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    挑戰(zhàn)低溫極限的“絕對零度先生”

    2015-01-12 06:25:06代佳
    科學(xué)啟蒙 2014年2期
    關(guān)鍵詞:內(nèi)斯氦氣預(yù)冷

    代佳

    氦是目前為止已知化學(xué)性質(zhì)最不活潑的元素,幾乎不能和其他任何元素化合,常態(tài)下也極難液化,必須在溫度降到足夠低時才能液化。荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯是第一個成功把氦液化的人,被尊稱為“絕對零度先生”。那么,究竟要冷到什么程度,氦才能液化?昂內(nèi)斯又是怎樣成功挑戰(zhàn)這個低溫極限的呢?

    好奇心激發(fā)挑戰(zhàn)欲望

    19世紀(jì)初,英國皇家研究所研究員杜瓦利用低溫技術(shù)對多種氣體進(jìn)行了一次系統(tǒng)的液化實驗,溫度達(dá)到零下253攝氏度,實現(xiàn)了包括氫在內(nèi)氣體的液化。他本以為實現(xiàn)了所有氣體的液化,但接著卻發(fā)現(xiàn)氦還殘存在器皿中。

    這件事傳到了荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯的耳朵里。昂內(nèi)斯從小就對各種事物充滿好奇心,萬事都要在心里問個為什么。他心想:為什么零下253攝氏度氦還沒有被液化?難道還沒有到達(dá)低溫極限?

    “怎樣的低溫才是極限呢?”昂內(nèi)斯對此強(qiáng)烈好奇,決心挑戰(zhàn)這個“低溫堡壘”,把最后一個不肯變成液體的氦也變成液體。

    為了獲得能使氦氣液化的低溫,昂內(nèi)斯采用了當(dāng)時世界物理學(xué)界的“液體蒸發(fā)”和“氣體節(jié)流膨脹”的低溫獲得原理進(jìn)行實驗,并花了很多精力去改進(jìn)他的實驗室設(shè)備,使之由初具規(guī)模發(fā)展到后來居上。

    同時,昂內(nèi)斯還廣招科技人員,把來自國內(nèi)外的學(xué)者集中到他的周圍,并于1894年建成了后來聞名于世的萊頓低溫實驗室。

    為了得到液態(tài)氦,昂內(nèi)斯帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊做了無數(shù)次實驗。遺憾的是,這些實驗都沒有取得成功,他們挑戰(zhàn)的低溫極限也只達(dá)到氫的液化溫度,也就是零下253攝氏度。

    孜孜不倦獲得成功

    “有沒有更高明的降溫辦法呢?”由于多次試驗未果,昂內(nèi)斯試圖開發(fā)一種新的降溫方法,于是,帶領(lǐng)他的團(tuán)隊孜孜不倦地干了14年。期間,昂內(nèi)斯嘗試了許多種方式,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所改進(jìn)的一些方式還不如以往的降溫方式好,甚至不能降到氫氣的液化溫度。對此,昂內(nèi)斯一籌莫展。

    “還好,我們之前已經(jīng)能達(dá)到零下253攝氏度的低溫了!”研究員們見昂內(nèi)斯如此頹廢,紛紛安慰他說。

    “已經(jīng)達(dá)到零下253攝氏度了嗎?”由此,昂內(nèi)斯靈光一現(xiàn),想到“氦氣液化”試驗中的一個重要步驟,也就是預(yù)冷環(huán)節(jié),一直以來大家都是用液態(tài)空氣預(yù)冷,空氣的液化溫度僅為零下192攝氏度,氫氣的液化溫度為零下253攝氏度,為什么不采用溫度更低的液氫預(yù)冷呢?

    為了做好這個“關(guān)鍵性”的實驗,昂內(nèi)斯做了極其細(xì)致的準(zhǔn)備工作,他事先對氦的液化溫度做了理論估算,并儲備了大量的氦氣和液氫以備實驗所需。

    1908年7月10日,昂內(nèi)斯和他的團(tuán)隊開始了實驗。大家極其小心地把準(zhǔn)備好的液態(tài)氫逐漸灌入氦液化器中,這個過程進(jìn)行了很久,因為大家清楚用液氫預(yù)冷要極其小心,如果有微量的空氣混入系統(tǒng)整個實驗就會前功盡棄。實驗沒出什么問題,當(dāng)氦氣完全進(jìn)入氦液化器的時候,液化器進(jìn)入了之前從未達(dá)到過的低溫狀態(tài)。

    然而,很長時間過去了,中心恒溫器的指示器卻沒有任何變化。這樣,研究人員無從知道實驗結(jié)果。

    “中心恒溫器是用氦做溫度指示。那么,是不是氦溫度計本身的氦也被液化了呢?”正在大家準(zhǔn)備宣告實驗失敗之時,一位聞訊趕來觀看實驗的教授提醒道。

    昂內(nèi)斯茅塞頓開,立即帶領(lǐng)工作人員查看了氦溫度計。結(jié)果發(fā)現(xiàn)確如教授所言。

    這次實驗讓昂內(nèi)斯獲得了60厘米的液氦,并了解到氦的液化溫度必須達(dá)到零下268.9攝氏度。然而,他的目標(biāo)不僅在于獲得更低的溫度,而是探討在極低溫條件下物質(zhì)的各種特性,并于1911年在研究金屬的電阻時發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的“超導(dǎo)現(xiàn)象”。

    ??恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯(1853—1926),荷蘭物理學(xué)家,超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者,低溫物理領(lǐng)域開拓者,雅號“絕對零度先生”。他創(chuàng)建了聞名世界的低溫研究中心——萊頓實驗室。1908年,他成功液化氦氣;1911年,他發(fā)現(xiàn)了物體的超導(dǎo)性;1913年,他獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

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