邮票上的物理学史：低温物理学 | 蓝月 | 邮票上的物理学史连载
邮票上的物理学史
———低温物理学
秦克诚(北京大学物理系,北京 100871)
低温物理学中所谓的低温,指的是能量可以和零点能相比的温度.零点能是一个纯粹量子力学概念.温度越低,原子或分子的运动越慢,其动能小到可以与零点能相比,这就使其量子特性充分显示出来.低温下突出的物理现象中超导电性(超导)和超流动性(超流)都属于宏观量子效应.低温物理学的前提是获得低温.按照热力学第三定律,绝对零度永远不能达到,但是可以任意逼近.我们首先回顾人类是如何获得越来越低的温度、逼近绝对零度过程的.法拉第从1823年开始系统地进行液化气体的研究.到1845年,他几乎液化了所有的气体,只剩下几种气体(氧、氮、氢、甲烷、一氧化碳和后来发现的氦)未能液化,人们称它们为“永久气体”.1877年,法国的凯泰(Ｌ.Ｐ.Ｃａｉｌｌｅｔｅｔ)和瑞士的皮克泰(Ｒ.Ｐ.Ｐｉｃｔｅｔ)分别独立地液化了氧气.这样,“永久气体”的名单中最后只剩下氢和氦了.1898年5月10日,英国科学家杜瓦成功地使氢液化.液氢的沸点是20Ｋ.一年后,他又用减压降温的办法达到约15Ｋ的低温,使氢固化.荷兰物理学家卡末林-昂内斯(图1,荷兰1936年,文化和社会救助基金邮票)最后于1908年完成了氦气的液化,从物理学中消除了“永久气体”的概念.卡末林-昂内斯在莱顿大学建立了低温实验室,有大型的空气液化设备,是当时世界上低温研究的中心.他采用级联方法,先生产出75Ｌ液体空气,对氢气进行预冷,再生产出20Ｌ液氢,对氦气进行预冷,最后制得液氦.氦4在大气压下的沸点约为4 2Ｋ.由于卡末林-昂内斯不断努力去逼近绝对零度,人们送他一个绰号“绝对零度先生”.后来,人们又发明了绝热去磁等致冷方法.最新的低温记录是0 5ｎＫ,是2003年在利用磁阱技术实现铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚的实验过程中创造的.卡末林-昂内斯还发现了超导电性.1911年,他发现汞的电阻率在比液氦沸点稍低的温度下突然降到零.1912年,他又观察到锡和铅的电阻率在某一温度下消失了.1913年,他引入了“超导电性”这个术语.出现超导电性的温度叫临界温度.在一定温度下,加上某一强度的磁场会破坏超导电性,消除超导电性的最小磁场强度叫临界磁场.1914年,他用超导材料制成一个闭合线圈,用电磁感应方法在线圈中生成一个电流后,电流在线圈中持续流动几个小时甚至几天也不衰减.由于卡末林-昂内斯使氦液化和对低温下物质性质的研究,他被授予1913年诺贝尔物理学奖(图2,瑞典1973年,1913年诺贝尔奖,左边是当年的诺贝尔化学奖得主ＡｌｆｒｅｄＷｅｒｎｅｒ;图3,格林纳达2002年,荷兰人对科学的贡献:荷兰的诺贝尔奖得主;图4,格林纳达所属格林纳丁斯1995年,诺贝尔奖设立百年),并被人们尊为“低温物理学之父”.当时把超导体看成是电阻为零的理想导体.以为电阻率变为零、进入超导状态之后,超导体的内部不存在电场,因此原来的磁场就不能随时间改变了,“冻结”在超导体里面.这曾被认为是不言自明的道理.1933年,德国物理学家迈斯纳(Ｗ.Ｍｅｉｓｓ ｎｅｒ)和奥克森菲耳德(Ｏｃｈｓｅｎｆｅｌｄ)发现,进入超导态后,物质内部的磁场不是保持不变,而是变为零,原来穿过物体的磁力线被完全排出体外,使周围的磁力线分布发生变化.这相当于超导体的磁导率为零,是一种理想抗磁体.这叫做迈斯纳效应.因此,超导体和理想导体完全不同.零电阻和迈斯纳效应是超导体的两个最基本的属性.上世纪30年代,开始建立超导电性的各种唯象理论.这包括戈特(Ｃ.Ｌ.Ｇｏｒｔｅｒ)和卡西米尔(Ｈ.Ｇ.Ｃａｓｉｍｉｒ)1934年提出的超导电性热力学理论二分量模型和从纳粹德国流亡到英国的伦敦兄弟(Ｆ.Ｌｏｎｄｏｎ和Ｈ.Ｌｏｎｄｏｎ)1935年提出的超导电性电动力学理论.1950年,苏联物理学家金兹堡和朗道在
