术等名词成为人们关注的热点后,“纳米”一词逐渐成为新世纪中人们关注的焦点,而且其影响力将大大高于计算机技术对我们的影响,这将会是一种让人意想不到的效果。本文将概述纳米技术在日常生活、医疗保健、能源环保、工业生产、国防建设、百姓的衣食住行等各个领域所取得的应用以及发展前景。 一、在日常生活方面，不久的未来，有了防水防油的纳米材料做成的衣服，人们就不用洗衣服了，而且这种衣服穿着很舒服，不是像雨衣那样；用这种材料做成的红旗，即使下雨在室外也依然会高高飘扬。往各种塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石、大楼的玻璃墙、电视机的荧光屏上涂上纳米涂料，都会具有防污、防尘的效果，而且耐刮、耐磨、防火，戴上涂有纳米涂料的眼镜，在寒冷的冬季，人们从室外进入室内，就能避免眼镜上蒙上一层水气。用纳米材料制成的茶杯等餐饮具将不易摔碎，若将抗菌物质进行纳米处理，在生产过程中加进去就能制成抗菌的日常用品，如现在市场上已出现的抗菌内衣和抗菌茶杯等，把纳米技术应用到化妆品中，护肤、美容的效果就会更佳，如何制成抗掉色的口红，可开发出防灼的高级化妆品等。 二、在电子信息领域，纳米技术将更会大显身手。纳米技术会将超大规模集成电路的容量、速度提高1000倍而体积缩小1000倍，可以预见，计算机在普遍采用纳米材料后，计算机处理信息的速度将更快、效率将更高，而且将成为真正的“掌上电脑”；二三十年后，纳米让图书馆只有糖块大小；纳米技术将发展出个人随身办公室系统，我们就不必每天上下班了。 三、在能源、交通、环保等方面也将大有作为。用纳米材料做成的电池，体积很小却可容纳极大的能量，届时汽车就可像目前的玩具汽车一样，以电池动力在大街上奔驰了。用纳米材料做成的轮胎，将更耐磨、防滑，可减少交通事故，用纳米材料制造出的小型飞机，将使飞机像汽车一样进入家庭，交通阻塞可能成为往事。在环境科学领域将出现功能奇特的纳米膜，这种纳米膜能够探测到由化学和生物制
纳米科技在社会中的作用和地位 付金祥 1035007 应用物理 摘要：纳米技术诞生于20世纪，是一门学科交叉性前沿领域的新兴学科。本文介绍了纳米科技的发展现状及其在社会各领域的应用，论述了纳米科技对社会科学技术的发展具有不可替代的重要作用，阐述了纳米科技对人类社会生活进步产生的巨大影响。最后，对纳米科技的广泛应用前景及其重要意义提出一些个人观点。 关键字：纳米科技纳米材料发展应用 纳米科技英文名称是nanotechnology，是指能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。从20世纪纳米科技的兴起，几十年来已得到飞速发展，进入21世纪更是全球形成了世界性的纳米科技热潮，纳米科技领域的新发现与新成果层出不穷。于此同时，在生活的的各个方面已出现数不胜数的应用，掀起了信息，材料，能源，环境，医疗，卫生，生物与农业等领域的产业革命，对社会科学技术的发展以及人类生活产生了重要意义。 一、纳米科技的发展现状 中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20世纪80年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982年发明的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）和1986年发明的原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入到实质性研究阶段。 美国在纳米技术方面起步早，2000年出台“国家纳米技术研究计划”后，联邦研发预算大幅增加。2003年12月3日，签署了《21世纪纳米技术研发法》，规定从2005年起，四年内联邦为国家纳米技术计划资助37亿美元。根据国会通过的有关纳米科学研发与教育的法案，成立了“国家纳米技术研发计划”这个常设机构。许多大学建立了跨学科的纳米技术研
第3章 电磁场分析的数学模型 3.1 电磁场控制方程的表述 电磁场数值分析的具体任务，就是要求解一个与特定问题相联系的偏微分方程定解问题。根据数学物理方程的理论，所谓定解问题指的是在某一确定区域内成立的微分方程加上定解条件。对于静态电磁场问题，或者可化为复数计算的正弦稳态电磁场问题，定解条件就是微分方程中的未知函数在该区域边界上所满足的条件，亦即边界条件；对于时变电磁场问题，则定解条件除了边界条件以外，还包括整个区域未知函数在初始时刻的值，亦即初始条件。针对这一定解问题的求解，发展了如上节所述的各种解算方法。因此，为了得到正确的解答，第一步工作就是要写出定解问题的表达式，也就是建立特定电磁场问题的恰当的数学模型。定解问题中的偏微分方程通常称为控制方程。选择哪种物理量作为控制方程中的未知函数，建立什么形式的微分方程，将影响问题求解的难易程度。本节将从麦克斯韦方程组出发，介绍各种情况下电磁场控制方程的表述方式。 