量子科学应用篇(1)

关键词： 博雅教育 化学学科 独特美

南京市第九中学的校训之一是博雅尚美，在我校学生课内课外吸收大量知识的基础上，会欣赏各个学科的独特之美，对学生获得知识、巩固和运用知识能力的提高有很好的推进作用。“授人以鱼，不如授人以渔”，与其泛泛地告诉学生学科的美，不如教会学生如何欣赏各个学科的独特的美，从心里喜爱学科的美，产生学习知识、探究知识的动力，获得学习知识的成就感。南京市第九中学“新博雅教育”，旨在培养“广见识、雅气质、会思想的人”，是在新的教育环境下对“博雅教育”的继承与发展。本文以高中化学学科为例，从三个方面探讨属于化学学科的独特美，引导读者学会欣赏化学的美妙之处。

化学是一门以实验为基础的自然科学。门捷列夫提出的化学元素周期表大大促进了化学发展。化学是自然科学的一门基础科学，在原子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的自然科学；化学是创造新物质的科学。

化学是一门历史悠久而又富有活力的学科，化学的成就是社会文明的重要标志。化学的独特的“美”主要表现在三个方面：（1）化学用语的简便之美；（2）化学实验的操作规范性和实验现象多样性之美；（3）化学学科中守恒思想的严谨之美。学习化学知识，不仅能培养学生不断进取、发现、探索、好奇的心理，而且能激发人类对理解自然、了解自然的渴望，丰富人的精神世界。

化学是一门是实用的学科，它与数学物理等学科共同成为自然科学迅猛发展的基础。化学的核心知识已经应用于自然科学的各个区域，化学是改造自然的强大力量的重要支柱。化学家们运用化学的观点观察和思考社会问题，用化学知识分析和解决社会问题，例如能源问题、粮食问题、环境问题、健康问题、资源与可持续发展问题等。

生活中的四要素：衣食住行都离不开化学，普及化学知识就是为了提高人们的生活质量。化学学科的美有很多，笔者认为主要从三个以下方面学会欣赏化学之美。

一、化学用语的简便之美

化学用语是化学学科用来表示物质组成、结构、性质、化学变化的专用符号，也是学习化学学科的重要工具。化学用语语言简练，含义丰富，表达准确，全球通用，便于沟通。

常用的化学用语有：元素符号、核素、化学式、分子式、离子符号、原子结构示意图、核素表达式、电子式、结构式、核外电子排布式、化学反应方程式、离子反应方程式、电离方程式、电极反应方程式、热化学反应方程式等。

1.欣赏方法

“”表示原子核，圈内“+”号，表示质子所带电荷的是正电性；圈内数字“12”，表示核内12个质子；圈外弧线，表示电子层，弧线所夹的数字为该电子层容纳的电子的数目。镁原子有3条弧线，表示它共有3个电子层。

原子结构示意图不仅可以表示中性原子，还可以表示带电的原子――离子（包括阳离子和阴离子）核外电子排布的情况。构成原子的结构粒子之间的数量关系

①质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）

②质子数=核电荷数=原子核外电子数=原子序数

注意：质子数、中子数决定原子种类（同位素），质量数决定原子的近似相对原子质量，质子数（核电荷数）决定元素种类；原子最外层电子数决定整个原子显不显电性，也决定着镁元素的化学性质。

化学思维的一个最重要思想是：结构决定性质，性质决定用途。结合镁原子结构示意图，就可以推测镁原子的原子核外电子排布、原子半径、元素的主要化合价、最高价氧化物对应的水化物的酸碱性、元素的金属性与非金属性等。

化学用语在化学学习、科学研究和生产实践中的作用与价值是独一无二的。

2.表示物质之间化学变化和物质的化学性质

用化学式表示钠及其化合物之间转换关系，简洁明了，一目了然。如图所示：

二、化学实验的操作规范性和实验现象多样性之美

1.化学实验操作的规范性

仪器的选用和组装，试剂的状态和用量，操作的顺序和时间，实验现象的观察，尾气的处理，仪器的清洗方法、试剂的储存等都有严格要求和规则。化学实验规范性操作，是化学实验安全的有力保障，根据实验目的选择合适的实验仪器和实验步骤，是完成实验的基础。

