相信大家都知道，有一種很懶的氣體，一般不與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須降到足夠低的溫度時(shí)它才會(huì)液化，沒(méi)錯(cuò)，說(shuō)的就是氦氣。液氦被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。
世界上第一個(gè)制成液氦的科學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯，同時(shí)也創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)人造低溫的世界記錄，幾乎達(dá)到絕對(duì)零度。
他也因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，被同行尊稱為“零度先生”。今天我們就來(lái)了解昂內(nèi)斯制成液氦的過(guò)程。
教授矢志攻難關(guān)
卡末林·昂內(nèi)斯是正宗的“富二代”，父親是工廠廠長(zhǎng)，母親有藝術(shù)家的天賦，姐姐是當(dāng)時(shí)的畫(huà)家。昂內(nèi)斯中學(xué)時(shí)對(duì)文學(xué)很感興趣，是學(xué)校公認(rèn)的小詩(shī)人。后來(lái)，他在廣泛的閱讀中對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，總想弄清看不見(jiàn)摸不著的氣體。
1870年，17歲的昂內(nèi)斯中學(xué)畢業(yè)后，沒(méi)有像母親期盼那樣進(jìn)入藝術(shù)學(xué)院進(jìn)修，而是選擇了格羅寧根大學(xué)攻讀物理學(xué)。后來(lái)，由于成績(jī)優(yōu)異，他轉(zhuǎn)入德國(guó)著名的海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)。在那里，他遇到了著名的物理學(xué)家基爾霍夫和化學(xué)家羅伯特·威廉·本生，并與他們結(jié)下了深厚的師生之緣。
有名師指導(dǎo)，青年昂內(nèi)斯信心滿滿。1882年他受聘為萊頓大學(xué)物理學(xué)教授之后，就想改善物理實(shí)驗(yàn)室向低溫實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)軍。
為了招來(lái)科技人才，1884年夏，荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授卡末林·昂內(nèi)斯向上級(jí)提交了一個(gè)重要的報(bào)告，里面提到了一個(gè)建議：希望學(xué)校重視人才的儲(chǔ)備和培養(yǎng)，除了招攬科技人才比如國(guó)外的學(xué)者外，還要?jiǎng)?chuàng)建一所技工學(xué)校，讓學(xué)生們參加學(xué)校的實(shí)驗(yàn)研究，爭(zhēng)取制造液氫、液氦等，在世界性的低溫實(shí)驗(yàn)角逐中領(lǐng)先一步。
零度先生!世界上第一個(gè)制成液氦的科學(xué)家
報(bào)告里的低溫實(shí)驗(yàn)研究，科學(xué)根源來(lái)自英國(guó)物理學(xué)家法拉第。
實(shí)驗(yàn)改善再攻關(guān)
昂內(nèi)斯提交的報(bào)告得到批準(zhǔn)，校方同意他改善實(shí)驗(yàn)室裝備，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模。自此，他每天早出晚歸，在做低溫試驗(yàn)的同時(shí)，還要參加技工學(xué)校籌備會(huì)議，與來(lái)訪學(xué)者面談，給學(xué)生上課。
技工學(xué)校建成后，培養(yǎng)了大量的玻璃技師，不但滿足了荷蘭本國(guó)的需要，還被聘請(qǐng)到其它國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作。此外，技工學(xué)校畢業(yè)的技師對(duì)本國(guó)的工業(yè)發(fā)展起到很大的促進(jìn)的作用。
1894年，在昂內(nèi)斯組織下，萊頓大學(xué)建立液態(tài)氣體(如液氫)制造工廠和低溫實(shí)驗(yàn)館樓。通過(guò)工業(yè)規(guī)模建立實(shí)驗(yàn)室，這在世界歷史上尚屬首次。
自此，物理學(xué)由手工業(yè)方式走向規(guī)模研究水平。荷蘭也因昂內(nèi)斯的研究一躍進(jìn)入當(dāng)時(shí)的科技強(qiáng)國(guó)之列。
有了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，昂內(nèi)斯的氣體液化研究實(shí)驗(yàn)之路就通暢多了。某天，他從雜志上看到一則消息：英國(guó)皇家研究所的物理學(xué)家杜瓦在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了氫氣的液化和固化，本以為實(shí)驗(yàn)已達(dá)到低溫的極限，但發(fā)現(xiàn)氦氣還留在殘余空氣中，用很多方法都沒(méi)制得液氦。
