物理学与化学
物理学与化学
物理学与化学唇齿相依、息息相关。热力学、统计物理和量子力学都在化学中获得了重要应用。19世纪吉布斯（W．Gibbs）的工作横跨了这两个学科，得到学术界的尊重；在20世纪德拜(P．Debye）、昂萨格（L．Onsager）也复如此。但是，在物理学与化学之间也存在阻梗理解的壁障。经典物理学几乎将所有涉及具体材料的物性问题让给了化学，它本身只关心比较理想化的简单系统。随着量子力学的诞生及随后固体物理学的发展，情况发生了很大改变，但是思维的惯性仍然存在。物理学家看到包括许多苯环的复杂分子结构式往往望而生畏，感到手足无措；同时又不满足甚至轻视从大量实验结果总结出来的经验规律。
另外，概念与术语上的差异也是一个现实问题。例如谈到固体的电子结构，化学家习用由量子化学导来的化学键；而物理学家则习用以固体物理学引入的能带。两者实际上是互为补充、不可偏废的。随着固体物理学发展为凝聚态物理学，研究的对象日益深入到更加复杂的物质结构层次：就半导体而言，从硅、锗等元素半导体，到Ⅲ－Ⅴ与Ⅱ一Ⅳ族化合物半导体，乃至于聚乙炔这类有机半导体；就超导体而言，从合金超导体，到氧化物和有机超导体，也都反映了结构复杂化的趋势，愈来愈需要化学家的配合与协助。凝聚态物理学的概念和方法，也促进了液晶科学、高分子科学和分子膜科学的日趋成熟，导致了软物质科学的建立。这是化学家和物理学家共同努力的成果。另一方面，化学反应动力学这一化学的基本问题，得到分子束、激光束等新实验技术的推动；和量子力学、统计物理、原子物理、分子物理等理论分析的配合，成为当今化学发展的前沿领域，也是物理学家大有用武之地的一个领域。还有在原子、分子和大块凝聚态物质之间新开辟的研究领域，即团簇，得到物理学界和化学界的共同关注。
物理学与信息技术
物理学一直是一门十分开放的学科，它与现代技术有密切关系。一般而论，物理学与技术的关系存在两种基本模式：其一是由于生产实践的需要而创建了技术（例如蒸汽机等热机技术），然后提高到理论上来（建立了热力学），再反馈到技术中去，促进技术的进一步发展。其二是先在实验室中揭示基本规律，建立比较完整的理论，然后再在生产中发展全新的技术部门。19世纪电磁学的发展，提供了这一模式的范例，创建了现代的电机工程与无线电技术。
在今天，上述的两种模式都还在起作用。从物理学的角度来看，第二类模式的重要性越发明显。这也正是美国科学家布什(V．Bush)的观点。在他写的《科学──没有止境的前沿》一书中强调指出：“我们需要许多有活力的新企
洗衣机里的化学
郭世琮
由于有了铁粉和磁粉为原料制成的特殊洗涤剂，被石油污染了的鸟将会很快重返天空飞翔。这种方法是由澳大利亚墨尔本大学的约翰·奥尔贝尔发明的。这一方法不采用表面活性物质，因为它的去污作用对羽毛不透水的油层会造成损害。这位科学家发现，石油对铁粉的亲和力大于对羽毛的亲和力，当铁粉与石油亲和后，加入磁粉微粒就能将铁──石油的结合体吸走。这种磁性清洗法比传统的清洗要快得多，只要小心谨慎地擦上这种粉末，然后冲洗一下即可。
洗衣粉的去污功能来自一些具有表面活性的化学物质。它们能够提高水的浸透能力，同时利用分子间存在电斥力的机理，清除污垢微粒。由于表面活性分子构成的形式，洗衣粉才能发挥其双重功能。表面活性分子的一端是亲脂疏体，即它一方面吸引污脂分子，同时又排斥水；而在另一端则只有亲水体，也就是能够吸引水分子。把洗衣粉倒入洗衣机后，表面活性分子的亲脂体部分就极力向任何没有充满水的平面黏附，也就是向正洗涤的物体表面（因体表面或布料表面）黏附。与此同时，亲水体部分就排斥油脂物质可减弱保持水分子相互结合的那种分子间的引力（就是水形成水珠的那些吸引力，这些力使水珠就像包在弹性薄膜里），而单个分子就得以渗透到需要清洗的物体表面和污垢微粒之间。因此可以说表面活性物质减小了水的表面张力。洗衣机的机械功能或手的揉搓可以导致被表面的活性分子包围的污垢微粒脱落，而污垢微粒是随着亲脂部分黏附在表面活性分子上的。这引起仍然悬浮在物体上面的污垢微粒能够在冲涮阶段被清除掉。
去污物质还可依据分子间的静电排斥机理细分。污垢是带有电荷的，正因如此，表面活性物质是根据电荷的不同来分类的，即阴离子的表面活性物质和阳离子的表面活性物质。阴离子的表面活性物质有负电荷，对清除固体污垢微粒有效（尘埃、油垢等）。比如肥皂就是一种典型的负电荷的表面活性物质，它能同造成硬性水质的离子（镁子和钙离子）结合，形成不溶解的污垢泡沫层。阳离子的表面活性物质有正电荷，可用作消毒杀菌剂。事实上，细菌是带有负电荷的微生物，也就是说在它们的表面有过剩的电子。还存在有“非离子”的表面活性物质，即没有电荷的表面活性物质：在水质特硬时效力不很大，一般来讲，泡沫较少，为此它们用于清洗不需要多冲涮的物品。
