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個(gè)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的人是誰

超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)得益于20世紀(jì)初低溫物理的發(fā)展。
當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)很清楚金屬材料的電阻率隨溫度的下降而減小，但對于低溫下金屬電阻如何變化卻不是很清楚。由于沒有低溫環(huán)境用于實(shí)驗(yàn)，人們紛紛猜測金屬電阻的低溫行為。其中馬西森認(rèn)為金屬電阻率會持續(xù)減小到一個(gè)剩余電阻率，因?yàn)榻饘僦须s質(zhì)和缺陷造成的電阻是不會隨溫度變化的，而原子振動造成的電阻將隨溫度下降而逐漸變?yōu)榱�；開爾文勛爵則認(rèn)為，低溫下即使是電子也將被“凍住”，電子的運(yùn)動能力將大大受限，使得導(dǎo)電能力降低，電阻率在低溫下反而會急劇增加；杜瓦則認(rèn)為，如果我們能夠?qū)ふ业揭粋�(gè)沒有雜質(zhì)和缺陷的“###金屬”，那么剩余電阻率也是零，所以電阻率將隨著溫度逐漸趨于###零度而變?yōu)榱恪?

為了驗(yàn)證電阻率到底在低溫下如何演變，###關(guān)鍵的就是獲得低溫環(huán)境。在當(dāng)時(shí)獲得低溫的辦法就是利用各種氣體加壓液化，然后再減壓制冷。如在一個(gè)大氣壓下液氧沸點(diǎn)是90 K，液氮沸點(diǎn)是77 K，因此通過加壓液化可以輕松分離空氣中的氧氣和氮?dú)�。液氮也可以進(jìn)一步減壓致冷，達(dá)到50 K左右的低溫環(huán)境。在1908年之前，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程的理論，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的幾乎所有氣體都陸續(xù)被加壓液化了，###后只剩下氫氣和氦氣未能液化，問題就出在理論上。荷蘭萊頓大學(xué)的范德瓦爾斯（就是那位范德華，分子間作用力用他命名）在博士期間就提出了一個(gè)新的氣體狀態(tài)方程，充分考慮了氣體分子之間的相互作用，修改了理想氣體狀態(tài)方程（后來獲得了諾貝爾獎）。后來范德瓦爾斯去了荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)，但萊頓大學(xué)迎來了另一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家——�？�.卡末林.昂尼斯，立志要建立一個(gè)低溫物理實(shí)驗(yàn)室，目標(biāo)就是把###后的氫氣和氦氣液化。昂尼斯在范德瓦爾斯的理論指導(dǎo)下，認(rèn)識到要讓氫氣和氦氣液化，###重要的就是要讓它們不斷突然膨脹對外做功，也就是不斷節(jié)流減壓。在1898年，昂尼斯實(shí)驗(yàn)室成功獲得了液氫，常壓下沸點(diǎn)是21 K(杜瓦也獨(dú)立制得了液氫)。有了液氫作為低溫環(huán)境，就可以從21 K以下的氦氣出發(fā)，讓它繼續(xù)通過各種管道隧道實(shí)現(xiàn)低溫節(jié)流減壓。終于在10年后的1908年7 月10日，昂尼斯實(shí)驗(yàn)室獲得了###股透明的液氦，在常壓下沸點(diǎn)為4.2 K。利用液氦自己還可以再進(jìn)一步減壓制冷，可以得到1.5 K左右的低溫。這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)認(rèn)為是非常接近###零度了。


有了1.5 K如此低溫的物理環(huán)境，昂尼斯開始思考關(guān)于金屬電阻率隨溫度變化的問題，他個(gè)人更傾向于認(rèn)同杜瓦的觀點(diǎn)。于是昂尼斯開始率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)測試各種材料的低溫電阻行為。起初他們選擇都是室溫下導(dǎo)電極好的金、鉑及其合金等，其中鉑是室溫電阻率###低的單質(zhì)金屬。測量了多個(gè)金屬材料在低溫下電阻后，他們發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是存在一個(gè)剩余電阻率，基本上和馬西森的預(yù)言一致。為了進(jìn)一步尋找###金屬，昂尼斯選擇了金屬汞，常溫下是液態(tài)，通過蒸餾可以得到純度極高的樣品，而且在室溫下液體裝入測量管道非常方便，然后冷凍到低溫自然變成固體。正是昂尼斯這個(gè)選擇，促使了###個(gè)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。

