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《元素》作者：阿西莫夫【完结】 >
元素.txt
能迅速挥发。在它和低温的固态二氧化碳之间，固态二氧化碳升
华后，可以达到－110℃（163．2K）。
1845年，法拉第恢复研究液化气体的工作，在低温和高压的
结合效应下，使用固态二氧化碳和二乙醚作为冷却混合物。尽管
使用此种混合物而且使用的压力比以前高，仍有6种气体不能被
液化，它们是氢、氧、氮、一氧化碳、氧化氮和甲烷；他称这些
为永久气体。对这一列举，我们可以再加5种法拉第当时并不知
道的气体。其中一种是氟，另外4种为稀有气体：氦、氖、氩、
氪。
但是在1869年，爱尔兰物理学家安德鲁斯从他的实验推出，
每种气体都有一个临界温度，高于此温度，即使在压力下也不能
液化。这一假设后来被荷兰物理学家范德瓦耳斯放在牢固的理论
基础上，因此赢得了1910年的诺贝尔物理学奖。
因此，要液化任何一种气体，一定得在它的临界值以下进行
工作，否则只会白费力气。为了征服那些难液化的气体，人们不
断地努力研究，以期达到更低的温度。一种分级的方法——一步
步降低温度——获得了成功。首先经挥发冷却的液态二氧化硫，
用来液化二氧化碳；然后再用液态二氧化碳来液化较难液化的气
体等等。1877年，瑞士物理学家皮克蒂终于在－140℃（133K）
和500个大气压下使氧液化了。大约在同时，法国物理学家凯泰，
不仅液化了氧，而且也液化了氮和一氧化碳。当然使这些液体继
续下去可能立刻达到更低的温度。最后发现氧在正常空气压力下
液化点是－183℃（90K）；一氧化碳是－19O℃（83K）；氮是－
195℃（78K）。
1895年，英国化学工程师汉普森和德国物理学家K．林德独
立地设计了一种大规模液化空气的方法。首先将空气压缩，并冷
却至常温。再让它膨胀，在此过程中，气体会变得很冷。该冷空
气用作装有压缩空气容器的气浴，直到容器中的气体也变得相当
冷，然后让压缩空气膨胀，使空气变得更冷，重复这一过程，空
气变得愈来愈冷，直到液化为止。
液态空气量多而且便宜，容易分成液态氧和液态氮。氧可用
于熔接用的小型吹管装置和医药的用途，氮在惰性情况下是有用
的。这样，用氮充满白炽灯泡，在金属缓慢发挥损坏它们前，该
灯丝比那些真空灯泡中的相同灯丝保持白炽的时间要长。液态空
气也可作为较少组分例如氢和其他稀有气体的来源。
直到1900年为止，氢在液化上抗住了所有努力。苏格兰的一
位化学家杜瓦使用了一种新方法才完成了此事。开尔文勋爵（W．
汤姆孙）和英国物理学家焦耳曾经指出，只要开始时的温度足够
低，即使在气体状态，简单地让气体膨胀并阻止热传给从外面进
来的气体，一种气体也能被冷却。因此杜瓦用液体氮环绕着容器，
将压缩的氢气冷至－200℃，再让此超冷的氢膨胀，进一步冷却。
然后将此氢经过管子导回容器，一而再地重复这个循环。压缩氢
受到焦尔—汤姆孙效应，终于在大约－240℃（33K）变成液体。
在更低的温度下，杜瓦设法得到了固态氢。
他发明了特殊的镀银玻璃来保存他的超冷的液体，此玻璃瓶
有两层壁，中间为真空。热量的散失（或得到）仅能经过真空，
以较缓慢的辐射过程来进行。而银镀层会将辐射反射进来（就此
而言，或反射出去）。这种杜瓦瓶就是现在家庭热水瓶的前身。
火箭燃料
随着火箭时代的来临，液化气体的位置一下就提升到新的吸
引人的高度。火箭需要极端快速的化学反应来产生巨大的能量，
最方便的燃料形式就是液态的易燃混合物，例如酒精或煤油和液
态氧。氧或某种可取代氧的氧化剂，必须在任何情况下皆能被火
箭携带，因为当火箭一离开大气层时，就再也得不到天然氧气的
供给了。而且携带的氧必须是液态，这是因为液态比气态密度大，
而且液态氧压人燃料槽的量比气态的多。于是液态氧已成为火箭