大部分表面活性物质都是可被生物降解的，这就意味着污水中的细菌能够“撕碎”洗衣粉的分子，直至将其转化为无害物质，如二氧化碳、水和矿物质。为了改善表面活性物的去污效能获得更多的泡沫，在洗衣粉中加进NaPO3(偏磷化钠)便能瓦解污垢并从中吸收金属离子(如钠)，然后同金属离子从而形成可溶于水的物质。另外，它们将带正电荷的钙离子镁离子结合在一起形成复合分子，从而避免沉淀成石灰质水垢，这种特硬水质的典型水垢既能损伤布料，又能损坏洗衣机！
现在洗衣粉所含的磷酸盐不能超过2%，因为它们对海藻和水生植物有施肥的作用。如果它们过于茂盛，就会使水中氧气减少，从而损害水中的生态平衡。在洗衣粉中还添加了一些能使衣物更富光泽的物质。这是利用了磷光现象：它们的分子吸收太阳光中看不见的紫外线并将其转换为蓝色光。这样“处理过”的光就能使白色的床单或衬衣呈现一种近似天蓝色的光彩。在经过深入实验和进行心理分析基础上发现的这种颜色，是引导消费者具有清洁与卫生感觉的最好色彩。
洁净分子：
上图是洗衣粉洗涤机理的图解。一个完整的洗涤周期可分为5个阶段：
布料放入洗衣盆的水中，或者入溶有洗衣粉的水中。 表面活性分子攻击存留在布料纤维的油脂污垢。 分子的亲脂体部分吸引污垢，将其与布料分离。然后向布料表面留存薄薄的一层分子，以避免污垢再次沉积。
4-5、表面活性分子同时发起攻击将油垢微粒团团包围，使其悬浮在水中。
手洗还是机洗，这里有个泡沫问题：
由于洗衣粉的作用，油垢和污垢从被洗物中清除后悬浮在洗衣盆或洗衣机的水中，最后停留在泡沫中。泡沫是由无数的所泡聚在一起组成的，只有用极薄的液体层才能将它们分开。为了使这个薄层保持弹性，不立即收缩。从而导致泡沫的消失，就需要添加一种能减小液体层表面张力的物质。这就是为什么“纯净”物质和酒精或水不能形成一种稳定泡沫的原因，即使猛烈晃动它们难以形成泡沫。酒精和水的分子倾向于相互靠近而不是加大距离和诱捕空气。产生泡沫多或少的这种特性是适于手洗还是机洗的洗衣粉的基本区别之一。事实上在前一种情况下，洗涤所需的机械作用全靠手臂的力量，需要有一种多泡沫的洗衣粉，以使洗涤工作不过于沉重。相反，在使用洗衣机的情况下，由于洗衣机的转筒可以不停地运转，甚至可延续若干小时，这就不需要使用多泡沫的洗衣粉，而且如果使用多泡沫的洗衣粉，由于泡沫过多就有可能从容器中溢出来，这就有损伤机器装置的危险。
业。然而，新产品和新工艺过程并不是生来就完善的。它们依赖于新的原理与新的观念，而这些新原理与新观念本身又是来自基础研究的。基础科学研究是科学的资本。”应该强调指出，经典物理学已经孕育出一系列的工程技术：建立在经典力学基础上的机械工程、土木建筑工程和航空航天工程；建立在经典电磁学基础上的电机工程、无线电工程和电子工程；建立在热力学上的则有动力工程和工程热物理。信息技术在现代工业中的地位日趋重要。计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。如果说第一次工业革命是动力或能量的革命，那么第二次工业革命就是信息的革命。应该强调指出，整个信息技术离不开物理学。
信息技术的物理基础首先体现在电子学的建立。第一代信息技术所用的电子学器件是真空电子管。早在19世纪末，汤姆孙在阴极射线的研究中发现了电子，随后理查孙（0．W．Richard-son）通过热电子发射的基础研究，对于发展真空电子管技术起了关键作用。应该说真空电子管技术的重要性已经减弱，但有些地方仍未被取代，如雷达技术中磁控管与速调管，电视技术中显像管等。第二代信息技术所用电子学器件中则是半导体晶体管。
1947年，贝尔实验室的巴丁(J．Bardeen)，布拉顿（W．H．Brattain）与肖克利（W．Shockley）发明了晶体管，标志着信息时代的开始。实际上晶体二极管早就被应用了，早期收音机中的矿石检波器、氧化亚铜硒整流器，乃至第二次世界大战中雷达用的锗、硅检波器，都是其实例。但是，这些是单凭经验凑合起来的器件，原理不明，也缺乏可靠性。而贝尔实验室的发明则是在基于量子力学的固体能带理论指导下进行的，又有坚实的材料研究作为基础，所以一问世就不同凡响，随即发展了一系列半导体器件，建立了半导体工业。