3.1.1 麦克斯韦方程组 [54] 100多年前，麦克斯韦对前人在实验中得出的电磁场的基本定律进行了数学上的总结和提升，引入了位移电流的概念，创立了后来以其命名的方程组，完善了电磁场理论。其著作《Treatise on Electricity and Magnetism 》成书于1873年。从理论框架上看，麦克斯韦方程组加上洛仑兹力的计算公式，合起来构成了静止及运动媒质中电动力学的基础，概括了发电机、电动机和其它电磁装置的工作原理，也概括了电磁波的发射、传播和接收的原理。科学技术发展的实践证明，描述电磁场宏观性质的麦克斯韦方程组正确反映了电磁场中各物理量之间的相互关系，是电磁场的基本方程。 在大学普通物理和电类专业的电工原理课程中，都对麦克斯韦方程组作了基本的介绍。本节主要从电磁场数值计算的需要出发来加以说明。 麦克斯韦方程组的微分形式可以表述为： t ??+=??D J H (3-1) t ??- =??B E (3-2) 0=??B (3-3) ρ=??D (3-4) 式中，H 、B 、D 、E 、J 、ρ 分别为磁场强度（A/m ）、磁感应强度（或称磁通密度，T ）、电位移（或称电通密度，C/m 2）、电场强度（V/m ）、电流密度（A/ m 2）和电荷密度（C/ m 3）。式（3-1）右端第二项t ??/D 具有电流密度的量纲，称为位移电流密度。事实上，上面的四个方程并不是独立的，可以证明（见文献[54]第1.3节），后两个方程（式（3-3）和（3-4））是基于高斯定理和斯托克斯定理从前两个方程导出的。前两个方程，即式（3-1）和（3-2），分别称为麦克斯韦第一方程和第二方程。在这两个矢量方程中，含有5个独立的矢量函数，为了得到确定的解答，还需要增加3个独立的矢量方程，这就是 E D ε= (3-5)
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容 从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念： 第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。关键突破 1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 纳米技术包含下列四个主要方面：
ADVANCED ELECTRODYNAMICS Electromagnetic Theory for Microwaves and Optoelectronics 高等电动力学 -- 微波与光电子学中的电磁理论 1 Maxwell's equations, wave equations, Helmholtz equations and boundary conditions 麦克斯韦方程，波动方程，亥姆霍兹方程及边界条件(第I版 p.1–23, 第II版 p.1–28) 2 Boundary value problems for time-varying fields, Uniqueness 时变电磁场的边值问题，唯一性定理(第I版 p.235–239,第II版 p.173-179) 3 Solution of vector Helmholtz's equations in orthogonal curvilinear coordinates 矢量亥姆霍兹方程在正交曲坐标中的的求解(第I版 p.239–249, 第II版 p.179-192) 4 Sepration of variables, electromagnetic waves in cylindrical systems 分离变量，柱形系统中的电磁波(第I版 p.249–255, 第II版 p.192-197) 5 Solution of Helmholtz's equations in rectangular coordinates, rectangular waveguides and cavities 矩坐标系中的求解，矩形波导和谐振腔(第I版 p.255-258,279-293, 第II版 p.197–202,239-254) 6 Solution of Helmholtz's equations in rectangular and circular cylindrical coordinates, waveguides and cavities 圆柱坐标系中的求解，圆柱形波导和谐振腔(第I版 p.258-260, 293-314, 第II版 p.202–206, 254-277) 7 Solution of Helmholtz's equations in spherical coordinates, spherical cavity 球坐标系中的求解，球形谐振腔(第I版 p.260-265, 314–318, 第II版 p.206-213,277-284) 8 Solution of Helmholtz's equations with complicated boundary conditions，reentrant