上十分重要的东西。
燃料和氧化剂混合物的效率由比冲量来量度。比冲量就是火
箭发动机的推力（公斤力）与其喷出质点每秒重量流量（公斤/
秒）的比值。对于煤油和氧的混合物，其比冲量等于242。因为
火箭可携带的有效负载取决于比冲量，所以人们渴望寻找最佳燃
料组成。从这一观点看，最佳液态燃料是液态氢。与液态氧混合，
它可以产生大约等于350的比冲量。如果液态臭氧或液态氟用以
代替氧，那么比冲量可提高到大约370。
某些轻金属，例如锂、硼、镁、铝，尤其是铍，它们与氧结
合，可释放出比氢更多的能量。但是，其中一些金属是稀少的，
并在燃烧时都包含有技术的困难——冒烟、氧化物沉积等等。
还有起自身氧化剂作用的固态燃料（像火药是第一种火箭推
进燃料，但更加有效）。因为它们不需要分开供应氧化剂，而仅
需要由一种推进燃料来组成，这种燃料称为单推进燃料。还需要
氧化剂的燃料是双推进燃料。革推进燃料容易储存与掌握，燃烧
快速但可控制。主要困难可能在于如何发展单推进燃料，使其比
冲量接近双推进燃料。
另一种可能就是使用朗缪尔在他的喷灯中用过的原子氢；已
经计算出氢原子再结合成分子所放出的能量，可使火箭发动机产
生超过1300的比冲量。主要的问题是如何储存原子氢，到目前最
有可能的希望似乎是在氢的自由原子形成之后，马上给予极快速、
极彻底的冷却。美国国家标准局的研究似乎指出，如果在极低温
度下，把自由氢原子俘获在固态物质——比方冻结的氧或氩中，
那样最好保存。比方说，如果我们一推按钮，就能让冻结的气体
开始变热而蒸发，那么氢原子会释放出来重新结合。即使这类固
体所能囚锢的自由氢原子仅占其重量的10％，这种燃料也将比现
在我们所有的任何一种燃料都好。但是，温度当然必须确实很低
——远比液态氢的温度低。这些固体需要保持在一272℃左右，
仅仅比绝对零度高1度。
在另一方面，完全存在着驱动离子向后的可能性（而不是燃
烧燃料的排出气体）。微小质量的单个离子将产生极小的冲量，
但可持续很长时期。借助化学燃料的强烈而短寿命的力先将飞船
送入轨道，然后在实质上并无摩擦力的空间介质中，飞船在离子
长时期冲击的推动下。缓慢加速到近于光速的速度。研究这种离
子驱动最好的物质是铯，它很容易失掉电子而形成铯离子。于是
可以设置一个电场来加速铯离子并射出火箭喷口。
超导体和超流体
再回到低温界。甚至氢的液化和固化也不代表最后的胜利。
到氢产生时，惰性气体已经发现，其中最轻的氦，在可达到的最
低温度仍然顽固地坚持不液化。直到1908年，荷兰物理学家昂内
斯终于征服了氦。他把杜瓦方法推进了一步，利用液态氢在压力
下将氦冷却至－255℃（18K），然后让氦膨胀来进一步冷却它自
身。借助此法，他液化了氦。然后再让液态氦蒸发，温度更为下
降，在常压下可液化氦（4．2K）。这个温度可使所有其他物质
都是固体。他甚至将温度降至绝对温度0．7K。昂内斯由于这项
低温的研究而得到了1913年的诺贝尔物理学奖。（现在，氦的液
化已是简单的事了。1947年，美国化学家柯林斯发明了低温恒温
器，通过交替的压缩、扩散，1小时内即可制造2加仑的液态氦。）
然而，昂内斯不只是达到了新的温度深度，他还第一个指出
那种低温状态下物质所存在的一些奇特性质，其中之一就是超导
性。在1911年，昂内斯在低温下试验汞的电阻，预期对电流的阻
力会平稳地减小，因为去掉热会使金属中原子的正常振动减慢。
但是在绝对温度4．12K，汞的电阻却突然完全消失了，电流流过
它没有丧失任何强度。很快地他又发现其他金属也具有超导性。
例如铅在绝对温度7．22K变成为超导体。在液氦的温度下，几百
安培的电流绕着铅圈流动，这样经过了两年半时间，没有可察觉
的减少量。
当使温度愈来愈低时，更多的金属加入超导名单，锡在绝对