第23卷第4期 大 学 物 理 Ｖｏｌ.23Ｎｏ.42004年4月ＣＯＬＬＥＧＥ ＰＨＹＳＩＣＳＡｐｒ.20042004-9-17 9:22:20 |
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| 回复：蓝月 | 朗道的二级相变理论的基础上提出了超导电性的一个唯象理论,比较成功地描述了超导体在磁场中的行为,对实际计算超导体的各种性质有重要意义.苏联物理学家阿布里科索夫根据金兹堡-朗道理论,预言了第二类超导体的存在.通常的不允许磁场穿过的超导体是第一类超导体,第二类超导体主要是一些超导合金,它有两个临界磁场Ｈｃ1和Ｈｃ2.当外加磁场强度Ｈ<Ｈｃ1时,超导体将全部磁通排除体外,是完全抗磁体.当Ｈｃ1<Ｈ<Ｈｃ2时,虽然仍为零电阻,但是磁场可以进入超导体,此时称为混合态.当Ｈ>Ｈｃ2时,超导体成为普通导体.在处于混合态时,超导体的内部有磁通,因而允许有电流流过,其临界电流密度更大,因而有很大的实用价值.唯象理论只是认识的第一步.要说明超导电性的起源和微观机制,必须建立微观理论.这个任务是巴丁(图5)、库珀(图6)和施里弗(图7)3人合作于1957年完成的.这个理论采用3位创立者的姓氏而叫做ＢＣＳ理论.它的物理图像是:电子和晶格有吸引相互作用(电-声相互作用),在与电子间的库仑排斥力抵消后,电子之间还有剩余的吸引作用.于是费米面附近的电子将两两结合为电子对(叫库珀对),对中的两个电子的自旋和动量相反.电子是费米子,但是这种电子对是玻色子,因此会发生动量空间内的玻色-爱因斯坦凝聚.大量的这种具有相同总动量(速度)的电子对就构成了无电阻的超导电流.3人中,巴丁是领军的,他因发明晶体管于1957年获得诺贝尔物理学奖.库珀是杨振宁先生推荐给巴丁的,他的主要贡献是提出库珀对的概念.施里弗是巴丁的研究生,主要贡献是找到超导体的基态波函数.ＢＣＳ理论是一个非常成功的理论,他们3人因此被授予1972年诺贝尔物理学奖.这样,巴丁就成为诺贝尔奖历史上唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家.这3张邮票都是几内亚于2001年发行的诺贝尔奖百年邮票.1957年,江崎玲於奈发现了半导体的隧道效应,并研制成隧道二极管,开创了研究固体中的隧道效应的新局面.人们开始研究与超导体有关的隧道效应.1960年,美籍挪威科学家加埃沃(图8,格林纳达所属格林纳丁斯1995年,诺贝尔奖设立百年)成功地观察到超导体-绝缘层-正常导体和超导体-绝缘层-超导体情况下的单电子隧道效应.库珀电子对能不能隧穿呢?1962年,英国22岁的研究生约瑟夫森根据ＢＣＳ理论预言,在超导体-势垒-超导体的情况下,会出现以下效应:1)在有限的电压Ｖ下,存在着一个交流超导电流,频率为2ｅＶ/ｈ.2)在零电压下,会出现一个直流超导电流.他的预言得到实验证实.1973年,约瑟夫森、江崎玲於奈和加埃沃分享了1973年诺贝尔物理学奖.可是,从上世纪60年代末开始,约瑟夫森离开了主流科学领域,从事智能、意识和超心理学的研究.