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昂纳斯:发现超导材料的过程

来源:百科故事网时间:2017-08-05 18:15:01

昂纳斯是荷兰的著名物理学家,由于他首先发现了“超导”现象,所以于1913年获得了诺贝尔物理奖。

世界上几乎所有的物质都有阻碍电流流通的特性,可以视为一切物质都有电阻,只不过是电阻的大小而已。有的材料电阻很大,电流很难通,如在常温下的塑料、陶瓷、橡胶等物质,人们把它们称为绝缘材料,用来作保护器之类的东西,防止触电伤人。有的物质电阻很小,大多数金属的电阻都比较小,电流通过金属电线时,由于电阻的存在,所以能逐渐消耗电能,电线越长,越细消耗的电能越大,这是一种无功消耗,是电能的一种浪费。然而,超导材料则是一种电阻近乎为零的材料,它是前途无量的新型材料。

昂纳斯

超导材料的发现,只不过是百年左右的事情。1908年,荷兰莱顿大学教授卡麦林·昂纳斯,建立了一个低温实验室,专门从事低温物理实验研究。他首先成功实验了氦的液化,获得了-269℃的低温,因此这个实验室名扬天下。昂纳斯在不同的温度下对许多金属和非金属材料的电阻率进行实验发现,不同的金属有不同的电阻率,有的是温度越高电阻率越小,有的是温度越低电阻率越小。在同样的几何尺寸和温度下,电阻率大的物体,电阻就大,阻碍电流流通的作用就大。昂纳斯发现铜、铅、铝等几种金属的电阻,随温度下降而下降,近于正比例关系,直至冷却到液态空气温度(-193℃)时,这种正比例关系维持不变。他的实验结果与当时的金属导电理论是完全相反的。当时的理论认为:金属中的电流是自由电子定向运动的缘故;金属中的电阻性质是随温度降低而增大的,这同电子运动随温度变化的规律相一致。不过,按照这个理论,当温度降到绝对零度(-273℃)时,电子将“凝聚”在原子上,电阻会出现极大值,这时的金属就变成了绝缘体,其中的电流就消失了,即电流就不再流动了。

1911年的一天,昂纳斯在实验室作金属汞的导电实验时,他把汞放到了-269℃的液态氦中,他原想汞的电阻在这个低温下一定很大,导电能力势必微乎其微,但实际情况与他的想法恰恰相反。一个奇怪的现象突然发生了:实验电路中的电流表指针猛然急剧地向无穷大方向摆去。这种现象充分说明,汞这时的电阻几乎为零。在这种低温下汞对电流毫无阻碍作用。昂纳斯被这奇怪现象惊呆了!他敏感地意识到,这种意外情景可能是一个令人可喜可贺的科学发现。但是他又犹豫起来,怀疑自己的实验设备是否出了故障。经过检查,没有发现设备有任何问题,于是又经过几次反复实验,这一现象确实存在,于是他把这一现象起名为“超导”。

昂纳斯偶尔发现的超导现象,立即轰动世界各国的科学家,引起了众多物理学家的高度重视。一时间很快掀起了研究超导现象的热潮。物理学家不约而同地意识到一个共同的问题———超导现象提示了自然界中存在着在低温条件下没有电阻的物质。这种物质称为“超导体”。研究结果表明不仅是汞具有超导性能,其他金属如:铝、铅、锡、铌、钽等几十种物质,在一定的低温环境下也具有超导性。

几千种合金和化合物的超导体都一一在研究中陆续被发现。由于是昂纳斯首先发现了“超导”现象,所以他于1913年获得了诺贝尔物理奖;给人类带来了新的福音。随着科学技术的发展,超导技术正在迅速的应用于工农业生产的各个领域,显示出了它的强大生命力。用它制造电磁铁之类的器械,电能几乎不会损耗,效率极高,在航天事业中有着巨大的应用潜力。

1958年,美国科学家巴丁等人在深入研究探讨中从理论上解释了超导电的原理。

开始,人们都认为超导现象只有金属在-270℃的极低温状态下才可能发生。但到了1986年,美国国际商用机器公司苏伊士研究所贝德若兹和谬勒两位科学家又发现了超导陶瓷,这又引起了科学界的极大兴趣。以后,人们又发现了高温状态下的一些超导材料。现在,已经发现-150℃左右的超导物质。日本住友电气工业公司应用铋系氧化物超导体早已制成了目前世界上最长的高温超导线材,达到并超过送电线路所必要的500米~1000米的长度。这家公司采用的是把铋、锶、钙、铜粉沫填入细银管中,轧制成带状料(截面为3毫米×0.2毫米)后烧结。这种线材在绝对温度110K时呈超导状态,这就是说,它在-163℃的比较高的温度下就可以超导了。它具有很高的实用价值。

我国在1987年4月7日,第一次成功地研究出了在较低温度下可以生产超导现象的材料。北京大学C60科研组成功地研制出高质量C60外延薄膜的超导材料,达到了国际先进水平。我们毫不夸张地说,在不远的将来,超导将很快应用于悬浮列车、计算机、发电机、电力传输和医疗器械等各方面,超导的应用前景十分美好。全世界都在抓紧研究开发更稳定、条件较低而零电阻又较高的强力超导体,我们期待着这一天尽早地到来。
 

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