温度3．7K变成超导；铝在绝对温度1．2K；铀在绝对温度0．8K；
钛在绝对温度0．53K；铪在绝对温度0．35K。
（目前所知大约有 1400种不同的元素或合金可呈现超导性。
但铁、镍、铜、金、钠和钾必定有更低的转变点——如果能使它
们成为超导——因为在达到最低温度时它们不曾转换到这种状态。
发现金属元素中锝的转变点最高，它在绝对温度11．2K下变为超
导体。）
低沸点的液体能够使浸在其中的物质保持在它的沸点温度。
要达到更低的温度，则必须借助更低沸点的液体。液态氢在绝对
温度20．4K沸腾。只有在寻找至少有这样高的转变点的超导物质
时，它才是最有用的。于是超导性只能在液态氢冷却的系统中研
究；若没有液态氢，只有一种更低沸点的液体——液态氦，更稀
少，更贵，更难掌握，但必须使用。少数合金，特别是那些含有
金属铌的合金，其转变温度比任何一种纯金属都要高。终于在
1968年发现了铌、铝、锗的合金，它在绝对温度21K时可保持超
导，这使在液态氢温度下的超导性成为可能——不过勉强刚够。
提及超导性的有效应用，立即会联想到与磁性有关。电流通
过绕线圈的铁心，可以产生强磁场；电流愈大，磁场愈强。可惜，
在通常条件下，电流愈大，所产生的热愈多，因此对可以做的事
情有一限制。然而用超导体线圈，电流通过不产生热量。似乎越
来越多的电流都可以塞入线圈，以产生从未有过的强电磁铁，而
所消耗的功率却只有正常条件下的一小部分，但是这里仍大有文
章。
伴随超导性产生的其他性质包括磁性。在物质变成超导的同
时，它也会变成完全的反磁性，也就是说它会排斥磁力线。这个
现象是德国物理学家迈斯纳在1933年首先发现的，因此称为迈斯
纳效应。通过制造够强的磁场，即使此时温度远低于它的转变点，
还是会破坏物质的超导性，而超磁性的希望也就随之破灭了。正
如一旦物质周围的磁力线聚集很多时，最终有一些磁力线会穿透
物质，而超导体亦会发生相同现象。
人们已着手寻找承受高磁场的超导物质。例如具有高达绝对
温度18K的锡－铌合金。它可以承受大约250000高斯的磁场，这
个强度确实是高的。在1954年发现这一事实。但是到1960年才研
究出制造这种通常脆性合金电线的技术。钒和镓的化合物可以做
得更好，已建成场强达500000高斯的超导电磁铁。
在氦中发现了另一种令人吃惊的低温下的现象，称为超流性。
氦是目前人们知道的即使在绝对零度也不能被冻结成固体的
惟一物质，有少量不能减少的内能，甚至在绝对零度，它也不可
能消除（所以实际上该内能是零点能），但却足够使这些极其
“不粘”的氦原子互相保持自由，因此呈现为液体。事实上，德
国物理学家能斯脱在1905年已指出，在绝对零度下，并非物质的
能量变为零，而是另一相关性质：熵为零。由于这项工作，能斯
脱得到了1920年的诺贝尔化学奖。然而我并不是说在任何情况下
固态氦都不存在。1926年，固态氦终于在低于绝对温度IK和大约
25个大气压下制成了。
1935年W．H．凯索姆设法完成了氦的固化，而他在昂内斯实
验室工作的姐姐A．P．凯索姆则发现液态氦低于绝对温度2．2K
时，几乎完全导热。它导热非常快——事实上，相当于声速——
致使氦的所有部分总是在相同的温度。它不会沸腾——其他一般
液体因为有局部的热点会形成蒸气泡——因为在液氦中没有局部
热点（如果液体在绝对温度2K下可以说热点的话）。当液氦蒸发
时，它的顶层平静地逃逸——可以说是一层一层蒸发掉的。
俄国物理学家卡皮察继续研究这个性质，发现氦导热的原因
是它非常容易流动，而且几乎是同时把热量由一部分带到另一部
分，其速度至少是第二最佳热导体钢的200倍。液氦甚至比气体
连容易流动，粘度仅为氢气的1／1000，且可流经气体无法通过
的微小孔隙。另外，该超流液体在玻璃上形成薄膜，并且在其上
的流动速度与它流经孔洞的速度一样快。如果装有这种液体的开