1911年4月8日，萊頓大學(xué)低溫物理實(shí)驗(yàn)昂尼斯團(tuán)隊(duì)的Gerrit Flim、Gilles Holst和 Cornelius Dorsman和往常一樣，早早就過來實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備測量金屬汞的低溫電阻。昂尼斯隨后過來檢查液氦情況，確保中午時(shí)分可以順利開展實(shí)驗(yàn)。大約在下午4點(diǎn)左右時(shí)候， Gilles Holst和 Cornelius Dorsman發(fā)現(xiàn)汞的電阻在3 K時(shí)幾乎測不到了，而金的電阻則仍然存在。起初他們懷疑是實(shí)驗(yàn)儀器出了故障，或者測量短路了，昂尼斯也要求他們反復(fù)檢查測量過程和設(shè)備。又經(jīng)過數(shù)天重復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們終于確定在液氦沸點(diǎn)4.2 K以下的時(shí)候，汞的電阻確實(shí)突然降到了零，也即超出了儀器的測量精度范圍（0.00001 Ω）。1911年11月，昂尼斯在荷蘭萊頓大學(xué)學(xué)報(bào)上報(bào)道了這一現(xiàn)象，并將其命名為“超導(dǎo)”，意指“超級導(dǎo)電”。這就是###個(gè)超導(dǎo)體——金屬汞的發(fā)現(xiàn)過程。

金屬汞在4.2K下電阻突然消失的現(xiàn)象非常令人吃驚，因?yàn)檫@和之前預(yù)測的低溫電阻變化三種行為都不符合，電阻完全可以在有限溫度下消失，未必需要降到零溫。昂尼斯團(tuán)隊(duì)為了證明電阻真的是降到零，在隨后的數(shù)月時(shí)間里，都在不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，并測量其他金屬如鉛和錫，也同樣發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，只是發(fā)生超導(dǎo)的溫度不一樣。即使如此，萊頓實(shí)驗(yàn)室也還在不斷嘗試測量超導(dǎo)體的低溫電阻率。一直到到1932年，此時(shí)昂尼斯已經(jīng)去世6年了，Gerrit Flim還在倫敦努力重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明200 A強(qiáng)電流情況下超導(dǎo)鋁塊仍然測量不到電阻。如今，利用###的現(xiàn)代測量技術(shù)，已經(jīng)可以證明超導(dǎo)體電阻率低于10^-18 Ω.m，相比導(dǎo)電性極好的常規(guī)金屬電阻率10^-8 Ω.m，整整低了10個(gè)數(shù)量級。倘若在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)形成1 A的電流，能夠永遠(yuǎn)保持超導(dǎo)狀態(tài)不變的話，那么###少需要一千億年才能徹底衰減掉。因此，在###高實(shí)驗(yàn)技術(shù)精度下，超導(dǎo)體電阻率可以認(rèn)為就是零。
因?yàn)橐汉さ某晒χ苽浜统瑢?dǎo)的發(fā)現(xiàn)，昂尼斯獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。昂尼斯的成功其實(shí)背后有許多不可忽視的重要因素。一是當(dāng)時(shí)研究已經(jīng)走到了迫切需要低溫物理環(huán)境的地步，而且確實(shí)人們希望認(rèn)識低溫下的物性，即有天時(shí)；二是范德瓦爾斯建立的方程有效解決了理想氣體方程的局限性，同在荷蘭的他給了昂尼斯正確的理論指導(dǎo)，可謂是地利；三是昂尼斯有一個(gè)非常踏實(shí)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，他的工程師Flim對他忠心耿耿，一輩子只做低溫物理實(shí)驗(yàn)測量超導(dǎo)現(xiàn)象，他的助手Holst和 Dorsman也是勤懇踏實(shí)，如果不是后人回憶，甚###沒有人記得這三個(gè)人的名字，這可謂是人和。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)世界物理研究中心就在德語區(qū)，包括德國、荷蘭、瑞士等，許多物理大牛都是昂尼斯的好朋友。在一個(gè)普通的周末，昂尼斯就能邀約愛因斯坦、厄倫菲斯特、外爾、郎之萬、范德瓦爾斯等數(shù)位###的物理理論大師來家里做客聊天討論物理。這不僅促成了超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，也使得這個(gè)發(fā)現(xiàn)迅速被世人所認(rèn)識，并迅速獲得了諾貝爾獎。

首頁 > 電工基礎(chǔ) > 日期：2022-6-25 來源：Internet 作者：yq 瀏覽量：