2.化学实验现象的多样性

化学反应时，物质的颜色、状态、气味等在反应前后都可能发生变化，有时还有火焰及其颜色变化，有的实验还伴有声响、烟雾等现象。美妙的化学实验现象不仅能吸引学生学习的注意力，而且能提高学生学习化学的兴趣。

化学反应的现象中色、态、味的变化，与参加反应物质的量和反应条件密切联系。正确观察实验现象是得到实验结论的有效手段，实验各个环节的有机组合才能确保实验的完美。

三、化学学科的严谨之美

物质在发生化学变化时，除了遵循一定性质变化规律进行质的转变之外，在数量上也有紧密联系，主要遵循三大守恒规律。简单地归纳为：（1）化学反应中得失电子守恒；（2）化学反应前后原子守恒即质量守恒，也称为物料守恒；（3）在电解质溶液或离子化合物中阴、阳离子的电荷守恒。示例如下：

1.电荷守恒

在电解质溶液或离子化合物中，无论存在多少种离子，阴离子所带负电荷数的总和一定等于阳离子所带正电荷数的总和，即电解质溶液是呈电中性的。

2.质量守恒

质量守恒定律是指，参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和[1]，微观上是化学反应前后原子的种类和个数不变。

3.电子守恒

化学学科的美妙之处有很多，本文仅介绍其中的三个方面。化学学科发展前景诱人，它在保证人类的生存并不断提高生活质量方面起着重要作用。如：利用化学生产化肥和农药，以增加粮食的产量；利用化学合成药物，以抑制细菌和病毒，保障人体健康；利用化学开发新能源和新材料，以改善人类的生存条件；利用化学综合应用自然资源和保护环境，以使人类生活得更加美好[2]。

目前，化学知识的应用广泛，日益渗透到生活的各个方面，特别是与人类社会发展密切相关的重大问题。化学与人类的衣、食、住、行，以及能源、信息、材料、国防、环境保护、医药卫生、资源利用等方面都有密切的联系，它是一门社会迫切需要的实用学科。为了生活质量的提高和会欣赏化学知识，我们没有理由不掌握一些基本的化学知识。

参考文献：

量子科学应用篇(2)

一、反常霍尔效应的前世

（一）霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这一现象就是霍尔效应。

霍尔效应在应用技术中非常重要，特别是在现代汽车上广泛得到应用。

（二）量子霍尔效应

作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现，量子霍尔效应（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值随着磁场增强而出现的量子化特点）一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。1980年左右，德国科学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖。1982年，美国物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，他们三人荣获1998年诺贝尔物理学奖。

量子霍尔效应在未来电子器件中发挥特殊的作用，可以用于制备低能耗的高速电子器件。例如，如果把量子霍尔效应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散问题。然而它需要的强磁场设备不但价格昂贵，而且体积庞大（衣柜大小），也不适合于个人电脑和便携式计算机。

二、反常量子霍尔效应

1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，反常霍尔效应是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此这是一个全新的量子效应，有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。如果能在实验上实现零磁场中的量子霍尔效应，利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和其它的一些瓶颈问题，推动信息技术的进步。但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求非常苛刻，美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。

2009年，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作，提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋研究组，与中科院物理所的马旭村、何珂、王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队合作，开始向量子反常霍尔效应的实验发起冲击。截止到2013年的四年中，团队生长和测量了1000多个样品，利用分子束外延的方法使之长出一层几纳米厚的薄膜，然后再掺进去铬离子，生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在几毫开的极低温度环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2～25800欧姆，世界难题得以攻克。薛其坤院士说：这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。

三、量子反常霍尔效应的意义及发展前景

量子反常霍尔效应之所以如此重要，是因为效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片——这意味着计算机未来可能更新换代。

霍尔效应是诺贝尔奖的富矿。最近一次也是第三次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。

此外，量子自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。

量子科学应用篇(3)

1提升物理电子应用技术的必要性与紧迫性

1.1物理电子应用技术是新世纪科学技术的重要奠基石

近些年来，物理电子应用的发展速度较为迅速，其已经逐步涵盖众多新型学科领域，进一步促进了电磁场与微波技术、微电子学与固体电子学、电路与系统等二级学科、信息与通信系统、光学工程事目关一级学科的拓展。如今，其已经形成了新型的科学技术增长点，比如：光波与光子技术、信息显示技术与器件、高速光纤通信与光纤网等，它已经发展成为新时代、新世纪最为重要的科学技术之一，而且已成为诸多尖端科技的主要基石。

