石榴石.激光.LED

小寶：牛老師，上次您說到石榴石。我從網(wǎng)上查了一下，石榴石是一類礦物，里面沒有稀土啊!跟我們討論的稀土有什么關(guān)系呢?

牛老師：石榴石是一類硅酸鹽礦物。石榴石這個(gè)礦物的拉丁名的來源傳說很多，你可以從網(wǎng)絡(luò)里查到，我先說說這類礦物的中文名稱，叫石榴石，真是太妥帖了!因?yàn)橛行┦袷浅始t色的，紅得太像石榴籽的顏色了。你若打開一只石榴，就會(huì)看到一粒粒晶瑩剔透的紅紅的石榴籽兒，那些礦物的單晶看起來跟石榴籽兒一模一樣。當(dāng)然，不能吃，很硬很硬的!它這樣美麗，早在青銅器時(shí)代已經(jīng)被古人當(dāng)做寶石了。現(xiàn)代科學(xué)證明。最常見的紅石榴石的化學(xué)式基本上可以寫成Mg₃kl₂(SiO₄)₃。我說基本上是因?yàn)槿绻@種礦物只含鎂、鋁、硅和氧四種原子，是無色的。許多礦物按它們的化學(xué)式，例如紅寶石是Al₂O₃，也是無色的。它們的紅色是由于摻雜了微量的鉻(cr)。其含量按原子計(jì)0.01％～1％，替代并占據(jù)晶胞中的鋁原子的位置。

小寶：好怪啊!為什么微量的鋁原子被鉻原子取代后，晶體就會(huì)呈現(xiàn)紅色呢?

牛老師：科學(xué)發(fā)展的誘因之一就是人類對(duì)自然界各種奇異現(xiàn)象的好奇心。早在18世紀(jì)末，鉻的發(fā)現(xiàn)者沃克蘭就已經(jīng)證實(shí)紅寶石的紅色是微量鉻引起的了，然而直到160多年后，出現(xiàn)了晶體場(chǎng)理論，人們才搞清楚為什么微量的鉻在某些晶體里會(huì)顯紅色。這個(gè)理論對(duì)你來說太深了，等你長(zhǎng)大了才能學(xué)懂。在這里我只想說，科學(xué)的發(fā)展有時(shí)要經(jīng)過許多人長(zhǎng)年努力，才會(huì)有突破。科學(xué)上的突破要長(zhǎng)期的積累，深入的探討，大膽的推想，不斷的創(chuàng)新。言歸正傳，接著說說石榴石。現(xiàn)在人們知道，石榴石是一大類組成極其多樣的礦物，今天著重給你說含稀土的石榴石。含稀土的石榴石主要是人造的石榴石。YAG是最重要的一類人造石榴石。它的主要成分是Y₃Al₂(AlO₄)₃也。縮寫字YAG是三個(gè)英文單詞的詞頭縮寫，Y為釔，A為鋁，G為石榴石。

小寶：原來含稀土的石榴石是人造的啊!牛老師：是的。如今我們周圍的世界里，人造的化學(xué)物質(zhì)太多了。化學(xué)不但使人類認(rèn)識(shí)了周圍的世界，更為人類創(chuàng)造了一個(gè)自然界不存在的人造世界。我們?nèi)缃癫皇巧钤谝粋€(gè)純天然的世界里，已經(jīng)生活在一個(gè)化學(xué)創(chuàng)造的自然和人造混合的世界里了!只不過許多人并沒意識(shí)到人造世界的存在，有的人則過度宣揚(yáng)天然，毫無分析地厭惡人造的物品而已。

小寶：請(qǐng)您就以人造石榴石為例說說人造世界給我們的生活帶來什么吧。

牛老師：這正是今天我們討論的主題!以YAG為代表的稀土石榴石是能夠產(chǎn)生激光的固體物質(zhì)。最重要的用途之一是制造發(fā)光二極管(LED)。

小寶：激光是什么?激光這個(gè)詞兒我聽到的次數(shù)太多了，但始終沒有鬧明白什么是激光。

牛老師：漢語的特點(diǎn)之一是可以按字面猜測(cè)詞義，按字面，激光是受激發(fā)光的簡(jiǎn)稱。這個(gè)詞兒是錢學(xué)森起的。激光的英文名是laser，至今還有音譯“鐳射”的，“激光”這個(gè)詞兒更準(zhǔn)確些，“鐳射”里有個(gè)“鐳”字，容易引起誤會(huì)。

