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卡末林·昂尼斯

Heike Kamerlingh Onnes

卡末林·昂尼斯(Kamerlingh Onnes)是低温物理学家,1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根,1926年2月21日卒于荷兰的莱顿.因制成液氦和发现超导现象1913年获诺贝尔物理学奖。

1882年,29岁的昂尼斯被任命为莱顿大学物理学教授和物理实验室负责人.当时物理学正处在一个转变的时代,人们越来越重视物理实验.昂尼斯在担任莱顿大学物理实验室负责人后,就决定把研究低温物理作为主攻方向.要进行低温方面的实验,首先就要获得低温.低温要靠液化气体获得.当时只有氢和氦还没有被液化.英国物理学家杜瓦从1877年开始研究,经过二十多年,于1898年液化了氢.昂尼斯领导的莱顿大学物理实验室为了满足低温研究的需要,于1892~1894年建成了大型的液化氧、氮和空气的工厂,1906年可以大量生产液氢,为液化氦打下了坚实的基础.又经过两年奋斗,终于在1908年7月10日成功地液化了氦.为在液氦温度下研究物质的性质创造了条件。

 

生平简介

 

海克·卡末林·昂内斯(Heike Onnes,1853年9月21日-1926年2月21日),荷兰物理学家,超导现象的发现者,低温物理学的奠基人。

昂内斯1853年出生于荷兰的格罗宁根,1870年进入格罗宁根大学,第二年前往德国的海德堡,跟随物理学家本生和基尔霍夫学习。1876年,昂内斯从格罗宁根大学本科毕业,1879年又在该校获得博士学位。

1882年,昂内斯成为荷兰莱顿大学的物理学教授和物理实验室负责人,将实验室的主攻方向定为低温物理学。当时获得低温的主要手段是液化气体,1882年以前,只有氢气和氦气尚未被液化,英国物理学家杜瓦经过二十余年的研究,在1898年首次液化了氢气。莱顿大学物理实验室在昂内斯的领导下迅速发展,于1894年创建了莱顿大学低温物理实验室,建立了大型液化气工厂,1904年液化了氧气,两年后又液化了氢气,并在1908年7月10日首次液化了氦气,以-269 °C(4K)刷新了人造低温的新纪录。随后又用液氦获得了0.9K的更低温。昂内斯因此被称为“绝对零度先生”

1911年,昂内斯利用液氦将金和铂冷却到4.3K以下,发现铂的电阻为一常数。随后他又将汞却到4.2K以下,测量到其电阻几乎降为零,这就是超导现象。1913年,昂内斯又发现锡和铅也和汞一样具有超导性。同年,由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气,昂内斯被授予诺贝尔物理学奖。

在昂内斯的领导下,莱顿大学物理实验室成为世界低温物理学的研究中心。1923年,昂内斯退休,1926年在莱顿逝世。为纪念他,莱顿大学物理实验室1932年被命名为“卡末林·昂内斯实验室”。

Heike Kamerlingh Onnes

 

科学研究

 

海克•卡末林•昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)(1853年9月21日~1926年2月21日) 是荷兰物理学家,诺贝尔奖获奖者,他开创制冷技术,他探讨如何让设备工作,当冷到接近绝对零度时。他第一个做出液化氦。其生产的极端低温环境让他在1911年发现超导电性:对于某些材料,电阻突然消失在非常低的温度。

昂内斯出生于荷兰格罗宁根。他的父亲,哈姆•卡末林•昂内斯(Harm Kamerlingh Onnes) 是一个砖厂的老板。他的母亲是阿纳姆的安娜•葛迪纳•科尔斯。

1870年,昂内斯进入格罗宁根大学。他从1871年到1873年在海德堡大学跟着罗伯特本生(Robert Bunsen) 和基尔霍夫(Gustav Kirchhoff) 。1878年,再次在格罗宁根大学,他获得硕士及博士学位。他的论文是”Nieuwe bewijzen voor de aswenteling der aarde” (地球自转的新证据)。

昂内斯在莱顿大学担任实验物理学教授。1904年,他创办了一个非常大的低温实验室,并邀请其他研究人员。这使他在科学界被高度重视。 1908年,他是第一个研究液化氦的物理学家,使用汉普森-林德循环和低温恒温器。使用焦耳-汤姆逊效应,他把温度降到-269度C,-3度凯氏温标。在当时,这是达到地球上最冷的温度。原本的设备在莱顿的布尔哈夫博物馆(Boerhaave Museum) 。

他和玛莉亚(Maria Adriana Wilhelmina Elisabeth Bijleveld) ,并有一个小孩,名子叫阿尔伯特(Albert) 他的弟弟,麦梭(Menso Kamerlingh Onnes)(1860~1925) 是一位相当知名的画家,而他的妹妹,珍妮(Jenny Kamerlingh Onnes) ,和另一个著名画家,弗洛里斯(Floris Verster)结婚。