对于基础研究投资的效益，安德森（P．W．Anderson）有“无限大乘零”的说法，即每一项基础研究取得实际效益的概率几乎为零，但一旦一炮打响，就可能取得“无限大”的效益。显然，贝尔实验室对于晶体管的研究，就是取得“无限大”效益的实例，目前半导体工业的年产值已经达到几千亿美元的量级。从离散的晶体管，到将有源器件和无源元件合为一体即集成电路，又是一个飞跃，这是在1950年代末实现的。而后集成电路向微型化方向发展，集成度约以每两年翻一倍的摩尔定律在增长。在1940年代中建成的第一台大型电子计算机ENIAC，使用了18000个真空管，1500个继电器，几十万枚电阻与电容，自重达30吨，耗电200千瓦，真是一个庞然大物。而在今天，一台笔记本计算机的性能完全可以超过它，显示了半导体技术对电子计算机发展的决定性影响。
集成电路的微型化基本上是采用工艺手段使电路的几何尺寸缩小。其中最关键的是光刻技术：多种物理手段如紫外光、电子束和X射线（包括同步辐射），用来改善刻线的细度。目前，工业生产上已经达到0．12微米左右，而实验室中却由亚微米向纳米推进。这一微型化的趋势一直到现在仍然保持其势头。以后如何呢？微型化不可能无限地持续下去，必然存在物理的极限。一个电子器件如果只包含少量的原子和电子，就不可能正常工作了。物质的不连续结构将给出器件尺寸的下限。但是，近年来的一些研究表明，这一极限比原来设想的要大得多。到了几十纳米的尺度，量子限制效应就凸现出来了。显然，原来半导体器件的工作原理就不再适用了。十多年以后，可能需要用全新的技术来取代目前成熟的半导体芯片工艺。这一挑战是当代纳米科技异军突起的主要根源。目前，量子阱、量子线、量子点等这类呈现新的物理效应的器件，其构想及可行性的演示都已受到重视。有点像八仙过海各显神通，但最终鹿死谁手，还很难说。
另一项取得了“无限大”效益的基础研究就是激光器的发明，导致光子学作为信息技术的另一根物理支柱。早在1917年，爱因斯坦就认识到两能级系统的辐射问题中必须要引入和受激吸收相对应的受激发射项。但由于在热平衡态，高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数，因而受激发射为受激吸收所掩盖，不易观察到。1950年代初，汤斯（C．H．Townes）及普罗霍罗夫(A．M．Prokhorov）、巴索夫（N．G．Basov）分别使氨分子束实现了粒子数反转，从而观察到微波的受激发射。1958年，汤斯与肖洛（A．L．Schawlow)提出了利用法布里?贝洛干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。1960年，梅曼(T．H．Maiman）制出了第一台红宝石激光器，为光子学揭开了序幕。
激光器一经问世，首先想到的重要应用就是光通信，因为高频的光波具有特大通信容量。但是，早期的进展都令人沮丧。大气通信由于天气对光的传播影响太大而宣告此路不通，光缆通信也困难重重，进展迟缓。在激光器问世15周年时，人们对其应用情况做了检阅，虽然在测距、加工、准直、计量等方面取得了重要成果，唯独光通信仍然停滞不前。在贝尔实验室，由于科学家的远见卓识和锲而不舍，几个阻碍光通信实施的关键问题逐一解决了。他们制出了低损耗的光纤，其每千米的损耗低于相应的电缆；制出稳定可靠长寿命半导体激光器，其寿命超过一万小时。这样，就使光通信走出了实验室，成为一种重要的现代通信手段。
光子学的发展，也使人们设想用光计算机来取代电子计算机。当然，从理论上来看，光计算机是有其优点的。光的传播速度高于电子导线上的传播速度，而光的信息处理是平行式，对图像的处理应有其突出的优越性。光计算机的基本元件是高速的光双稳态元件，量子阱就是一个候选者。应该指出，光计算机尚处于探索、构想和模型性试验阶段，距离实际应用还有一定距离。当然，在电子计算机中采用部分的光学部件，如用于存储信息的光盘，已大量应用了。