“氦氣不能液化，根本原因應(yīng)該是低溫過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)問(wèn)題與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模有關(guān)。可能杜瓦的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模太小。”經(jīng)過(guò)分析，昂內(nèi)斯得出這樣的結(jié)論。
這個(gè)結(jié)論是有科學(xué)依據(jù)的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)物理學(xué)家們主要通過(guò)液體蒸發(fā)及其它辦法來(lái)獲得低溫。科學(xué)原理很多人都知道，問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)比較講究：一是需要技術(shù)裝備，有些裝備還要制造;二是規(guī)模要大，最基礎(chǔ)的是要提供電力。
“零度先生”挑極限
很顯然，萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓館有這個(gè)實(shí)力。1908年7月10日下午13：30，萊頓大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)樓館三樓的液化中心，昂內(nèi)斯和助手們緊張地盯著氦氣溫度計(jì)，不想錯(cuò)過(guò)指示器的一丁點(diǎn)變化。他們采用液態(tài)氫降溫預(yù)冷來(lái)制取液氦的方法，之前已把20升液態(tài)氫小心翼翼地灌入氦液化器中，液態(tài)氫帶動(dòng)氦氣循環(huán)流動(dòng)就會(huì)帶來(lái)低溫。
之所以要小心翼翼，是因?yàn)楣嘌b過(guò)程中只要有微量空氣混入即會(huì)前功盡棄。昂內(nèi)斯讓助手們時(shí)而調(diào)節(jié)壓力，時(shí)而加大膨脹活塞的力度，以期促進(jìn)液化器工作。時(shí)間一分一秒地流逝。液態(tài)氫都快用完了，氦氣溫度計(jì)的指示器還是一動(dòng)不動(dòng)。
晚上19：30，一位在旁邊觀看的教授突然提醒，溫度計(jì)里的氦氣是不是也被液化了，所以指針才不動(dòng)，不如直接用探照燈看看恒溫器吧。
一語(yǔ)驚醒夢(mèng)中人。昂內(nèi)斯當(dāng)即照辦，結(jié)果讓他喜出望外——實(shí)驗(yàn)恒溫器幾乎裝滿液體，從液面旁邊的刻度看，高度有60厘米。
經(jīng)過(guò)專業(yè)測(cè)試，液體溫度達(dá)零下269攝氏度。這個(gè)低溫下的液體，只可能是液氦!
成功了!24年努力沒(méi)有白費(fèi)!
很快，昂內(nèi)斯通過(guò)類似實(shí)驗(yàn)把溫度降低到零下272.11攝氏度。這個(gè)溫度離人類所能達(dá)到的最低溫度273.15攝氏度——絕對(duì)零度只差1.04攝氏度。同行們尊稱他為“零度先生”。他也因此獲得1913年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
獲得成功的昂內(nèi)斯沒(méi)有自滿，而是平靜地投入到極低溫狀態(tài)下金屬電阻的研究中。對(duì)此，當(dāng)時(shí)有兩種說(shuō)法，即金屬的電阻無(wú)限增加或無(wú)限減少。孰是孰非，只能用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)話。
他先用鉑絲做樣品，結(jié)果極低溫度下電阻出現(xiàn)反常。學(xué)生猜測(cè)是鉑絲里有雜質(zhì)，他用當(dāng)時(shí)純度最高的金屬水銀代替，發(fā)現(xiàn)降到零下268攝氏度時(shí)，水銀的電阻消失。
1911年11月25日，昂內(nèi)斯公開(kāi)作了《水銀電阻消失速度的突變》的報(bào)告。此后，他又發(fā)現(xiàn)錫、鉛等金屬在極低溫下電阻情況也與水銀類似。
于是，他撰文宣稱：“這些材料在低溫下進(jìn)入了一種新的狀態(tài)，這種狀態(tài)具有特殊的電學(xué)性質(zhì)，是一種超導(dǎo)現(xiàn)象。”“超導(dǎo)”一詞產(chǎn)生了，沿用至今。
昂內(nèi)斯由于低溫研究并成功制取液氦揚(yáng)名西方，并在19位提名者中脫穎而出，最終獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
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