冶炼技术

古代的铜矿开采术

　　先秦时期青铜冶铸的高度发达，也从一个侧面反映了铜矿开采技术的先进。湖北省大冶铜绿山的古铜矿遗址，向人们展现了从商周至汉代铜矿开采状况和采矿技术的发展过程。这是迄今发现的中国最早的古矿遗址，在世界矿业史上也是不可多得的珍贵遗存。

　　清代所修《大冶县志》记载，铜绿山“山顶高平，巨石对峙，每骤雨过时，有铜绿如雪花小豆点缀土石之上，故名。”这里，铜矿富集，矿体规模大，而且矿石含铜品位高，成为中国古代一个重要的采铜中心。至今，地上堆积着40万吨以上的古代炼渣，地下古矿井分布密集，还有多种形式的炼铜竖炉，记录着古代矿冶生产的宏大规模和卓越技术。

　　商代遗址采用的是群井开采方法。井筒打在矿体内，下掘井筒就是开采矿石，掘进终了即开采完毕。继续开采又另打新井。群井开采简单易行，井深一般为20～30米，开挖在软岩或围岩蚀变带内，用打水井的工具即可掘进。提升矿石和废石，采用大轮导向往返拉动。

　　西周的遗址仍用群井开采。井为方形，井深与商代相同。井中有支护遗址，支护形式为间隔支护，距离40～60厘米。井框木为带榫的套接方式，榫口一律凿成方形。井框外，四壁先背一层竹席，竹席内间格敷有直径4～5厘米的木枝条。这时期已出现有巷道、平巷，但处于初始阶段。

　　春秋战国时期已采用竖井、斜井、平巷的联合挖掘，初步形成了地下开采系统。其中，斜井的掘进施工和支护技术都有较大的难度，它的出现，是坑采技术的一大进步。斜井的倾度因地而异，由25度至70度不等。斜井的作用不仅可以沿矿体倾斜延伸，节省人力和费用，而且还有探矿的作用。平巷和竖井也较西周时期有明显的进步，最大井深达64米，延伸至潜水面下8～10米。春秋时期主要的开挖工具为铜制，战国时期则主要应用铁制工具。同时，这时期已比较成功地解决了有关掘进、通风、排水、照明、运输、支护等一系列问题。这些技术，在当时世界上都是无与伦比的。

　　铜绿山遗址现在已被作为重要的文化史迹，受到国家的保护。

　　青铜冶铸术

　　从世界范围看，古代美索不达米亚人大约于9000年前开始利用自然铜，6000年前有了铜的冶炼，5500年前有了炼青铜；古埃及大约于7000年前开始炼铜，5000年前有了青铜。相比之下，中国对于铜的加工和利用要晚得多，大约在四五千年前方有自然铜的利用和青铜的冶炼。但是中国不像其他古文明地区那样，曾经经历过较长时间的炼制红铜阶段，而是在红铜加工出现不久就开始冶青铜，并利用青铜熔点低、易于浇铸的特点，使青铜冶铸技术迅速发展起来，一跃而跨入世界先进行列，并居领先地位，创造了举世瞩目的青铜文明。

　　迄今出土或传世的大量先秦青铜器，向人们展示着中国青铜文化的盛况。其中，河南殷墟出土的重达875公斤的司母戊鼎；湖北随县曾侯乙墓出土的大型编钟，总重量达10吨以上，以及精巧绝伦的铜尊盘；在地下埋藏2500多年，表现依然花纹清晰、光彩照人的越王勾践剑和吴王夫差剑；等等，都堪称世界之最。这些青铜器物，反映了当时青铜铸造技术的高度发展水平，包括浑铸、分铸、失蜡法、焊接、镶嵌、表面处理等工艺的高超程度。

　　高超的青铜铸造加工的技术工艺，是以高超的青铜冶炼技术为基础的。没有优质的青铜材料，就不可能产生优秀的青铜器物。当时的人们已经熟练地掌握了青铜的冶炼技术，而且已掌握了鉴定青铜质地是否精纯的方法。这就是在《考工记》一书中记载的火焰颜色判定法。

　　《考工记》中说，在冶炼青铜时，铜料与锡料中会先冒出黑浊的气体，

　　“黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也”。近代科学证明，金属加热时由于蒸发、分解、化合等作用，会产生不同的颜色。冶炼青铜时，原料中所附着的碳氢化合物会燃烧，产生黑浊的气体；随着炉温的升高，原料中所含的氧化物、硫化物等杂质会产生黄白、青白的气体；到只冒青气时，说明杂质已基本去除，青铜已经炼成，可以浇铸了。这是冶金史上关于火焰颜色鉴别法的最早记载。

　　顺便应该指出的是，“炉火纯青”是我们常用的一句成语，用来比喻功夫达到纯熟完美的程度。其来源，现在通用的一般辞典中都说是来自道家炼丹成功时火焰发青，有的还加注“迷信”二字。这种说法恐有误。它的最早出现应是上引的《考工记》记载。

　　湿法炼铜

　　湿法炼铜，也叫胆铜法，这是中国历史上在炼铜技术上的一项重大发明。

　　今天，铁元素比铜元素活跃，它能在铜盐溶液中，经过置换反应，置换出铜来，这已是最基本的化学知识。而这种置换反应，却是由中国首先发现，并加以实际利用的。

　　铁铜置换反应的发现，是炼丹家在化学方面的一大贡献。他们在炼丹实践中，观察到这一置换现象，并不断加以记录和总结。现知这一置换现象的最早文字记录，是2000多年前在西汉时成书的《淮南万毕术》一书中所记载的，“曾青得铁则化为铜”。曾青，又叫空青、石胆、胆矾，为天然的硫酸铜。硫酸铜一般是蓝色结晶体，因在空气中会部分风化失去水分，而呈白色，故又有白青之称。曾青是炼丹家在炼丹活动中的常用药物，被认为“久服身轻不老”。它亦被引入医学，作为治疗疮疖等疾患的用药，故中药本草著作中也有记载。汉代成书的《神农本草经》中，即记有石胆“能化铁为铜”。不单是硫酸铜会与铁起置换反应，其他可溶性铜盐也会与铁起置换反应。对此，古代的炼丹家和药物学家也有所发现。南北朝时著名的炼丹家和药物学家陶宏景就说：“鸡屎矾……投苦酒中，涂铁皆作铜色”。苦酒即醋酸，鸡屎矾可能是碱性硫酸铜或碱性碳酸铜，因难溶于水，要加醋酸方能溶解。

