科技史上的今天 | 1908·7·10人類首次成功液化氣體氦

1908年7月10日，超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者、荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯首次成功實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化，這標(biāo)志著科學(xué)界一個(gè)重要的突破。在那個(gè)時(shí)代，人類對(duì)于氦氣的液化一直無(wú)能為力，因?yàn)樗臍鈶B(tài)狀態(tài)極其穩(wěn)定，能夠在任何溫度下保持不凝結(jié)，這一點(diǎn)使得它的液化成為科學(xué)家們的一大挑戰(zhàn)。

在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力后，昂內(nèi)斯終于找到了解決氦氣液化難題的關(guān)鍵方法。他采用一種新型的制冷技術(shù)，將氦氣放置在低溫環(huán)境中并施加高壓，最終成功將氦氣液化。這項(xiàng)突破性的實(shí)驗(yàn)使他獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并開(kāi)啟了液化氦氣研究的新紀(jì)元。

●解決氦氣液化的難題

1882年，29歲的卡末林·昂內(nèi)斯被任命為荷蘭萊頓大學(xué)物理學(xué)教授和物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。當(dāng)時(shí)全球物理學(xué)正處在一個(gè)轉(zhuǎn)變的時(shí)代，人們?cè)絹?lái)越重視物理實(shí)驗(yàn)。昂內(nèi)斯在擔(dān)任萊頓大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人后，就決定把研究低溫物理作為主攻方向。

1908年7月10日這一天，卡末林·昂內(nèi)斯和他的同事在精心準(zhǔn)備之后，集體攻關(guān)，終于使氦液化。這標(biāo)志著20世紀(jì)“大科學(xué)”首次登臺(tái)，初戰(zhàn)告捷。

為了做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)，昂內(nèi)斯的準(zhǔn)備工作極其細(xì)致，他事先對(duì)氦的液化溫度作了理論估算，預(yù)計(jì)是在5K～6K。氦氣大量?jī)?chǔ)備，有充足的供應(yīng)。液氫是自制的。

在實(shí)驗(yàn)前一天，他們制備了75升液態(tài)空氣備用。凌晨5時(shí)許，20升液態(tài)氫已準(zhǔn)備好，逐漸灌入氦液化器中。用液氫預(yù)冷要極其小心，如果有很微量的空氣混入系統(tǒng)就會(huì)前功盡棄。

下午1時(shí)半，全部灌進(jìn)氦液化器后開(kāi)始令氦氣循環(huán)。液化器中心的恒溫器開(kāi)始進(jìn)入從未達(dá)到過(guò)的低溫，這個(gè)溫度只有靠氦氣溫度計(jì)指示。

然而，指示器很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有任何變化。人們調(diào)節(jié)壓力、改變膨脹活塞，用各種可能采取的措施促進(jìn)液化器的工作，溫度計(jì)都似動(dòng)非動(dòng)，很難作出判斷。這時(shí)液氫已近告罄，仍然沒(méi)有觀察到液氦的跡象。

晚上7點(diǎn)半，眼看實(shí)驗(yàn)要以失敗告終，有一位聞?dòng)嵡皝?lái)觀看的教授向卡末林·昂內(nèi)斯建議，會(huì)不會(huì)是氦溫度計(jì)本身的氦氣也液化了，是不是可以從下面照亮容器，看看究竟如何？

昂內(nèi)斯頓開(kāi)茅塞，立即照辦。結(jié)果使他喜出望外，原來(lái)中心恒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·昂內(nèi)斯共獲得了60毫升的液氦，達(dá)到了4.3K的低溫，從而最后使氣體、液體之間的絕對(duì)界限消失。使人類在向絕對(duì)零度進(jìn)軍的征途上邁出了關(guān)鍵性的一步。

●超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者

金屬的電阻問(wèn)題是昂內(nèi)斯的一個(gè)重要研究課題。

當(dāng)時(shí)，對(duì)金屬的電阻在絕對(duì)零度附近如何變化，有不同的說(shuō)法，有人認(rèn)為純金屬的電阻應(yīng)隨溫度的降低而逐漸變小，并最終在絕對(duì)零度消失。昂內(nèi)斯最初相信的是開(kāi)爾文1902年提出的另一種觀點(diǎn)，即隨著溫度的降低，金屬的電阻在達(dá)到一極小值后，會(huì)由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o(wú)限大。昂內(nèi)斯由于掌握了液化氦的技術(shù)，因而具備了從實(shí)驗(yàn)上研究這一問(wèn)題的條件。1911年2月，他測(cè)量了金和鉑在液氦溫度下的電阻，發(fā)現(xiàn)在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是達(dá)到一極小值后再增大。因此他改變了原來(lái)的看法，而認(rèn)為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失。