利用铁磁性或亚铁磁性物质构成的磁存储器一直是计算机的重要配件。在量子力学建立之后，科学家就认识到电子不仅具有电荷，同时也存在自旋。但传统的电子学器件只是应用了电荷的输运，而忽略了自旋的输运。1988年，费特（A．Fert）等在铁磁与非铁磁金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，使自旋输运问题取得了突破。几年以后，自旋阀问世了，用于硬盘的读出磁头，产生了可观的经济效益。另一方面巨隧道磁阻效应作为不擦除的磁随机存储器也可能获得更大规模的应用。因为操纵自旋输运比操纵电荷输运所需的能耗更小，目前自旋电子学这门从基础研究脱颖而出的新技术科学受到科技界的普遍关注。当然还存在许多问题有待解决，如何将自旋极化的电流注入半导体，如何获得居里点高于室温的铁磁半导体等等，而在信息技术中的可能应用更是有远大的前程。
1962年，约瑟夫森（B．D．Josephson）提出了超导电子对的隧道效应并获得实验证实后，电子学又产生了一个新分支，即超导电子学。两个或更多个约瑟夫森结可以组成超导量子干涉器件（SQUID）。SQUID是一种灵敏的磁强计，除了在实验室中作为精密测量磁场的仪器外，在野外地质探矿和测量人体的微弱磁性方面都有重要应用。超导体也能用于微波技术，比如作为高Q谐振腔的材料；而约瑟夫森结也可用于探测微波、毫米波和亚毫米波。科学家还注意到，由于SQUID可以作为门电路，因而有可能做成计算机的逻辑元件。
1948年香农（C．E．Shannon）创立的信息论，是建立在经典统计物理的基础上的，它提供了现代信息技术的理论基础。到1990年代，科学家发展了量子信息理论。基于量子力学的叠加原理，量子位（qubit）同时是既为0又为1，与经典位（0与1中选取一种）截然不同。目前，许多实验已经演示了少量量子位的实现。量子信息的发展将是本世纪值得关注的一件事。将来能否成为重要实用技术，可与经典信息技术并驾齐驱，甚至进而超越经典信息技术，目前还很难说。但至少在某些特殊的信息技术领域中可能有用，例如量子密码学就已接近于实用化。
物理学与生命科学
从聚合物和复杂结构的分子再前进一步，就到达生物大分子，接触到分子生物学的核心问题。从19世纪后期起，生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作，在孟德尔、摩尔根、缪勒（H．J．Muller）等人所得规律的基础上提出了基因假设。但是，基因的物质基础仍是一个疑问和挑战。在1940年代，物理学家德尔布吕克(M．Delbrtick)和薛定谔对生命的基本问题感兴趣，提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点，由于薛定谔在小册子《生命是什么》中对此进行阐述而广为人知。1940年代，英国剑桥大学的卡文迪什实验室在布拉格（W．L．Bragg）的领导之下，开展了对蛋白质晶体的X射线结构分析，这是一项工作量极大、甚为艰巨的工作，持续时间超过巧年，以肯德鲁（J．C．Kendrew）与佩鲁茨（M．Perutz）获得诺贝尔奖而告终。
与此同时，美国化学家鲍林则利用他熟谙的化学知识和搭模型的方法，解决了α螺旋的晶体结构。受德尔布吕克与薛定谔的影响，生物学家沃森与物理学家克里克，在晶体学家富兰克林（R．Franklin）与威尔金斯（M．Wilkins）的X射线衍射图的启发下，采用搭模型的捷径，终于在卡文迪什实验室定出了DNA（脱氧核糖核酸）的晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物科学最重大的突破。
从那时起，分子生物学就构成了生命科学发展的前沿领域。目前人类（和若干其他生物）的基因组测序工作业已完成，累积了大量数据。如何利用这些珍贵资料来发展生物学，是当前生物学家所面临的最重大挑战。显然这需要物理学家参与，因而当今生物物理学家是大有可为的。目前，基于自旋玻璃理论的神经网络学说给出了很有启发性的结果。但是，它与真实的神经网络之间毕竟还存在较大差距。如何填补中间的缺失环节，将是今后的重要问题。看来尚有待于复杂体系中凝聚态物理学的进一步发展。生物电子学的情况也复相似。
载人飞船
采柯
载人飞船是保障航天员在外层空间生活、工作以执行航天任务并安全返回地面的一种大型航天器，又称宇宙飞船。它必须用火箭发射，在轨运行后经过制动，沿弹道式或半弹道式弹道穿过大气层，用降落伞和着陆缓冲系统实现软着陆。它运行时间有限，是仅能一次使用的返回型航天器。
载人飞船可以独立进行航天活动，也可作为往返于地面和空间站之间的“渡船”，并能与空间站或其他航天器对接后联合飞行。