　　所谓胆铜法，就是把铁放在胆矾溶液 （胆水）中，使铁离子置换出胆水中的铜离子，从而析出单质铜的冶铜方法。胆铜法，是一种先进的炼铜方法，为中国所首创。与火法炼铜相比较，它有着多方面的优越性。它可以就地取材，在胆水多的地方设置铜场，设备简单，技术操作容易，成本低；只要把蒲铁片或碎铁块投入胆水槽中浸渍，就可获取铜，而且铜质精纯。它的冶炼过程是在常温下进行的，可以节省大量燃料，免除鼓风、熔炼等设备，也减轻了炼铜工人的劳动强度，并减少了环境污染。而且，胆铜法不管是贫矿还是富矿，都可使用。

　　胆铜法何时由炼丹家的炼丹实验转成工业生产，现在尚不清楚。有人推测在唐末或五代已经开始湿法炼铜，而在北宋时已经实际应用并得到推广，却是确定无疑的。在11世纪末叶，北宋哲宗时的张潜已著有湿法炼铜专著《浸胆要略》，尽管此书已经佚亡，但却反映了当时已有一整套湿法炼铜的工艺，并已有人进行了总结。据《宋会要辑稿》记载，北宋时用湿法炼铜的地区有11处，分布在广东、湖南、江西、福建、浙江等地。其中，信州铅山（今江西省铅山县）的冶铜工场有浸铜沟漕77处，绍圣三年（1096年）产铜38万斤；而广东韶关岑水的工场，在政和六年（1116年）产铜达100万斤之多。据统计，在1107～1110年间，北宋政府每年收铜660万斤，其中胆铜有100多万斤，占15％～20％。到南宋时，政府收取的铜中，胆铜所占的比例达到85％之多。湿法炼铜的方法，在明、清两代仍继续采用，至今仍有些地区用此方法炼铜。

　　生铁冶铸和柔化术

　　与炼铜一样，中国冶铁技术的发明亦晚于其他一些古文明发达的国家和地区。埃及大约在公元前1000年左右开始进入铁器时代，美索不达米亚地区大约在公元前1200年左右开始进入铁器时代，爱琴海地区大约在公元前1000年左右开始进入铁器时代，印度大约在公元前800年左右开始进入铁器时代，而中国则是在公元前600～500年左右开始炼铁的。但是，中国不似其他国家和地区，经历了一个漫长的块炼法冶铁时期，而是很快发明了生铁冶铸技术和生铁柔化技术，因此后来居上，很快跃居世界冶铁事业的前列，并长期居于世界领先的地位。历史上中国的钢铁除输往邻近国家外，还曾远销古罗马和西南亚。

　　在历史上，炼铁方法主要有两种，一是块炼法，一是生铁冶炼。块炼法是在比较低的温度下进行的，它用烧红的木炭使铁矿石直接由固态还原成铁。用块炼法炼得的铁质地疏松，故有海绵铁之称。海绵铁含夹杂物较多，要把它制成铁器，必须经过反复加热锻打。生铁是在1100～1200℃的炉温下，由还原出的固态铁吸收碳而炼成。由于其熔点低，冶炼时呈熔融状态，可直接用范浇铸成器，从而免除了块炼铁加工费工费时的缺陷，提高了生产效率，降低了成本，使铁器的大规模、高效率生产成为可能。中国在公元前6世纪即已发明了生铁冶铸技术，这项技术在世界领先约2000年。罗马人虽在公元前后也偶尔炼出过生铁，但却被当作废品而抛弃，直至14世纪时，欧洲人才认识到生铁的意义，开始生产生铁。

　　生铁的最大特点是其可铸性，故又称铸铁。但生铁含碳量高，一般都在2％以上，往往又含有硫、磷等杂质，因而性脆，韧度低，直接铸造出来的农具、工具和兵器，使用时容易断裂。为了弥补这一缺陷，我们的祖先在战国时期又发明了铸铁柔化术。

　　中国早期的铸铁柔化术可分为两类：一类是在氧化气氛下对生铁进行脱碳热处理，使成白心韧性铸铁；一类是在中性或弱氧化气氛下，对生铁进行石墨化热处理，使成黑心韧性铸铁。在西方，白心韧性铸铁的生产技术是1722年由法国人发明的，黑心韧性铸铁是1831年在美国问世的。到汉代时，铸铁柔化术又有新的突破，形成了铸铁脱碳钢的生产工艺，可以由生铁经热处理直接生产低、中、高碳的各种钢材。

　　铸铁柔化术的发明，在冶金史上是一项具有划时代意义的成就。它大大加快了铁器取代铜器的历史进程，有力地促进了社会生产力的发展，使中国社会迈人一个新的发展时期。

　　值得一提的是，大约在明代时，出现了从生铁到熟铁的连续生产工艺。据《天工开物》记载，这项技术是把炼铁炉与炒铁炉串联在一起，让由炼铁炉炼出的生铁液流入炒铁炉，用柳木棍急搅，使生铁液中的碳份氧化，而成熟铁。这种连续生产的工艺，已初具组合化生产的系统思想，既提高了生产效率，又减少了能耗，是冶铁技术的又一重大突破。

　　灌钢技术

　　灌钢技术是中国历史上在炼钢技术方面的一项重大发明。其工艺过程大致为，将生铁与熟铁合炼，因生铁熔点低，熔化后的生铁水就会向熟铁中渗透，使熟铁增加碳份而成钢。因生铁水像灌进熟铁一样，故称灌钢。这种炼钢方法无需加热锻打，碳份分布均匀，且可去除部分杂质，得到的即是优质钢材，可用以制造刀锋的锋刃。在1740年西方坩锅炼钢法发明之前，是世界上最先进的炼钢方法。