小寶：“鐳射”我聽說過許多次了，以為是鐳發(fā)射的射線呢，因?yàn)殍D是放射性元素，我讀過居里夫人的故事，她從大量瀝青里提煉出鐳，在夜間照亮了整個(gè)實(shí)驗(yàn)室!我被這個(gè)詞兒誤導(dǎo)了，原來“鐳射”就是激光啊!

牛老師：早在20世紀(jì)30年代愛因斯坦就描述了原子受激發(fā)光。1958年，兩個(gè)美國(guó)人發(fā)現(xiàn)將氖燈發(fā)出的光照射到含稀土的晶體上時(shí)，晶體會(huì)發(fā)出亮度極大的聚集在一起的強(qiáng)光，由此提出了激光原理。兩年后的1960年。一個(gè)叫梅曼的美國(guó)人制造出第一臺(tái)激光器。不幾年，各式各樣的激光器紛紛登場(chǎng)，激光很快進(jìn)入人類生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信、娛樂的各個(gè)角落。激光是從概念到應(yīng)用過程最短的現(xiàn)代科技。最令人矚目的是奧運(yùn)會(huì)等大型活動(dòng)場(chǎng)所見到的激光光束。我這里就有一張圖片。小寶：這種光束太常見了，就是激光嗎?

牛老師：是的。

小寶：電子游戲和科幻電影里有許多激光武器。那都是幻想吧?

牛老師：電子游戲和科幻電影里的許多激光武器是科學(xué)幻想，但現(xiàn)在已經(jīng)真的有了激光武器了，例如能發(fā)射激光的激光炮，可以射中目標(biāo)把目標(biāo)燒毀。激光更大的用處是在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用，但你不容易看到。我舉些例子：你上網(wǎng)嗎?網(wǎng)絡(luò)上的信息是通過光導(dǎo)纖維傳送的。在光導(dǎo)纖維上傳送的光是激光器發(fā)射的。你有光盤嗎?光盤上的照片、歌曲、電影等是用激光刻制的。一般人看不見這些激光，可能根本沒有想到：沒有激光就沒有網(wǎng)絡(luò)世界。醫(yī)院里也廣泛使用激光給病人動(dòng)手術(shù)，用“激光刀”發(fā)射一束激光對(duì)準(zhǔn)要燒毀的病灶將其清除掉。例如，用激光可以清除掉皮膚癌，還可清除皮膚上的疣，也可清除色斑沉積等做面部美容。激光還可在眼球上打孔。減低眼壓。治療青光眼。激光還用于修理眼球治療近視眼。最近還報(bào)道了專門用來殺死蚊子的“微型激光炮”，能夠在1秒鐘內(nèi)射殺50-100只蚊子。激光在工業(yè)上的用途更多。例如用激光對(duì)鋼材進(jìn)行焊接、切割、打洞。

小寶：那么，石榴石用于制造發(fā)光二極管又是怎么一回事?

牛老師：發(fā)光二極管的原理相當(dāng)復(fù)雜，而且有不同的發(fā)光機(jī)理。其中跟我們今天討論有關(guān)的是用人造的含稀土的石榴石為熒光劑的，它的基質(zhì)是半導(dǎo)體材料，通過電流會(huì)發(fā)出藍(lán)光，藍(lán)光通過涂在表面的熒光粉，熒光粉吸收部分藍(lán)光發(fā)出黃光，黃光跟未被吸收的藍(lán)光混合變成白光。這種白光LED是當(dāng)前市場(chǎng)上最多見的，已經(jīng)發(fā)動(dòng)了一場(chǎng)徹底替代白熾燈的革命!由此你可見稀土與激光和發(fā)光二極管的關(guān)系了吧!

做一做：你能把我下面提供的圖片配進(jìn)我們的談話內(nèi)容嗎?試一試，我相信你能做到。把圖片插入到恰當(dāng)?shù)木渥幼詈螅永ㄌ?hào)，例如。