口容器置于所装液体高度较低的大容器中，超流体将越过玻璃边
缘而到达外面的容器，直到液体高度一样为止。
氦是惟一显示出超流现象的物质。事实上，超流体的性质与
高于绝对温度2．2K的氨本身的性质大不相同，所以另外取了一
个名字叫氦－Ⅱ，以区别于高于绝对温度2．2K叫做氦－Ⅰ的液氦。
因为只有氦才能允许从事接近绝对零度的研究，所以，它在
纯科学和应用科学中变得非常重要。大气的供给量是可忽略的，
最重要的来源是天然气，由地壳中铀和钍衰变所形成的氦有时会
渗入天然气井。目前所知蕴藏量最富的天然气并在墨西哥，其产
生的气体中有7．5％为氦。
低温学
由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞，物理学家们想尽办
法来接近绝对零度，并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。
在特殊情况下，利用液态氮的挥发，可产生绝对温度0．5K的低
温。（顺便说一下，在这种水平上的温度可以利用一些特殊的有
关电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小，利用某
种非超导体金属所制成电线的电阻大小，利用磁性的改变，甚至
可利用声音在氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还
不容易。）事实上，低于0．5K的温度利用1925年荷兰物理学家
德拜首先提出的方法已经测到。把顺磁物质（即能将磁力线集中
起来的物质）几乎紧靠着液态氮，中间隔着氦气，然后把整个系
统温度降到绝对温度大约1K。再把系统置于磁场中，顺磁物质的
分子会平行排列，并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氢
气移去。这时若把磁场移走，顺磁性分子会马上呈现混乱取向。
由有序到混乱取向过程中，分子必须吸收热量，而这惟一的热源
就是液态氦。因此，液态氦的温度下降。
可以一次又一次地重复该过程，每次都降低液氦温度——此
技术是由美国化学家吉奥克完成的。结果他得到了1949年诺贝尔
化学奖， 1957年以这种方法达到了绝对温度0．00002K。
1962年，德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使
用一种新装置达到更低温度的可能性。氦以两种类型存在：氦－
4及氦－3，平常它们完全混合在一起。但是当温度低于绝对温度
0．8K时，就会分开，氦－3在上层，部分的氦－3与氦－4在底层。
以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式，能
逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置，于1965年在苏联首
先被设计出来。
1950年，苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦－3其他的
性质深冷的方法；早在1934年，匈牙利血统的英国物理学家库提
也提出过利用类似吉奥克所利用的磁性，但这种磁性与原子核—
—原子的量内层结构——有关，而不是与整个原子和分子有关。
应用了这些新技术的结果，温度低到绝对温度0．000001K。
既然物理学家们发现他们已经达到绝对温度0．000001K，难道就
不能摆脱剩下的一点滴而最后达到目标本身吗？
不能，正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文
中所证明的那样（有时也称为热力学第三定律），绝对零度是不