　　灌钢法大约创始于5世纪后半叶的南北朝时期。陶弘景说：“钢铁是杂炼生柔作刀镰者。”“生”指生铁，柔指柔铁，即熟铁。北齐的冶金专家綦母怀文也说：“造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔挺，数宿则成钢。”他用灌钢造出的宿铁刀，是当时的名刀，非常锋利，可“斩甲过三十札”。也有人认为，东汉末年王粲《刀铭》中的“灌辟以数”，西晋张协《七命》中的“乃炼乃炼，万辟千灌”，其中之“灌”即指灌钢。如是，则灌钢的创始年代可提前到3世纪时。

　　在灌钢技术应用的初期阶段，需经多次灌炼，方能成钢。宋以后灌钢技术不断得到改进。据史籍记载，其加工工艺大致可分为3种，其发展趋势是减少灌炼次数，以至一次炼成。

　　第一种加工工艺，是北宋沈括在《梦溪笔谈》卷三所记载的，“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢。”其中，把柔铁屈盘起来，是为了增加生熟铁的接触面，提高灌钢的效率，并使碳份分布更加均匀；封泥则可以促进造渣，去除杂质，并起保护作用。《梦溪笔谈》中还说“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁”，反映了加工时灌炼次数的减少。

　　第二种加工工艺，记载于宋应星的《天工开物》卷十四之中。它把柔铁屈盘改为薄熟铁片，进一步增加了生熟铁的接触面，加速了“生熟相和，炼成则钢”的进程，泥封亦改为草泥混封，反映了明代灌钢技术的改进。

　　第三种加工工艺，是自清代至近代盛行于江苏、安徽、湖北、湖南、四川、福建等地的“抹钢”或“苏钢”。其特点是，先将料铁加热，再把生铁板的一端伸入炉中，待生铁熔化时，用钳夹住生铁板的一端，并不断移动，同时不断转动料铁，让生铁水均匀地滴在料铁上，再经锻打，去除杂质。这种方法有利于去除夹杂，提高金属的收得率。

　　垒铸技术

　　中国冶金史上的一个突出特点，是铸造技术占有很重要的地位，以至于铸造既作为成形工艺而存在，又成为冶炼工序中的一个组成部分，达到了

　　“冶”与“铸”密不可分的地步。因此，在古代文献中往往是冶铸并称，而且对中国文化产生了深刻的影响。如常用词汇“模范”、“范围”、“陶冶”、

　　“熔铸”、“就范”等，都是由冶铸技术演生而来的。这种冶与铸密不可分的冶金传统，是古代世界上其他国家和地区所无法比拟的。

　　中国铸造技术可以说是伴随青铜冶炼而产生与发展，其后又随着生铁冶炼而持续发展着。历史上，在铸造技术方面有很多重要的发明，并取得过很多重要的成就。例如，被认为是中国古代文明象征的商周到战国的青铜器，在某种意义上可以说是铸造技术所造就的。从重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盘和大型的随县编钟群，以至大量的礼器、日用器、车马器、兵器、生产工具等，可以看到当时中国已经非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术，在冶铸工艺技术上已处于世界领先的地位。而叠铸技术则是在铸造方面的又一重大发明。

　　所谓叠铸，是把许多个范块或成对范片叠装在一起，由一个共用的浇口和浇道进行浇注，一次可以得到几十件，以至上百件铸件。它可以批量生产，生产效率高，成本比较低，又能够节省造型、浇注的用地，是一种比较先进的铸造方法。这种方法在西方是随着大机器生产才出现和发展起来的，至今仍被广泛采用。而在中国，这种方法在2000多年前的战国时期已经开始应用。

　　现在发现的最早叠铸件，是战国时齐国的刀币。它是用铜质范盒翻制出具有对称性和互换性的范片，每两片合成一层，再多层叠合浇注而成。

　　在汉代，叠铸技术得到了很大的发展。本世纪70年代，在陕西咸阳、西安，河南南阳、温县，山东临淄等地，都曾多次出土有汉代的叠铸泥范。其中，以温县烘范窑中出土的叠铸范数量最大，保存最为完好，计出土有16类、36种规格的叠铸范500多套。每套铸范由5至14层叠成，最少的一次可浇铸5件，最多的达84件。这些铸范的设计和制作都很精细。据分析，用这些铸范浇出的铸件，表面光洁度可达五级（计分14级），金属收得率可达90％，工艺水平已相当先进。而且，从中还可以看到当时已具备了制范、烘范、叠装、浇铸、成器等一整套成熟的生产工艺。

　　电信技术

　　走向明天的电话

　　自从电话发明以来，它作为传递信息的一种基本手段，正在得到日益普及和更新。今天，世界各国的电话分为市内电话和长途电话两种，长途电话从发端到收端一般要经过当地市内电话网，再进入长途线路。同时，电话又有人工接转和自动接转之分，人工接转是指电话交换过程中，接、拆线都由话务员手工操作完成，自动电话的交换全由交换机自动进行。

　　据统计，美国现有电话机1.8亿多部，普及率为80％，世界平均普及率为12％。中国大陆最早的电话业务是1881年上海英商瑞记洋行华洋德律风公司开办的，随后，丹麦大北电报公司于1882年2月21日在上海外滩设立了电话交换所，当时只有用户30家。

　　今天，老式陈旧的拨盘式电话机正被淘汰，取而代之的是按键式多功能电话机。美国推出的一种声控电话，可免去按键电话的麻烦，用声音直接呼叫对方的名称和号码，就可接通对方了；无线电话机的发展也十分迅速，它可以在一个移动点到固定点之间，实现简单的通信；电话接入由计算机控制的智能网时，其功能会大增，如相隔数千里的用户可利用电话相互发送文件、交换计算机数据或召开可视电话会议；在研制重量最轻电话机的竞赛中，美国摩托罗拉公司的蜂窝式电话机只有30克重，它使用了一块砷化镓芯片，消耗能量仅为普通半导体收音机的一半，一节电池可供谈话45分钟，还有一个自动应答装置，并能储存99个电话号码；公用电话机目前主要采用投币式和卡式，卡式由于使用方便，在欧美较为流行。

　　根据专家们的预测，电话在今后若干年的发展趋势，主要是实现如下“十化”：

　　一、增音化：话筒里的音质更为清晰，以避免在噪声环境中通话时声音不清；

　　二、微型化：这种可以塞在耳朵里的电话，是通过使用者口腔和耳朵间的骨头和软组织来拾取声波，因此不会产生反馈啸声；

　　三、声控化：使用者在数米远的地方，用声音控制接通电话，无需拨号，唯声是从；

　　四、录音化：主人外出时，它会自动接电话，把对方的话录下来并自动关机；

　　五、复印化：除了通话外，还可根据需要，把文件和图表存入电话中，三分钟内，对方电话机便可接收到复印的文件和图片，这种电话在商业、科研、新闻出版界大受欢迎，聋哑人打电话也将如愿以偿；

