向“低溫”進(jìn)軍

韓吉辰

低溫與我們的生活有密切關(guān)系，低溫既有危害，又能被利用來(lái)為人類(lèi)服務(wù).下面請(qǐng)韓教授細(xì)細(xì)道來(lái).

奇妙的“低溫世界”

數(shù)九寒天，北風(fēng)刺骨，天寒地凍.我國(guó)北方地區(qū)氣溫在零下20多攝氏度，而在地球的兩極則更寒冷，最冷的地方在南極，為零下88．3攝氏度，被稱(chēng)為“世界寒極”.在月球的陰面，溫度為零下160攝氏度，而在宇宙深處則更低，達(dá)零下270攝氏度左右.

那么，寒冷到底有沒(méi)有盡頭呢？科學(xué)家回答：有，這就是“絕對(duì)零度”，為零下273．15攝氏度，用0 K表示.這個(gè)“絕對(duì)零度”是理論上的數(shù)值，科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)正在一步步地向它逼近，在1958年他們達(dá)到距離“絕對(duì)零度”只有五萬(wàn)分之一攝氏度的區(qū)域，又經(jīng)過(guò)十幾年的艱苦努力，終于創(chuàng)造了比“絕對(duì)零度”僅僅高億分之三攝氏度的新紀(jì)錄.

低溫就像一位神奇的魔術(shù)師，使物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生很大變化，溫度越低則魔法越神奇，這些與我們的生活有著密切關(guān)系呢.

空氣在零下190攝氏度時(shí)會(huì)變成淺藍(lán)色液體，屬超低溫世界，如果把雞蛋放進(jìn)去，它會(huì)產(chǎn)生淺藍(lán)色的熒光，摔在地上會(huì)像皮球一樣彈起來(lái)；鮮艷的花朵放進(jìn)去，會(huì)變成玻璃一樣光閃閃的，輕輕一敲發(fā)出“當(dāng)”的聲音，重敲竟碎了……

金屬也怕冷

金屬在低溫時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變得松散，稱(chēng)為“金屬的冷脆現(xiàn)象”.1913年，俄羅斯的一支南極探險(xiǎn)隊(duì)，由于裝汽油的鐵箱是用錫焊的，一遇低溫，焊錫變成粉末，汽油漏光，結(jié)果探險(xiǎn)隊(duì)的隊(duì)員全部遇難.后來(lái)凡是到南極、北極或嚴(yán)寒地區(qū)，油箱一律不許用錫焊.不但錫怕寒冷，金屬鋁、鎂甚至鋼鐵，也都害怕嚴(yán)寒.1938年和1940年，在比利時(shí)先后發(fā)生兩座鐵橋在嚴(yán)寒中轟然坍塌的事故，這就是由金屬的冷脆現(xiàn)象引起的.只有金屬銅和一些合金（比如鋁合金、鈦合金）不怕低溫，所以在低溫設(shè)備上，例如盛液態(tài)空氣的容器，常常使用金屬銅來(lái)制造.

這種金屬的冷脆現(xiàn)象也可以為人類(lèi)造福.比如戰(zhàn)場(chǎng)上布滿(mǎn)地雷，探雷器可以找到它，但是排雷卻很危險(xiǎn)，如果將液態(tài)空氣撒到這些地方，溫度急劇下降，地雷中的金屬?gòu)椈删蜁?huì)變脆失去彈性，從而導(dǎo)致地雷不能再爆炸.我們知道，一般粉碎機(jī)很難將硬度高、彈性大的材料粉碎，而用冷脆技術(shù)，不僅可以迅速粉碎這些材料，而且還可以控制顆粒大小.在電爐煉鋼中，大部分原材料是回收的廢鋼，這些廢鋼的大小厚薄輕重都相差懸殊，在進(jìn)爐前必須進(jìn)行粉碎，而這一直是個(gè)難題.過(guò)去用1 400攝氏度的電弧來(lái)切割，很費(fèi)力，又污染環(huán)境，現(xiàn)在利用低溫冷脆技術(shù)，一小時(shí)可以粉碎30噸，還可以大大減少污染.

在食品工業(yè)、中草藥加工、醫(yī)療、涂料制造業(yè)等方面，低溫技術(shù)也廣有用途.清除海上石油污染是一大難題，現(xiàn)在設(shè)計(jì)出低溫清污法，從漂浮的石油層下噴灑液氮，水面上石油迅速凝結(jié)成顆粒，再將這些顆粒鏟走，這樣不僅對(duì)于水中的生物沒(méi)有任何影響，還可以很好地保護(hù)海洋環(huán)境.

“超導(dǎo)現(xiàn)象”顯神威

低溫魔術(shù)師最出色的表演，當(dāng)數(shù)“超導(dǎo)現(xiàn)象”.1911年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·翁納斯在低溫實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度降至零下269攝氏度時(shí)（液氦溫區(qū)），水銀的電阻忽然消失了.這就是“超導(dǎo)現(xiàn)象”，原來(lái)超低溫使物質(zhì)變成了新物態(tài)——超導(dǎo)態(tài).