可能达到的。无论我们如何降低温度，也只能将部分的熵移去。
在一般情况下，无论熵的总量如何，若欲移去一个体系中一半的
熵，其困难程度相同。从绝对温度300K（大约为室温）降至150K
（比南极所能达到的温度还低），与从绝对温度20K降至10K，其
难度是一样的。从绝对温度10K降至绝对温度5K或5K降至2．5K等
等亦然。现在已达到高于绝对零度百万分之一的低温，但若想从
百万分之一度降至其一半的温度，就像从绝对温度300K降至150K
一样困难。如果达到了，要从其百万分之一的一半温度再降到百
万分之一的四分之一，仍然同样地困难。这样继续下去无论怎样
似乎接近，但绝对温度还是处在无穷远的距离。
用该方式探求绝对零度的最后阶段，导致对极稀有物质氦－
3的仔细研究。氦本身在地球上并不常见；而且当它被分离出来
时，每 1000万个原子中只有 13个是氦－3。其余全是氦－4。
氦－3比氦－4原子稍微简单，且只有最常见变体质量的3／4。
氦－3的液化点在绝对温度3．2K，比氦－4整整低了1度。更有甚
者，起初认为氦－4在低于绝对温度2．2K可变为超流体，而氦－
3（虽然简单，但却是较少对称的分子）没有一点迹象。它是惟
一需要继续试验的。在 1972年，发现低于绝对温度 0．0025K时，
氦－3会变成超流体氦－Ⅱ。
高压
液化气体的工作开创了一个新的科学领域，更引起了大家对
于产生高压的兴趣。似乎把很多种类的物质（不仅气体）放在巨
大压力下，都可以显示出物体性质的基本信息，同时也显示出地
球内部的基本信息。例如，在地表下11公里（7英里）深处，压
力是1000大气压；644公里（400英里）深处是双万大气压；而在
3200公里（2000英里）深处，则是140万大气压；到64000公里
（4000英里）深的地心，就高达350万大气压。（当然，地球是
较小的行星。土星的中心压力，估计高于 5000万大气压；至于
更大的木星，则高达1亿大气压。）
在本19世纪的实验室里顶多能做到3000大气压左右，这是19
世纪叨年代由阿玛加特达到的。但是在1905年，美国物理学家布
里奇曼开始设计新的方法，立即达到2万大气压，把实验用的小
金属室给炸裂了。他采用更坚固的材料，终于成功地产生了50万
大气压。由于在高压方面的工作，他获得了1946年的诺贝尔物理
学奖。
在他的超高压力下，布里奇曼曾迫使物质的原子和分子更紧
密地排列，这种排列有时在除掉压力后，仍可被保留下来。例如，
他把普通非导电体的黄磷，变成了可导电的黑磷，甚至还使水产
生惊人的变化。普通冰比水的密度要低，利用高压，布里奇曼制
造出一系列的冰（冰－Ⅱ、冰－Ⅲ等等），它们的密度不仅比液
体水还高，而且温度也比正常水的冰点高。冰－Ⅶ在温度高于水
的沸点时是固体。
所有高压技术中最引人注目的就是金刚石。它是一种结晶碳，
就像石墨也是一种结晶碳一样。当一个元素以两种不同的形式出
现时，称为同素异形体，金刚石和石墨是该现象最引人注目的例
子。臭氧和普通氧是另一个例子。在前段曾经提到过的黄磷和黑
磷（还有红磷）也是一例。
同素异形体在外观、性质上似乎可以完全不同。大概，除了
煤和金刚石以外，再没有比石墨与金刚石更令人震惊的例子了。
（在化学上来说，无烟煤是一种含水分多的石墨型式）。
金刚石只不过是石墨（或煤）以不同的原子排列方式形成的，
乍看之下，这个观点似乎令人难以置信，但是金刚石的化学本质
早在1772年就由拉瓦锡及其他一些法国化学家证实了。他们合资
买了金刚石，然后把它加高温燃烧，发现所产生的气体是二氧化
碳。后来，英国化学家坦南特证明，所测得的二氧化碳总量，只
有在金刚石为纯碳时才有可能产生。这点和石墨是一样的；在
1799年，法国化学家莫尔弗把金刚石变成一堆石墨，证明这种说
法是正确的。
莫尔弗所做的不是一件合算的事，但是为什么事情不能反过