　　六、智能化：这种电话会以柔和的声音向你报告，有人给你打电话，如果你不愿意接电话，只要拨动某个键，电话即会婉言回绝；

　　七、翻译化：不同语言的人也可以互相直接通话，该电话通过输入不同语言的单词、短语等，通话时可自动翻译；

　　八、娱乐化：这种电话与幽默电台相通，当你需要自我娱乐时，只需拨一个专用电话号码，便可从电话中听到令人捧腹的笑话；

　　九、电视化：这是电话与电视相结合的产物，使用这种电话，双方可以通过荧光幕见面，以满足通话者的需要；

　　十、多用化：电话除了通话以外，还带有报时、显示天气情况等功能。

　　电信之“线”

　　说起有线电通信之“线”，一般有三种：架空明线、电缆和光纤。

　　架空明线是指架设在电线杆上的用于通信的金属导线。金属导线有：铝线、铁线、钢线等多种。明线架设起来省事、同时方便、传输质量也较好，缺点是线对数量少，通信容量小，因为这种导线是架设在野外高空，所以容易受损，特别是在发生自然灾害或战争的时候。

　　电缆由包裹在同一外皮中的若干根导线构成，这些导线互相绝缘。外皮分纱包、铝包、塑料包几种，其中以电缆较为坚固，应用最广。电缆的优点是线对数量多，不易受损。如果敷设在地下，还有很强的保密性。但是，电缆里面的导线直径小，线距窄，因而衰耗大，投资也多。

　　电缆按敷设方式分为三种：架空电缆、地下电缆和海底电缆。架空电缆是把电缆架在电线杆上；地下电缆在地下2～3米处；海底电缆敷设在海底或海中一定深度，根据通信距离分为短距离、中距离和远距离，并根据海洋深度分为浅海和深海等类型。在敷设海底电缆方面，英国物理学家威廉·汤姆森曾作出过举世瞩目的贡献，他坚持不懈地从理论上和工程上积极参与了大西洋海底电缆的建设。

　　在无线电还没有发明以前，莫尔斯电报只能进行有线传送，而且只能在陆地上使用，被称为“陆地电报”。随着经济和国际贸易的发展，制造和敷设大西洋电缆成了一种迫切的需要。1856年，大西洋海底电缆公司正式组成，资本总额为35万英镑。苏格兰的股东选聘汤姆森为董事，他高兴地接受了这一职务。在从1896年到1866年的10年时间里，他不但解决了许多海底电缆通信的理论问题，而且面对挫折、打击，始终宽容大度、意志坚定。1866年6月，当两条完善的连接加拿大纽芬兰岛和英属爱尔兰岛的大西洋海底电缆敷设成功时，人类首次实现了全球性的远距离通信，它和电报的发明一样，是人类通信史上的一座新的里程碑。

　　今天，海底电缆仍是国际通信的一种重要手段。据统计，英美两国之间每年的通话量达二千多万次，其中有一半以上是通过海底电缆传送的。

　　光纤有石英光纤和塑料光纤之分，通信用的光纤对传输特性、环境等都有严格要求，要确保光纤在制缆、安装、接头以及一般的热循环下不受损坏，它本身要用塑料等保护起来。

　　用光纤制成的光缆，分为通信用光缆、非金属光缆、光海缆等种类。通信用光缆有两种，一种是高密度多光纤光缆，适用于公共通信系统，另一种是低密度光缆，适用于一般通信系统。

　　今天，光纤光缆正呈爆炸式的势态发展，它正在逐步取代铜导体电子线缆。通过光纤线路进行数字传输，现在已是平常事情。采用光纤线路，以任意调制方式转输模拟信号，将是今后光纤技术应用的新领域。

　　光纤通信

　　由于科学技术的突飞猛进，尤其是电子计算机技术的迅速发展和广泛应用，人们对通信的要求也越来越高。电报、电话等传统的通信手段，虽然在不断得到改进，但仍不能完全满足社会的要求。

　　20世纪中叶，同轴电缆问世以后，由于各国大力进行科研开发，它的传输容量有了惊人的发展。以话路来计算，起初只有300路，后来相继增加到960路、2700路，最后达到13200路。随着同轴电缆线路的广泛采用，它开始在有线传输领域形成干线网路，并逐步蚕食了明线和风靡一时的对称电缆线路。

　　20世纪60年代末、70年代初，万路同轴电缆载波系统研制成功。尽管这一系统的中继距离只有1500米，但一些科技发达国家仍对它抱有很大希望，努力提高它的性能，加大电缆的尺寸，研制新的元器件、放大器和均衡器等，进一步挖掘这一系统的潜力。

　　但是，70年代中期以后，实用光纤的研制成功，给通信传输带来了意义深远的突破。发达国家纷纷放弃了对同轴电缆的进一步研究，而投入大量的人力、物力和财力，加紧开发光缆。于是，光纤通信以令人眼花缭乱的速度向前发展。

　　所谓“光纤通信”，就是利用半导体激光或者发光二极管，把电信号转变为光信号，通过光导纤维传输，再用探测器把光信号还原为电信号，从而实现通信。它被称为“现代社会的高速公路”。

　　第一代光纤维通信系统1978年开始使用，80年代初进入推广阶段，该系统大多用于低速率的信息传输，如用在市话网上；第二代自1982年后投入使用，一般用于短距离通信和市内通话局间的无中继通信；第三代自1983年起投入使用，1985年后推广应用，大多用于长途干线和海底光缆通信系统；第四代即今天正在开发的光纤通信，它是与微电子技术、电子计算机、程控电话、卫星通信、数字通信等新技术一起发展起来的，它将使用多成分氟化物、玻璃纤维和波长为3.5微米的硫化铅类半导体激光管，每公里强度只衰减0.02％。一但实现这样小的衰减，无中继距离可增加到1万公里，这样就可以实现横跨太平洋的无中继通信。