1911年,昂内斯在非常低的温度进行纯金属(汞,锡,铅)的电性分析。有的如威廉汤姆孙(William Thomson),认为电子在流经导体时会完全停止,或者换句话说,金属导电性将成为无限大的绝对零度。其他人,包括昂内斯,觉得一个导体的电阻将稳步下降,下降到零。奥古斯都(Augustus Matthiessen) 指出,当温度降低时,通常会提高金属的导电率,或换句话说,电阻率通常随着温度下降。

 

重要研究课题

 

金属的电阻问题是昂尼斯的一个重要研究课题.当时对金属的电阻在绝对零度附近如何变化,有不同的说法,有人认为纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐变小,并最终在绝对零度消失.昂尼斯最初相信的是开尔文1902年提出的另一种观点,即随着温度的降低,金属的电阻在达到一极小值后,会由于电子凝聚到金属原子上而变为无限大.昂尼斯由于掌握了液化氦的技术,因而具备了从实验上研究这一问题的条件.1911年2月,他测量了金和铂在液氦温度下的电阻,发现在4.3 K以下,铂的电阻保持为一常数.而不是通过一极小值后再增大.因此他改变了原来的看法,而认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失.

为了检验他的看法,选择了汞作为实验对象,因为汞比其他金属容易提纯.实验结果出现了令人意想不到的奇特现象:汞的电阻在4.2 K左右突然消失.1911年4月~11月,昂尼斯在连续三篇论文中详细地报道了他的实验结果.

 

其它成就

 

1913年,昂尼斯又发现锡和铅也具有和汞一样的超导电性,不纯的汞也具有超导电性.

由于昂尼斯对莱顿大学物理实验室的出色领导和管理,使该实验室成了本世纪初全世界低温研究的中心.

麦士纳效应中的超导体,可以获得完全免费的浮力,因而具有极大工业潜力

 

超导现象

 

超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

 

超导体的基本特性

 

超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零(以目前观测,即使有,也小至10-25欧姆·平方毫米/米以下)的现象,而这一温度称为超导转变温度(ble)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。然而,对于普通导体如铜和银,即使接近绝对零度时,仍然保有最低的电阻值,这是纯度和其他缺陷的影响所致。另一方面,超导体的电阻值在低于其"临界温度"时,一般出现在绝对温度 20 K或更低时会骤降为零。在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需提供电能。如同磁性和原子能谱等现象,超导特性也是种量子效应。这种性质无法单纯靠传统物理学中理想化的“全导特性”来理解。

超导现象可在各种不同的材料上发生,包括单纯的元素如锡和铝,各种金属合金和一些经过布涂的半导体材料。超导现象不会发生在贵金属像是金和银,也不会发生在大部分的磁性金属上。

在1986年发现的铜氧钙钛陶瓷材料等系列,即所谓的高温超导体,具有临界温度超过90K的特质,基于各种因素促使学界又再度燃起研究的兴趣。对于纯研究的领域而言,这些材质呈现一种现象是当时BCS理论所无法解释的。(依BCS理论,当温度超过39K,库珀对会不稳定而无法维持超导状态。)而且,因为这种超导状态可在较容易达成的温度下进行,尤其若能发现具备更高临界温度的材料时,则更能实现于业界应用。

 

超导体的分类

 

超导体的分类没有唯一的标准,最常用的分类如下:

• 由物理性质分类:可分成第一类超导体(若超导相变属于一阶相变)和第二类超导体(若超导相变属于二阶相变)。

• 由超导理论来分类:可分成传统超导体(若超导机制可用BCS理论解释)和非传统超导体(若超导机制不能用BCS理论解释)。

• 由超导相变温度来分类:可分成高温超导体(若可用液态氮冷却就形成超导体)和低温超导体(若需要其他技术来冷却)。

• 由材料来分类:它们可以是化学元素(如汞和铅)、合金(如铌钛合金和铌锗合金)、陶瓷(如钇钡铜氧和二硼化镁)或有机超导体(如富勒烯和碳纳米管,这可能都包括在化学元素之内,因为它们是由碳组成)。

关于超导材料转变时温度(cv) 与电阻率(ρ)变化关系的图像.

 

发现

 

1911年春,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到时,发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

 

完全抗磁性

 

1933年,德国物理学家迈斯纳(Walther Meissner)发现了超导体的完全抗磁性,即当超导体处于超导状态时,超导体内部磁场为零,对磁场完全排斥,即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时,超导性被破坏。

 

原理

 

1957年,美国物理学家约翰·巴丁、库珀(Leon Cooper)、施里弗(Robert Schrieffer)提出了以他们名字首字母命名的BCS理论,用于解释超导现象的微观机理。BCS理论认为:晶格的振动,称为声子(Phonon),使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对,称为电声子交互作用,所以根据量子力学中物质波的理论,库珀对的波长很长以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成电流。巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。 不过,BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导,或高温超导的现象。

 

进一步的发现

 

1952年,科学家发现了合金超导体硅化钒。1986年1月,德国科学家约翰内斯·格奥尔格·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·亚历山大·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体,从而获得了1987年诺贝尔物理学奖。1987年,美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986年-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K。大约1993年,铊-汞-铜-钡-钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。

 

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