他創造了當時人造低溫的世界記錄。相信大家都知道,有一種很懶的氣體,一般不與其它物質發生化學反應,必須降到足夠低的溫度時它才會液化,沒錯,說的就是氦氣。液氦被廣泛運用於各個領域。世界上第一個製成液氦的科學家卡末林·昂內斯,同時也創造了當時人造低溫的世界記錄,幾乎達到絕對零度。他也因此獲諾貝爾物理學獎,被同行尊稱為“零度先生”。今天我們就來了解昂內斯製成液氦的過程。教授矢志攻難關卡末林·昂內斯是正宗的“富二代”,父親是工廠廠長,母親有藝術家的天賦,姐姐是當時的畫家。昂內斯中學時對文學很感興趣,是學校公認的小詩人。後來,他在廣泛的閱讀中對物理學產生濃厚的興趣,總想弄清看不見摸不著的氣體。1870年,17歲的昂內斯中學畢業後,沒有像母親期盼那樣進入藝術學院進修,而是選擇了格羅寧根大學攻讀物理學。後來,由於成績優異,他轉入德國著名的海德堡大學學習。在那裡,他遇到了著名的物理學家基爾霍夫和化學家羅伯特·威廉·本生,並與他們結下了深厚的師生之緣。有名師指導,青年昂內斯信心滿滿。1882年他受聘為萊頓大學物理學教授之後,就想改善物理實驗室向低溫實驗研究進軍。為了招來科技人才,1884年夏,荷蘭萊頓大學的物理學教授卡末林·昂內斯向上級提交了一個重要的報告,裡面提到了一個建議:希望學校重視人才的儲備和培養,除了招攬科技人才比如國外的學者外,還要建立一所技工學校,讓學生們參加學校的實驗研究,爭取製造液氫、液氦等,在世界性的低溫實驗角逐中領先一步。
環境優美的萊頓大學 (來源:留學網)報告裡的低溫實驗研究,科學根源來自英國物理學家法拉第。實驗改善再攻關昂內斯提交的報告得到批准,校方同意他改善實驗室裝備,擴大實驗室的規模。自此,他每天早出晚歸,在做低溫試驗的同時,還要參加技工學校籌備會議,與來訪學者面談,給學生上課。技工學校建成後,培養了大量的玻璃技師,不但滿足了荷蘭本國的需要,還被聘請到其它國家實驗室工作。此外,技工學校畢業的技師對本國的工業發展起到很大的促進的作用。1894年,在昂內斯組織下,萊頓大學建立液態氣體(如液氫)製造工廠和低溫實驗館樓。透過工業規模建立實驗室,這在世界歷史上尚屬首次。自此,物理學由手工業方式走向規模研究水平。荷蘭也因昂內斯的研究一躍進入當時的科技強國之列。
萊頓低溫實驗館樓一角(來源:文摘網)有了強有力的實驗基礎,昂內斯的氣體液化研究實驗之路就通暢多了。某天,他從雜誌上看到一則訊息:英國皇家研究所的物理學家杜瓦在實驗中實現了氫氣的液化和固化,本以為實驗已達到低溫的極限,但發現氦氣還留在殘餘空氣中,用很多方法都沒製得液氦。“氦氣不能液化,根本原因應該是低溫過程中出現的技術問題。技術問題與實驗室規模有關。可能杜瓦的實驗室規模太小。”經過分析,昂內斯得出這樣的結論。這個結論是有科學依據的。因為當時物理學家們主要透過液體蒸發及其它辦法來獲得低溫。科學原理很多人都知道,問題是實驗比較講究:一是需要技術裝備,有些裝備還要製造;二是規模要大,最基礎的是要提供電力。“零度先生”挑極限很顯然,萊頓大學實驗樓館有這個實力。1908年7月10日下午13:30,萊頓大學低溫實驗樓館三樓的液化中心,昂內斯和助手們緊張地盯著氦氣溫度計,不想錯過指示器的一丁點變化。他們採用液態氫降溫預冷來製取液氦的方法,之前已把20升液態氫小心翼翼地灌入氦液化器中,液態氫帶動氦氣迴圈流動就會帶來低溫。之所以要小心翼翼,是因為灌裝過程中只要有微量空氣混入即會前功盡棄。昂內斯讓助手們時而調節壓力,時而加大膨脹活塞的力度,以期促進液化器工作。時間一分一秒地流逝。液態氫都快用完了,氦氣溫度計的指示器還是一動不動。
在4.2K(開度)下正在沸騰的液態氦(來源:物理雙月刊網)晚上19:30,一位在旁邊觀看的教授突然提醒,溫度計裡的氦氣是不是也被液化了,所以指標才不動,不如直接用探照燈看看恆溫器吧。一語驚醒夢中人。昂內斯當即照辦,結果讓他喜出望外——實驗恆溫器幾乎裝滿液體,從液麵旁邊的刻度看,高度有60釐米。經過專業測試,液體溫度達零下269攝氏度。這個低溫下的液體,只可能是液氦!成功了!24年努力沒有白費!很快,昂內斯透過類似實驗把溫度降低到零下272.11攝氏度。這個溫度離人類所能達到的最低溫度273.15攝氏度——絕對零度只差1.04攝氏度。同行們尊稱他為“零度先生”。他也因此獲得1913年度諾貝爾物理學獎。
昂內斯的諾貝爾獎官方照片(來源:物理雙月刊網)獲得成功的昂內斯沒有自滿,而是平靜地投入到極低溫狀態下金屬電阻的研究中。對此,當時有兩種說法,即金屬的電阻無限增加或無限減少。孰是孰非,只能用實驗結果來說話。他先用鉑絲做樣品,結果極低溫度下電阻出現反常。學生猜測是鉑絲裡有雜質,他用當時純度最高的金屬水銀代替,發現降到零下268攝氏度時,水銀的電阻消失。1911年11月25日,昂內斯公開作了《水銀電阻消失速度的突變》的報告。此後,他又發現錫、鉛等金屬在極低溫下電阻情況也與水銀類似。於是,他撰文宣稱:“這些材料在低溫下進入了一種新的狀態,這種狀態具有特殊的電學性質,是一種超導現象。”“超導”一詞產生了,沿用至今。昂內斯由於低溫研究併成功製取液氦揚名西方,並在19位提名者中脫穎而出,最終獲得諾貝爾物理學獎。