　　光纤通信具有许多优点：一是频带宽、容量大，一对光纤可同时传送几千万路至上亿路电话，或几千套彩色电视节目；二是保密性能好，抗干扰性强；三是通信质量好，无串音现象；四是尺寸小，重量轻，光纤芯径一般只有50～80微米，即使加上各种防护材料，也比普通电缆轻得多。

　　从有线到无线

　　利用无线电波在空间传送声音、文字、图像的通信方式，总称为“无线电通信”。无线电通信是航空、航天、航海中的主要通信方式，其优点是不受线路限制，也节省了线路投资；其缺点是保密性差，容易受外界干扰的影响。

　　早在19世纪60年代，苏格兰物理学家麦克斯韦就已预言，有可能产生以光速传播的电磁波。但是直到20年后德国物理学家赫兹才证明，这种电磁波是一种辐射，“无线电”这个词就是从“辐射”一词派生出来的。赫兹用高压交变电流在两个金属球之间击出火花，并且发现，这种火花会产生一种电磁辐射。只要用一个带小缺口的环，就能测到这种辐射。

　　然而，真正使无线电派上用场的，却是一个半英国血统、半意大利血统的人，名叫马可尼。他的母亲是英国人，父亲是意大利人。马可尼一家住在意大利波伦亚郊外的维拉格里丰别墅里。从 16岁起，马可尼就爱上了科学实验。1895年，在他21岁时，他在顶楼的两间屋子里，搞了一个无线电实验室，这两间屋子原先是用来放养蚕的簸箕的。

　　马可尼先将信息送过养蚕房，接着发现，如果在发射机和接收机上安上天线和地线，就可以加大传送的距离。于是，他让弟弟拿着接收机跑离房屋，越跑越远……1895年9月，他们在两座山之间，在相互看不见的情况下传送信息，结果成功了——他的弟弟按预先的约定鸣响了象征胜利的枪声。

　　马可尼发明的无线电通信，现在已发展成多种通信手段。

　　短波通信是利用频率为3至30兆赫，波长为10至100米的无线电波进行通信的。这种通信靠的是地波和天波，而天波靠的是电离层的反射。短波通信设备简单，灵活性大，但因受电离层昼夜、季节变化的影响，可靠性和稳定性都较差。在发生太阳磁暴、极光、核爆炸时，电离层发生骚动，通信极不稳定，严重时会完全中断。

　　微波中继通信利用的是频率在1000兆赫以上，波长在30厘米以下的电磁波。它一般沿着直线传播信号，绕射能力很弱。由于地球表面是个球体，两地距离稍远便无法“直视”，因而就不能直接通信。为了克服这种缺陷，在作长途通信时，要采用接力方式，通常每隔50公里设一个增音中继站。微波中继通信的优点是频带范围宽，通信容量大，传播质量稳定，因此目前使用范围很广，但它的保密性能不如有线通信。

　　卫星通信是把人造地球卫星作为空中中继站，转发或反射无线电信号。通信两端的地面站，通过卫星上的转发器，接收和发送信息。

　　今天，国际性的卫星组织主要有“国际电信卫星组织”、“国际海事卫星组织”、“国际人造卫星组织”和“阿拉伯卫星组织”，其中“国际电信卫星组织”是政府间的商用通信机构，它成立于1964年11月，当时有11个国家参加。1965年，该组织向地球静止轨道发射了第一颗卫星，称为“晨鸟”。这种同步卫星离地面约3.6万公里，一颗卫星可供地球上1／3的地区使用，覆盖面相当于经度120度，因此用3颗卫星即可实现全球通信。

　　1991年8月15日，欧洲阿丽亚娜航天公司从法属圭亚那的库鲁太空中心发射一枚阿丽亚娜44L型火箭，把国际通信组织的一颗安泰尔萨特V1—FS型通信卫星送上了天空，该卫星是至今被送上天的最大民间通信卫星，其直径为3.6米，高11.8米，重量达4.296吨。它被置于地球西经14°30′的赤道上空，其覆盖面可达北美、南美、欧洲和非洲。它有12万条电话线路可供用户同时通话，另外还可转播电视和数据等。

　　卫星通信系统中的地面站是指设置在地球上，同卫星联系的地面设施。地面站一般由跟踪系统、天线设备、发射和接收设备、控制设备、电源设备等组成。收发两用户之间的通信联络是通过地面站设备对收到的和发出的信号进行处理而完成的。

　　移动通信

　　移动通信是利用无线电通信手段，使处于运动状态中的通信者实现通信的一种方式。现在，由于科学技术的发展，许多国家的陆地移动通信技术进入了一个崭新的阶段，汽车电话、火车电话、无线电话、无线呼叫等层出不穷。

　　在各种移动通信系统中，“蜂窝”系统最为普及、充满活力。这一系统之所以得此名称，是由于无线电区域组成的网络，形式恰似蜂窝。在蜂窝式的网络中，每一个地理范围（通常是一座大中城市及其郊区）都有多个基台，并受一个移动电话交换机控制。在这个区域内任何地点的移动台——车载、便携、手持台，都可经由无线信道和交换机联通公司电话网，真正做到随时随地都可以同世界上任何地方进行通信。同时，在两个或多个移动交换局之间，只要制式相同，还可以进行自动或半自动转接，从而扩大移动台的活动范围。因此，从理论上讲，“蜂窝”系统可容纳无限多的用户。

　　自从1979年第一个蜂窝通信网建成至今，世界上已有40多个国家建立了向公众开放的各型实用网，如今，全世界蜂窝式移动电话用户己达500万户以上。例如，1984年蜂窝式电话首次在美国使用时。只有9100个用户，然而到 1989年底，已达到340万户，约占总人口1.4％。生产蜂窝式电话的厂商认为，80年代初期，蜂窝式电话只是一种流行而已，好比中层家庭孩子的玩具一般，市场非常有限；今天它不再是时髦物品，而是人们生活中的一部分了，其价格也从1984年的3000美元降到现在的350美元。专家们预计，至2000年，美国蜂窝式电话的用户可达3850万，普及率为14.3％。

