1913 年诺贝尔物理学奖——低温物质特性

卡末林-昂纳斯像

1913 年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的卡末林-昂纳斯(Heike Kamerlingh-Onnes,1853—1926),以表彰他对低温下物质特性的研究,特别是这些研究导致了液氦的生产。

液氦的获得

19 世纪末、20 世纪初,在低温的实验研究上展开过一场世界性的角逐。在这场轰动科坛的竞赛中,领先的是西北欧的一个小国——荷兰名城莱顿的低温实验室。

19 世纪后半叶,在研究气体的性质随压强和温度变化的关系上,荷兰物理学家曾作出过重要贡献。1873 年,范德瓦耳斯(J.vanderWaals)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。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(请参阅 1910 年诺贝尔物理学奖)。在他的理论指导下,英国人杜瓦(J.Dewar)于 1898 年实现了氢的液化。范德瓦耳斯所在的莱顿大学发展了低温实验技术,建立了低温实验室。这个实验室的创始人就是著名低温物理学家卡末林-昂纳斯。

自从 1823 年法拉第第一次观察到液化氯以来,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。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。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。几年后,英国皇家研究所的杜瓦实现了氢的液化和固化。他本来以为达到了低温的极限,却发现氦还存留在残余气体中。但是经过多年努力,用了许多办法都未能实现氦的液化。卡末林-昂纳斯决心攻克这个低温堡垒,他狠抓了低温设备的建设。

当时低温的获得主要是采用液体蒸发和气体节流膨胀。要得到很低的温度,往往需要采用级联的办法,也就是首先把要液化的气体压缩,同时利用另一种液体的蒸发带走热量,然后再让气体作节流膨胀,气体对外做功消耗内能而降温。这个原理在物理上都已解决,没有什么新内容,但在实践上却存在许多技术问题。设计者必然要考虑到各种物理问题和解决这些问题时所需的技术装备,很多仪器都需要自己制造,甚至在开始时连电力都需要自己提供。卡末林-昂纳斯以极大的精力改善了实验室装备,使之由粗具规模发展到后来居上。但是他更重视人才培养。他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。他为工业培养人才,对荷兰的工业发展也起了一定影响。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。在他的组织和领导下,莱顿低温实验室于 1894 年建立了能大量生产液氢和其他气体(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 13 – 1 是卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图。

1908 年 7 月 10 日是一个具有历史意义的日子。这一天,卡末林-昂纳斯和他的同事在精心准备之后,集体攻关,终于使氮液化。这一天值得大书特书,因为它标志着 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,他事先对氮的液化温度作了理论估算,预计是在 5 ~ 6 K。氮气大量储备,有充足的供应。液氢是自制的。在实验前一天,制备了 75 L 液态空气备用。凌晨 5 时许,20 L 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 1 点半,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,这个温度只有靠氮气温度计指示。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,仍然没有观察到液氮的迹象。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,会不会是氮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?昂纳斯顿开茅塞,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。

图13 – 1 卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图

这次卡末林-昂纳斯共获得了 60 cc 的液氦,达到了 4.3 K 的低温。他们又经过多次实验,第二年达到 1.38 ~ 1.04 K。

超导电性的发现

卡末林-昂纳斯获得诺贝尔奖首先是因为他进行了“低温下物质特性的研究”,这里实际上指的是超导电性的发现。之所以能够发现超导电性,主要是由于他在致力于获得液氦的同时,目标不仅在于获得更低的温度,实现气体的液化和固化,他更注意探讨在极低温条件下物质的各种特性。金属的电阻是他的研究对象之一。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。

当时对金属电阻在接近绝对零度时的变化,众说纷纭,猜测不一。根据经典理论,纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐降低,在绝对零度时达到零。有人认为,这一理论不一定适用于极低温。当温度降低时,金属电阻可能先达一极小值,再重新增加,因为自由电子也许会凝聚在原子上。按照这种看法,绝对零度下的金属电阻有可能无限增加。两种看法的预言截然相反,孰是孰非,唯有实验才能作出判断。

卡末林-昂纳斯先是用铂丝作测试样品,测量电阻靠惠斯顿电桥。测出的铂电阻先是随温度下降,但是到液氦温度(4.3 K)以下时,电阻的变化却出现了平缓。于是卡末林-昂纳斯和他的学生克莱(Clay)在 1908 年发表论文讨论了这一现象。他们认为是杂质对铂电阻产生了影响,致使铂电阻与温度无关;如果金属纯粹到没有杂质,它的电阻应该缓慢地向零趋近。