(剑桥大学卡文迪什实验室的凝聚态研究组有一个“心物统一”研究项目,从事一些“特异功能”研究,特别是对“遥视”的研究).至今被科学界视为异端,也没有得出什么成果.超导电性的实际应用原来主要集中在无损耗输电、产生强大的磁场等强电项目上(这主要靠第二类超导体).发现超导隧道效应后,导致超导隧道电子器件的出现,发展出一门崭新的技术———超导电子学,主要应用于电压基准、电压和弱磁场的精细测量、快速开关等.超导应用最大的问题还是如何提高进入超导态的转变温度.如果都要冷却到液氦或液氢的温度才能出现超导电性,成本就太高了.但是,超导的临界温度提高得很慢.从发现超导电性以来,经过70多年的努力,超导转变温度提高了不到20Ｋ,平均每年只提高0 27Ｋ左右.1986年有了戏剧性的突破.ＩＢＭ公司苏黎世实验室的瑞士物理学家缪勒(图9,马尔代夫1995年,诺贝尔奖设立百年)和他以前的学生贝德诺茨(图10,多哥1995年,诺贝尔奖设立百年;图11,格林纳达1995年,诺贝尔奖设立百年)独辟蹊径,他们不是去探索传统的超导体,而是从金属氧化物陶瓷中找到了高温超导体.他们发现Ｌａ-Ｂａ-Ｃｕ-Ｏ系统中存在着临界温度高达35Ｋ的超导电性.他们的发现得到其他实验组的证实.各地闻风而动,竞相制造和测试各种样品,掀起了一个超导研究热潮.在不到3个月的时间里,超导体的转变温度提高到液氮温区(以液氮代替液氦可以使制冷费用减少到几十分之一到百分之一),开始转变的温度提高到100Ｋ以上.1993年5月,瑞士ＥＴＨ实验室的席林(Ａ.Ｓｃｈｉｌｌｉｎｇ)制成Ｈｇ-Ｂａ-Ｃａ-Ｃｕ-Ｏ超导体,转变温度高达133 8Ｋ,这是迄今为止的最高记录.1991年在日本召开第三届国际超导会议(图12,日本1991年,纪念第三届国际超导会议),高温超导是倍受关注的主题.邮票上端的英文Ｍ2Ｓ-ＨＴＳＣ-Ⅲ是此次会议的会标,代表第三届超导机制和材料国际会议———高温
第4期 秦克诚:邮票上的物理学史 ———低温物理学 652004-9-17 9:23:21 |
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———低温物理学(续)
秦克诚(北京大学物理系,北京 100871)
再看超流.液氦的超流动性是苏联物理学家卡皮察于1938年发现的(图13,俄国2000年,俄国20世纪科学.上面的俄文是“卡皮察在1938年发现液氦的超流动性”).他在用毛细管测量液氦的黏性时发现,液氦的黏性在低于2.2Ｋ时趋于消失,可以完全畅通无阻地流过极细的管道或狭缝而不损耗其动能;同时热导率异常高.卡皮察在磁学、低温物理和技术等方面都有杰出成就.他是约飞的学生,很受约飞器重.1919年,卡皮察遭到巨大的不幸,在苏联革命后的困难日子里,由于粮荒和流行性感冒,他的父亲和两岁的儿子相继死去,妻子哀痛过甚,也在分娩时和女儿同逝.约飞当时正组织一个代表团出国,想和国外恢复联系.为了让卡皮察改变一下环境使他的心情好一些,约飞也让卡皮察参加了这个代表团.他们于1921年访问了剑桥,会见了卢瑟福.卡皮察希望留在卢瑟福主持的卡文迪什实验室工作一段时间,可是卢瑟福说实验室人已满,没有空额了.于是卡皮察问卢瑟福:“您做的实验有多大的误差?”卢瑟福回答:“有2%～3%.”卡皮察说:“那好,您的实验室大约有30个人,再增加我一个也超不出您的误差范围.”这个机智的回答打动了卢瑟福,他接受了卡皮察.本来计划只让卡皮察在剑桥工作半年,结果却工作了13年.卡皮察到剑桥后不久就因工作出色,而越来越得到卢瑟福的器重,成了卢瑟福最亲密的助手之一.1923年,他把云室放在强磁场中,观察到α粒子在磁场中径迹的偏转.