cavity 复杂边界条件下的求解，重入谐振腔(第I版 p.265-270, 319–327, 第II版 p.220-226, 284-293) 9 Dielectric waveguides and resonators 介质波导和介质谐振器(第I版 p.343–394, 第II版 p.314-379) 10 Uniform slow-wave systems, Corrugated conductor surface 均匀慢波系统，褶皱导体表面(第I版 p.397–401, 第II版 p.382-387) 11 Periodic systems and space harmonics, artificial photonic crystals 周期系统与空间谐波(第I版 p.405–412, 第II版 p.392-403) 12 Disk loaded waveguide 盘荷波导(第I版 p.401-404, 416–418, 第II版 p.387-392, 406-410) 13 Helix 螺旋线(第I版 p.418–433, 第II版 p.410-428) 14 Mode coupling theory 模式耦合(第I版 p.441–449, 第II版 p.437-448) 15 Distributed Feedback (DFB) Structures 周期性分布反馈结构(第I版 p.449–456, 第II版 p.448-457) 16 Electromagnetic waves in disperssive media 电磁波在色散媒质中的传播(第I版 p.460–473, 第II版 p.461-477) 17 Anisotropic media 各向异性媒质(第I版 p.474–483, 第II版 p.477-489) 18 Electromagnetic waves in reciprocal crystal media 互易晶体介质中的电磁波(第I版 p.483–505, 第II版 p.489-516) 19 Waves in electron beams, space charge wave 电子束中的波，空间电荷波(第I版 p.505–511, 第II版 p.516-524) 20 Gyrotropic media -- magnetized plasma 回旋媒质--磁化等离子体(第I版 p.511–516, 第II版 p.524-529) 21 Gyrotropic media -- magnetized ferrite 回旋媒质--磁化铁氧体(第I版 p.516–525, 第II版 p.529-539) 22 Electromagnetic wave propagation in gyrotropic media 回旋媒质中的电磁波(第I版 p.525–537, 第II版 p.539-554)
纳米技术 1510700224 韦甜甜纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术，也称毫微技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。 利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 在我国，纳米技术早已融入到大众的生活了，包括很多涂料、纤维材料、燃料、高分子合成和纺织品加工处理技术等等。其实纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米技术内容 1、纳米材料 当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。 这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。 2、纳米动力学 主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.
一、单项选择题 1. 学习电动力学课程的主要目的有下面的几条,其中错误的是( D ) A. 掌握电磁场的基本规律，加深对电磁场性质和时空概念的理解 B. 获得本课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力，为以后解决实际问题打下基础 C. 更深刻领会电磁场的物质性，加深辩证唯物主义的世界观 D. 物理理论是否定之否定，没有绝对的真理，世界是不可知的 2. =???)(B A （ C ） A. )()(A B B A ???+??? B. )()(A B B A ???-??? C. )()(B A A B ???-??? D. B A ???)( 3. 下列不是恒等式的为（ C ）。 A. 0=???? B. 0f ????= C. 0=???? D. ??2?=??? 4. 设222)()()(z z y y x x r '-+'-+'-=为源点到场点的距离，r 的方向规定为从源点指向场点，则 （ B ）。 