接著人們又做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，用金屬鉛做成一個(gè)圓環(huán)，放入接近絕對(duì)零度的超低溫儀器中，這時(shí)鉛的電阻消失了.在環(huán)中通上電流，然后截?cái)嚯娫?，將整套儀器封閉起來(lái).兩年以后，人們把儀器打開(kāi)，測(cè)量環(huán)中的電流強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有什么變化！原來(lái)“超導(dǎo)環(huán)”的電阻為零，幾乎沒(méi)有一點(diǎn)能量損失，所以環(huán)中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經(jīng)久不衰！

多年來(lái)，人們一直在尋找能用來(lái)傳輸電流的超導(dǎo)材料，因?yàn)橐饬x太重大了，那將引起電力工業(yè)的一場(chǎng)劃時(shí)代的革命.因?yàn)槟壳笆澜缟系碾娔芗s有四分之一損耗在輸電線路上，如果使用沒(méi)有電阻的超導(dǎo)材料做輸電線路，再采用一些絕熱技術(shù)，就實(shí)現(xiàn)了“無(wú)損耗輸電”，實(shí)際上等于增加了發(fā)電量.在世界能源緊張的今天，這可是一筆可觀的財(cái)富?。?/p>

各國(guó)都在抓緊時(shí)間研究低溫超導(dǎo)材料，這一研究不斷傳來(lái)好消息.我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)液態(tài)氮溫區(qū)(零下170攝氏度)的超導(dǎo)材料.另外還發(fā)現(xiàn)溫區(qū)較高的一些合金或無(wú)機(jī)材料，但制造工藝比較復(fù)雜，成本比較高.

“超導(dǎo)材料”走向?qū)嵱?/p>

科學(xué)家利用“超導(dǎo)材料”，制成了小巧的“冷子管”.冷子管的構(gòu)造并不復(fù)雜，它是由兩根彼此絕緣、互相交叉的鉭絲和镎絲浸在液態(tài)氦中制成.冷子管體積很小，非常省電，100萬(wàn)個(gè)冷子管只需0.5瓦電源即可.由冷子管制成的電子微波放大器，是最靈敏的儀器.因?yàn)樗梢员苊夥肿訜狎}動(dòng)帶來(lái)的誤差，使微波得到有效的放大，精密度極高.目前科學(xué)家利用它來(lái)測(cè)量從極其遙遠(yuǎn)的星球射來(lái)的微弱光線，探索宇宙的秘密.

最近科學(xué)家設(shè)計(jì)制造出實(shí)用“超導(dǎo)電纜”，利用一種合金氧化物（釔鋇銅氧）制成幾毫米的帶子，纏繞在裝有流動(dòng)液氮的管子上，再加上幾層絕熱層，一根“超導(dǎo)電纜”就制成了，目前成本是200美元／千安·米-1，價(jià)格昂貴.日本則用一種二硼化鎂制成了“超導(dǎo)電纜”，成本大大降低，為1美元／千安·米-1，但是技術(shù)要求很高，要求在液氦溫區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo).“超導(dǎo)電纜”的輸電能力是銅的3~4倍，具有較高的使用價(jià)值.

當(dāng)前低溫超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用很廣泛，“超導(dǎo)磁體”是其中最重要的一方面.把超導(dǎo)金屬絲繞成線圈，降至超低溫以后通上電流，利用電流的磁效應(yīng)就制成了“超導(dǎo)磁體”.超導(dǎo)磁體沒(méi)有電阻，就沒(méi)有熱損耗，很容易產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，而且非常節(jié)省電，5萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)只需幾百瓦功率的電源.過(guò)去一個(gè)產(chǎn)生5萬(wàn)高斯強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體質(zhì)量通常達(dá)20噸，而利用超導(dǎo)磁體，質(zhì)量只有幾千克，就是再加上制冷絕熱設(shè)備，也還是輕得多.

“超導(dǎo)磁體”的一個(gè)重要用途，是解決了“受控?zé)岷朔磻?yīng)”的“容器”難題.原來(lái)熱核反應(yīng)——核聚變，必須在近億攝氏度的高溫下才能進(jìn)行，那么使用什么“容器”能承受這么高的溫度呢？利用“超導(dǎo)磁體”產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，形成一個(gè)神奇的“磁瓶”，可以約束“熱核反應(yīng)”在其中進(jìn)行.原來(lái)在近億攝氏度的溫度下，氫原子變成一個(gè)個(gè)帶電粒子，強(qiáng)大的磁場(chǎng)可以阻止它們外溢.

“超導(dǎo)磁體”的另一大貢獻(xiàn)，是使磁懸浮火車(chē)成為現(xiàn)實(shí).1971年西德制成了世界第一列磁懸浮火車(chē)，速度達(dá)到500公里/時(shí)，現(xiàn)在，只要看看報(bào)紙或電視，就可以發(fā)現(xiàn)，世界各國(guó)（包括我國(guó)）都在爭(zhēng)相修建高速磁懸浮列車(chē)專(zhuān)線呢！不久的將來(lái)，你可以坐上速度400多公里/時(shí)的超導(dǎo)磁懸浮火車(chē)旅行，早晨從北京出發(fā)去上海，辦完事，晚上可以坐火車(chē)返回北京，比乘飛機(jī)還方便呢！

“超導(dǎo)現(xiàn)象”在電力、交通、國(guó)防、探礦、醫(yī)療、核能等方面都有巨大的潛在用途，前景非常廣闊.“低溫魔術(shù)師”的威力真是無(wú)窮無(wú)盡，我們要充分研究利用它的“魔力”，更好地為人類(lèi)服務(wù)！