為了檢驗(yàn)他的看法，昂內(nèi)斯選擇了汞作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)楣绕渌饘偃菀滋峒?。?shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了令人意想不到的奇特現(xiàn)象：汞的電阻在4.2K左右突然消失。這一非同尋常的發(fā)現(xiàn)，不僅預(yù)示著在電力工業(yè)中可以大大提高發(fā)電效率，而且為人們利用這種超導(dǎo)電性制造超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁鐵和超導(dǎo)電纜等開(kāi)辟了廣闊的天地。1911年4月-11月，昂內(nèi)斯在連續(xù)三篇論文中詳細(xì)地報(bào)道了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1913年，昂內(nèi)斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也具有和汞一樣的超導(dǎo)電性，不純的汞也具有超導(dǎo)電性。因?qū)ξ镔|(zhì)低溫性質(zhì)的研究和液氦的制備，昂內(nèi)斯被授予了1913年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于昂內(nèi)斯對(duì)萊頓大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的出色領(lǐng)導(dǎo)和管理，該實(shí)驗(yàn)室成了20世紀(jì)初全世界低溫研究的中心。

●戰(zhàn)略性稀有氣體資源

液化氦氣的實(shí)現(xiàn)，給當(dāng)時(shí)科學(xué)界帶來(lái)了巨大的影響。液氦的出現(xiàn)使得研究者們可以更深入地了解氦氣的性質(zhì)和特性，進(jìn)而推動(dòng)了對(duì)其他物質(zhì)液化的研究。其次，液化氦氣的制備過(guò)程中使用的技術(shù)和裝置也為研究人員提供了更多的實(shí)驗(yàn)手段，以便開(kāi)展更廣泛的科學(xué)研究。

然而，液化氦氣研究的意義遠(yuǎn)不止于此。氦氣作為一種重要的工業(yè)原料和能源，其液化技術(shù)的突破還將為工業(yè)界帶來(lái)巨大利益。液化氦氣可以大大減小其體積，方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸，為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了便利。而且，液化氦氣還有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

氦氣在航空航天領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，人類探索宇宙的征程離不開(kāi)氦氣的無(wú)私奉獻(xiàn)。例如，在液體燃料航天器發(fā)射中，氦氣是無(wú)可替代的燃料艙和管道系統(tǒng)的清洗劑、檢漏劑，燃料加載的增壓氣和冷卻劑等等。清洗增壓液氫罐和管道系統(tǒng)時(shí)，在液氫的低溫環(huán)境中，任何其他氣體（如氮?dú)饣驓鍤猓?，都?huì)凍結(jié)并與液氫混合堵塞管道和閥門(mén)，而氦氣是唯一液化溫度遠(yuǎn)低于氫的惰性物質(zhì)，因此能夠在液氫環(huán)境下作業(yè)。

氦氣在深海潛水領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用，為深海探索保駕護(hù)航。例如，潛水員通常會(huì)使用氦氧混合氣體來(lái)進(jìn)行深海潛水（潛艇）。這種用氦氣替代氮?dú)獾幕旌蠚怏w，因氦氣在血液中的溶解度明顯小于氮?dú)?，可減少氮?dú)馊苋霛撍畣T血液所帶來(lái)的危險(xiǎn)和不適，極大降低潛水員在返回水面的過(guò)程中，由于壓力驟降而導(dǎo)致氣泡在血管內(nèi)聚集的風(fēng)險(xiǎn)。

氦氣在醫(yī)療領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，被稱為“拯救生命”的氣體。例如，在核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）等技術(shù)中，核磁共振成像儀的核心是超導(dǎo)磁體，沒(méi)有液氦就不能穩(wěn)定運(yùn)行，不能保證高分辨率成像；在呼吸系統(tǒng)疾病的治療中，氦氣可增加呼吸系統(tǒng)中氧氣的傳輸速度，緩解呼吸系統(tǒng)疾病的癥狀；此外，氦氣還可用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和預(yù)防。

信息化時(shí)代同樣離不開(kāi)氦氣的守護(hù)。氦氣在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景廣闊，量子計(jì)算機(jī)為使量子比特溫度保持在絕對(duì)零度左右，需采用液氦冷卻，離開(kāi)了氦，量子計(jì)算機(jī)將無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合自《國(guó)土資源科普與文化》、科普中國(guó)