　　移动电话的另一个具有发展前景的系统是卫星系统，在这方面，美国摩托罗拉公司名列前茅。1990年，摩托罗拉公司宣布，将建造一个由人造卫星

　　“星群”与用户便携式电话机组成的全球性个人通信系统，这个系统的核心是77个运行在低位轨道上的小型人造卫星。由于化学元素“铱”的原子核外正好有77个电子运转，因此，该公司把这一系统命名为“铱系统”。按照计划，担任“铱系统”主角的77个人造卫星将被平均部署在7条环形轨道上，从而使地球表面的任何一点都有连续的覆盖，构成“天‘铱’无缝”的空间通信交换网络。它能使人们在海、陆、空的任何地方，使用便携式移动电话，经同步卫星系统联网，相互进行联络。这样，呼叫人无需知道对方在什么地方，而只需拨一个对方的号码，电话便可立即接通。

　　“铱系统”信息传输的过程是将电话信号首先传递给最近的人造卫星，在确认为合法用户之后，电话信号便在“星群”之间传递，最终被发回地球，传给另一个用户。“铱系统”的卫星距地球表面只有765公里，无线电信号在往返传输时损耗较小，卫星直径仅1米，高仅2米，重量也只有315公斤，因此，它发射容易，经济可靠。这一系统将于2000年之前全面运营。

　　未来通信

　　随着高新技术的发展，通信手段越来越新颖多样，如今，许多国家都竞相投入人力、物力，财力、研究和开发中微子通信、引力波通信、蓝绿通信和流星通信。一旦这些别开生面的通信技术成为现实，我们这个星球上的居民将更加有“天涯若比邻”的感觉了。

　　中微子通信：中微子是基本粒子大家族中的一种中性粒子，它能够毫不费力地穿透地球，速度快，抗干扰性强，而且对人体无害，这是电磁波所无法比拟的。中微子通信与微波通信相似，都需要发射装置和接收装置。在通信时，发射端首先用高能质子加速器把质子加速到几千亿电子伏特的能量，然后去轰击一块金属靶子；这时，靶子的背面会产生许多“短命”的介子，这些介子一边运动，一边发生质变分裂，从而产生中微子和其他粒子；再让它们穿过钢板，剩下的就只有纯净的中微子束；此时，如用信号对它进行调制，它就会“走”向人们确定的目标；接收端是一个贮有近千亿吨水的大水箱，当中微子在水中传过时，星罗棋布的光探测器等，就可把它们携带的信息解调出来。1978年12月，美国科学家在地下和海中首次进行了中微子通信试验，获得了成功。

　　引力波通信：引力波是物质振动时产生的一种横波，它以光速传播。利用引力波可以进行极长距离的通信，这是因为引力波穿透力强，不易衰减，

　　30例如，它在铁中传播时，强度衰减一半的距离是10公里，在水中传播时，

　　29这一距离为10公里。1983年，日本科学家进行了首次引力波通信试验，他们把两根半径为29.1米、长度为1.52米的铝棒放置在相距1.72米的位置上，然后用电磁振动的办法使一根铝棒振动，以产生引力波，并用另一根铝

　　12棒来接收引力波，结果，这根铝棒发生了1／10的畸变，附着在棒上的传感器产生了1微伏的电压。这一试验证明，引力波通信是可行的。

　　蓝绿通信：蓝绿通信是激光通信的一种，它采用的光波波长为480至560毫米，介于蓝光和绿光之间，同海水颜色毫无差异。蓝绿激光通过海水时，穿透力强，方向性好，因而能打开海洋深处通信的“禁区”，为实现深海通信的现代比展示了前景。1981年5月，美国科学家在加利福尼亚圣迭戈附近的海面上，成功地进行了蓝绿通信试验。

　　流星通信：流星分布在太阳系的空间，又小又暗，小的如同米粒，大的好似高山，它们平均以生秒几十公里的速度绕着太阳旋转、一旦同地球相通，就会以每秒16至18公里的速度在大气层中运动，并多次与空气分子发生猛烈撞击，使空气急剧电离，在它后面形成尾状离子云——流星余迹，直到它烧成气体和极微细的尘末为止。每昼夜闯入大气层的流星，多达100亿个。

　　科学家们设想，无线电通信，是经过地面的无线设备把语言和数据转化成信号电波发送的，传输中的电波在与流星余迹相遇时，迅即被它反射到几百公里外的地面上，像手电筒光束那样扩展开，覆盖一大片区域；设在那里的地面站收到信号后，可以立即发射出回答信号，通过同一层流星余迹转到原来发出信号的地面站。

　　早在20世纪50年代初，加拿大国防科委无线电物理所的科学家就开始着手这方面实验，直到1954年，流星余迹才正式用于通信事业。利用流星余迹通信有许多独特之处：流星是“上帝”的馈赠，不必付出巨大的研制、发射和维护费用；流星通信以低频工作，信号损耗小，简化了地面的收发设备，降低了通信的成本；由于流星反射电波的方向性强，地面的接收范围很小，加之通信流星的不断更替，从而加强了通信保密的可靠性；此外，流星不会被敌人摧毁，爆炸后的刹那间便可恢复通信，其他电子干扰也难以达到破坏的目的。正基于此，专家们预言，流星通信技术有着广阔的发展前途。

　　微电子技术

　　什么叫“微电子技术”

　　顾名思义，“微电子技术”就是指微化的电子技术。

　　现代物理学对人类历史的影响，主要表现在两个方面：一方面，核物理的巨大进展，形成了核反应堆等新的技术；另一方面，科学家通过研究原子、分子以及固体电子运动规律和电磁辐射，带动了电子学和电子技术的惊人发展，从而出现了半导体工业、计算机工业、工业自动化与遥控、遥感技术等。

　　早在英国物理学家汤姆森发现电子以前的1880年，“发明大王”爱迪生在试制成功人类第一盏具有实用价值的电灯以后，继续寻找更有效的灯丝材料。在这个过程中，他通过观察发现，电灯中的碳丝会很快蒸发到灯泡壁上。1883年，爱迪生把一根钢丝电极封入灯泡，靠近灯丝，发现碳丝加热后，铜丝上有微弱的电流通过，这就是所谓的“爱迪生效应”。

　　电子的发现，证实“爱迪生效应”是热电子发射效应。英国另一位科学家弗莱明首先看到了它的实用价值，1904年，他进一步发现，有热电极和冷电极两个电极的真空管，对于从空气中传来的交变无线电波具有“检波器”的作用，他把这种管子称为“热离子管”，并在英国取得了专利。这就是“二极真空电子管”。