来呢？金刚石密度比石墨高了55％。为什么不能对石墨加压，使
它形成较密堆积的金刚石呢？
经过多方的努力，像炼金术士那样，许多实验者都报告取得
了成功。最有名的就是法国化学家穆瓦桑。在1893年，他把石墨
溶于熔融的铸铁中，并报导说，冷却后在里面发现了些小金刚石。
其中大部分的物质是呈黑色而又不纯的微小东西，但是有一颗却
是无色的而且几乎有1厘米长。该结果广为大家所接受，而且在
很长一段时间里，穆瓦桑甚至被认为己制造出了人造金刚石。然
而，他的结果从来没有人成功地重复过。
在合成金刚石的研究方面不是没有意外收获的。1891，年，
美国发明家艾奇孙在他认为可制成金刚石的情况下加热石墨，偶
然发现了碳化硅，他给它的商品名为金刚砂。经证明。除了金刚
石外，它比当时所知的任何物质都硬。这种物质已成为一种广泛
使用的研磨剂，即作为磨碎、磨光之用的物质。
研磨剂的效率取决于它的硬度。研磨剂可以抛光或磨蚀比它
较软的物质，而作为最硬的一种物质的金刚石，它在这方面可说
是相当有用的。各种物质的硬度通常以莫氏硬度来量度。这个硬
标是由德国矿物学家莫斯在1818年提出的。它按矿物编号，定义
滑石为1，而金刚石为10。具有某一标号的矿物能够在标号比它
小的任何一种矿物上划出刻痕。在莫氏硬度上，金刚砂给以标号
9。但刻度间隔并不相等。在绝对尺度上，标号10（金刚石）与
标号9（金刚砂）的差比标号9（金刚砂）和标号1（滑石）硬度
差大4倍。
对所有这些原因是不难看出的，在石墨中，碳原子以层状排
列。在每一单层中碳原子都是以棋盘格六角形排列，像浴室里贴
在地板上的瓷砖。每个碳原子以相同的方式与其他三个碳键连；
因碳属于小原子，所以与近邻键连坚固而紧密。这种棋盘形状的
布置很难拉断，但很薄易断开。这种棋盘形状布置，上层和下层
的距离较大，所以层与层之间的键连较弱，一层能够容易地在下
一层上滑动。由于这一原因，石墨不仅不特别硬，而且实际上可
以用作润滑剂。
然而金刚石中碳原子却全部都是绝对三维的对称排列。每个
碳原子与四个等距离的其他原子键连，四个碳的每一个都处在中
心为一个碳原子的四面体的顶点上，这是非常紧凑的排列，所以
金刚石实质上比石墨紧密。除在不可抗拒的力之下以外，在任何
方向也不会被拉断。其他原子也会采取金刚石结构，但其中以碳
原子最小，键连最紧。因此，金刚石比地表上的任何其他物质都
硬。
碳化硅中有一半的碳原子被硅取代。因为硅原子比碳原子大
得多，不能把近邻的原子拉得那么紧，因此键连就比较弱。这样，
碳化硅不像金刚石那么硬（虽然对很多用途，它已经算足够硬
了）。
在地表的环境下，碳原子的石墨比金刚石排列更稳定。因此，
金刚石有自发转变成石墨的趋势。然而，你没有某早上醒来发现
灿烂夺目的金刚石戒指隔夜变成毫无价值的石黑的危险，即使在
不稳定的碳原子排列中，仍然连接得如此紧密以致可能需要几百
万年才会发生变化。
这种稳定性的不同，使石墨变成金刚石更加困难。直到20世
纪对年代，化学家才经过努力达到把石墨变成金刚石需要的压力，
至少需要1万大气压以上才可出现转变，甚至有此高压，它的转
变仍极其缓慢，不能实现。升高温度虽会加速转变，但也提高了
压力的需求。在 1500℃，至少需要 3万大气压。所有这些都证
实穆瓦桑和他的同代人在他们所使用的条件下制造出金刚石的可
能性不会比炼金术士制造出黄金的可能性大。（有某种证据说明，
事实上，穆瓦桑是他的一个助手的受骗者，该助手厌倦于这项冗
长的实验，决定把一颗真金刚石放在铸铁混合物中，以结束这个
实验。）
借助布里奇曼原先达到实验所需的高温与高压所做的工作，
1955年，通用电气公司的科学家们终于完成了这项业绩。产生10
万以上大气压以及高达2500℃高温，此外还有少量的金属，例如
铬等，用于石墨上形成液体薄层。在该薄层上石墨转变成金刚石。