为了检验自己的判断是否正确,卡末林-昂纳斯寄希望于比铂和金更纯的水银。水银是当时能够达到最高纯度的金属,因为采用连续蒸馏法可以做到这一点。

1911 年 4 月的一天,卡末林-昂纳斯让他的助手霍耳斯特(G.Holst)进行这项实验。水银样品浸于氦恒温槽中,恒定电流流经样品,测量样品两端的电位差。出乎他们的预料,当温度降至氦的沸点(4.2 K)以下时,电位差突然降到了零。会不会是线路中出现了短路?在查找短路原因的过程中,霍耳斯特发现当温度回升到 4 K 以上时,短路立即消失。再度降温,仍出现短路现象。即使重接线路也无济于事。于是他立即向卡末林-昂纳斯报告。卡末林-昂纳斯起先也不相信,自己又多次重复这个实验,终于认识到这正是电阻消失的真正效应。

卡末林-昂纳斯在 1911 年 4 月 28 日宣布了这一发现。此时他还没有看出这一现象的普遍意义,仅仅当成是有关水银的特殊现象。11 月 25 日他作了《水银电阻消失速度的突变》的报告,明确地给出了水银电阻(与常温下电阻相比较)随温度变化的曲线,如图 13 – 2 所示。他在报告中说:“在 4.21 K 与 4.19 K 之间,电阻减少得极快,在 4.19 K 处完全消失。”

图 13 – 2 水银电阻(与常温下电阻相比较)随温度变化的曲线

1912—1913 年间,卡末林-昂纳斯又发现了锡(Sn)在 3.8 K 电阻突降为零的现象,随后发现铅也有类似效应,转变温度估计为 6 K(后来证实为 7.2 K)。1913 年,卡末林-昂纳斯宣称,这些材料在低温下“进入了一种新的状态,这种状态具有特殊的电学性质”。超导一词就是卡末林-昂纳斯命名的。

卡末林-昂纳斯的研究成果发表在《阿姆斯特丹皇家科学院学报》和《莱顿大学物理实验室通讯》上。后一刊物是他自己创办的,主要刊登低温学的学术文献。

获奖者简介

卡末林-昂纳斯  1853 年 9 月 21 日出生于荷兰的格罗宁根。父亲是格罗宁根附近一所砖窑的主人。卡末林-昂纳斯 1870 年进入格罗宁根大学,第二年即获科学学士学位。从 1871 年 10 月至 1873 年 4 月又在海德堡大学攻读,他是本生和基尔霍夫的学生。后来回到格罗宁根大学,1878 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。他的博士论文从理论上和实验上证明,著名的傅科摆实验只是能以简单的方式证明地球旋转运动的大量现象中的一个特例。

与此同时,他在 1878 年任德尔夫特工业大学的助教,在博斯查(Bosscha)教授领导下工作。1881—1882 年间,他曾代替博斯查教授讲过课。1882 年他继承雷伊克被任命为莱顿大学的实验物理和气象学教授。

卡末林-昂纳斯在 1871 年就表现出解决科学问题的天赋,18 岁获得了乌得勒支大学自然科学院发起的一次竟赛的金质奖章,第二年又获得在格罗宁根大学举行的一次竞赛的银质奖章。和基尔霍夫一起工作期间还获得“研究会奖”,使他成为基尔霍夫两名助手中的一个。

1881 年他发表了一篇论文,题为《流体的普遍理论》,论文研究了液态的分子动理论,从力学的观点出发得到了对应态的范德瓦耳斯定律。这项研究可以看作是他毕生研究低温物质性质的开端。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 0.9 K 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.deHaas)在该实验室继续实验,得到了更接近于绝对零度的低温。

图 13 – 3 卡末林-昂纳斯(右)和他的助手在实验室里

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。实验室的其他研究项目包括热力学,放射性规律,光学及电磁现象的观察,例如荧光和磷光现象,在磁场中偏振面的转动,磁场中晶体的吸收光谱,以及霍耳效应,介电常数,特别是金属的电阻。从 1901 年起就创办的、培训仪器制造工人和玻璃吹制工的学校,也为卡末林-昂纳斯和他的实验室赢得了声誉。20 世纪之初,莱顿低温实验室成为世界闻名的低温研究中心。

卡末林-昂纳斯 30 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 3 月 21 日卡末林-昂纳斯在莱顿逝世。

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发布时间:2006/4/25 11:35:45  阅读次数:7544

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