石榴石.激光.LED

小寶：牛老師，上次您說到石榴石。我從網上查了一下，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系呢?

牛老師：石榴石是一類硅酸鹽礦物。石榴石這個礦物的拉丁名的來源傳說很多，你可以從網絡里查到，我先說說這類礦物的中文名稱，叫石榴石，真是太妥帖了!因為有些石榴石是呈紅色的，紅得太像石榴籽的顏色了。你若打開一只石榴，就會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。當然，不能吃，很硬很硬的!它這樣美麗，早在青銅器時代已經被古人當做寶石了。現代科學證明。最常見的紅石榴石的化學式基本上可以寫成Mg₃kl₂(SiO₄)₃。我說基本上是因為如果這種礦物只含鎂、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0.01％～1％，替代并占據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，晶體就會呈現紅色呢?

牛老師：科學發展的誘因之一就是人類對自然界各種奇異現象的好奇心。早在18世紀末，鉻的發現者沃克蘭就已經證實紅寶石的紅色是微量鉻引起的了，然而直到160多年后，出現了晶體場理論，人們才搞清楚為什么微量的鉻在某些晶體里會顯紅色。這個理論對你來說太深了，等你長大了才能學懂。在這里我只想說，科學的發展有時要經過許多人長年努力，才會有突破。科學上的突破要長期的積累，深入的探討，大膽的推想，不斷的創新。言歸正傳，接著說說石榴石。現在人們知道，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，人造的化學物質太多了。化學不但使人類認識了周圍的世界，更為人類創造了一個自然界不存在的人造世界。我們如今不是生活在一個純天然的世界里，已經生活在一個化學創造的自然和人造混合的世界里了!只不過許多人并沒意識到人造世界的存在，有的人則過度宣揚天然，毫無分析地厭惡人造的物品而已。

小寶：請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生激光的固體物質。最重要的用途之一是制造發光二極管(LED)。

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

牛老師：漢語的特點之一是可以按字面猜測詞義，按字面，激光是受激發光的簡稱。這個詞兒是錢學森起的。激光的英文名是laser，至今還有音譯“鐳射”的，“激光”這個詞兒更準確些，“鐳射”里有個“鐳”字，容易引起誤會。

小寶：“鐳射”我聽說過許多次了，以為是鐳發射的射線呢，因為鐳是放射性元素，我讀過居里夫人的故事，她從大量瀝青里提煉出鐳，在夜間照亮了整個實驗室!我被這個詞兒誤導了，原來“鐳射”就是激光啊!

牛老師：早在20世紀30年代愛因斯坦就描述了原子受激發光。1958年，兩個美國人發現將氖燈發出的光照射到含稀土的晶體上時，晶體會發出亮度極大的聚集在一起的強光，由此提出了激光原理。兩年后的1960年。一個叫梅曼的美國人制造出第一臺激光器。不幾年，各式各樣的激光器紛紛登場，激光很快進入人類生活、工業、農業、醫療、通信、娛樂的各個角落。激光是從概念到應用過程最短的現代科技。最令人矚目的是奧運會等大型活動場所見到的激光光束。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幻想，但現在已經真的有了激光武器了，例如能發射激光的激光炮，可以射中目標把目標燒毀。激光更大的用處是在人們日常生活中應用，但你不容易看到。我舉些例子：你上網嗎?網絡上的信息是通過光導纖維傳送的。在光導纖維上傳送的光是激光器發射的。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：沒有激光就沒有網絡世界。醫院里也廣泛使用激光給病人動手術，用“激光刀”發射一束激光對準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。最近還報道了專門用來殺死蚊子的“微型激光炮”，能夠在1秒鐘內射殺50-100只蚊子。激光在工業上的用途更多。例如用激光對鋼材進行焊接、切割、打洞。

小寶：那么，石榴石用于制造發光二極管又是怎么一回事?

牛老師：發光二極管的原理相當復雜，而且有不同的發光機理。其中跟我們今天討論有關的是用人造的含稀土的石榴石為熒光劑的，它的基質是半導體材料，通過電流會發出藍光，藍光通過涂在表面的熒光粉，熒光粉吸收部分藍光發出黃光，黃光跟未被吸收的藍光混合變成白光。這種白光LED是當前市場上最多見的，已經發動了一場徹底替代白熾燈的革命!由此你可見稀土與激光和發光二極管的關系了吧!

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