[科目]  物理

[关键词]  物理科普/超导

[文件]  wlkp38.doc

[标题]  超导

[内容]

超　　导

氦的液化和超导电性的发现,十九世纪后半叶，在研究气体的性质随压强和温度变化的关系上，荷兰物理学家作出了重要贡献。
    1873年，范德瓦尔斯（Wzdcr Waals）在他的博士论文《态和液态的连续注》中，提出了包括气态和液态的“物态方程”，即范德瓦尔斯方程。
    1880年，范德瓦尔斯又提出了“对应态定律”，进一步得到物态方程的普遍形式。在他的理论指导下，英国人杜瓦（Dewar）于1898年实现了氢的液化。他所在的荷兰莱顿大学发展了低温实验技术，建立了低温研究所。这个研究所的创始人就是著名低温物理学家昂纳斯（Onnes，1853一1926）。
    1882年昂纳斯应聘担任菜顿大学实验物理学教授，发表题为《定己测量在物理学中的重要性》的就职演说，他化了极大气力，以前所未有的规模装备低温研究所的实验室，举办训练技师和玻璃的技术学校，创办《莱顿大学物理实验室通讯》杂志，为低温实验技术和低温物理学的发展作出了贡献。

氦的液化

    自从1813年法拉第第一次观察到疲化氯以来，各种气体的液化和更低温度的实现一直是实验物理学的重要课题。但实验的规模始终不能满足需要。1894年，盖勒德队（Cailleiiei）和毕克特（Piciet）分别在法国和瑞士同时实现了氯的液化。
    1895年德国人林德（LLind）和英国人汉普逊（HamPson）利用焦耳一汤姆生效应（即多孔塞效应）开始大规模地生产液氧和液氮。著名的林德机成了低温技术的基本设备。
    几年后，英国皇家学院的杜瓦实现了氢的农化和固化．本来以为达到了低温的极限，但接着发现调还存留庄残余气体中。他想了许多办法，经过多年努力，终未能实现氦的衣化。
    昂纳斯决心攻克这一低温堡垒。荷兰莱顿大学比起英国皇家学院，条件当然要差得多，经验也可能不足，但是昂纳斯有足够的氦气，有配合默契的技术班子，特别是低温设备规模之大，使他有可能实现氦的液化。
    1908年7月10日是一个具有历史意义的日子。这一天，昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。这一天值得大书特书，因为氦的液化不仅是昂纳斯和莱顿实验室的重大胜利，也是二十世纪物理学发展中的一件大事。因为它标志着二十世纪“大科学”首次登台，初战告捷。
    昂纳斯的准备工作极其细致，他事先对氦的液化温度作了理论估算，预计在5-6℃，氦气大量储备，有充足的供应。液氢是目制的。在实验前一天，制备了75升液态空气备用。7月10日凌晨5时许，20升液态氢已准备好，逐渐灌入氦液化器中。用液氢预冷要极端小心，如果行很微囊的空气混人事统就会前功尽弃。下午一时半，全部灌进氦液化器，开始令氦气循环。液化器中心的恒温器开始进入从未达到过的低温，这个温度只有靠氦气温度计指示。然而很长时间看不到指示器有任何变化。人们调节压力、改变膨胀活塞，用各种可能采取的措施促进液化不断的工作，温度计都似动不动，很难作出判断。这时液氢已近告窑，仍然没有观下到入氦点半，眼看实验要以失败告终，有一位远讯前来观看的教授向昂纳斯建议说：会不会氦温度计本身的氦气也液化了，是不是可以从下面照亮容器。看看究竟如何？昂纳斯顿开茅塞，立即照办。结果使他喜出望外，原来中心液化器中几乎充满了液体，光的反射使人们看到了液面。这次昂纳斩共获得了60cL的液氦。达到了4．3K的低温。他们又经过多次实验，第二年达到38.1。
    尽管一直没有实现氦的固化，却为超导电性的发现作好了必要的准备。
    超导电性的发现，昂纳斯的目标不仅在于获得更低的温度，实现气体的液化和固化，他更注意探讨在极低温条件下物质的各种特性。金属的电阻是他的研究对象之一。当时对金属电阻在接近绝对零点时的变化，众说纷纸，片测不一。根据经典理论，纯金属的电阻应随湿窒的降低而逐渐降低，在绝对零窒时达到零。不少人认为，理论不一定适用于极低温，当温室降低时，金属电阻可能先达一极小值，再重新增加，因为自由电子也许会凝聚在原子上。