载人飞船分为卫星式载人飞船、登月载人飞船和行星际载人飞船等。卫星式飞船主要在低地球轨道上进行航天活动，把航天员和物品送入空间站或接回地球，如1961年苏联发射的东方号飞船、上升号飞船和联盟号飞船，美国的水星号飞船、双子星座号飞船，中国的神舟号飞船。美国于1960年代初研制出登月载人飞船，这种飞船是专门用来将人送上月球的大型航天器，如阿波罗号。行星际载人飞船是飞往太阳系各大行星的飞船，目前尚未实现。
迄今为止，俄罗斯（苏联）和美国共发射了8种型号的载人飞船，中国也已发射了神舟号载人飞船。载人飞船是载人航天技术发展的第一步，为载人空间站的发展积累了丰富的经验、奠定了基础。
特殊的技术问题
与无人航天器相比，载人飞船因有人直接参与航天活动而结构更加复杂，需要处理一些特殊的技术问题。
环境控制与生命保障系统 环控生保系统是载人飞船最具载人航天特征的一个重要系统，是突破载人航天技术的关键。该系统应在载人飞船临射待命、发射段飞行、轨道飞行、返回段飞行和着陆后等待回收的各个阶段，为航天员（或载荷专家）创造合适的舱内生存环境条件，保障其在空间飞行的特殊环境下安全生活和正常地工作。该系统应有两大功能：其一，控制环境功能，实现座舱的内环境控制，即座舱大气压力控制、气体成分控制、大气湿度控制和大气温度控制。解决座舱的火情、噪声和辐射问题。其二，生命保障功能，为航天员提供各种生活支持设施，解决空间飞行条件下，特别是轨道飞行的微重力条件下航天员的进食、饮水和处理个人卫生所遇到的特殊困难。
应急救生系统 在飞船运行的不同阶段需要采用不同的应急救生手段，在发射阶段采用弹射座椅或可分离头部（逃逸塔）；轨道运行阶段由另一载人飞船靠近出故障的飞船，并与之对接，或航天员乘坐载人机动装置飞到另一艘载人飞船上去，也可以提前返回；返回阶段采用弹射座椅或分离座舱，将航天员与飞船分离。
人工控制系统 为提高系统的可靠性和处理应急情况，载人飞船都设有手动控制装置以及照明、目视观测和话音图像通信等设备。
安全返回系统 为确保乘员安全返回，除靠热防护层和座舱温度控制外，载人飞船的返回舱在返回过程中的制动过载，必须限制在人的耐受范围内，同时还要求较高的落点精度，以便及时发现。
高可靠性安全性系统 载人飞船的系统和设备必须进行高可靠性、安全性设计，其技术包括制定可靠性、安全性准则，元器件的选择和控制，故障模式影响分析，危险分析，事件树分析等。
载人飞船的组成 载人飞船一般由返回舱、服务舱（推进舱）、软道舱、应急救生装置等部分组成，登月飞船还包括登月舱。中国的神舟号载人飞船的机道舱带有对接系统，在返回舱返回地面后，继续留在轨道上自主工作。返回舱是载人飞船的核心舱段，它是飞船上升和返回过程中航天员乘坐的舱段，也是整个飞船的控制中心。返回舱不仅和其他舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行阶段的各种应力和环境条件，而且还要经受再入大气层和返回地面阶段的减速过载和气动加热。服务舱通常安装推进系统、电源和气源等设备，对飞船起服务和保障作用。航天员通过气闸舱进入太空工作。
东方号
东方号是苏联最早的载人飞船系列，到1963年6月共发射了6艘。其中，东方－1是世界上第一艘载人飞船，1961年4月12日由东方号运载火箭将其送入近地轨道。苏联航天员加加林乘坐它环绕地球运行一圈后，安全返回地面。加加林的这次飞行实现了人类遨游太空的梦想，标志着载人航天时代的开始。
东方号宇宙飞船一共进行了6次载人飞行。苏联还在东方号的基础上，改进成了另一个飞船系列──上升号，可乘坐2～3人。1964年10月12日，上升－1飞船首次载着科学家升空，进行了天体物理、航天医学和生物学的研究与技术试验，在绕地飞行24小时17分钟后，软着陆于克司塔那依东北312千米处。
联盟号
联盟号是俄罗斯（苏联）使用时间最长的载人飞船系列，分为联盟号、联盟T和联盟TM三个发展阶段，技术日益成熟。联盟号能载3名航天员，具有轨道机动、交会和对接能力，可为空间站接送航天员，又能在对接后与空间站一起飞行，是俄罗斯（苏联）载人航天计划中重要的天地往返运输系统。
从1967年4月至1981年5月，苏联共发射了40艘联盟号飞船，其中22艘与礼炮号空间站对接。1975年7月15日发射的联盟－19飞船与美国的阿波罗－18飞船在轨道上对接成功，实现了世界上首次太空国际联合飞行。