他想出了一个办法可以产生很高的磁场,卢瑟福对此很感兴趣,任命他为实验室磁学研究组副主任.他对磁致伸缩现象作了开创性研究.1928年,他发现置于磁场中的各种金属的电阻随磁场强度线性增加.在研究这个课题时,他发现有些效应在低温时更明显,于是卡皮察又开始了低温技术的研究,为此他设计了一套高效率的氦液化器.1929年,在卢瑟福的推荐下,他被选为英国皇家学会第一个外籍会员.皇家学会还从百万富翁蒙德捐赠的遗产中拨款为卡皮察建立了一个专门的实验室,即著名的蒙德实验室.卡皮察每年都要回苏联去探望母亲,苏联政府多次要求他回国从事科学研究.1934年他被强留了下来,苏联政府专门为他建立了科学院物理问题研究所.在获悉卡皮察的人身安全状况及被任命为研究所所长的消息后,卢瑟福慷慨地答应把卡皮察在卡文迪什实验室使用的全部设备运往莫斯科,让卡皮察能继续他的研究.苏联政府则给卡文迪什实验室一定的财政补偿以添置新设备.卡皮察为苏联物理学的发展作了大量的工作.由于他在低温物理学领域的发明和发现,他被授予1978年诺贝尔物理学奖(图14,苏联1994年,诞生百年,诺贝尔物理学奖得主;图15,圣文森特所属格林纳丁斯1995年,诺贝尔奖设立百年).在发现超流动性之前,人们已经发现,在2.2Ｋ的温度下液氦(指4Ｈｅ)会出现一系列奇特现象.例如密度在2.2Ｋ有一极大值,热容量在2.2Ｋ两旁有一很陡峭的尖峰,很像希腊字母λ,因此将这个温度叫做λ点.人们认为,在λ点发生了相变,因而把2.2Ｋ上、下的液氦分别称为氦Ⅰ和氦Ⅱ.但是,与通常的相变不同,通常的相变是指物质聚集态的变化,如气-液变化、固-液变化,固态物质的不同晶型也称为不同的相,但此前还没有发现过液态物质有不同的相.通常的相变都伴随有潜热和状态参量的突变,而且在相变点两相是共存的.但是液氦在λ点发生的变化却没有潜热放出,密度是连续的,且两相不共存.这种相变是二级相变,通常的相变是一级相变.有一些实验演示氦Ⅱ的奇特性质.例如所谓“爬壁现象”,可以沿着容器壁反抗重力向上流;又如“喷泉效应”,一根两端开口的玻璃管(上端为很细的细
第23卷第5期 大 学 物 理 Ｖｏｌ.23Ｎｏ.5
2004年5月ＣＯＬＬＥＧＥ ＰＨＹＳＩＣＳ
Ｍａｙ.20042004-9-17 9:25:44 |
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| 回复：蓝月 | 管)插在氦Ⅱ中,管内装满黑色的金刚砂粉末,外部的氦Ⅱ只能通过这些粉末从下部进入玻璃管.用手电筒照射玻璃管,黑色粉末吸热,管内温度升高,氦Ⅱ涌入玻璃管,从顶端射出,可形成高达30ｃｍ的喷泉.这些都是热-机械效应,其解释见下.图13上有两组仪器,下面一组仪器是喷泉效应的强化演示,光经聚焦照到容器上后,由于喷泉效应仪器开始旋转.匈牙利物理学家提萨(Ｌ.Ｔｉｓｚａ)于1938年提出了一个唯象理论二流体模型.他假设:①氦Ⅱ是由两种可以互相无阻碍穿透的流体组成,一种是密度为ρＳ的超流体,一种是密度为ρＮ的正常流体.液氦的密度ρ=ρＳ+ρＮ,当温度由2.2Ｋ趋向0Ｋ时,ρＳ由0增至ρ,ρＮ由ρ减至0.②超流体不携带熵,黏性系数为0;正常流体携带全部的熵,黏性系数与氦Ⅰ同数量级.我们看这个模型如何解释喷泉效应.聚焦的光照到容器上使温度升高,管内的氦Ⅱ中正常流体增多而超流体减少,与管外的氦Ⅱ不平衡,管外的氦Ⅱ中的超流体会穿过金刚砂粉末间的空隙扩散进来,但管内氦Ⅱ中的正常流体不能穿过粉末间的空隙流出去,因此管内压强升高,氦Ⅱ从管子另一端喷出来.