1.2物理电子应用技术已成为国家发展的重要战略

在21世纪的激烈竞争中，科技竞争是最为主要的竞争的项目之一，特别是以往科技的物理电子应用方面，已经成为国际间很多国家发展科技的战略前沿。而西方发达国家由于起步相对更早，重视程度也较高，目前已经遥遥领先于我国，作为国家发展的战略性力量，增大对物理电子应用技术的投入，赶上并超越西方国家已成为我国现代科技发展的重要课题。

2目前物理电子技术应用的现状

2.1我国物理电子应用方面缺乏高素质人才

物理电子应用技术是一门专业性较强，涉及知识点广泛的重要学科，对于人才的要求相对较高，不仅要有高水平的理论知识作为基础，更要具备将理论转变为实际的能力。目前，在全国众多高校中，仅有少数院校开设此类相关的课程，并且大部分院校由于受到资金资助、师资水平等多方面因素的限制，从而造成所培养的人才很难达到社会所要求的层次，最终导致人才储备在数量、质量方面都无法满足行业发展的需要。

2.2专业人才培养的理论应用能力不强

当今很多高校在物理教学过程中，通常表现为重视理论教育，再加上由于实践设备较为陈旧、实践基地的基础环境较差，从而导致教学质量不符合时展的需求，最终使得物理电子应用技术这门课程的学习缺乏实践环节，这在较大程度上对培养学生的实际应用能力造成较大的影响。物理电子学与理论性文科教学体系存在较大区别，理论紧密结合实践能够让学生在模拟实验过程中，更加深刻地认识并发觉学科中的重点内容，同时也可以为未来的工作研究奠定坚实的基础，传统的学习方式无法培养出高素质的物理电子技术的应用人才。

2.3缺乏有效的实践技术应用创新

从事物理电子技术行业的人员，尤其是此领域或相关的拓展领域应用型技术人才，他们通常在工作中缺乏创新意识和精神。此项专业的技术前沿性发展，无论是在电子科技产品开发还是信息通讯技术应用，甚至在其他的领域均具有很大的促进作用。由于此项技术的学科交叉性较大，一个行业实现电子物理应用的创新有效地促进知识领域的蔓延与进步。因此，在实践应用过程中，必须实现技术应用的创新和发展，就我国目前的发展状况来看，物理应用技术的整体创新水平依旧有较大的发展空间。

3提升物理电子应用技术的几个重要措施

3.1加大对高校教育的投入

就高校物理电子应用技术的现状而言，培养物理电子应用技术新型人才是最为关键的任务。针对目前物理电子学专业人才培养出现的不良的现象，我国不仅要在知名高校实施培养，还要对设有该课程的学校实施梯段化划分，按照每个学校师资力量的薄弱、教学特征重点培养某个具体学科的拔尖型人才，集中力量重点建设师资队伍。这样一来不但可以解决师资力量较薄的弱项，还可以解决教育经费不足等问题。在关于突出重点学科建设方面，可以将实践设备上与时展步伐紧密相结合再进行更新和管理，并且也要集中高校教师的精力，方便在课程体系领域实现更新，使学生在物理电子应用上能够近距离接触实际，保障人才储备的质量。

3.2在教育环节中设计实践促进创新型人才的培养

为了进一步提升物理电子应用技术，在教育过程中需要不断地培养学生的动手实践能力。在培养学生专业素质的基础上，实施一系列相关技术的实验帮助他们全面理解所学的内容，这样一来不但可以构建完整的物理电子应用体系，而且能够通过实践加快物理电子技术的应用和创新，让学生主动培养自身的应用意识。另外，还需要加强校企之间的合作，建议学生在节假日或课程安排方面借助实际环境来体验应用技术，让他们看到自己出现的缺点和提升空间，以便提高自己的物理电子应用水平。