A. 0=?r B. r r r ?= C. 0=?'r D. r r r '?= 5. 若m 为常矢量，矢量3m R A R ?=标量3 m R R ??=，则除R=0点外，A 与?应满足关系（ A ） A. ▽?A =▽? B. ▽?A =?-? C. A =?? D. 以上都不对 6. 设区域V 内给定自由电荷分布)(x ρ，S 为V 的边界，欲使V 的电场唯一确定，则需要给定（ A ）。 A. S φ或S n ??φ B. S Q C. E 的切向分量 D. 以上都不对 7. 设区域V 内给定自由电荷分布()ρx ,在V 的边界S 上给定电势s ?或电势的法向导数 s n ???，则V 内的电场（ A ） A ． 唯一确定 B. 可以确定但不唯一 C. 不能确定 D. 以上都不对 8. 导体的静电平衡条件归结为以下几条,其中错误的是( C ) A. 导体内部不带电，电荷只能分布于导体表面 B. 导体内部电场为零 C. 导体表面电场线沿切线方向 D. 整个导体的电势相等 9. 一个处于x ' 点上的单位点电荷所激发的电势)(x ψ满足方程（ C ） A. 2()0x ψ?= B. 20()1/x ψε?=- C. 201()()x x x ψδε'?=-- D. 201()()x x ψδε'?=- 10. 对于均匀带电的球体，有（ C ）。 A. 电偶极矩不为零，电四极矩也不为零 B. 电偶极矩为零，电四极矩不为零 C. 电偶极矩为零，电四极矩也为零 D. 电偶极矩不为零，电四极矩为零 11. 对于均匀带电的长形旋转椭球体，有（ B ） A. 电偶极矩不为零，电四极矩也不为零 B. 电偶极矩为零，电四极矩不为零 C. 电偶极矩为零，电四极矩也为零 D. 电偶极矩不为零，电四极矩为零
《纳米科技与现代生活》 结课论文
题目：纳米电子信息学技术
装 订
线
学 专
年
院 业
级
学 姓
号 名
２０１0 年 5 月 25 日
随着科技的快速发展，在微电子技术的基础上，纳米技术与信息 技术，电子技术，自动化技术及计算机技术日渐融合，成为当今社会 科技领域的重要支柱技术，几乎任何领域的研发工作都与这些技术紧 密联系，而他们的相互交叉，相互渗透，也越来越密切。从而使得纳 米电子信息学技术得以迅猛发展。 纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子信息学技术 （nanoelectronics） 。 在信息社会中， 电子学的应用显得越来越重要。 信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不 开电子学。电子学技术未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目 标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信 息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。只有在 这三方面都得到同步的发展，电子学技术才能取得新的重大突破。而 这三方面共同发展的结果便是纳米电子信息学技术 。 纳米电子学的前景是一片光明，很多科学家们都致力于纳米电子 信息学技术的研究，这一技术在人类的未来生活、教育、研发、国防、 工作等等领域会发挥出举足轻重的作用。而在这领域一直处于先进地 位的美国国防高等技术研究厅 （DARP） ， 不久前就提出的超电子学 （ulbe ebotmlllcs）研发计划，他们就是根据“更小，更快，更冷”的发展 目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高 5－ 100 倍，速度快 10－100 倍，而功耗则要小于现在器件功耗的 2 倍。最 终希望达到“双十二”，即 1012 位的存储器容量（1 Terabit）和每 秒 1012 次的运算器速度（1000 亿次/s），且廉价而节能。要实现这一
纳米科技与健康生活 纳米概念是科学家创造的术语，可纳米物质却不是人类的新发明，纳米材料早已在自然界中存在，比如：动物的牙齿、骨骼、海底的藻类、荷叶的表面，天上的陨石等。 最新科学研究发现：生物体也存在纳米颗粒。比如蜜蜂、蝴蝶、鸽子、海龟、海豚以及水中生活的趋磁细菌，以它们自身存在的超微磁性颗粒，在地磁场导航下能辨别方向完成回归的。 纳米科技是一次工业革命的核心，在不久的将来将席卷全球，被国际公认为21世纪最具有前途的科技领域，因而成为世界各国科学家争先恐后去开发的研究的核心和重点。 我国的科学家钱学森就提出了从宏观-微观-介观-秒观的设想，提示新技术将给我国带来的巨大的经济机遇。江泽民总书记也要求有关部门“明确我国纳米科技的发展思路，促进我国纳米技术产业的跨越式发展”，在国家高度重视下，已有京、津、沪、东北三省、江、浙、皖、粤、湘、鄂、陕、晋、鲁等10多个省（市）参与纳米规划。1993我国科学家利用纳米技术，在石墨的表面通过搬迁碳原子而绘制出世界上最小的中国地图。估计到2015年纳米科技的产品市场全球将达到1万亿美元。 一个全新的纳米时代正向我们走来，正如我国首席科学家张立德所言：“我们正处于一个变革的边沿，而大多数人竟一无所知，当大多数人知道纳米技术所做到的一切时，他们毫不犹豫地将自己的未来和纳米技术联系在一起。请您关注纳米技术的发
