氦的液化和超导电性的发现

氦的液化和超导电性的发现

发现的背景

1823年法拉第第一次观察到液化氯，其后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。

1873年，范德瓦耳斯（Van der Waals）在他的博士论文“气态和液态的连续性”中，提出了包括气态和液态的“物态方程”，即范德瓦耳斯方程。

1877年，盖勒德（L.P.Caillettet）和毕克特（P.P.Pictet）分别在法国和瑞士同时实现了氧的液化。

1880年，范德瓦耳斯又提出了“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，英国皇家研究所杜瓦的（J.Dewar）于1898年实现了氢的液化和固化。

1895年德国人林德（C.V.Linde）和英国人汉普逊（Ｗ.Hampson）利用焦耳－汤姆生效应（即节流膨胀效应）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。

但是经过多年努力，用了许多办法都未能实现氦的液化。

人物介绍

卡末林-昂纳斯Heike Kamerlingh Onnes

1853-1926

荷兰莱顿大学低温物理学家

超导电性的发现者

1913年诺贝尔物理学奖

-因对低温下物质特性的研究，特别是这些

图12.1 卡末林-昂纳斯

研究导致了液氦的生产

1853年9月21日出生于荷兰格罗宁根一位砖窑主的家庭里。

1870年进入格罗宁根大学，第二年即获科学学士学位。

l878年通过考试获科学硕士学位。

1879年以论文“地球旋转的新证据”获博士学位。

1882年他被任命为莱顿大学的实验物理和气象学教授。他在莱顿大学建立了低温实验室，二十世纪之初，莱顿低温实验室成了世界闻名的低温研究中心。卡末林-昂纳斯三十岁成为阿姆斯特丹皇家科学院院士。他是国际液化协会的创始人之一。

1926年2月21日卡末林-昂纳斯在莱顿逝世，享年73岁。

卡末林-昂纳斯的主要科学成就是全面研究了低温下物质特性的研究，这些研究导致了液氦的生产和超导电性的发现。他很重视培养人才，为此创立了一所技工学校，让学生晚上学习，白天在实验室工作。他培养的玻璃技师不但满足了本国的需要，还受聘到许多国家的物理实验室工作，为发展低温物理学和真空技术作出了贡献。卡末林-昂纳斯还广招科技人员，包括来自国外的访问学者，集中到他的周围。

发现的过程

卡末林-昂纳斯以极大的精力改善了实验室装备，使之由初具规模发展到后来居上。莱顿低温实验室于1894年建立了能大量生产液氢和其它气体（包括氦气）的工厂和一栋规模甚大的实验楼馆。他以工业规模建立实验室，这在历史上还是第一次。就是从这里开始，物理学由手工业方式走向现代的大规模水平。图12.2是卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图。

图12.2 卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图

1908年7月10日,卡末林-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。它标志着20世纪“大科学”首次登台，初战告捷。卡末林-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，预计是在5-6K。氦气大量储备，有充足的供应。液氢是自制的。在实验前一天，制备了75升液态空气备用。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，如果有很微量的空气混入系统就会前功尽弃。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器的工

作，温度计都似动非动，很难作出判断。这时液氢已近告罄，仍然没有观察到液氦的迹象。晚7点半，眼看实验要以失败告终，有一位闻讯前来观看的教授向卡末林-昂纳斯建议说，会不会是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？昂纳斯茅塞顿开，立即照办。结果使他喜出望外，原来中心恒温器中几乎充满了液体，光的反射使人们看到了液面。

这次卡末林-昂纳斯共获得了60cc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1.38-1.04K。

发现的突破点

卡末林－昂纳斯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，对于卡末林-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，而且直到20年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温实验室拥有大规模液氢生产设备，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。而正是从各种金属的电阻随温度变化的关系打开了通向超导电性的道路。所以超导电性的发现对于卡末林-昂纳斯来说，又是必然的。

对科学史的影响

超导电性具有重要的应用价值，可以利用在临界温度附近电阻率随温度快速变化的规律制成超导温度计，其灵敏度极高；可以利用电阻消失的效应传输强大的电流，制造超导磁体、超导加速器和超导电机等；可以利用超导体的磁悬浮效应可制造无摩擦轴承和悬浮列车等；超导电性的约瑟夫森效应则已广泛用于基本常量、电压和磁场的测定、微波和红外线的探测等等电子学领域，取得了良好的效益。

趣闻轶事

莱顿低温实验室的经验

1882年，卡末林-昂纳斯担任莱顿大学实验物理学教授。他在就职时发表了著名的就职演说，题为“定量测量在物理学中的重要性”。他说道：“物理学能创造获得新的物质的手段，并且对我们的实验哲学思维有着巨大的影响，但只有当物理学通过测量和实验去夺取新的疆土时，它才会在我们今天社会的思维和工作中占有重要的地位”，“我喜欢把‘通过测量获得知识’这个座右铭贴在每个物理实验室的大门上”。他以这种精神在实验物理学的研究中取得了卓越的成就。他建立了低温实验室，使氦的温度降低到0.9K以下，结果获得了前所未有的最接近于绝对零度的低温。正是这些低温研究使卡末林-昂纳斯发现了超导电性。后来他的学生凯松（W.H.Keesom）和德哈斯（W．J．de Haas）在该实验室继续实验，得到了更接近于绝对零度的低温。

莱顿低温实验室赢得了日益重大的国际声誉。有许多外国科学家曾来到莱顿大学，在这个实验室短期或较长期地工作。他们不仅有卡末林-昂纳斯的合作者，还有其他来自世界各地的学者和技师，研究或学习的主要课题是低温学。实