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第19章 工业动力及材料科技(2)

六、核能

核能也叫原子能,是核结构发生变化时放出的能量。质子、中子依靠强大的核力紧密结合在一起,一旦使原子核分裂或聚合,就能释放出巨大的能量,这就是核能。核能是能源家族的新成员,它包括核裂变能和核聚变能两种主要形式。

裂变,是核物理中把重核分裂成质量较小的核,释放出核能的反应。裂变能是重金属元素的原子核通过裂变而释放的巨大能量,目前已经实现商业化。因为裂变反应需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。

聚变,是另一种核能形式,是目前尚未实现商业化的核能。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年,氘在地球的海水中蕴藏量非常丰富。因此,聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是为什么世界各国,尤其是发达国家不遗余力,竞相研究、开发聚变能的原因所在。

当人类开始学会利用火的时侯起,就已经能主动利用能源。自那时起,能源的使用已经变成人类进步不可或缺的基本要素和人类文明程度的一种标志。

1939年,德国科学家奥托·哈恩发现了元素铀的同位素235U原子核在中子的轰击下可以发生核裂变并同时放出能量,很多重核同位素,如233U、239Pu等,都能产生核裂变反应。而核裂变反应放出的能量比化学反应大的多,这预示了核能利用的前景。

除了235U等裂变可以释放出核能外,氢的同位素,如氚(3H)的原子核在一定条件下也可以聚合成氦(He)原子核,同时释放出能量,这也是核能的一种形式。我们通常将核裂变反应放出的核能称为“裂变能”,而核聚变反应放出的核能称为“聚变能”。

核能首先被应用到了军事领域,如原子弹和核潜艇等。不幸的是,1945年美国投放到日本广岛和长崎市的原子弹造成了巨大的人员伤亡和物质毁坏,这是导致许多人畏核与反核的重要原因之一。

核污染是指由于各种原因产生的核泄漏甚至爆炸而引起的放射性污染。其危害范围大,x,tN围生物破坏极为严重,且持续时期长,事后处理危险复杂。

1986年4月26日,苏联切尔诺贝利核电站发生核泄漏事故,爆炸时泄漏的核燃料浓度高达60%,且直至事故发生10昼夜后反应堆才被封存,放射性元素一直超量释放。事故发生3天后,附近的居民才被匆匆撤走,但这3天的时间已使很多人饱受了放射性物质的污染。

由于这次事故,核电站周围30千米范围内被划为隔离区,附近的居民被疏散,庄稼被全部掩埋,周围7千米内的树木都逐渐死亡。在日后长达半个世纪的时间里,10千米范围以内将不能耕作、放牧;10年内100千米范围内被禁止生产牛奶。

切尔诺贝利核电站最终被关闭,不仅如此,由于放射性烟尘的扩散,整个欧洲也都被笼罩在核污染的阴影中。临近国家检测到超常的放射性尘埃,致使粮食、蔬菜、奶制品的生产都遭受了巨大的损失。核污染给人们带来的精神上、心理上的不安和恐瞑更是无法统计。

七、晶莹剔透的玻璃

玻璃是由熔体过冷所得,并因黏度逐渐增大而具有固体机械性质的无定型物体。

玻璃制造在很早以前就已存在,譬如在埃及的古墓中发现4000年前玻璃制的护身符及装饰品,以及2000年前的日用玻璃器皿,但其形状及体积都受到限制,而且不普遍。

约在1世纪时,东方制造的精细花瓶及玻璃器皿盛行于罗马帝国。窗玻璃也是在这段时间问世。但是并不是完全透明无色的,因在制造时渗入了杂质而变成淡蓝或淡绿色。

当罗马帝国崩溃后,欧洲的玻璃制造技术也随着退步。威尼斯的玻璃制造是始于10世纪,而到13世纪时其制品就大放异彩,他们精湛的技术相传是由于和东方文化接触或是修道院遗留下来的古老技术。这种技术由威尼斯的工人将其发扬光大,并严密保存,防止技术流传到其他国家。

在1547年更颁布法令,凡技术工匠到国外工作而不回来者,其近亲将会下狱,同时本人也会遭到杀害。虽然如此,玻璃制造技术仍是逐渐流传到意大利、法国及中欧等地方。同时这些国家也发展出自己的传统技巧,有杂质的绿色玻璃最被广泛使用。

从15世纪开始,威尼斯的玻璃制品畅销整个欧洲,如花瓶、杯子、酒杯等。有些有灿烂的颜色,有些是晶莹剔透。同时也生产了一些欧洲宫廷使用的昂贵镜子。这项工业为威尼斯带来巨大的财富。