联盟T飞船是联盟号的改进型，其外形、容量和重量与联盟号大体相同，技术上做了许多改进，如采用可无人操作的自动计算机设备和带显示屏的数字计算机，飞船上的发动机系统使用与礼炮－6，空间站上的发动机同样的推进剂，从而提高了推力和机动能力等，联盟T飞船从1979年12月至1986年7月共发射了16艘。1986年3月13日发射的联盟T－15飞船先与和平号空间站对接，3月15日与和平号分离，与礼炮－7空间站对接，6月26日又离开礼炮－7空间站，回到和平号，首次实现了往返于两个空间站之间的飞行。
代达罗斯飞船 英国科学家提出的代达罗斯计划，展示了恒星际飞行的远景。这个计划是建造一艘以希腊英雄代达罗斯命名的飞船，以太阳系外的巴纳德星为目标。飞船总长200米，初始重量54000吨。飞船上装有45吨重的设备和自动探测器。从地球上发射后，第一级发动机工作2年，然后第二级工作1．76年，将飞船的有效载荷加速到0．12倍光速，即36000千米／秒，此后开始漫长的无动力飞行。设计可乘坐2～3人，也可以进行无人飞行。
联盟TM飞船是联盟T的改进型，改进主要步及飞船的对接系统、通信系统、推进系统、应急救生系统和降落伞系统。它的主要任务是把抗天员送入和平号空间站，待航天员完成任务后再把航天员送回地面。从1986年5月至2000年4月底共发射了30艘。俄罗斯航天员乘坐1994年1月8日发射的联盟－18，曾创造了在太空逗留438天的记录。1995年3月14日发射的联盟－21，把第一个参加俄罗斯飞船飞行的美国航天员送到了和平号空间站，一直工作到美国亚特兰蒂斯号航天飞机首次与和平号对接，才随航天飞机回地面。
阿波罗计划
继苏联之后，美国也研制和发射了三代载人飞船，它们是水星号、双子星座号和阿波罗号。从1961年左右开始的美国阿波罗计划，是人类第一次登月的伟大工程，其目的是把人送上月球，实现人类对月球的实地考察，并为载人行星探险做技术准备。
阿波罗－11登上月球 航天员向地球转播了月面风光和他们的活动，将一面美国国旗插在了月球上，并在月面留下了一块金属匾，上面写着：“1969年7月地球人在此首次踏上月球，我们为全人类和平而来。”
1968年10月11日发射的阿波罗－7载有3名航天员，是第一艘载人的阿波罗飞船。在此之前，阿波罗计划中只做过不载人的飞行试验。自阿波罗－7至阿波罗－18为止，美国共发射了12艘载人阿波罗飞船。阿波罗－7至阿波罗－9进行了载人环绕地球、月球的飞行；阿波罗－10飞船进行了登月全过程演习，绕月31圈，2名航天员乘登月舱降至距离月球表面15．2千米处。1969年7月16日发射的阿波罗－11，于7月20日实现了人类历史上首次登月，航天员阿姆斯特朗（N．Armstrong）成为世界上第一个登上月球的人，19分钟后奥尔德林（E．Aldrin）也登上月球。他们在月球上经历了2小时36分钟，最远步行到离登月舱100米处。
此后，美国又相继发射了阿波罗－12至阿波罗－17飞船（其中阿波罗－13登月失败）。1971年7月26日发射的阿波罗－15飞船，首次把一辆月球车送上月球。1972年12月，阿波罗－17飞船进行了阿波罗计划的最后一次载人登月，航天员在月球上历时75小时，乘月球车行进距离35千米。
整个阿波罗计划历时10年，共有6次成功登月，12名航天员登上月球，耗资240亿美元，先后动员了120所大学、2万个企业、400万人参加，是人类空间技术事业的又一个里程碑。
神舟号
神舟1号是中国于1999年11月20日，在酒泉卫星发射中心用长征－2F运载火箭成功发射的第一艘试验飞船。飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组成。
2001年1月10日，又成功发射了神舟2号飞船。与神舟1号试验飞船不同，2号飞船是正样飞船，它的发射完全按照载人环境和条件进行。船上13个分系统均参加飞行试验，凡与航天员生命保障有关的设备基本上都采用了真实件，且增加了留轨运行、舱内环境控制和应急救生等3种主要系统功能。
2002年3月25日发射的神舟3号飞船，更加完善了应急救生系统，以确保火箭升空阶段发生意外故障时航天员的生命安全。2002年12月30日发射的神舟4号飞船，是无人状态下最全面的一次飞行试验，参与载人航天的所有系统全部参加了“预演”。
2003年10月15日发射的神舟5号，首次载有一名航天员。为此，座舱里的座椅由原先的3个改为2个，其中正中一个座位坐人，右侧的一个座椅放置航天员使用的备用衣物等有效载荷，左侧的一个座椅临时拆除。为了确保航天员的安全和舒适，在神舟4号的基础上做了24项改进，顺利通过了一百多项航天员工效项目和十几项航天医学项目的评审，做到了“零缺陷”进入发射状态。神舟5号飞船总长8．86米、总重7790千克，是目前世界上可利用空间最大的载人飞船