在1962年，可达到20万大气压和5000℃的温度。于是石墨直接转
变成金刚石，而且没有使用催化剂。
合成的金刚石用作宝石太小且不纯，但目前生产的是商业上
的磨料和切削工具等，合成金刚石确实是这类产品的主要来源。
到60年代末，偶然生成少量具有宝石等级的小金刚石。
使用这些方法所制成的一些较新的产品，可以弥补金刚石的
消耗。硼与氮的化合物（氮化硼），在性质上非常类似石墨（只
不过氨化硼是白色的而不是黑色的）。经受把石墨转变成金刚石
的这种高温和高压后，氨化硼会发生类似的转变。氮化硼的原子
可以从类似石墨的结晶排列转变成类似金刚石的排列。它的新形
式称为金刚石型氯化硼。其硬度约为金刚砂的4倍。此外，主要
的优点是更抗热。在900℃左右可将金刚石烧掉，但氨化硼却不
变化。
硼比碳少1个电子；氮又比碳多1个电子，两者相互组合，会
形成一种很类似碳－碳排列的情形，但离金刚石完美的对称性尚
有一段微小的差距；因此，金刚石型氨化硼不完全像金刚石那么
坚硬。
当然，布里奇曼关于高压的工作不是最后的定论。20世纪80
年代开始，卡内基技术学院的P．M．贝尔利用一种在两块金刚石
门塞入物质的装置，已设法达到大约150万大气压，超过了地心
压力的2／5。他相信这套仪器在金刚石崩溃以前，或许可以达到
1700万大气压。
加利福亚理工学院利用冲击波制造出的瞬间压力，大约高达
7500万大气压。
金属
在周期表中大部分元素都是金属。事实上，102种元素中，
只有大约20种可明确地看成非金属。然而，在人类历史上，金属
的使用却比较迟。其中一个原因是除了少数金属外，金属在自然
界都与其他元素结合成化合物，而且不容易辨认与提取。原始人
起初只使用那些经过简单加工，如刻、削、砍和磨，就能使用的
材料。这样他们的材料只限于兽骨、石块和木头。
最初，人们可能是通过发现陨石、小块黄金或含有铜矿的石
头在燃烧后的灰烬中留下的金属铜，才认识了金属。无论是哪一
种情况，好奇（或幸运）的人们发现这些陌生的新物质，研究使
用它们的方法，发现它们有许多优点。金属不同于岩石，当磨光
时，它有吸引人的光泽。它可打成薄片和拉成丝，还可以被熔化，
灌入模子中凝固。它比岩石漂亮多了，可塑性较强，适于作装饰
品。很可能
远在金属得到其他应用以前它们就已经被用来铸成装饰品了。
因为金属稀有而且吸引人，又不会随着时间而改变，所以这
些金属在它们变成公认的交换媒介之前就已被当作珍贵的东西以
物易物了。起初一块块的金属（金、银或铜）在买卖交易上，必
须分开称重。但到了公元前700年，在小亚细亚的赖狄亚王国和
爱琴海上的厄吉那岛，发行了一种铸有官方政府标记且具标准重
量的金属，这就是沿用至今的硬币。
发现有些金属可做成比石头更锐利的切削工具，即使用来砍
毁石斧砍不动的东西仍能保持锋刃后，全属才站住了脚。此外，
金属很坚韧，你使用力打击，木棍或石斧破裂了，类似大小的金
属物体却只稍微变形。这些优点，大大补偿了金属比石头重且较
难得到的缺点。
较大量得到的第一种金属是铜。这种金属在公元前 4000年
就已被使用了。铜本身制成的武器或铠甲太软（尽管它能制成美
丽的装饰），但发现它通常与少量砷或锑形成的合金却比纯金属
还硬。在铜矿样品中，且发现含有锡。铜—锡合金（青铜）对做
武器是足够硬的。人们很快就学会有意地往铜里加锡。大约公元
前3000年在埃及与西亚，和公元前200O年的东南欧。青铜时代取
代了石器时代。荷马史诗中的《伊利亚特》和《奥德赛》成为这
时期文化的纪念。
很早以前人们就知道铁和青铜一样，但在一段很长的时间内，
陨石是它惟一的来源。直到发现了冶炼铁矿的方法可大量获得生
铁后，铁才不再是一种贵重的金属。困难在于怎样处理足够热的
炉火，怎样用适当的方法把碳加入铁中、以及怎样使它变得更坚
