诺贝尔物理学奖-1913 6页

1913年諾貝爾物理學獎低溫物質特性尺末林■昂納斯1913年諾貝爾物理學獎授予荷蘭萊頓大學的卡末林■昂納斯(HeikeKamerlingh-Onnes,1853—1926),以表彰他對低溫下物質特性的研究，特別是這些研究導致了液態氮的生產。19世紀末、20世紀初，在低溫的實驗研究上展開過一場世界性的角逐。在這場轟動科壇的競賽中，領先的是西北歐的一個小荷蘭萊頓的低溫實驗室。19世紀後半葉，在研究氣體的性質隨壓力(壓強)和溫度變化的關係上，荷蘭物理學家曾作出過重要貢獻。1873年，凡得瓦(VanderWaals)在他的博士論文“氣態和液態的連續性”中，提出了包括氣態和液態的“物態方程”，即凡得瓦方程。1880年，凡得瓦又提出了“對應態定律”，進一步得到物態方程的普遍形式。在他的理論指導下，英國人杜而(J.Dewar)於1898年實現了氫的液化。他所在的荷蘭萊頓大學發展了低溫實驗技術，建立了低溫實驗室。這個實驗室的創始人就是著名低溫物理學家卡末林•昂納斯。自從1823年法拉第第一次觀察到液化氯以來，各種氣體的液化和更低溫度的實現一直是實驗物理學的重要課題。但實驗的規模始終不能滿足需要。1877年，蓋勒德(L.P.Caillettet)和畢克特(P.P.Pictet)分別在法國和瑞士同時實現了氧的液化o1895年德國人林德(C.V.Linde)和英人漢普遜(W.Hampson)利用焦耳-湯姆森效應(即節流膨脹效應)開始大規模地生產液態氧和液態氮。著名的林德機成了低溫技術的基本設備。幾年後，英國皇家研究所的杜而實現了氫的液化和固化。他本來以為達到了低溫的極限，但接著發現氮還存留在殘餘氣體中。但是經過多年努力，用了許多辦法都未能實現氮的液化。卡末林-昂納斯決心攻克這個低溫堡壘,他致力於低溫設備的建設。當時低溫的獲得主要是採用液體蒸發和氣體節流膨脹。要得到很低的溫度，往往需要採第42頁 用級聯的辦法(cascademethod),也就是首先把要液化的氣體壓縮，同時利用另一種液體的蒸發帶走熱量，然後再讓氣體作節流膨脹，氣體對外做功消耗內能而降溫。這個原理在物理上都已解決，沒有什麼新內容，但在實踐上卻存在許多技術問題。設計者必然要考慮到各種物理問題和解決這些問題時所需的技術裝備，很多儀器都需要自己製造，甚至在開始時連電力都需要自己提供。卡末林■昂納斯以極大的精力改善了實驗室裝備，使之由初具規模發展到後來居上。但是他更重視人才培養。他創立了一所技工學校，讓學生晚上學習，白天在實驗室工作。他培養的玻璃技師不但滿足了本國的需要，還受聘到許多國家的物理實驗室工作，為發展低溫物理學和真空技術作出了貢獻。他為工業培養人才，對荷蘭的工業發展也起了一定影響。卡末林■昂納斯還廣招科技人員，包括來自國外的訪問學者，集中到他的周圍。在他的組織和領導下，萊頓低溫實驗室於1894年建立了能大量生產液氫和其它氣體(包括氨氣)的工廠和一棟規模甚大的實驗樓館。他以工業規模建立實驗室，這在歷史上還是第一次。就是從這裏開始，物理學由手工業方式走向現代的大規模水準。圖13・1是卡末林■昂納斯的低溫實驗裝置原理圖。13—1卡末林■昂納斯的低溫實驗裝置原理圖1908年7月10日是一個具有歷史意義的日子。這一天，卡末林■昂納斯和他的同事在精心準備之後，集體攻關，終於使氮液化。這一天值得大書特書，因為它標誌著20世紀“大科學”首次登台，初戰告捷。