“新型材料”分类探析
湖南长沙市雅礼中学 唐灵生
人类对材料的认识、制造与应用，经历了从天然材料到合成材料、设计材料的发展过程，当今，新型材料在我们的生活中占据着越来越重要的位置，对科技发展起着巨大的促进作用，而理科综合测试也对此青睐有加。为此，笔者就“新型材料”分类小结如下。
一、纳米材料
1nm是1m的十亿分之一，一个基本的碳纳米管只有1．4nm。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和21世纪新材料。在纳米尺度上重新认识和改造客观世界，这将会使人类建立一种崭新的思维方式，即人类将利用越来越小、越来越精确的物质和越来越精细的技术生产成品来满足人类更高层次的要求。
例1：纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料，纳米碳管是一种由碳原子构成的直径为几个纳米的空心管，下列说法错误的是（ ）
A．纳米碳管是一种新型有机化合物。
B．纳米碳管材料如果完全燃烧，生成物是二氧化碳。
C．纳米碳管材料管道多，表面积大，吸附能力强。
D．纳米碳管在常温下化学性质稳定。
答案：A
二、硬耐高温材料
高温结构陶瓷是超硬耐高温材料的典型代表，例如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。这类陶瓷具有能经受高温，不怕氧化，耐腐蚀，硬度大，耐磨损，密度小等优点，往往还具有声、电、光、热、磁等其它材料无法替代的多方面的特殊功能，广泛应用于切削刀具、高速磨损器械、航天材料等。
例2：我国及美国、日本等国家都已研制出了一种陶瓷柴油机。这种柴油机的发动机部件的受热面是用一种耐高温且不易传热的材料制造的，这种材料是（ ）
A．氧化铝陶瓷
B．氮化硅陶瓷
C．光导纤维
D．玻璃钢
答案：B
三、光电材料
与光的应用和光电转化有关的材料制造工业已成为许多尖端技术的基础。在这些技术中，光的应用和光电转化大致可分为两个方面：即信息处理（包括信息的生产、检测、贮存、再生、变换、显示与编辑等内容）和能量注入。
例3：VCD光盘上的光记录材料有多种，其光记录原理为：在激光照射下发生物理变化或化学变化，从而记录储存信号，碲的某种化合物是常见的一种VCD光记录材料，关于碲及化合物的叙述不正确的是（ ）
A．Te元素位于元素周期表中第四周期IVA族。
B．Te元素位于元素周期表中第五周期IVA族。
C．H2TeO4的酸性比H2SO4强。
D．H2S比H2Te稳定。
答案：A、C
四、工程材料
新型工程材料是具有传统工程材料所没有的特性的一类工程材料，具有高密封性、良好导电性和优良的吸附性。广泛用于高级密封材料、新型导电材料和新型吸附材料。
例4：作为新一代工程材料，膨胀石墨有着广泛的新用途，如可作高级密封材料，也可作为新型的导电材料应用于电池生产中，还可作为新型的吸附剂用于环保上。它可由石墨在浓硫酸介质中被氧化而制得：
（石墨硫酸盐）
石墨硫酸盐经水洗、过滤、干燥、高温加热后即得膨胀石墨产品。
（1）在实际生产工艺中是什么原因造成石墨膨胀而制成膨胀石墨产品。
（2）题给反应中的还原剂是（ ），反应中转移的电子总数为（ ）。
（3）石墨硫酸盐中可能存在的化学键包括（ ）。
答案：（1）高温加热 （2）石墨、nNA （3）离子健、共价键
五、能源材料
国际上日益重视具有战略意义的新能源的开发，包括太阳能、生物能、核能以及次级能源（氢能和燃料电池）等。新型光──电和光──化学能转换材料和结构器件的研制，提高转换效率，降低成本，以及研究光解水的催化剂，燃料电池中的固体电解质等都是材料科学所应承担的重要任务。
例5：金属锂是一种在工业上有多种用途的轻金属，尤其在核工业上有重要用途，试回答下列问题：
（1）锂的密度为0．53g·Cm-1，是自然界中最轻的金属。1kg锂燃烧可释放出42998KJ的热量。而1吨锂通过热核反应放出的能量，相当于2．0×104万吨优质煤的燃烧。写出金属锂燃烧的化学方程式（ ）。根据锂的性质，请你设想出锂可能有哪方面的主要用途？
（2）锂的一种同位素6Li捉低速中子能力很强，因此，可用于控制（ ）的速度。已知1mol6Li在原子核反应堆中用中子照射后可以得到等物质的量的氖，写出该热核反应方程式（ ）。