硬成为现在所谓的钢。约在公元前1400年，于小亚细亚的某处首
先出现了熔铁技术，后来才慢慢发展传播开来。
因为用铁铸成的剑可以砍断青铜制品，所以一个以铁器武装
的军队可以击溃以青铜器武装的军队、小亚细亚的赫梯族首先在
某种程度上使用铁制武器，曾统治西亚较长一段时间。在公元前
800年，亚述人才继之而起。他们有完全使用铁制武器的部队，
统治西亚、埃及长达两个半世纪。大约在同时，多利安人入侵希
腊，打败抱住青铜武器不放的阿凯亚人，把铁器传入欧洲。
铁和钢
铁基本上是由铁矿（通常是二氧化二铁）和碳加热而得到的。
碳原子夺去三氧化二铁中的氧，而留下块状的纯铁。在古代所用
的温度不足以使铁熔化，因此产品是一种坚韧而可借助锤击做成
所需形状的金属——这就是熟铁。在中世纪才大规模炼铁。当时
使用了一种专门的炉子得到较高的熔化铁的温度。这种熔融的铁，
可灌入模子，形成铸体，又称铸铁。它比熟铁更便宜也更硬，但
它很脆不能锤击。这两种铁需要量的增加，导致大规模森林的砍
伐，例如英国就曾把它的森林消耗在炼铁炉里。1780年，英国铁
匠达比指出，焦炭（碳化了的煤）效果与木炭（碳化了的木材）
一样好，甚至更好。在这方面减轻了对森林的压力，从而开始了
长达一个多世纪的煤为主要能源的时期。
迟至18世纪，多亏法国物理学家列奥米尔，化学家们才认识
到，原来是碳的含量支配着铁的韧度和硬度。要增强这些性质，
碳的含量应该在0．2％～1．5％之间，于是制成了钢。钢的硬度、
韧度一般都比铸铁或熟铁强。但是，直到19世纪中期，才能借助
小心增加适量的碳到熟铁（它本身比较贵）中这种繁杂的过程制
造出高品质的钢。因此，钢仍然是一种奢侈的金属，只能用在不
能找到代替品的地方——如剑和弹簧等。
英国工程师贝色麦引进了钢的时代。起初他对大炮和射弹很
有兴趣。为了使大炮能射得更远、更准确，他发明了膛线系统。
法国拿破仑三世对此也相当有兴趣，并且提供了进一步实验的经
费。但是后来一位法国炮兵指出，贝色麦所构想的膛线系统会损
毁当时所使用的铸铁大炮。贝色麦很懊恼，便转而研究如何生产
更高强度铁的问题。他完全不懂冶金学，因此带着一种很好奇的
心理来接触这个问题。由于铸铁的碳含量关系，所以是脆的。因
此，问题在于如何来减低碳的含量。
为什么不能使用边熔化铁边送气的方法把碳燃烧掉呢？乍看
起来，这似乎是个非常荒谬的观念。吹空气难道不会使熔融的金
属冷却面凝固吗？贝色麦努力以各种方式去尝试，发现实际上完
全相反。当空气使碳燃烧时，燃烧放出热量，铁的温度会上升，
而不是下降。假如这样，碳就恰好烧掉了。通过适当地控制，可
以制造出大量的钢，价格也较便宜。
1856年，贝色麦公布了他的鼓风炉。铁匠们都兴致盎然地采
用这种方法。后来他们发现这样只能生产次等钢，就很生气地放
弃了它。贝色麦发现工业用的铁矿中含有磷（而磷在他自己的矿
石样品中是没有的）。虽然贝色麦向铁匠们解释是磷辜负了他们，
但他们仍拒绝再次受骗。因此，贝色麦只好借钱，然后在设菲尔
德建立自己的钢铁工厂。他从瑞典进口不含磷的铁矿，快速生产
钢，再以低于其他铁匠的价钱出售。
1875年，英国冶金学家托马斯发现，在鼓风炉里村以石灰石
和镁氧，便可容易地把磷从熔融的铁中除去。此后，几乎任何铁
矿均能用来炼钢。1868年，德国出生的英国发明家西门子研究出
乎护法，在平炉里将生铁与铁矿一起加热，这种过程也能够控制
磷的含量。
于是人类进入了钢铁时代，钢铁时代不再只是说说而且。若
没有钢，摩天大楼、吊桥、大船、铁路和许多其他现代建筑物的
建造几乎是不可思议的。尽管其他金属不断增加，但在许多日常
用途中，从汽车车身到刀子，钢仍被认为是较好的金属。
（认为任何个别的进展都能导致人类生活方式发生巨大的改
变是错误的，这种改变总是全部彼此有关的进展相互结合的结果。