　　两年以后，冯·利本在弗莱明的热离子管的基础上，继续进行试验，他把第三个电极——将一个有孔的栅极置于阴极和阳极之间。栅极从电话送话器输入声脉冲，像一个看不见的阀一样，起着调制电子流的作用。用这种方法，能将弱脉冲准确地放大到人们需要的程度。这种具有三个极的新热离子管称为“三极管”。后来，美国物理学家李·德·福雷斯特进一步改进了热离子管，制成“三极检波管”。

　　在1950年晶体管出现以前，三极管等几千种电子管，在无线电发送和接收方面，一直发挥着巨大作用。这些电子管有玻璃壳的，有金属壳的，还有不要外壳的；有的只有花生米大，有的却像胳膊一样粗。由于电子管体积大，耗电多，预热慢，这就大大增加了用它们组装起来的装置的体积。于是，美国贝尔电话实验室的萧克利、巴丁、布拉坦等人，把半导体材料晶体作为突破口，试制新的元件。

　　1947年12月，这个研究组用两根银针压在一小片锗片上，制成了第一个晶体管放大装置，并且清晰地把音频信号放大了上百倍。后来，萧克利对晶体管的工作机理作了分析，又提出了一种新的晶体管理论，并于1950年制成了能取代电子管的结型晶体管。

　　电子技术的发展趋势是使仪器微型化。一般来说，有三种办法缩小元件的体积——固体电路技术、微型组件技术和微型电路技术。固体电路是把晶体管的半导体晶体、电阻器和电容器结合在一个基片上；微型组件和微型电路和技术都是把各种组件，用机械的方法固定在薄膜上，并使之全部互连。后来发明的印刷电路，克服了组装时的困难，从而推动了批量生产。

　　印刷电路是先用抗酸墨水，在一块铜片上画出整个电路，然后用酸液浸洗铜片。未受抗酸墨水保护的部分被腐蚀后，线路就突现出来了。这样的电路没有焊接点变松和导线断开的缺陷，因而得到了广泛使用。

　　1971年，美国英特尔公司的青年电子工程师霍夫等人，研制成功了世界上第一块单片式微处理机，此后，微电子技术的发展日新月异，应用范围也越来越广。于是，各国学者围绕它对社会的影响，展开了热烈的讨论。1982年，罗马俱乐部发表了由德国冶金工会研究人员金特·弗里德里希斯和波兰哲学家亚当·沙夫合编的一份报告，题目是《微电子学与社会》，这份报告透彻地分析了微电子技术对社会的影响——

　　“自蒸汽机出现以来，还没有一项发现或发明会对一切经济部门产生广泛影响。甚至电子技术的应用也仅仅对由蒸汽动力开始的机械化过程提供了进一步的强有力的推动。其他所有伟大的革新在创造新产品和新工艺的重要性方面，几乎都是局部的和纵向的。但是，微电子学不仅一定会改造农业、工业和服务部门的许多传统活动，而且，由于它把脑力和记忆力以及体力结合进新的机器及系统，新会改变发展的性质和方向。第一次工业革命大大增强了生产活动中人力和畜力的弱小的体力；第二次工业革命会把人的智力扩大到我们现在简直不能想象的程度。”

　　确实，微电子学通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，正从根本上改变我们的生活，并冲击着生活的许多方面：劳动、家庭、政治、科学、战争与和平。难怪有人预言，未来的社会是“用导线连接起来的社会”。

　　集成电路

　　微电子技术的发展是以集成电路技术的不断完善作为先导的。集成电路既是电子计算机、通信设备和电子消费品等现代电子装置的基本部件，也是武器自动化系统的关键部分，然而，它在技术上的突破又有赖于材料和工艺上的一系列革新。

　　1833年，英国科学家法拉第在实验过程中发现：电通过铜、银一类物质时，温度越高，电阻越大；相反，如硫化铁这样一种导电性不好的材料，温度越高，导电能力却越强。纯铜、纯银和其他许多金属都是电的良导体，而硫化铁的导电能力却很低，这究竟是怎么回事呢？

　　大约一个世纪以后，人类才有能力来回答这一问题：原来，许多材料都具有半导体的性能，“半导体”一词开始进入了科学领域。科学家花在半导体材料上工夫最多的要数硅了，尤其是最近几十年内，大部分技术都集中在制造掺有少量其他元素的高纯度硅上面。

　　硅的原料是石英，也是沙子。尽管从表面上看，制造一块硅片所需的劳动微乎其微，所需的资金也微乎其微，但是，在它上面投入的信息、知识量却大得惊人，可以说，一块硅片便是一部积累了人类几千年知识的史书。正是这种知识的积累，才使一块重量不到一克的硅片成为强大的电子计算机的

　　“大脑”，具有创造无数价值的潜力。

　　半导体收音机是最先大规模使用硅材料晶体管的产品之一。它的制造方法也和过去制造电子管收音机一样，先取一块金属底座，在底座上安装各种电子元件——电阻、电容器、变压器、晶体管等，然后用电线把它们全部接通，这个过程非常缓慢，犹如用纸和笔计算一长串数字一样，有没有更好的办法呢？有！这就是印刷线路板。

　　大约在1960年，这种办法开始发展成为将导体材料“放”在硅圆片上，这个硅圆片就是“芯片”。芯片的制作过程是从形成大块高纯度的晶体硅开始的，然后将圆柱体的纯硅像锯圆木那样锯成刀片一样薄、手掌那样大的圆片；接着，对圆片进行一系列加工，使之表面和内部具有必要的电子特性，再将各种不同的图案光刻到各个圆片上。实际上，每个硅圆片上的几百个图案全都是一样的，即都是一个个很小的方形单元，每个单元边长只有一两毫米，但是，它们却都包含着几万个微小的电子“通一断”开关，这就是所谓的“微处理机”。最新技术是使用原子束、电子束和X光束，把上百万个电子元件“安装”到一块芯片上去。