    按照这种看法，绝对零匿下的金属电阻 有可能无限增加。两种看法的预言截然相反，孰是孰非，唯有实验才 能作出判断。 昂纳忻先是用铂丝作测试样品，测k电阻靠惠斯顿电桥。测出的拍电阻先是随温度下降，但是到液氦 温室（七3K）以下时，电阻的变化却出现了平缓。于是昂纳斯和他的学生克莱（Clay）在1908年发表论 文讨论了这一现象。他们认为是杂质对铂电阻产生了影响，致使铂电阻与温度尤关湖果金属纯净到没有杂质，它的电阻应该绍慢地向零趋近。 为了检验自己的判断是否正确，昂纳斯寄希望于 比铂和金更纯的水银。水嚷是当时能够达到最高纯度的金寓，因为采用连续蒸馏法可以做到这一点，。 昂纳斯的水银管如图1．这是一沮U形毛细营，内径只有V20毫米，反复提纯过的水银在真空伏态下 注入管中，水银降温后即凝固形成金属线。最难处理的问题是如何防上玻璃管在温度变化时破裂，于是就 精Jc‘设计了贮存水银样品的U形音。从图、可见，在 U形管上端没有贮液器， 以适应水银体帜的变化。 在电阻两头设有四个端 点，分别为电流接头和电位接头，电位接头又由铂 丝引出。 1911年斗月的一天， 昂纳斯让他的助手霍尔斯特（c。 Holsi）进行这项 实验。水银样品浸于氦恒 温槽中。恒定电流流经样 品。测量电位接头引出的电位差。出乎他们的预 料，当温度降至氦的沸点 （4．2【】以下时，电位差突然降到了零。会不会是线路中出现了短路？在查找短 路原因的过程中，霍尔斯特发现当温度回升到今K以上时，短路立即消失。再度降温，仍出现短路现象。即使 重接线路也无济干事。于是他立即向昂纳斯报告。昂纳斯起先也不相信，自己又多次重复这个实验：终于认 识到这正是电阻消失的真正效应。品纳斯在1911年斗月28日宣布了这一发现。此 时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。！、月25日他作了《水银电阻消 失速度的突变》的报告，明确地给出了水银电阻（与帘图2水银宅阻尖降为零 报告中说： 。 “测量表明，从氢的融点直到氦的沸点附近，曲线呈现出电阻下降速度通常表现的那种逐渐降低的现 象， ……在略高于与略低于沸点处，即从七29K到今．21K之间也可清楚看出电阻育同样的逐渐变化的趋 势。但是在年．21K与4．19K之间，电阻却咸小得极快，并在乎．19K处完全消失。” 在赐K，1913年间，民纳斯又发现了锡（h）在 3．8K电阻突降为零的现象，随后发现铅也有类似效 应，转变差匣估计为6K（后来证实为人20．N！二年、帛纳斯宣称，这些材料在低温下“进入了一种新的 状态，这种伏态具有特殊的电学性质。”趄导一词就是昂纳斯命名的。 昂纳斩进而研究杂质对超导的影响，出乎他的意 料，在水银中加杂质并不影响迢导现象的出现＼看来，昂纳所为了试验最纯的金属，选用了水银）却偶然地发 现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象——超导电性。 。 然而，对于昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然， 因为第一，他首先实现了氦的液化，而且亘到二十年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温 研究所有大规模的液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物 质的各种特性，特别是电阻的变化。所以超导电性的发现对于昂纳斯来说，又是必然的。 昂纳斯因对低温下物质性质的研究，特别是液虱的制备祆1913年诺贝尔物理奖。他是继洛仑兹、塞曼 和范德瓦尔斯之后荣获这一最高科学荣誉的第四位荷耸物理学家。