对低温的不断追求和超导体的发现

对极限低温的追求与超导体的发现一．对极限低温的追求人类总是对未知事物充满好奇，对美好的东西不断追求，对于温度也是如此，人们不断尝试着达到更低的温度。人类真正向低温领域进军是从气体液化开始的。1784年英国化学家拉瓦锡曾预言：如果地球突然进入寒冷的地区，空气无疑不再将以看不见的流体形式存在，它将回到液态。从那时起拉瓦锡的预言就不断激励着人们去实现气体的液化并由此得到极低的温度。对于温度的度量，历史上有过华氏温标和摄氏温标，但他们都是经验温标，有很大局限性。1927年国际计量大会把热力学温标确定为基本温标，后来又把水的三相点273.16K作为这一温标的唯一定点。这一温标也包含着理论上的最低温度—绝对零度(0K)。1780年，克卢埃和加斯帕.蒙日通过冷却和加压相结合的方法首次实现对𝑺𝑶𝟐的液化。1823年，迈克尔.法拉第公布了关于成功液化𝑺𝑶𝟐，𝑯𝟐𝑺,𝑪𝑶𝟐,𝑵𝟐𝑶,𝑪𝟐𝑯𝟐,𝑵𝑯𝟑,和𝐇𝐂𝐋的结果，但还不能液化𝑪𝑯𝟒,𝑶𝟐,𝐂𝐎,𝑵𝟐和𝑶𝟐这些气体，这些气体无论施加多大压力仍然无法液化，一度被认为是不可液化的“永久气体”，当时还不知道零界温度的概念。气液转变的关键问题是零界点的发现。1869年，爱尔兰化学教授安德鲁斯通过研究得出结论:“物质的气态和液态可以通过一系列连续不断的变化而相互转化”，进而建立了物质的临界点、临界温度和临界压强的概念。1852年，焦耳和汤姆孙合作做了多孔塞实验，，发现气体在膨胀过程中内能会发生变化，证明分子间作用力存在。焦耳-汤姆孙效应的具体内容是，气体会在等熵的环境下自由膨胀，而使得温度上升或下降。1877年，氧气的液化开启了低温学的序幕，法国人卡耶特实现液氧。1895年，林德和汉普逊应用焦耳-汤姆孙效应，制成原始深低温设备，并用它液化空气，使温度达到80.9K。1898年，詹姆斯.杜瓦首先完成对氢气的液化，于1899年将温度降到12K。1908年昂尼斯成功实现了氦气的液化，获得了4.2K的极低温。1933年，用顺磁盐绝热去磁方法获得了0.25K的低温。1950年泡墨朗切克提出利用压缩液态氦绝热固化的方法，获得了𝟏×𝟏𝟎−𝟑K的低温。1956年，牛津大学通过原子核绝热去磁法获得𝟏.𝟔×𝟏𝟎−𝟓K的低温。1995年成功使一些铷原子达到了𝟐×𝟏𝟎−𝟖K低温。2011年，美科学家对光学晶格的障碍效应进行改进，把原子进一步冷却到皮度级别，即绝对温度以上一万亿分之一度的数量级。尽管热力学第三定律说明热力学第三定律说明绝对零度不能达到，但人们对绝对零度的探索并没有停止，这种探索促进了科技的发展。二．超导体的发现昂尼斯获得4.2K的低温后测量了金属在极低温下的电阻变化情况。当时人们已经知道金属导体的电阻随温度的下降而减小，但在极低温下电阻变化如何仍是未知。对此的预测形成了两种观点，一种以杜瓦为代表，认为电阻因热运动电子和障碍物的冲突而产生，温度的下降使热运动减弱、冲突减少，因此电阻将随温度的下降而减少，在绝对零度时为零；一种观点以开尔文为为代表，认为电子是受热能的作用才成为自由电子，在极低温领域，随着温度降低电子脱离原子而自由运动的可能性越来越小，因此，极低温下程增大趋势。昂尼斯的实验结果证明上面两种预测都不完全符合实际情况。实际上，一般金属的电阻随温度的下降而减小，在极低温下趋近于一个有限值—剩余电阻，纯度越高的金属剩余电阻越小。1911年，当昂尼斯测量汞在极低温下的电阻温度特性时发现，当冷却到4.2K时汞的电阻突然消失了。之后他又测得锡在3.7K、铅在7.2K时电阻也变为零。为了证实超导体电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失。随后人们又发现了在低温下电阻变为零的多种金属和金属化合物，也发现这些物质除了零电阻外还具有若干特殊的物理特性，科学家们将具有这些特性的物质成为超导体，超导体具有的特殊物理特性统称为超导电性，并定义电阻不为零时的超导体是处于正常态，超导体从正常态转换到超导态的温度称为临界温度。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。