在14世纪以后,德国已能制造出许多漂亮的玻璃器皿,但若比起威尼斯制品仍然稍显粗糙和笨拙。

到了18世纪,欧洲各地都能制造不少漂亮的玻璃尤其是雕花。

八、随处可见的橡胶

在日常生活中,我们到处可以看到用橡胶制成的物品:轮胎、机器的传动带、雨衣、雨鞋、橡皮艇、密封垫圈、电线绝缘外套等,真是数不胜数。

橡胶是一种高分子化合物,弹性好、有绝缘性、不透水、不透气,分为天然橡胶和合成橡胶两大类。橡胶工业发展到现在,制作技艺已突飞猛进,其制品广泛应用在工业和日常生活的许多方面。

许多年以前,秘鲁人偶然发现在一棵橡树树皮上割一道口子,里面就会流出一种奶状液体,用这种液体可以制成一种黏性物质——橡胶。从1830年起,美国人古德伊尔就开始把各种化学试剂放进橡胶浆中试图改进橡胶性能,使其成为工业用品。直到1838年,古德伊尔通过观察硫磺放到橡胶中的实验,找出了制造橡胶的最佳配方,最终成功发明了橡胶硫化法,直到今天这种方法仍在使用。

据不完全统计,如今橡胶制品已多达5万余种。橡胶不但用途广,而且用量大。现在,科学家们仍在不断研制新型的橡胶制品。

20世纪特别是第二次世界大战以来,天然橡胶已满足不了国民经济、军事和人们日益增长的需求,这就促进了合成橡胶的发展。石油化学工业的迅速崛起,为合成橡胶工业创造出丰富而又廉价的原料。目前,合成橡胶品种繁多、性能各异,已远非天然橡胶可比。除了各种专用的特种合成橡胶外,人们还生产出了从结构到性能与天然橡胶完全相同的“合成天然橡胶,(异戊橡胶)及易于加工的液体橡胶,这是合成橡胶工业进入一个全新时期的标志。

九、铝的发现

铝是一种银白色有光泽的金属,在自然界中主要以铝土矿的形式存在。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,名列第三。在已知的金属元素中占第一位,是铁的两倍,铜的近千倍。100多年以前,铝如金子一般高贵,加之它又具有银白色的金属光泽,因而被人们称为“泥土中的银子”。

1825年,丹麦化学家、矿物学家厄斯泰德用钾汞齐还原无水卤化铝,第一个制取出不纯的金属铝。1827年,德国化学家维勒用金属钾还原无水氯化铝,制取出较纯的铝。由于维勒制取铝的方法不适合应用于大量生产中,所以在这以后的很长时间里,铝成了珠宝店里的商品和帝王贵族们的最爱。直到1886年,英国的大学生豪尔和法国大学生埃罗分别用电解法制铝获得成功后,大量的铝开始生产出来,铝才成为广大民众使用的普通商品。

铝是日常使用的最轻的金属之一,通常将其压成薄箔,用来包巧克力或制成装软饮料的金属罐。此外,铝也用来制造汽车、火车和轮船的零件以及门窗等。铝是很好的导电体,可用来制造电缆。纯铝并不怎么坚固,但与其他金属混合后,便会坚硬很多。这些铝合金可用来制造各种机器,如比赛用的自行车或飞机等。铝不会生锈,再造过程也很简单,只要把它熔化就可以再用。

铝是人体必需的微量元素之一,还可以入药治病。如用Al(OH),治疗胃病及十二指肠溃疡已有多年历史。人体内的微量铝可阻挡肠道对磷的吸收,降低血磷含量,防止患上继发性副甲状腺机能亢进引起的血磷增高、软组织钙化及肾结石形成等病症。但是,过量摄入铝就会对身体产生危害。由于铝制品及铝化合物的广泛应用,现代人身体内的铝含量比古代人增加了两倍。过量的铝会影响脑细胞的功能,从而干扰和破坏人的意识和记忆功能,造成老年痴呆症,还会引起胆汁郁积性肝病,导致骨骼软化,还能引起小细胞低色素性贫血等病症。因此,对铝的摄人量要严格控制。

十、摔不碎的皮璃

一般情况下,每个科不发明诞生的背后,都会有一个故事。这些故事也许很有趣,也可能非常不可思议,但是它们都会有一个共同点,那就是如果没有发明家的毅力、细心、勤奋,那么任何发明都不可能诞生。安全玻璃的发明者——法国化学家别涅克士正是这样一个有心人。

1903年11月21日,别涅迪克士在实验室里打扫卫生。当他用掸子去掸仪器卜的灰尘时,一不小心把柜顶上的几只瓶子碰了下来。别涅迪克士惊讶地发现,其中有一只瓶子竟然没有摔碎,只是上面布满了相互交错的裂纹。他觉得非常奇怪,拿着那只烧瓶陷入了沉思,他忽然想起来:这只烧瓶曾经装过硝酸纤维素溶液,现在溶液已经没有了,只留下了一层薄膜,它们就好像皮一样紧紧地贴在瓶的内壁上。