卡末林■昂納斯的準備工作極其細緻，他事先對氮的液化溫度作了理論估算，預計是在5—6Ko氮氣大量儲備，有充足的供應。液態氫是自製的。在實驗前一天，製備了75升液態空氣備用。凌晨5時許，20升液態氫已準備好，逐漸灌入氮液化器中o用液態氫預冷要極端小心，如果有很微量的空氣混入系統就會前功盡棄。下午一時半，全部灌進氮液化器，開始令氨氣回圈。液化器中心的恆溫器開始進入從未達到過的低溫，這個溫度只有靠氮氣溫度計指示。然而，很長時間看不到指示器有任何變化。人們調節壓力、改變膨脹活塞，用各種可能採取的措施促進液化器的工作，溫度計都似動非動，很難作出判斷o這時液氫已近告罄，仍然沒有觀察到液氮的跡象。晚上7點半，眼看實驗要以失敗告終，有一位聞訊前來觀看的教授向卡末林■昂納斯建議說，會不會是氮溫度計本身的氮氣也液化了,是不是可以從下面照亮容器，看看究竟如何？昂納斯茅塞頓開，立即照辦。結果使他喜出望外，原來中心恆溫器中幾乎充滿了液體，光的反射使人們看到了液面。這次卡末林•昂納斯共獲得了60cc的液態氮，達到了4.3K的低溫。他們又經過多次實驗 ,第二年達到1.38—1.04Ko化，他更注然而，卡末林■昂納斯的目標不僅在於獲得更低的溫度，實現氣體的液化和意探討在極低溫條件下物質的各種特性。金屬的電阻是他的研究物件之一。當時對金屬電阻在接近絕對零點時的變化，眾說紛紜，猜測不一。根據古典理論，純金屬的電阻應隨溫度的降低而逐漸降低，在絕對零度時達到零。有人認為，這一理論不一定適用於極低溫。當溫度降低時，金屬電阻可能先達一極小值，再重新增加，因為自由電子也許會凝聚在原子上。按照這種看法，絕對零度下的金屬電阻有可能無限增加。兩種看法的預言截然相反，孰是孰非，唯有實驗才能作出判斷。卡末林■昂納斯先是用鈴絲作測試樣品，測量電阻靠惠斯同電橋。測出的鉗電阻先是隨溫度下降，但是到液態氮溫度(4.3K)以下時，電阻的變化卻岀現了平緩。於是卡末林-昂納斯和 他的學生克萊(Clay)在1908年發表論文討論了這一現象。他們認為是雜質對鉗電阻產生了影響，致使鉗電阻與溫度無關；如果金屬純粹到沒有雜質，它的電阻應該緩慢地向零趨近。為了檢驗自己的判斷是否正確，卡末林■昂納斯寄望於比鉗和金更純的水銀。水銀是當時能夠達到最高純度的金屬，因為採用連續蒸餾法可以做到這一點。1911年4月的一天，卡末林-昂納斯讓他的助手霍爾斯特(G.Holst)進行這項實驗。水銀樣品浸於氮恆溫槽中，恆定電流流經樣品，測量樣品兩端的電位差。出乎他們的預料，當溫度降至氮的沸點(4.2K)以下時，電位差突然降到了零。會不會是線路中出現了短路？在找到短路原因的過程中，霍爾斯特發現當溫度回升到4K以上時，短路立即消失。再度降溫，仍出現短路現象。即使重接線路也無濟於事。於是他立即向卡末林■昂納斯報告。卡末林■昂納斯起先也不相信，自己又多次重複這個實驗，終於認識到這正是電阻消失的真正效應。卡末林■昂納斯在1911年4月28日宣布了這一發現。此時他還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。11月25日他作了“水銀電阻消失速度的突變”的報告，明確地給出了水銀電阻(與常溫下電阻相比較)隨溫度變化的曲線，如圖13・2o他在報告中說：“在4.21K與4.19K之間，電阻減少得極快，在4.19K處完全消失。”