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科技史上的今天 | 1908·7·10人类首次成功液化气体氦

江苏省科学技术协会

1908年7月10日,超导现象的发现者、荷兰物理学家卡末林·昂内斯首次成功实现了氦气的液化,这标志着科学界一个重要的突破。在那个时代,人类对于氦气的液化一直无能为力,因为它的气态状态极其稳定,能够在任何温度下保持不凝结,这一点使得它的液化成为科学家们的一大挑战。

在经历了长时间的不懈努力后,昂内斯终于找到了解决氦气液化难题的关键方法。他采用一种新型的制冷技术,将氦气放置在低温环境中并施加高压,最终成功将氦气液化。这项突破性的实验使他获得了1913年的诺贝尔物理学奖,并开启了液化氦气研究的新纪元。

●解决氦气液化的难题

1882年,29岁的卡末林·昂内斯被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和物理实验室负责人。当时全球物理学正处在一个转变的时代,人们越来越重视物理实验。昂内斯在担任莱顿大学物理实验室负责人后,就决定把研究低温物理作为主攻方向。

1908年7月10日这一天,卡末林·昂内斯和他的同事在精心准备之后,集体攻关,终于使氦液化。这标志着20世纪“大科学”首次登台,初战告捷。

为了做好这个实验,昂内斯的准备工作极其细致,他事先对氦的液化温度作了理论估算,预计是在5K~6K。氦气大量储备,有充足的供应。液氢是自制的。

在实验前一天,他们制备了75升液态空气备用。凌晨5时许,20升液态氢已准备好,逐渐灌入氦液化器中。用液氢预冷要极其小心,如果有很微量的空气混入系统就会前功尽弃。

下午1时半,全部灌进氦液化器后开始令氦气循环。液化器中心的恒温器开始进入从未达到过的低温,这个温度只有靠氦气温度计指示。

然而,指示器很长时间没有任何变化。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,仍然没有观察到液氦的迹象。

晚上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·昂内斯建议,会不会是氦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?

昂内斯顿开茅塞,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。这次卡末林·昂内斯共获得了60毫升的液氦,达到了4.3K的低温,从而最后使气体、液体之间的绝对界限消失。使人类在向绝对零度进军的征途上迈出了关键性的一步。

●超导现象的发现者

金属的电阻问题是昂内斯的一个重要研究课题。

当时,对金属的电阻在绝对零度附近如何变化,有不同的说法,有人认为纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐变小,并最终在绝对零度消失。昂内斯最初相信的是开尔文1902年提出的另一种观点,即随着温度的降低,金属的电阻在达到一极小值后,会由于电子凝聚到金属原子上而变为无限大。昂内斯由于掌握了液化氦的技术,因而具备了从实验上研究这一问题的条件。1911年2月,他测量了金和铂在液氦温度下的电阻,发现在4.3K以下,铂的电阻保持为一常数,而不是达到一极小值后再增大。因此他改变了原来的看法,而认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。

为了检验他的看法,昂内斯选择了汞作为实验对象,因为汞比其他金属容易提纯。实验结果出现了令人意想不到的奇特现象:汞的电阻在4.2K左右突然消失。这一非同寻常的发现,不仅预示着在电力工业中可以大大提高发电效率,而且为人们利用这种超导电性制造超导电机、超导磁铁和超导电缆等开辟了广阔的天地。1911年4月-11月,昂内斯在连续三篇论文中详细地报道了他的实验结果。

1913年,昂内斯又发现锡和铅也具有和汞一样的超导电性,不纯的汞也具有超导电性。因对物质低温性质的研究和液氦的制备,昂内斯被授予了1913年度诺贝尔物理学奖。由于昂内斯对莱顿大学物理实验室的出色领导和管理,该实验室成了20世纪初全世界低温研究的中心。

●战略性稀有气体资源

液化氦气的实现,给当时科学界带来了巨大的影响。液氦的出现使得研究者们可以更深入地了解氦气的性质和特性,进而推动了对其他物质液化的研究。其次,液化氦气的制备过程中使用的技术和装置也为研究人员提供了更多的实验手段,以便开展更广泛的科学研究。

然而,液化氦气研究的意义远不止于此。氦气作为一种重要的工业原料和能源,其液化技术的突破还将为工业界带来巨大利益。液化氦气可以大大减小其体积,方便储存和运输,为工业生产和科学实验提供了便利。而且,液化氦气还有广泛的应用领域。

氦气在航空航天领域有着重要的应用,人类探索宇宙的征程离不开氦气的无私奉献。例如,在液体燃料航天器发射中,氦气是无可替代的燃料舱和管道系统的清洗剂、检漏剂,燃料加载的增压气和冷却剂等等。清洗增压液氢罐和管道系统时,在液氢的低温环境中,任何其他气体(如氮气或氩气),都会冻结并与液氢混合堵塞管道和阀门,而氦气是唯一液化温度远低于氢的惰性物质,因此能够在液氢环境下作业。

氦气在深海潜水领域也发挥重要作用,为深海探索保驾护航。例如,潜水员通常会使用氦氧混合气体来进行深海潜水(潜艇)。这种用氦气替代氮气的混合气体,因氦气在血液中的溶解度明显小于氮气,可减少氮气溶入潜水员血液所带来的危险和不适,极大降低潜水员在返回水面的过程中,由于压力骤降而导致气泡在血管内聚集的风险。

氦气在医疗领域有重要的应用,被称为“拯救生命”的气体。例如,在核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)等技术中,核磁共振成像仪的核心是超导磁体,没有液氦就不能稳定运行,不能保证高分辨率成像;在呼吸系统疾病的治疗中,氦气可增加呼吸系统中氧气的传输速度,缓解呼吸系统疾病的症状;此外,氦气还可用于神经系统疾病的治疗和预防。

信息化时代同样离不开氦气的守护。氦气在量子计算机中的应用前景广阔,量子计算机为使量子比特温度保持在绝对零度左右,需采用液氦冷却,离开了氦,量子计算机将无法稳定运行。

综合自《国土资源科普与文化》、科普中国

评论
科普Zxg
太师级
氦气在航空航天领域有着重要的应用,人类探索宇宙的征程离不开氦气的无私奉献。
2024-07-10
科普65f10b258f5e7
举人级
点赞了!
2024-07-10
惠科普
学士级
已学习
2024-07-10