3.3在技术应用中实现创新，提高技术的时代性

工作程序中一线生产者是实现技术应用创新的主要群体，由于他们在工作中经常接触物理电子技术，因此更能充分了解其在应用过程中的重要性，再加上他们在长期的应用过程中积累了丰富的实际经验，这对鼓励技术人员在物理电子应用技术中进行创新具有重要作用。另外，企业也应该制定合理科学的奖励政策，让这些一线技术人员加强对创新思维的培养，跳出传统的禁锢思维，对知识的学习保持探索的积极性和激情。

量子科学应用篇(4)

【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势

一 引言

生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。

激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。

可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。

在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。

随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。

国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。

福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。

二 国内外现状

光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。

我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：

（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；

（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；

（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。

三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况

“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。

30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。

实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。

中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。

重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。

重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。

重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。

“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。

四 发展趋势和展望

光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。

在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。

在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。

值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。

今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：

（一）医学光子学基础

在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

（二）医学光子学光谱诊断技术

医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。

生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。

近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。

超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。

（三）医学光子学成像诊断技术

发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：

超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。

散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。

红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。

光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。

荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。

光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。

非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。

人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。

4.医用激光治疗技术（激光医学）

强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。

低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。

光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。

激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。

五 结论

医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。

参考文献

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〔16〕 Hongqin Yan, Shusen Xie, Hui Li et al. Optical imaging method.

课题组成员：

1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长

2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

量子科学应用篇(5)

化学新课程标准明确指出化学课程的基本理念要“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和基本方法，形成科学的世界观”。化学课堂教学中如何将化学知识的习得与科学研究的体验紧密结合，让学生感受化学的发展和了解化学家的工作，挖掘化学教学的人文内涵，启迪学生的科学精神与创造意识，是每一个化学教学工作者正在思考并设法加以解决的问题。本文以苏教版必修1专题―“原子核的组成”教学设计为例，与大家交流商榷。

设计理念：本课教材知识方面，涉及到原子核的组成及组成粒子的数学关系，以及核素、同位素的概念、质量数的计算。但在知识陈述上较为浅显直接。知识前后联系上较为松散，许多结论已为学生熟谙(如质子、中子、原子核的组成等)，而科学史上如何得到这些知识的过程，则是相当曲折艰辛、富有教学内涵的。为此，笔者尝试以原子核组成的研究史为主线索，渗透原子核组成研究的方法，探讨研究过程中的前因后果，让学生在科学史的体验中习得学科知识，用科学研究的艰辛撼动学生的心灵。

过程实录：

1、创设情景，引入课题

师：多媒体展示以下材料，提出原子核组成研究的课题。

材料1：地球上的一切能量来源于太阳内部的核聚变反应，即4个氢原子核聚变为1个氦原子核。聚变过程中释放出巨大的能量以辐射、对流等形式向外传递。

材料2：展示居里夫妇、卢瑟福、查德威克等人的照片。

生：被吸引，期待了解原子核组成和相关科学家。

2、科学史体验。积极思考

2.1放射性研究和质子的发现师：多媒体展示以下材料。

材料一：说到放射性肯定要谈居里夫妇，1903年，皮埃尔・居里与玛丽・居里由于发现镭而获得诺贝尔物理学奖。让人印象更深刻的是他们的奉献精神。为了研究放射性对人体的影响，皮埃尔-居里把自己作为试验品，让胳膊在放射性射线下数小时，以记录射线对皮肤的渐进烧伤反应，而居里夫人也在长期病痛之后，死于由过度辐射引起的血癌。

材料二：卢瑟福提出了原子的有核模型，并发现了放射性的本质：元素的自发衰变。放射性元素的原子核放出射线后自身衰变成了另一种元素。

师：从何角度分析原子核由更小的微粒组成?

生1：不可能用显微镜观察到。(学生大笑。)

生2：一种原子的原子核会衰变成另一种原子的原子核，这说明原子核可以改变，原子核还有它的内部结构。

‘

师：对，原子核的变化应该是其组成的更小的微粒的数目变化，正如化学反应中分子的变化是原子的组合方式或数目的变化一样。

生3：原子核是极小的粒子，要探测其内部组成，就要让原子核发生变化，如高能量使其分解，在这种变化中，看看有什么共同的东西从核中释放出来。

师：这一想法很好，但想分解原子，化学反应的能量是远远不够的!必须借助粒子对撞机!粒子对撞的猛烈作用或极高能量才会分解。基于变化中观察的观点，科学家尝试用高速的粒子去轰击原子核，使原子核发生变化，从而探究原子核的组成。