超流的量子理论是苏联的理论物理学家朗道建立的.朗道认为,液氦中只存在一种流体,但其能态在不同的温度下不同.在绝对零度时,氦Ⅱ处于基态,氦原子没有任何运动.当温度上升时,氦Ⅱ被激发,开始振动.朗道将固体物理中的声子概念用到液氦中,利用声子概念解释了氦Ⅱ的超流动性和巨大的热导率,并且预言在氦Ⅱ中存在两种不同的声速,一种是通常的压力波,另一种是温度波,这一预言于1944年获得实验证实.朗道是犹太人(图16,以色列1998年,为世界文化作出贡献的犹太人).他因建立了凝聚态特别是液氦的超流动性的理论被授予1962年诺贝尔物理学奖(图17,圣文森特1991年,诺贝尔奖得主;图18,圣文森特所属格林纳丁斯1995年,诺贝尔奖设立百年;图19,乌干达1995年,诺贝尔奖设立百年;图20,马尔加什1993年,诺贝尔奖得主,左边是维恩,右边是朗道).朗道的工作领域非常之广,几乎在理论物理学的所有领域都作出了出色的贡献.在他50岁生日时,他的朋友和学生送给他一块大理石板,上面刻了他10项最重大的科学成就,号称“朗道十诫”.朗道和他的学生栗弗席兹合作撰写的九卷本《理论物理学教程》包罗万象,内容全面,涉及理论物理学的各个部分,阐述清晰,推导严谨.它被译成多种文字(包括中文),教育了全世界的一代代理论物理学工作者.1962年初,朗道出了车祸,头部重伤,连续57天处于昏迷状态.苏联政府为了挽救他的生命作出了重大努力,但他的智力始终没有恢复过来,1968年在一次手术后去世.诺贝尔奖委员会赶在1962年给他授奖,这也是一个原因.由于他的身体情况不允许他旅行,这次授奖是在莫斯科举行的.朗道为人不拘常礼,说话随便,语言尖刻的程度较泡利有过之无不及.1961年玻尔最后一次访问苏联,朗道亲自担任翻译.一次,朗道问玻尔:“您有什么秘诀把那么多有才华的年轻人团结在您周围?”玻尔回答说:“没有什么秘诀,只是我不怕在他们面前显露我的愚蠢.”这句话成了国际科学界一时盛传的名言.但是在一次重述时,朗道却把“我的愚蠢”说成“他们的愚蠢”.这虽是一时疏忽,卡皮察却认为这正反映了朗道和玻尔作风的不同.1938年在苏联肃反中,朗道被诬为德国间谍,被投入监狱.这和他的这种作风得罪人及其犹太血统不无关系.由于卡皮察的大力援救,亲自写信给斯大林,以及国际上玻尔等人的声援,朗道在一年后获释.氦有两种稳定同位素,4Ｈｅ和3Ｈｅ.上面说的都是4Ｈｅ的情况.4Ｈｅ在天然氦中占99.99986%,3Ｈｅ只占1.4×10-6,它的原子核是费米子,服从费米-狄拉克统计,和4Ｈｅ核有很大的不同.4Ｈｅ的超流动性与4Ｈｅ核在λ点下发生玻色-爱因斯坦凝聚有关.那么,3Ｈｅ有没有超流动性呢?与库珀电子对相似,人们预期3Ｈｅ核也能结合成对成为玻色子,在极低温下变成超流体.但是许多研究小组在这方面的工作都不成功,以致许多人认为3Ｈｅ不可能形成超流体.1972年,美国康奈尔大学的戴维·李、奥谢罗夫和Ｒ.Ｃ.里查孙3人把3Ｈｅ冷却到2ｍＫ,发现3Ｈｅ也出现了超流动性.英国理论物理学家勒格特很快给出了理论解释.戴维·李等3人为此被授予1996年诺贝尔物理学奖.2003年,诺贝尔奖委员会又决定把当年的诺贝尔物理学奖授予金兹堡(由于解释超导的金兹堡-朗道理论)、阿布里科索夫(由于预言第二类超导体)和勒格特(由于解释3Ｈｅ的超流动性),这多少有一种补偿的意味.
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