　　这也就是集成电路的“集成”方法。

　　1959年，美国科学家申请了第一个集成电路的专利权，从而带动了“电脑芯片”的发展。集成电路的种类很多，按结构和工艺划分，大致可分为半导体集成电路、薄膜电路、厚膜电路和混合集成电路4种；从外壳材料上分，有金属、塑料、陶瓷3种；还有一种线性集成电路，它是按集成块里的电路划分的，分为直流运算放大、音频放大、中频放大、宽带放大等多种，应用领域十分广泛，计算机、通信设备、电源、控制装置中都少不了它。

　　集成电路从它诞生之日起，就以硅晶体为主要材料，科学家们预测，到20世纪末，硅的这种基础地位仍不会发生根本性的改变。但是，随着对速度和集成度要求的提高，硅材料的局限性也逐步暴露出来，于是，人们又开始广泛探索以新半导体材料取代硅晶体的可行途径。1978年，美国贝尔电话研究所发现，砷化镓化合物半导体晶体的电子迁移速度比硅半导体快五六倍，这一发现引起了许多国家半导体技术界的极大反响。美国、日本和西欧等相继展开了对砷化镓等化合物半导体及其电路技术的研究。如今，只有一些中小规模的砷化镓集成电路达到实用化水平，一些国家已开始在卫星通信、移动通信和光通信或计算机上使用，而大规模和超大规模砷化镓集成电路尚处于研制阶段。

　　至今为止，所有实用硅集成电路都是二维平面的结构，在这方面，线宽已进入亚微米，预计到20世纪末可达到0.1～0.2微米数量级。目前，科学家已研制成功6000兆位贮存器芯片，以及32位微处理器，这种微处理器上有60万个晶体管，每秒钟能执行6600万个指令。但是，这些技术发展的潜力不会是无限的，如果再进一步紧缩元件之间的距离，只在平面上提高集成密度，将会出现热电子产生源、漏穿孔、发热等一系列技术障碍。为了探索新的出路，专家们提出了多层立体化结构的设想，也就是所谓的“三维集成电路”。

　　今天，科学家正在研制的三维集成电路大体分为两类：一类是多层高密度集成电路，另一类是多层多功能集成电路。

　　1991年10月，日本的《日刊工业新闻》报道，日本三洋电机公司超大规模集成电路研究所已制成五层构造的三维线路器件，这种器件的目的是将平面型半导体积层，以提高芯片的器件密度。三洋电机公司的方法是加热到摄氏600度，使单晶的种晶在绝缘膜上以横向蔓延成长，最终在衬底全面形成单晶。同样的工序重复5次，即可制成五层构造的三维线路器件。

　　同传统的利用电信号传递信息的集成电路相比，光集成电路具有更高的信息处理能力，因而成为全世界科学家的另一个研究方向，在这方面，日本德岛大学的一个科研组已研制成功光集成电路，在世界上名列前茅。这个科研组首次将砷化镓稳定地覆盖在硅片表面，成功地解决了因热膨胀系数不同致命名使发光元件变形受损的难题。他们在厚5微米、0.5毫米见方的发光元件与硅片之间分区留出0.5微米的间隙，这就减小了砷化镓与硅的接触面，有效地阻止了砷化镓的变形，并可使发光元件连续2000小时发出红外光。这一成果为光子计算机的问世，奠定了物质基础。

　　纳米技术

　　20世纪是科学奇迹迭出的时代，一个世纪前的人，纵然再富于幻想，也想象不出今日以微电子技术为核心的信息社会会呈现如此之奇观。当我们放眼展望21世纪，又有什么新的奇迹会再次像微电子技术一样改变整个世界呢？科学家们认为，未来的科学奇迹已初露端倪，其中之一就是“纳米技术”，又称“毫微技术”。这是一门诞生于1990年的新学科。

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　　众所周知，1微米等1／106米；1毫微米，即1纳米，等于1／10米。纳米技术是以分子和原子为加工对象，制造出微型机器。

　　1959年，一位后来获得诺贝尔物理奖的美国物理学家理查德·费曼突发奇想：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎么样的奇迹呢？”他的这一想象不是没有科学根据的，到了20世纪80年代末，随着扫描隧道显微镜的出现，它终于由梦想变成了现实。

　　扫描隧道显微镜不同于一般的显微镜，它的“眼睛”是一根极细的针尖，而且离物体只有零点几个毫微米，正因如此，它的分辨率高得惊人，能直接看到物质表面的原子结构，比电子显微镜还要高十倍以上，从而实现了人类直接看到原子、分子真面目的长久愿望。扫描隧道显微镜不仅能看清原子，还能通过它与物体表面的相互作用，以“眼力”移动原子，于是，早在1959年理查德·费曼提出的浪漫想象，一下变成了现实。

　　1989年下半年，美国IBM公司的科学家用扫描隧道显微镜在镍晶体表面移动原子，写成由35个原子排列成的“IBM”三个字母，这张放大了的照片登在 《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。

　　然而，IBM公司的这一技术，需要在摄氏零下263度的液氦温度下进行，具有较大的局限性。1991年，日本日立制作所“中心研究实验室”的科学家，在室温下写出了一行原子文字；“PEACE’91”，意思为“和平’91”，其每个字母的尺寸均小于1.5纳米。

　　之后，这种高技术的“微雕术”在不断地创造出新的奇迹：德国科学家在2～3个原子尺度上，进行常温常压下的刻蚀，已获得成功；美国斯坦福的研究人员在百万分之一的头发丝上，描绘出“葛底斯堡”地址的字样；接着，又在100纳米的尺度内，绘制成一幅斯坦福大学的校徽；他们还在纳米尺度上，刻蚀出林肯宣言，每个字母的线条粗细只有1纳米。

　　这一纳米级的细线加工技术，对微电子技术将带来革命性的影响。目前微电子技术中最细的刻线为几分之一微米，一旦纳米级的加工技术实现，电路的刻线可小到千分之一微米，则大规模集成电路的集成度，在似乎已达极限的情况下，还可提高一大步。此外，用纳米技术排布原子的能力，还可以构成高密度的数据储存器件，其储存密度要比目前的磁盘高出1亿倍！人们还可以利用纳米技术直接用原子和分子制造出新的信息处理材料，制成目前科学家所期望的光芯片和生物芯片，为真正的智能计算机的问世提供必要条件。由此可见，信息技术是纳米技术的最先受益者。

　　IBM公司的一位首席科学家这样预言：“正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米技术将成为下一个信息时代的核心。”