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世界上第一桶液氮的诞生:相当之奇妙
2020-07-03 23:15:24  出处:蝌蚪五线谱  作者:魏德勇 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接

相信大家都知道,有一种很懒的气体,一般不与其它物质发生化学反应,必须降到足够低的温度时它才会液化,没错说的就是氦气。液氦被广泛运用于各个领域。

世界上第一个制成液氦的科学家卡末林·昂内斯,同时也创造了当时人造低温的世界记录,几乎达到绝对零度。他也因此获诺贝尔物理学奖,被同行尊称为“零度先生”。

教授矢志攻难关

卡末林·昂内斯是正宗的“富二代”,父亲是工厂厂长,母亲有艺术家的天赋,姐姐是当时的画家。昂内斯中学时对文学很感兴趣,是学校公认的小诗人。后来,他在广泛的阅读中对物理学产生浓厚的兴趣,总想弄清看不见摸不着的气体。

1870年,17岁的昂内斯中学毕业后,没有像母亲期盼那样进入艺术学院进修,而是选择了格罗宁根大学攻读物理学。

后来,由于成绩优异,他转入德国著名的海德堡大学学习。在那里,他遇到了著名的物理学家基尔霍夫和化学家罗伯特·威廉·本生,并与他们结下了深厚的师生之缘。

有名师指导,青年昂内斯信心满满。1882年他受聘为莱顿大学物理学教授之后,就想改善物理实验室向低温实验研究进军。

为了招来科技人才,1884年夏,荷兰莱顿大学的物理学教授卡末林·昂内斯向上级提交了一个重要的报告,里面提到了一个建议:希望学校重视人才的储备和培养,除了招揽科技人才比如国外的学者外,还要创建一所技工学校,让学生们参加学校的实验研究,争取制造液氢、液氦等,在世界性的低温实验角逐中领先一步。

世界上第一桶液氮的诞生:相当之奇妙
环境优美的莱顿大学 (来源:留学网)

报告里的低温实验研究,科学根源来自英国物理学家法拉第。

实验改善再攻关

昂内斯提交的报告得到批准,校方同意他改善实验室装备,扩大实验室的规模。自此,他每天早出晚归,在做低温试验的同时,还要参加技工学校筹备会议,与来访学者面谈,给学生上课。

技工学校建成后,培养了大量的玻璃技师,不但满足了荷兰本国的需要,还被聘请到其它国家实验室工作。此外,技工学校毕业的技师对本国的工业发展起到很大的促进的作用。

1894年,在昂内斯组织下,莱顿大学建立液态气体(如液氢)制造工厂和低温实验馆楼。通过工业规模建立实验室,这在世界历史上尚属首次。

自此,物理学由手工业方式走向规模研究水平。荷兰也因昂内斯的研究一跃进入当时的科技强国之列。

世界上第一桶液氮的诞生:相当之奇妙
莱顿低温实验馆楼一角(来源:文摘网)

有了强有力的实验基础,昂内斯的气体液化研究实验之路就通畅多了。某天,他从杂志上看到一则消息:英国皇家研究所的物理学家杜瓦在实验中实现了氢气的液化和固化,本以为实验已达到低温的极限,但发现氦气还留在残余空气中,用很多方法都没制得液氦。

“氦气不能液化,根本原因应该是低温过程中出现的技术问题。技术问题与实验室规模有关。可能杜瓦的实验室规模太小。”经过分析,昂内斯得出这样的结论。

这个结论是有科学依据的。因为当时物理学家们主要通过液体蒸发及其它办法来获得低温。科学原理很多人都知道,问题是实验比较讲究:一是需要技术装备,有些装备还要制造;二是规模要大,最基础的是要提供电力。

“零度先生”挑极限

很显然,莱顿大学实验楼馆有这个实力。1908年7月10日下午13:30,莱顿大学低温实验楼馆三楼的液化中心,昂内斯和助手们紧张地盯着氦气温度计,不想错过指示器的一丁点变化。

他们采用液态氢降温预冷来制取液氦的方法,之前已把20升液态氢小心翼翼地灌入氦液化器中,液态氢带动氦气循环流动就会带来低温。

之所以要小心翼翼,是因为灌装过程中只要有微量空气混入即会前功尽弃。

昂内斯让助手们时而调节压力,时而加大膨胀活塞的力度,以期促进液化器工作。

时间一分一秒地流逝。液态氢都快用完了,氦气温度计的指示器还是一动不动。

世界上第一桶液氮的诞生:相当之奇妙
在4.2K(开度)下正在沸腾的液态氦(来源:物理双月刊网)

晚上19:30,一位在旁边观看的教授突然提醒,温度计里的氦气是不是也被液化了,所以指针才不动,不如直接用探照灯看看恒温器吧。

一语惊醒梦中人。昂内斯当即照办,结果让他喜出望外——实验恒温器几乎装满液体,从液面旁边的刻度看,高度有60厘米。

经过专业测试,液体温度达零下269摄氏度。这个低温下的液体,只可能是液氦!

成功了!24年努力没有白费!

很快,昂内斯通过类似实验把温度降低到零下272.11摄氏度。这个温度离人类所能达到的最低温度273.15摄氏度——绝对零度只差1.04摄氏度。

同行们尊称他为“零度先生”。他也因此获得1913年度诺贝尔物理学奖。

世界上第一桶液氮的诞生:相当之奇妙
昂内斯的诺贝尔奖官方照片(来源:物理双月刊网)

获得成功的昂内斯没有自满,而是平静地投入到极低温状态下金属电阻的研究中。

对此,当时有两种说法,即金属的电阻无限增加或无限减少。孰是孰非,只能用实验结果来说话。他先用铂丝做样品,结果极低温度下电阻出现反常。

学生猜测是铂丝里有杂质,他用当时纯度最高的金属水银代替,发现降到零下268摄氏度时,水银的电阻消失。

1911年11月25日,昂内斯公开作了《水银电阻消失速度的突变》的报告。此后,他又发现锡、铅等金属在极低温下电阻情况也与水银类似。

于是,他撰文宣称:“这些材料在低温下进入了一种新的状态,这种状态具有特殊的电学性质,是一种超导现象。”“超导”一词产生了,沿用至今。

昂内斯由于低温研究并成功制取液氦扬名西方,并在19位提名者中脱颖而出,最终获得诺贝尔物理学奖。

与此同时,澳大利亚的一位年轻人在晶体中的X射线衍射现象上取得重要进展,并获得1914年度诺贝尔物理学奖。

他是谁?有何精彩故事?……欲知后事如何,且听下集分解。

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【参考资料】

1. 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君

2. 图书《权谋:诺贝尔科学奖的幕后》,中文版杨建军译,2005年上海科教出版社出版

3. 论文《百年诺贝尔物理学奖探析》,《物理》2002年第10期,作者仲伟纲、丰建淑

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