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荷蘭物理學家昂尼斯首次液化了最後一種永久氣體氦

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【歷史上的今天】在100多年前的今天,1908年7月10日 (農曆六月十二),荷蘭物理學家昂尼斯首次液化了最後一種永久氣體氦。

荷蘭物理學家昂尼斯首次液化了最後一種永久氣體氦

卡末林•昂尼斯(Kamerlingh Onnes)是低溫物理學家,1853年9月21日生於荷蘭的格羅寧根,1926年2月21日卒於荷蘭的萊頓。因製成液氦和發現超導現象1913年獲諾貝爾物理學獎。

1882年,29歲的昂尼斯被任命爲萊頓大學物理學教授和物理實驗室負責人。當時物理學正處在一個轉變的時代,人們越來越重視物理實驗。昂尼斯在擔任萊 頓大學物理實驗室負責人後,就決定把研究低溫物理作爲主攻方向。受範德瓦爾斯工作的影響,昂尼斯研究了液體和氣體在很廣的壓強和溫度範圍內 的一般熱力學特性。爲了從實驗上支持範德瓦爾斯的氣體理論,特別是“對應態定律”,昂尼斯設法將測量範圍擴大到可能達到的最低溫度。實驗發現,爲了使氣體液化,就要壓 縮氣體,並使它降溫至臨界溫度以下。如果允許氣體推動活塞對外做功,或通過向真空膨 脹做功,就會發生進一步的冷卻,從而導致一些氣體的液化。爲了獲得低溫,必須使樣品 放熱。最方便的辦法就是把樣品浸入一種液化了的氣體中。當液化氣體氣化時,樣品就會 不斷地放出熱量。爲了使難液化的氦液化,昂尼斯精心設計了一個系統。利用一個液氫蒸 發外套來使氦降溫,然後,再節流膨脹,從而使一部分氦液化。

要進行低溫方面的實驗,首先就要獲得低溫。低溫要靠液化氣體獲得。當時只有氫和氦還沒有被 液化。英國物理學家杜瓦從1877年開始研究,經過二十多年,於1898年液化了氫。昂尼斯領導的萊頓大學物理實驗室爲了滿足低溫研究的需要,於 1892~1894年建成了大型的液化氧、氮和空氣的工廠,1906年可以大量生產液氫,爲液化氦打下了堅實的基礎。又經過兩年奮鬥,終於在1908年7 月10日成功地液化了氦。爲在液氦溫度下研究物質的性質創造了條件。

提起1908年使氦液化的那 令人難忘的一天時,昂尼斯說道:“當把液氦呈現給我的朋友範德瓦爾斯時,我真是太高興了,是他的理論把我一直引導到最後勝利。”

金屬的電阻問題是昂尼斯的一個重要研究課題。當時對金屬的電阻在絕對零度附近如何變化,有不同的說法,有人認爲純金屬的電阻應隨溫度的降低而逐漸變小, 並最終在絕對零度消失。昂尼斯最初相信的是開爾文1902年提出的另一種觀點,即隨着溫度的降低,金屬的電阻在達到一極小值後,會由於電子凝聚到金屬塬子 上而變爲無限大。昂尼斯由於掌握了液化氦的技術,因而具備了從實驗上研究這一問題的條件。1911年2月,他測量了金和鉑在液氦溫度下的電阻,發現在 4.3K以下,鉑的電阻保持爲一常數。而不是通過一極小值後再增大。因此他改變了塬來的看法,而認爲純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。

爲了檢驗他的看法,選擇了汞作爲實驗對象,因爲汞比其他金屬容易提純。實驗結果出現了令人意想不到的奇特現象:汞的電阻在4.2K左右突然消失。這一非同尋常的發現,不僅預示着在電力工業中可以大大提高發電效率, 而且爲人們利用這種超導電性製造超導電機、超導磁鐵和超導電纜等開闢了廣闊的天地。1911年4月~11月,昂尼斯在連續叄篇論文中詳細地報道了他的實驗結果。

1913年,昂尼斯又發現錫和鉛也具有和汞一樣的超導電性,不純的汞也具有超導電性。因對物質低溫性質的研究和液氦的製備,昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes 1853~1926) 被授予了1913年度諾貝爾物理學獎。由於昂尼斯對萊頓大學物理實驗室的出色領導和管理,使該實驗室成了本世紀初全世界低溫研究的中心。

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