答案：（1）Li(s)+1/4O2(s)=1/2Li2O （2）ΔH=-30KJ/mol作为火箭燃料 （3）用锂或锂的化合物制成固体燃料来代替固体推进剂，用作航天、航空的燃料或辅助燃料 （4）铀及反应堆中核反应发生：
六、超导材料
由于超导材料可荷载大电流并产生强磁场和零电阻的特性，因此超导材料可用来制造大功率发电机、超导电动机、超导电缆、超导加速器、超导贮能器、超导磁流体发电机、超导磁悬浮列车、超导核磁共振诊断仪等，随着低温甚至常温下超导物质的发现，超导材料的应用必将成为可以给人类社会的持续发展注入无限生机的高新科学技术。
例6：2001年，日本科学家发现了便于应用、可把阻抗为零的由硼和镁两种元素组成的超导材料，这是27年来首次更新了金属超导材料的记录，是目前金属化合物超导材料的记录。是目前金属化合物超导体的最高温度。该化合物也因此被美国《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一。上图为该化合物的晶体结构单元示意图：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有一个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为（ ）
A．MgB B．MgB2 C．Mg2B D．Mg3B2
答案：B
七、磁性材料
多年来，磁性材料都是由铁族过渡元素或稀土元素的合金和氧化物组成。近20年来，分子铁磁体技术有了一定发展。所谓分子铁磁体是指使用制备分子化合物的方法合成具有磁铁一样性质的化合物，远远优于以往的合金类铁磁体，如体积小、比重轻、结构多样化、易于复合和加工成型等，非常适于作航天材料、微波吸收隐形材料、电磁屏蔽材料、光磁开关材料、生物兼容材料和信息储存材料。
例7：微型音像磁带中的磁性材料的化学组成相当于CoxFe3-xO4+x，若x的值为0．5，则下列有关说法中不正确的是（）
A．只含Co3+，Fe3+
B．含有Co3+，Fe2+，Fe3+
C．其中Co3+与Fe2+的物质的量之比为1：1
D．其中Co3+与Fe3+的物质的量之比为1：4
答案：A
八、生物材料
为了保障人类的健康和长寿，生物材料的发展尤为人们所注意。生物材料的目标是对人体组织矫形、修复、再造、充填以维持其原有功能。它要求材料除具有相适应的性能外，还必须有与人体组织的相容性以及一定的生物活性。
例8：人造骨是一种具有生物功能的新型无机非金属材料，它类似于人骨和天然牙的性质和结构。人造骨可以依靠从人体液中补充某些离子形成新骨。可以骨骼接合界面产生分解、吸收、析出等反应；实现与骨骼牢固结合。人造骨植入人体内需要吸收人体中（ ）离子形成新骨。
A．Ca2+ B．C1- C．Na+ D．PO43-C1-
答案：A
九、金属材料
在浩瀚的材料世界里，金属王国地盘最大，历史最久。已发现的116种元素中，金属占了93种，真可谓“五分天下占其四”。数千年来，金属材料的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会的发展。种类繁多的新型合金因其优异的物理、化学、机械、结构等功能，续写了金属材料的新篇章。
例9：因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注，常温下钛不与非金属、强酸反应，红热时，却可与常见的非金属单质反应，钛是航空、军工、电力等方面的必需原料，地壳中含钛铁矿石之一是金红石（TiO2），目前大规模生产钛的方法是：
第一步：金红石、炭粉混合在高温条件下通人Cl2制得TiCl4和一种可燃性气体。该反应的方程式为（ ），该反应的还原剂是（ ）。
第二步：在氩气的气氛中，用过量的镁在加热的条件下与TiCl4反应制得金属钛。
（1）写出此反应的化学方程式（ ）。（2）简述从上述所得产物中获得金属钛的步骤。
答案：（1）
（2）加入足量的盐酸除去过量金属镁、过滤，并用蒸留水洗涤固体即得金属钛
，还原剂C。
十、复合材料
多相复合材料具有一定的综合性能并能弥补单一组成材料的不足，因而它成为当前材料研究的重要对象。多相复合材料的内涵已经拓宽，它可以包括：纤维（或晶须）增强或补强的复合材料、第二相颗粒弥散的复合材料、两（多）