液化氦的发现有什么帮助?

时间:2020-10-04 08:51:14   作者:
如何液化氦是1908年在荷兰莱顿大学的荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes的实验室中发现的。但故事并不是从这里开始的。

1702年,纪尧姆·阿蒙顿(Guillaume Amontons)推断,有一个温度低于这个温度就不可能达到——这意味着,如果一个人相应地设定一个温标(他认为大约是- 240℃),那么这个温度就是绝对零度。但在当时,可验证的温度测量低于冰水浴是不可能的。因此,最低温度的概念只是理论上的,并为接下来的三个世纪开辟了一条探索之路。

在19世纪中期,各种气体被隔离,人们发现它们可以绝热冷却到液态,随着不同气体在不同温度下变成液态,可测量的温度刻度会越来越低。这使得人们对绝对零度温度和开尔文温标的预测越来越准确。

到19世纪末,氢气已经被分离出来,并被发现在大气压下一直保持液态,直到零下253摄氏度或2万摄氏度。人们认为液体H2可能有最低的沸点,因为它是质量最小的分子。但一个新元素,氦,于1895年被发现在阳光下——也就是说,从太阳光谱的分析。但不久之后,它又被发现是我们钻探石油(为需要可运输能源的新技术提供动力)时释放的气体之一。Kamerlingh Onnes拥有第一个将液化其他气体的技术应用到氦气液化的实验室。他发现,在大气压下,氦直到冷却到4.2K(或低于冰点269℃)时才会变成液体。不仅如此,通过附加真空系统降低氦浴上的蒸汽压力,液体就可以冷却到绝对零度以上1.5度。

但问题是这个发现有什么帮助。答案是…在很多方面。

首先,它强化了绝对零度的概念,任何材料都不能低于绝对零度,并使其测量更加精确。但它也开启了在从绝对零度以上开始的极宽温度范围内进行实验以确定材料特性的可能性。这就是Kamerlingh Onnes所做的,因为他拥有唯一一个有这种能力的实验室。

例如,当材料的电性质被研究在上个世纪,这是观察到纯金属几乎是线性的电阻在温度范围广泛的温度,但目前还不清楚这是什么电阻将接近绝对零度。换句话说,是电阻继续降向零,还是电子变得不动,因此根本不能携带电流——使金属成为完美的绝缘体。Onnes具备解决这类问题的实验能力。

他发现(在其他事物之中),几乎所有金属的电阻继续减少,但是总是受限于他们的杂质抵抗,作为一个永远不可能做一个完美的纯金属没有一些杂质,即使在高纯度金银,导率最高的金属元素。

但是当他在水星上做实验时,他有了一个新的发现。尽管水银的导电性通常没有金银那么高——而且它的纯度仍然有限,但在精确的4.2K温度下,它的电阻降到了零。不仅仅是一个更低的值,而是零,低于这个值可以用任何创造性的技术来衡量。

也就是说,在学习如何液化氦的三年内,他发现了物质的一种新状态:超导性。

液化氦的发现有什么帮助?

这开启了另一个世纪的发现和复杂的工程应用(如核磁共振成像),否则这些都不可能实现。

这只是液氦的发现带来的帮助之一。
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