展。
纳米（nm），又称毫微米，如同厘米、分米、米一样，是长度计量单位。1米的千分之一是毫米，1毫米的千分之一是微米，1微米的千分之一是一纳米，1纳米是十亿分之一米的长度。 纳米的长度究竟有多长，大家想不想知道？大家知道物质结构的最小单元是原子，原子有多大？比方假如把一个原子放大1亿倍，他的大小像一个乒乓球，可见原子之小，而1纳米只相当于5个原子并排起来的长度。再形象的讲：1纳米的物体放在乒乓球上，就像把1个乒乓球放在地球上一般。这就是纳米的长度。 纳米材料是指尺寸介于1-100纳米范围之间，且具有特殊性能的超微粒子材料，这是纳米技术发展的重要基础。 纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究与应用的一门综合性技术体系。简单的说，只要明白纳米技术总是与纳米尺度的物质特性、结构、功能、应用等密切相关。 纳米材料的特性三大效应： 1、表面效应 纳米材料的表面效应指：纳米粒子的表面原子数量与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所能引起的性质上的变化。
对纳米科技的利弊及其未来的发展的思考 主题：【(讨论课总结)对纳米科技的利弊及其未来的发展的思考】发布人：吴天晨发布时间：2008-05-15[回复] 参与了“纳米科技与人类生活”课程讨论课之后，我在对纳米科技的认识上又有了很多的收获，通过一些个人的总结呵思考，我对纳米科技有了更加深入的理解，对于其未来发展也有一些个人的看法和想法，希望通过这份总结表述出我个人对于本次讨论主题的若干认识，并在和其他同学交流切磋的过程中吸取更多的精华、收获更大的进步。 一、关于本次讨论课主题 本次讨论课主题，是关于纳米科技的利弊及其未来的发展。正如大家在讨论课上所表述的那样，纳米科技在现实生活中的运用非常广泛，这一门新兴科技在未来的几十年中势必会发挥出极大的潜力和优势。 关于纳米科技的运用，其实关乎到我们生活中的方方面面。根据我们讨论课上所讨论的内容，我又寻找了一些资料进行补充，总结各位同学的关键，发觉确实纳米科技涵盖的范围非常广泛： （1）军事国防领域：纳米卫星以及相关的纳米传感器可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的环境变化,并及时反馈给中央控制系统,最低限度地降低噪声、节约能源，其高科技成分的体现还在于它能根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷,使潜艇及时做规避机动;能用较低的辐射功率完成“智能武器”的敌我识别,以免误伤自己。这其中有些优势恐怕是当今世界其他的侦查设备所望尘莫及的。 （2）环境保护领域：在燃煤中加入纳米级助燃催化剂,可帮助煤充分燃烧,提高能源利用率,防止有害气体产生。研究表明,纳米钛酸钴还可在发动机汽缸内发挥催化作用,使汽油燃烧时不再产生及排放一氧化硫和氮氧化物,使汽车尾气无需处理。此技术对我国船舶发动机有很好的应用前景。同时，纳米的净水装置也将为我们的生活提供非常大的便利，新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力,是普通净水剂的10～20倍。通过纳米孔径的过滤装置,还能除去水中的细菌,使水分子、矿物质以及微量元素被保留下来,处理后即可以饮用。 （3）医学生物领域：遗传学领域中，通过纳米技术先将DNA染色体全部分解为单个基因,然后根据需要进行组装,转基因整合成功率几乎可达100%。而在医疗过程中，纳米级别的诊断和治疗器件能够最大程度减少医疗器械堆对人体组织的损害，再比如纳米传感器能够哦探测早期癌细胞并传递药物，种种事实表明，纳米技术运用于医学遗传领域将有助于化解许多目前的问题，从而为人类做出巨大的贡献。 （4）纳
在现实生活中，纳米技术有着广泛的用途。 １、超微传感器传感器是纳米微粒最有前途的应用领域之一。纳米微粒的特点如大比表面积、高活性特异物性、极微小性等与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负荷性高、稳定可靠，纳米微粒能较好地符合上述要求。 ２、催化剂在化学工业中，将纳米微粒用做催化剂，是纳米材料大显身手的又一方面。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极可以增大与液相或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于小型化。 