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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 元素·气体·低温学
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:52:14 星期六), 站内信件



　　　　　　            低温学


　　由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞，物理学家们想尽办
法来接近绝对零度，并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。
在特殊情况下，利用液态氮的挥发，可产生绝对温度0．5K的低
温。（顺便说一下，在这种水平上的温度可以利用一些特殊的有
关电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小，利用某
种非超导体金属所制成电线的电阻大小，利用磁性的改变，甚至
可利用声音在氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还
不容易。）事实上，低于0．5K的温度利用1925年荷兰物理学家
德拜首先提出的方法已经测到。把顺磁物质（即能将磁力线集中
起来的物质）几乎紧靠着液态氮，中间隔着氦气，然后把整个系
统温度降到绝对温度大约1K。再把系统置于磁场中，顺磁物质的
分子会平行排列，并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氢
气移去。这时若把磁场移走，顺磁性分子会马上呈现混乱取向。
由有序到混乱取向过程中，分子必须吸收热量，而这惟一的热源
就是液态氦。因此，液态氦的温度下降。

　　可以一次又一次地重复该过程，每次都降低液氦温度——此
技术是由美国化学家吉奥克完成的。结果他得到了1949年诺贝尔
化学奖， 1957年以这种方法达到了绝对温度0．00002K。

　　1962年，德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使
用一种新装置达到更低温度的可能性。氦以两种类型存在：氦－
4及氦－3，平常它们完全混合在一起。但是当温度低于绝对温度
0．8K时，就会分开，氦－3在上层，部分的氦－3与氦－4在底层。
以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式，能
逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置，于1965年在苏联首
先被设计出来。

　　1950年，苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦－3其他的
性质深冷的方法；早在1934年，匈牙利血统的英国物理学家库提
也提出过利用类似吉奥克所利用的磁性，但这种磁性与原子核—
—原子的量内层结构——有关，而不是与整个原子和分子有关。

　　应用了这些新技术的结果，温度低到绝对温度0．000001K。
既然物理学家们发现他们已经达到绝对温度0．000001K，难道就
不能摆脱剩下的一点滴而最后达到目标本身吗？

　　不能，正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文
中所证明的那样（有时也称为热力学第三定律），绝对零度是不
可能达到的。无论我们如何降低温度，也只能将部分的熵移去。
在一般情况下，无论熵的总量如何，若欲移去一个体系中一半的
熵，其困难程度相同。从绝对温度300K（大约为室温）降至150K
（比南极所能达到的温度还低），与从绝对温度20K降至10K，其
难度是一样的。从绝对温度10K降至绝对温度5K或5K降至2．5K等
等亦然。现在已达到高于绝对零度百万分之一的低温，但若想从
百万分之一度降至其一半的温度，就像从绝对温度300K降至150K
一样困难。如果达到了，要从其百万分之一的一半温度再降到百
万分之一的四分之一，仍然同样地困难。这样继续下去无论怎样
似乎接近，但绝对温度还是处在无穷远的距离。

　　用该方式探求绝对零度的最后阶段，导致对极稀有物质氦－
3的仔细研究。氦本身在地球上并不常见；而且当它被分离出来
时，每 1000万个原子中只有 13个是氦－3。其余全是氦－4。

　　氦－3比氦－4原子稍微简单，且只有最常见变体质量的3／4。
氦－3的液化点在绝对温度3．2K，比氦－4整整低了1度。更有甚
者，起初认为氦－4在低于绝对温度2．2K可变为超流体，而氦－
3（虽然简单，但却是较少对称的分子）没有一点迹象。它是惟
一需要继续试验的。在 1972年，发现低于绝对温度 0．0025K时，
氦－3会变成超流体氦－Ⅱ。



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