师：多媒体展示以下材料。

卢瑟福最早致力于这方面的研究。1919年，他在用a粒子(即氦原子)轰击氮原子核时，发现可产生出一种新的、射程很长、质量更小的粒子，并发现它带有一个单位的正电荷，推测其数目应与电子数相同，卢瑟福把他发现的这种粒子命名为“质子”。若用a粒子去轰击其他元素的原子核，也都产生类似的转变。并产生质子，说明质子是各种原子核里都有的成分。

生：学生有所感悟，初步体会到成功的喜悦。

2.2 中子是怎么被发现的?

师：多媒体展示以下材料：

材料一：质子发现后人们的困惑。一些科学家经过测量，发现氢原子的原子核的质量数约为质子数的2倍，所以原子核内还应有质量与质子差不多的中性粒子。1920年，卢瑟福提出了原子核中可能存在一种中性粒子的预言：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核(质子)相结合，从而形成一个中性偶极子”。但在较长时间内无法测定其存在。

材料二：1930年，德国科学家玻特和贝克用a粒子轰击铍核的实验时，发现并未发射出质子，而放出了一种新的射线，这种射线几乎不能使气体电离，在电场和磁场中也不发生偏转。1931年，居里夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种未知射线去轰击石蜡。结果竞从中打出了质子。但令人惋惜的是，由于错误的

查德威克判断，他们均与“中子”失之交臂! 1932年1月底，查德威克获悉居里夫妇的实验，测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是γ射线的可能，然后又作了两件工作，成功证实了这种射线就是中子流。为此，他当之无愧地成为“中子之父”，并因此获得1935年诺贝尔物理奖。

师：根据上述材料，你可得出中子质量、电性有何特点?

生1：原子核的质量数约为质子数的2倍，中子质量应与质子差不多。

生2：中子流几乎不能使气体电离，在电场和磁场中也不发生偏转，说明是不带电的。

生3：中子的质量较大，其射线的能量很大。用它去轰击石蜡，能打出质子。

师：请你评价卢瑟福的预言。

生：卢瑟福的预言：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核(质子)相结合，从而形成一个中性偶极子”的结论是不准确的，中子应是独立的微粒。

师：你认为查德威克除了排除了该射线是1射线的可能外，还需要做哪两件工作?

生1：测出其质量应与质子的质量差不多。

生2：排除该粒子是由质子和电子组合而成的可能。即证明中子应是独立的微粒。

师：以上同学提出的想法很好，发现中子的实验正是按照这些思路去设计而获得成功的。

到此，学生对中子发现的推测获得了印证，思维空间打开了，求知欲望被充分调动起来。课堂气氛推向了高潮。

师：查德威克是卢瑟福的学生，对导师预言的中子，作过多次探测的尝试。“机遇只偏爱有准备的头脑”，当中子存在的迹象一出现，他就能用正确的方法去认定它。中子的发现，有重大的意义。中子不带电，中子流去轰击原子核，不受带电粒子间力的影响，穿透本领更大，是轰击原子核变的有效“炮弹”。人们用它轰击各种原子核，获得许多人工放射性同位素，如用它轰开铀核，实现了原子能的利用。

2.3 同位素的发现

师：在天然放射性逐渐被认清的基础上，人们知道有些放射性元素的原子虽然质量、放射性显著不同，但化学性质却完全一样。于是同位素被发现了。

师：同位素化学性质完全一样意味着什么?放射性为何显著不同?

生：同位素的化学性质相同是因它们的核外电子数相同，且具有相同电子层结构。由于质子数=核电荷数=核外电子数，质子数相同。但由于它们

的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，并导致其某些物理性质(如放射性、形成气体后的密度、扩散速度等)有所不同。

师：把具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为核素。人们把质子数相同，质量数(或中子数)不同的核素互称为同位素。常用质量数(将原子核中所有的质子和中子的相对质量取整数，加起来所得到的数值)来表示核素的相对质量的大小。质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。

生：阅读拓展视野一同位素的应用

师：美国科学家尤里，因发现氢的同位素氘而获得1934年诺贝尔化学奖。他通过蒸发液氢的方法将氢氘分离，使人们对同位素有了进一步了解，同位素除了拓展视野中的应用外还有：12C是作为确定原子量标准的原子；氘和氚是制造氢弹的材料：235U是制造原子弹的材料和核反应堆的原料等。

