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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 元素·气体·超导体和超流体
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:52:10 星期六), 站内信件



　　　　　　            超导体和超流体


　　再回到低温界。甚至氢的液化和固化也不代表最后的胜利。
到氢产生时，惰性气体已经发现，其中最轻的氦，在可达到的最
低温度仍然顽固地坚持不液化。直到1908年，荷兰物理学家昂内
斯终于征服了氦。他把杜瓦方法推进了一步，利用液态氢在压力
下将氦冷却至－255℃（18K），然后让氦膨胀来进一步冷却它自
身。借助此法，他液化了氦。然后再让液态氦蒸发，温度更为下
降，在常压下可液化氦（4．2K）。这个温度可使所有其他物质
都是固体。他甚至将温度降至绝对温度0．7K。昂内斯由于这项
低温的研究而得到了1913年的诺贝尔物理学奖。（现在，氦的液
化已是简单的事了。1947年，美国化学家柯林斯发明了低温恒温
器，通过交替的压缩、扩散，1小时内即可制造2加仑的液态氦。）

　　然而，昂内斯不只是达到了新的温度深度，他还第一个指出
那种低温状态下物质所存在的一些奇特性质，其中之一就是超导
性。在1911年，昂内斯在低温下试验汞的电阻，预期对电流的阻
力会平稳地减小，因为去掉热会使金属中原子的正常振动减慢。
但是在绝对温度4．12K，汞的电阻却突然完全消失了，电流流过
它没有丧失任何强度。很快地他又发现其他金属也具有超导性。
例如铅在绝对温度7．22K变成为超导体。在液氦的温度下，几百
安培的电流绕着铅圈流动，这样经过了两年半时间，没有可察觉
的减少量。

　　当使温度愈来愈低时，更多的金属加入超导名单，锡在绝对
温度3．7K变成超导；铝在绝对温度1．2K；铀在绝对温度0．8K；
钛在绝对温度0．53K；铪在绝对温度0．35K。

　　（目前所知大约有 1400种不同的元素或合金可呈现超导性。
但铁、镍、铜、金、钠和钾必定有更低的转变点——如果能使它
们成为超导——因为在达到最低温度时它们不曾转换到这种状态。
发现金属元素中锝的转变点最高，它在绝对温度11．2K下变为超
导体。）

　　低沸点的液体能够使浸在其中的物质保持在它的沸点温度。
要达到更低的温度，则必须借助更低沸点的液体。液态氢在绝对
温度20．4K沸腾。只有在寻找至少有这样高的转变点的超导物质
时，它才是最有用的。于是超导性只能在液态氢冷却的系统中研
究；若没有液态氢，只有一种更低沸点的液体——液态氦，更稀
少，更贵，更难掌握，但必须使用。少数合金，特别是那些含有
金属铌的合金，其转变温度比任何一种纯金属都要高。终于在
1968年发现了铌、铝、锗的合金，它在绝对温度21K时可保持超
导，这使在液态氢温度下的超导性成为可能——不过勉强刚够。

　　提及超导性的有效应用，立即会联想到与磁性有关。电流通
过绕线圈的铁心，可以产生强磁场；电流愈大，磁场愈强。可惜，
在通常条件下，电流愈大，所产生的热愈多，因此对可以做的事
情有一限制。然而用超导体线圈，电流通过不产生热量。似乎越
来越多的电流都可以塞入线圈，以产生从未有过的强电磁铁，而
所消耗的功率却只有正常条件下的一小部分，但是这里仍大有文
章。

　　伴随超导性产生的其他性质包括磁性。在物质变成超导的同
时，它也会变成完全的反磁性，也就是说它会排斥磁力线。这个
现象是德国物理学家迈斯纳在1933年首先发现的，因此称为迈斯
纳效应。通过制造够强的磁场，即使此时温度远低于它的转变点，
还是会破坏物质的超导性，而超磁性的希望也就随之破灭了。正
如一旦物质周围的磁力线聚集很多时，最终有一些磁力线会穿透
物质，而超导体亦会发生相同现象。

　　人们已着手寻找承受高磁场的超导物质。例如具有高达绝对
温度18K的锡－铌合金。它可以承受大约250000高斯的磁场，这
个强度确实是高的。在1954年发现这一事实。但是到1960年才研
究出制造这种通常脆性合金电线的技术。钒和镓的化合物可以做
得更好，已建成场强达500000高斯的超导电磁铁。

　　在氦中发现了另一种令人吃惊的低温下的现象，称为超流性。

　　氦是目前人们知道的即使在绝对零度也不能被冻结成固体的
惟一物质，有少量不能减少的内能，甚至在绝对零度，它也不可
能消除（所以实际上该内能是零点能），但却足够使这些极其
“不粘”的氦原子互相保持自由，因此呈现为液体。事实上，德
国物理学家能斯脱在1905年已指出，在绝对零度下，并非物质的
能量变为零，而是另一相关性质：熵为零。由于这项工作，能斯
脱得到了1920年的诺贝尔化学奖。然而我并不是说在任何情况下
固态氦都不存在。1926年，固态氦终于在低于绝对温度IK和大约
25个大气压下制成了。

　　1935年W．H．凯索姆设法完成了氦的固化，而他在昂内斯实
验室工作的姐姐A．P．凯索姆则发现液态氦低于绝对温度2．2K
时，几乎完全导热。它导热非常快——事实上，相当于声速——
致使氦的所有部分总是在相同的温度。它不会沸腾——其他一般
液体因为有局部的热点会形成蒸气泡——因为在液氦中没有局部
热点（如果液体在绝对温度2K下可以说热点的话）。当液氦蒸发
时，它的顶层平静地逃逸——可以说是一层一层蒸发掉的。

　　俄国物理学家卡皮察继续研究这个性质，发现氦导热的原因
是它非常容易流动，而且几乎是同时把热量由一部分带到另一部
分，其速度至少是第二最佳热导体钢的200倍。液氦甚至比气体
连容易流动，粘度仅为氢气的1／1000，且可流经气体无法通过
的微小孔隙。另外，该超流液体在玻璃上形成薄膜，并且在其上
的流动速度与它流经孔洞的速度一样快。如果装有这种液体的开
口容器置于所装液体高度较低的大容器中，超流体将越过玻璃边
缘而到达外面的容器，直到液体高度一样为止。

　　氦是惟一显示出超流现象的物质。事实上，超流体的性质与
高于绝对温度2．2K的氨本身的性质大不相同，所以另外取了一
个名字叫氦－Ⅱ，以区别于高于绝对温度2．2K叫做氦－Ⅰ的液氦。

　　因为只有氦才能允许从事接近绝对零度的研究，所以，它在
纯科学和应用科学中变得非常重要。大气的供给量是可忽略的，
最重要的来源是天然气，由地壳中铀和钍衰变所形成的氦有时会
渗入天然气井。目前所知蕴藏量最富的天然气并在墨西哥，其产
生的气体中有7．5％为氦。





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