1912—1913年間，卡末林■昂納斯又發現了錫(Sn)在3.8K電阻突降為零的現象，隨後發現鉛也有類似效應，轉變溫度估計為6K(後來證實為7.2K)O1913年，卡末林-昂納斯宣稱,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。”。超導一詞就是卡末林■昂納斯命名的。卡末林■昂納斯的研究成果發表在《阿姆斯特丹皇家科學院學報》和《萊頓大學物理實驗室通訊》上。後一刊物是他自己創辦的，主要刊登低溫學的學術文獻。 卡末林■昂納斯1853年9月21日岀生於荷蘭的格羅寧根。父親是格羅寧根附近一所磚窯的主人。卡末林■昂納斯1870年進入格羅寧根大學，第二年即獲科學學士學位。從1871年10月至1873年4月又在海德堡大學攻讀，他是本生和基爾霍夫的學生。後來回到格羅寧根大學,1878年通過考試獲科學碩士學位。1879年以論文“地球旋轉的新證據”獲博士學位。他的博士論文從理論上和實驗上證明，著名的傅科擺實驗只是能以簡單的方式證明地球旋轉運動的大量現象中的一個特例。與此同時，他在1878年任德爾夫特工業大學的助教，在博斯查(Bosscha)教授領導下工作o1881年至1882年間，他曾代替博斯查教授講過課。1882年他繼承雷伊克被任命為萊頓大學的實驗物理和氣象學教授。卡末林■昂納斯在1871年就表現出解決科學問題的天才，18歲獲得了烏得勒支大學自然科學院發起的一次競賽的金質獎章，第二年又獲得在格羅寧根大學舉行的一次競賽的銀質獎章。和基爾霍夫一起工作期間還獲得“研究會獎”，使他成為基爾霍夫兩名助手中的一個。1881年他發表了一篇論文，題為“流體的普遍理論”，論文研究了液態的分子運動論， 從力學的觀點出發得到了對應態的凡得瓦定律。這項研究可以看作是他畢生研究低溫物質性質的開端。1882年，卡末林-昂納斯擔任萊頓大學實驗物理學教授。他在就職時發表了著名的就職演說，題為“定量測量在物理學中的重要性”。他說道：“物理學能創造獲得新的物質的手段，並且對我們的實驗哲學思維有著巨大的影響，但只有當物理學通過測量和實驗去奪取新的疆土時，它才會在我們今天社會的思維和工作中佔有重要的地位”，“我喜歡把’通過測量獲得知識’這個座右銘貼在每個物理實驗室的大門上”。他以這種精神在實驗物理學的研究中取得了卓越的成就。他建立了低溫實驗室，使氮的溫度降低到0.9K以下，結果獲得了前所未有的最接近於絕對零度的低溫。正是這些低溫研究使卡末林-昂納斯發現了超導電性。後來他的學生凱松(W.H.Keesom)和德哈斯(W.J.deHaas)在該實驗室繼續實驗，得到了更接近於絕對零度的低溫。萊頓低溫實驗室贏得了日益重大的國際聲譽。有許多外國科學家曾來到萊頓大學，在這個實驗室短期或較長期地工作。他們不僅有卡末林■昂納斯的合作者，還有其他來自世界各地的學者和技師，研究或學習的主要課題是低溫學。實驗室的其他研究項目包括熱力學、放射性規律、光學及電磁現象的觀察(例如螢光和磷光現象、在磁場中偏振面的轉動、磁場中晶體的吸收光譜，以及霍爾效應、介電常數，特別是金屬的電阻)。從1901年起就創辦的、培訓儀器製造工人和玻璃吹製工的學校，也為卡末林-昂納斯和他的實驗室贏得了聲譽。二十世紀之初，萊頓低溫實驗室成了世界聞名的低溫研究中心。卡末林■昂納斯三十歲成為阿姆斯特丹皇家科學院院士。他是國際液化協會的創始人之一1926年3月21日卡末林•昂納斯在萊頓逝世。