3、启发引导。总结提高

(1)练习巩固原子核的组成：质子、中子和电子的质量、相对质量和电量、质量数的计算、同位素的判断等知识点。

师：引导学生把握学科知识内容。

(2)阅读教材中的“拓展视野”：夸克的发现。结合原子核组成的研究史，谈一下学习体会。

生1：科学家探索原子核的结构经历了艰难的过程。

生2：实验、假设、模型等科学方法在化学研究中起着极其重要的作用。

生3：人类对原子核结构的认识是一个不断发展的过程。夸克的发现，并不意味着人类对原子结构的认识到了最后阶段。

生4：科学是没有国界的，对原子核的认识，既有个人的突出贡献，又有科学家们集体智慧的结晶。

生5：机遇只偏爱有准备的头脑。

师：生活和学习也如科学研究一样，我们在平时要养成用心观察、用情思考、亲手实践的习惯。我相信，你们化学学习的水平一定会提高到一个新的层次。

4、教学反思

量子科学应用篇(6)

【关键词】多学科设计优化算法；飞行器设计；协同优化方案；复杂系统

飞行器系统设计受到其计算复杂性、信息交换复杂性、模型复杂性、组织复杂性的影响，其初步设计参数的确定需要多学科设计优化算法的参与，从而确保设计质量、降低研发成本、缩短研制时间。传统的飞行器设计割裂了各学科之间的影响作用，系统的整体最优性受到一定程度的冲击，其设计周期和开发成本都相对有所增大。本文以多学科设计优化算法和飞行器设计为重点，简要分析多学科设计优化算法的具体应用。

一、多学科设计优化

一般而言，复杂系统的分析方法是将该系统划分为若干子系统，因子系统之间作用机制的不同，复杂系统又被归属于两大类，一类是层次系统，另一类是非层次系统。层次系统下各子系统呈现出“树”结构，有着较强的顺序性，而非层次系统中的子系统呈现出“网”结构，有耦合关系。目前多学科设计优化算法以非分层系统为主研究点。

从数学上可以表达为：

寻找：X

最小化：f=f（X，y）

约束：hi（X，y） =0（i=1，2，…m）

gi（X，y）≤0（j=1，2，…n）

其中目标函数是f，设计变量是X，状态变量是y；等式约束是hi（X ，y）；不等式约束是gi（X，y）。在非分层系统中，该算法需要多次迭代才能够完成，而分层系统的计算可以依据一定的顺序。这样的计算过程即为系统分析。当系统分析中X有解时，约束与目标函数才能够被获得。

多学科设计优化算法的计算复杂性体现在系统分析过程中迭代的多次使用，而信息交换复杂性体现在受到子系统之间耦合作用的影响，子系统间的信息交换呈现出复杂的特点。多学科设计优化算法以上述两大复杂性为重点，而理想化的算法包括以下几方面特性：模块化结构；定量的信息交换；子系统之间优化和分析的并行；设计的能动性；计算次数的减少；子系统与工程设计组织形式的一致性；全局最优解的得出概率最大化。

二、多学科设计优化算法与应用

多学科设计优化算法包括三大方面，协作优化、并行子空间优化和单级优化。

（一）单级优化算法

单级优化算法中的系统级优化算法主要应用于目标系统复杂性低、变量较少的设计中，其与传统的单学科优化算法有较大的相同点。受到单级优化算法计算次数较多的影响，飞行器设计的分析模型以近似估算为主，对各学科之间的相互作用的反映较少。为了有效解决多学科设计优化中的计算复杂性，设计人员多采用系统分析中的近似值或控制系统分析的次数。

在基于全局敏感方程基础上的单级优化算法中，飞行器整体系统的敏感性能够得到较好地把握，各子系统的敏感分析也能够并行开展。但在实际的应用研究中，该单级优化算法也暴露出相应的问题，其一，仅能针对连续变量；其二，对计算机CPU时间要求较高；其三，子系统中的设计优化有所欠缺。

