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荷兰物理学家昂尼斯首次液化了最后一种永久气体氦

中华五千年 2021-07-10 20 浏览 0 评论

在107年前的今天,1908年7月10日(农历六月十二),荷兰物理学家昂尼斯首次液化了最后一种永久气体氦。

卡末林•昂尼斯(KamerlinghOnnes)是低温物理学家,1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根,1926年2月21日卒于荷兰的莱顿。因制成液氦和发现超导现象1913年获诺贝尔物理学奖。

1882年,29岁的昂尼斯被任命为莱顿大学物理学教授和物理实验室负责人。当时物理学正处在一个转变的时代,人们越来越重视物理实验。昂尼斯在担任莱顿大学物理实验室负责人后,就决定把研究低温物理作为主攻方向。受范德瓦尔斯工作的影响,昂尼斯研究了液体和气体在很广的压强和温度范围内的一般热力学特性。为了从实验上支持范德瓦尔斯的气体理论,特别是“对应态定律”,昂尼斯设法将测量范围扩大到可能达到的最低温度。实验发现,为了使气体液化,就要压缩气体,并使它降温至临界温度以下。如果允许气体推动活塞对外做功,或通过向真空膨胀做功,就会发生进一步的冷却,从而导致一些气体的液化。为了获得低温,必须使样品放热。最方便的办法就是把样品浸入一种液化了的气体中。当液化气体气化时,样品就会不断地放出热量。为了使难液化的氦液化,昂尼斯精心设计了一个系统。利用一个液氢蒸发外套来使氦降温,然后,再节流膨胀,从而使一部分氦液化。

要进行低温方面的实验,首先就要获得低温。低温要靠液化气体获得。当时只有氢和氦还没有被液化。英国物理学家杜瓦从1877年开始研究,经过二十多年,于1898年液化了氢。昂尼斯领导的莱顿大学物理实验室为了满足低温研究的需要,于1892~1894年建成了大型的液化氧、氮和空气的工厂,1906年可以大量生产液氢,为液化氦打下了坚实的基础。又经过两年奋斗,终于在1908年7月10日成功地液化了氦。为在液氦温度下研究物质的性质创造了条件。

提起1908年使氦液化的那令人难忘的一天时,昂尼斯说道:“当把液氦呈现给我的朋友范德瓦尔斯时,我真是太高兴了,是他的理论把我一直引导到最后胜利。”

金属的电阻问题是昂尼斯的一个重要研究课题。当时对金属的电阻在绝对零度附近如何变化,有不同的说法,有人认为纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐变小,并最终在绝对零度消失。昂尼斯最初相信的是开尔文1902年提出的另一种观点,即随着温度的降低,金属的电阻在达到一极小值后,会由于电子凝聚到金属塬子上而变为无限大。昂尼斯由于掌握了液化氦的技术,因而具备了从实验上研究这一问题的条件。1911年2月,他测量了金和铂在液氦温度下的电阻,发现在4.3K以下,铂的电阻保持为一常数。而不是通过一极小值后再增大。因此他改变了塬来的看法,而认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。

为了检验他的看法,选择了汞作为实验对象,因为汞比其他金属容易提纯。实验结果出现了令人意想不到的奇特现象:汞的电阻在4.2K左右突然消失。这一非同寻常的发现,不仅预示着在电力工业中可以大大提高发电效率,而且为人们利用这种超导电性制造超导电机、超导磁铁和超导电缆等开辟了广阔的天地。1911年4月~11月,昂尼斯在连续叁篇论文中详细地报道了他的实验结果。

1913年,昂尼斯又发现锡和铅也具有和汞一样的超导电性,不纯的汞也具有超导电性。因对物质低温性质的研究和液氦的制备,昂尼斯(HeikeKamerlinghOnnes1853~1926)被授予了1913年度诺贝尔物理学奖。由于昂尼斯对莱顿大学物理实验室的出色领导和管理,使该实验室成了本世纪初全世界低温研究的中心。

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