看到这里,别涅迪克士问自己:能不能研制出一种不会摔碎的玻璃呢?经过实验,别涅迪克士发现,瓶子裂而不碎的原因就在于那层柔韧、透明的薄膜。他反复进行实验,在两块玻璃之间夹上一层同样的薄膜,让它们粘合在一起,再做玻璃从高处落下的实验。果然,玻璃没有摔成四处飞溅的碎片,只是出现了许多裂痕。

1922年秋天,第一代安全玻璃诞生了。它被广泛用于汽车玻璃、商店橱窗上。后来,美国康宁玻璃公司实验室又发明了更坚硬的玻璃。用铁锤也不能敲碎这种玻璃,即使敲碎了,也不会有锋利的尖角。随着科学技术的发展,安全玻璃的性能得到了进一步提高,成为可以抵抗子弹射击的“防弹玻璃”。

现在的玻璃已不仅仅只是考虑安全问题了,人们将它们制作得更透明、更坚硬。还可以根据需要让他们富有弹性,甚至能做成人造牙齿、人造骨骼等。

十一、可塑的材料——塑料

塑料,照字面讲,是可以塑造的材料,也就是具有可塑性的材料,现今的塑料是用树脂在一定温度和压力下浇铸、挤压、吹塑或注射到模型中冷却成型的一类材料的专称。

现代塑料工业形成于1930年,近40年来获得了飞速发展。1846年用纤维素(棉花)和硝酸制得硝酸纤维素。后来人们又将潮湿的硝酸纤维素和樟脑混合,制成虫胶的代用品,于1872年建厂生产。

虽然从发现至今已有约100年,但目前仍在广泛使用,常用名称为赛璐珞,如乒乓球、玩具、梳子、钮扣等。

从1907年建立了第一个酚醛树脂厂起,塑料便开始进入合成高分子时期。1931年开始了第一个热塑性树脂聚氯乙烯树脂的工业生产,此后合成高分子工业发展迅速,聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯等陆续工业化生产。

20世纪30年代,尼龙问世,它的出现为此后各种塑料的发明和生产奠定了基础。由于第二次世界大战中石油化学工业的发展,塑料的原料以石油取代了煤炭,塑料制造业也得到飞速的发展。

19世纪60年代,美国由于象牙供应不足,制造台球的原料缺乏。1869年最早的人工制造的塑料赛璐珞取得专利。赛璐珞虽是最早的人工制造塑料,但它是人造塑料,而不是合成塑料。第一种合成塑料是在20世纪初由美国化学家贝克兰将酚醛树脂加热模压而制得的。贝克兰将酚醛树脂添加木屑加热、加压模塑成各种制品,命名为“酚醛树脂”。第一次世界大战后,无线电、收音机等电气工业迅猛发展,更增加了对酚醛树脂的需求。

塑料是一种很轻的物质,用很低的温度加热就能使它变软,随心所欲地做成各种形状的东西。塑料制品色彩鲜艳,重量轻,不怕摔,经济耐用,它的问世不仅给人们的生活带来了诸多方便,也极大地推动了工业的发展。

祸害:新快报讯英国《卫报》2006年10月18日评出“人类最糟糕的发明”,塑料袋不幸“荣获”这一称号。

《卫报》称,我们的地球似乎已经变成了“塑料星球”,土地、河流、高山、海洋……塑料袋无处不在。直到有一天,我们都已离去,这些家伙仍然占据着地球,因为它们是“永生”的。

南非的“白色污染”更为严重,大风吹过,树木上挂满了塑料袋,不知道的人还以为是下雪了。

塑料的发明可以说是一把锋利的双刃剑。塑料在给人们的生活带来方便的同时,也给环境带来了难以收拾的后患,人们把塑料给环境带来的灾难称为“白色污染”。

由于塑料是从石油或煤炭中提取的化学石油产品,一旦生产出来很难自然降解。塑料埋在地下400年也不会腐烂降解,大量的塑料废弃物填埋在地下,会破坏土壤的通透性,使土壤板结,影响植物的生长。如果家畜误食了混入饲料或残留在野外的塑料,也会造成因消化道梗阻而死亡。

目前,很多国家都采取焚烧(热能源再生)或再加工制造(制品再生)的办法处理废弃塑料。这两种办法使废弃塑料得到再生利用,达到了节约资源的目的。但由于废弃塑料在焚烧或再加工时会产生对人体有害的气体,污染环境,其中所产生的二恶英,里面含有16种有毒气体。所以可以说废弃塑料的处理至今仍是环保工作中最令人头疼的一大难题。

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