一致性约束优化算法主要通过对子系统之间耦合关系的规避来促进各子系统的系统分析的独立性。该算法中分析过程和设计过程有着较强的同步性，各子系统能够独立的进行维护和更换，但其设计优化的目的依然未能得到实现，子系统的分析计算量也相对较大。

（二）并行子空间优化算法

并行子空间优化算法包括基于全局敏感分析的优化算法，改进版的基于全局敏感分析的优化算法和基于响应面的优化算法。

基于全局敏感的并行子空间优化算法中，各子系统互相独立，其优化的设计变量也具有差异性，系统设计变量为各子系统设计变量的组合。该算法能够有效减少计算次数，实现不同子系统的同时设计优化，原系统的耦合性也得以保留。在飞机初步设计中，多学科优化设计软件得到了较广泛的运用。但该项优化算法存在一定的缺陷性，其算法的收敛性不能得到完全的保证，因此振荡现象较为常见。而实际设计中设计变量对子系统影响范围的广泛性也导致了飞行器操稳性能的下降和结构的不稳定。

在全局敏感分析基础上做了改进的并行子空间优化算法能够提高子系统优化整合后的整体效果，数据分析近似模型的精确性得到了较大的提升。改进版的优化算法很好地解决了系统分析中的振荡现象。但上述两种并行子空间优化算法都有局限性，仅能解决连续设计变量的优化。

基于响应面的优化算法并不要求设计人员对系统敏感性开展分析，该方法能够促进连续或离散混合变量的优化问题，并有效消除数值噪音。在飞行器设计中，该算法多应用于通用航天飞机与旋翼机的初步设计中。其优点在于系统全局最优解的得出几率的增高和系统分析次数的降低。但当设计变量 和状态变量y不断增大时，人工神经网络的反应时间也相应有所延长。

（三）协作优化算法

协作优化算法旨在尽可能的减少子系统优化方案和目标方案间的差异性，推动一致性最优设计的实现。该算法有效地规避了计算的复杂性，其系统分析过程中的收敛性也得到了较高的保障。同时，协作优化算法不仅确保了子系统的分析功能，还为子系统的设计优化提供了推动力，各子系统在优化过程中可以忽略其他子系统的干扰，确保约束的满足。结合实际算例来看，协作优化算法还存在一定的问题，其系统分析的次数被加大，优化解的寻找过程相对漫长。

结束语

虽然国内的多学科设计优化算法得到了较好的发展，但其理论问题和实际问题依然较多。并行子空间优化算法和协作优化算法还需要设计人员对其收敛性进行完善的理论证明。目前，多学科设计优化算法广泛应用行器设计中的气动、性能、结构等方面，但动力系统和隐身性能等方面突破较少。多学科设计优化算法未来的发展主要以可靠性、经济分析和维修性为主，建立起科学的分析模型和统计数据库。

参考文献

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量子科学应用篇(7)

论文摘要：高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。那么，高分子化学具体内容及高分子与生活、高科技的 发展 关系如何呢？以下作简单介绍。 

 

人类从一开始即与高分子有密切关系， 自然 界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等，也都是高分子。只是到了 工业 上大量合成高分子并得到重要应用以后，这些人工合成的化合物，才取得高分子化合物这个名称。但提到合成高分子材料（聚合物）的应用与发展，人们在想到它们极大地方便我们的生活的同时，很多人会想到“白色污染”，甚至将水污染、大气污染等各种环境问题的产生怪罪于高分子，这说明他们对高分子并不十分了解。当今社会高分子的功用无处不在，而人们认识高分子时，往往忽略了它带给人类生活的巨大变化和种种利益，不了解它为人类文明做出的贡献是巨大的。 

 

一、高分子化学的内涵 

 

1．何为高分子化学 

顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的 科学 ，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定 规律 重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。 

2．高相对分子质量与高强度 

相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。 

3．高分子科学的主要内容 

既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连 

接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。 

 

二、高分子材料化学的应用 

 

材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识 经济 社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。 

第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。

第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。 

第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。 

第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。 

三、高分子化学与高科技的结合 

 

当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息 发展 的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足 计算 机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械 工业 等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。 

随着生产和 科学 技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。 

第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹性功能材料，如热塑性弹性体等。 

第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。 

第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。 

可以预计，在今后很长的 历史 时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。 

 

四、高分子化学的可持续发展 

 

研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。