超细微粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸附氢气的储藏材料。还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺美术中。 ３、医学、生物工程尺寸小于１０纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，在目前的微型机器人世界里，最小的可以注入人的血管，它一步行走的距离仅为５纳米，机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。这些神话般的成果，可以使人类在肉眼看不见的微观世界里享用那取之不尽的财富。 ４、电子工业量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作，因此它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量
子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。目前，风靡全球的因特网，如果把利用纳米技术制造的微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递信息，并执行处理任务。不久的将来，它将操纵飞机、开展健康监测，并为地震、飞机零件故障和桥梁裂缝等发出警报。那时，因特网亦相形见绌。 5、“会呼吸”的纳米面料。 纳米是一种基于纳米材料的化学处理技术，纳米布料是用一种特殊的物理和化学处理技术将纳米原料融入面料纤维中，从而在普通面料上形成保护层，增加和提升面料的防水、防油、防污、透气、抑菌、环保、固色等功能，可广泛应用于服装、家用纺织品以及工业用纺织品。 经过纳米技术处理的布料及图示 * 将经纳米技术处理之布料覆盖在水杯口上. 将少量清水倾倒于布料表面. * 清水凝聚成水珠, 在布料表面流动. 清水不会渗入布料纤维内. 经瑞典纳米技术处理后的产品特点： 防水:未经处理的织物防水特性指标为1(完全湿透)，而经过处理的防水特性指标为5(没有沾湿)。 防油:未经过处理的织物的防油特性指标为0,而经过处理的防油特性指标为6(最高为8)。 防污:经过瑞典纳米技术处理后的织物,在污渍附著上有非常明显的降
纳米技术与百姓生活 中国科学院副院长、纳米技术研究中心学术委员会主任白春礼院士说：“电子技术的发展在20世纪改变了人类的生活方式，现代信息技术对人们的生活影响巨大，而纳米技术将在21世纪极大地影响人类的生活，而且其影响力将大大高于计算机技术对我们的影响，这将会是一种让人意想不到的效果。” 纳米技术看似神秘，其实，它已经离我们很近了。 在日常生活方面，不久的未来，有了防水防油的纳米材料做成的衣服，人们就不用洗衣服了，而且这种衣服穿着很舒服，不是像雨衣那样；用这种材料做成的红旗，即使下雨在室外也依然会高高飘扬。往各种塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石、大楼的玻璃墙、电视机的荧光屏上涂上纳米涂料，都会具有防污、防尘的效果，而且耐刮、耐磨、防火，戴上涂有纳米涂料的眼镜，在寒冷的冬季，人们从室外进入室内，就能避免眼镜上蒙上一层水气。用纳米材料制成的茶杯等餐饮具将不易摔碎，若将抗菌物质进行纳米处理，在生产过程中加进去就能制成抗菌的日常用品，如现在市场上已出现的抗菌内衣和抗菌茶杯等，把纳米技术应用到化妆品中，护肤、美容的效果就会更佳，如何制成抗掉色的口红，可开发出防灼的高级化妆品等。 在医疗方面，纳米级粒子将使药物在人体内传输更加方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中
的蛋白质和DNA诊断出各种疾病；有了通过血管进入人体的纳米级医疗机器人，将大大减轻病人手术的痛苦。 在电子信息领域，纳米技术将更会大显身手。纳米技术会将超大规模集成电路的容量、速度提高1000倍而体积缩小1000倍，可以预见，计算机在普遍采用纳米材料后，计算机处理信息的速度将更快、效率将更高，而且将成为真正的“掌上电脑”；二三十年后，纳米让图书馆只有糖块大小；纳米技术将发展出个人随身办公室系统，我们就不必每天上下班了。 纳米技术在能源、交通、环保等方面也将大有作为。用纳米材料做成的电池，体积很小却可容纳极大的能量，届时汽车就可像目前的玩具汽车一样，以电池动力在大街上奔驰了。用纳米材料做成的轮胎，将更耐磨、防滑，可减少交通事故，用纳米材料制造出的小型飞机，将使飞机像汽车一样进入家庭，交通阻塞可能成为往事。在环境科学领域将出现功能奇特的纳米膜，这种纳米膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能经过滤而消除污染。 纳米技术将改变人们的衣、食、住、行、医疗、生产、娱乐等各个方面，电脑、网络、基因工程等当前的高科技领域也将因此面临变革，纳米科技带来的是人类社会的第五次产业革命。纳米时代的到来将使我们的生活和工作更加随心所欲。