中國古代鑽探技術

[拼音]：jinshu wulixue

[外文]：physics of metals

研究金屬和合金的結構與效能關係的科學，即從電子、原子和各種晶體缺陷的運動和相互作用來闡明金屬和合金的各種巨集觀規律與轉變過程。它既相當於金屬學在微觀領域內的進一步深入，也是以金屬和合金為物件的固體物理學的一個分支。

歷史

人類在生產實踐中應用金屬與合金材料已經有幾千年的歷史。但以金屬與合金為物件進行認真的科學研究起步於19世紀：初步研究了其力學、電學和磁學等性質，並以金相顯微鏡觀察了金屬的顯微組織，取得了對合金的凝固、固態相變及再結晶等現象的初步認識，從而建立了和生產實驗密切相關的金屬學這門學科。20世紀的初葉，X射線衍射方法的應用為金屬研究開闢了新天地，使我們的認識深入到原子的水平；50年代以後，電子顯微鏡的使用將顯微組織和晶體結構之間的空白區域填補起來了，成為研究晶體缺陷和探明金屬實際結構的主要手段；而多種能譜技術包括電磁波譜和機械振動譜（內耗與超聲衰減），對於澄清電子結構、缺陷性質和探測化學成分起重要作用；中子的非彈性散射又提供有關點陣振動的資訊。這些實驗方法為金屬物理的發展作出重要貢獻。另一方面理論物理（特別是量子力學和統計物理）的進展提供了處理金屬中電子結構與原子過程的理論方法，對於形成和發展金屬物理這一學科也起了關鍵作用。

金屬電子論

金屬的電子結構與電子效能的理論，是金屬物理基礎理論的重要的一環。金屬具有良好的導電效能是區別於其他材料的主要標誌。20年代中A.索末菲提出了自由電子的量子理論，後來F.布洛赫等用量子力學方法處理了週期勢場中的電子，奠定了單電子能帶理論的基礎(見固體的能帶)。N.F.莫脫與H.瓊斯的《金屬與合金性質的理論》(1936)就是金屬電子論的早期的總結，主要討論簡單金屬的單電子理論，並用以解釋金屬的許多效能。隨後金屬電子論在多方面迅速發展：費密面的探測技術使金屬的電子結構能夠實驗測定；提出了多種計算能帶結構的方法，並能夠較現實地計算金屬的能帶結構；發展了過渡金屬與稀土金屬的電子結構的理論，這對於理解結合能和磁性都是至為重要的；在多電子理論的基礎上建立了超導微觀理論，解決了長期懸而未決的疑難問題；第二類超導體的特性的闡明和約瑟夫森效應的發現，為超導體的技術應用開拓了新的領域。

晶體缺陷理論

晶體缺陷的基本規律及結構敏感效能的理論解釋，是金屬物理基礎理論的另一支柱。金屬的許多重要技術性能是結構敏感的，即受到晶體缺陷的制約。實用金屬材料的範性與強度就是一個例子。從20年代起，人們對於金屬單晶的範性形變開展了系統的研究，到30年代中，G.I.泰勒與J.M.伯格斯等奠定了晶體位錯理論的基礎。50年代中位錯得到有力的實驗觀測證實，隨即開展了大量的研究工作，澄清了金屬範性形變的微觀機制和強化效應的物理本質。點缺陷的基礎研究澄清了擴散與輻照損傷的機制。晶粒間界（即晶界）結構對金屬的效能特別是力學效能，有甚大的影響。小角度的晶界可以歸結為位錯的行列與網路，已經基本搞清楚。目前重點在於澄清大角度晶界的結構。金屬某些電磁效能也具有結構敏感性。缺陷的釘扎效應（見位錯）對於硬超導體（見第二類超導體）的臨界電流和硬鐵磁體（見鐵磁性）的磁化曲線都有顯著的影響。

合金理論

也是金屬物理的重要領域之一，是開發新合金材料所需要的理論基礎。在20世紀初在J.W.吉布斯的復相平衡理論的基礎上建立了合金的熱力學。隨後對於合金相圖、合金結構及其經驗規律等方面進行了廣泛的研究，積累了大量的資料。從30年代以後，合金電子理論和統計理論都有所發展，對於許多問題可以提出定性或半定量的理論解釋。

相變

金屬物理的另一個重要領域就是金屬與合金的相變（見固體中的相變），它和金屬熱處理及鑄造工藝有密切關係。20年代建立了相變的成核生長的形式理論。到20世紀中葉馬氏體相變與固溶體的脫溶分解被人們關注，澄清了晶體學關係，求出了動力學規律，探討了晶體缺陷在這些相變中的作用。在這方面的工作全面總結在J.W.克里斯琴的專著《金屬與合金的相變理論》(1965)之中。近年來值得注意的發展動向為：脫溶的拐點分解規律的闡明，這是不經成核的相變過程；將軟模理論應用於馬氏體相變，有可能揭示其原子過程；將形態穩定性理論應用於合金的凝固和相變，有可能闡明實際合金中所出現的複雜的顯微組織（見晶體生長理論）。

另外還有兩個新興的研究領域，值得注意：一是關於液態和非晶態金屬的研究，它是無序體系物理學的一個組成部分，促進了金屬玻璃材料的開發工作（見非晶態材料）；另一是金屬表面的研究，它是表面物理的一個組成部分，也和吸附、氧化、催化、腐蝕及磨損等實際問題密切相關。

參考書目

馮端、王業寧、丘第榮編著:《金屬物理》，上冊、下冊，科學出版社，北京，1964、1975。

J.M.Ziman and P.B.Hirsch，ed.，The Physics of Metals，Vol.1，2，Cambridge Univ.Press，Cambridge， 1971，1975.

R.W.Cahn， ed.， Physical Metallurgy， 2nd ed.，North-Holland，Amsterdam，1970.