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中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

2021/6/1 11:00:554次浏览

你能想象置身于约-269℃的环境里是什么感受?要知道南北极的最低温度都没超过-100℃!普通环境下,是不可能接触到这样的温度的,只有液氦才有这样的本事,能够制造-269℃的极低温度。它是低温物理

你能想象置身于约-269℃的环境里是什么感受?要知道南北极的最低温度都没超过-100℃!普通环境下,是不可能接触到这样的温度的,只有液氦才有这样的本事,能够制造-269℃的极低温度。它是低温物理实验必不可少的材料,是制造极佳超导实验环境的魔术师。历史上的今天,是中国第一瓶液氦的生日。

那么,液氦是什么呢?

中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

氦气液化后得到液氦,与其他低温液体相比,它的正常沸点最低,为4.2221K(约为-269℃)。问题来了,氦气从哪里来呢?目前美国是氦气储量最大的国家,得到氦气的办法就是靠钻天然气,然后把氦气从天然气中分离出来。氦气的液化并不是那么简单。氦气是最难液化的物质,很多科学家付出颇多努力最后都无功而返。要将氦气液化,需先将氦气温度降至50K(-223℃)以下,如果要提高液化率,温度也得达到15K(-258℃),可想而知氦气的液化是一个艰辛的过程,如此苛刻的条件使得氦气是继氧、氮、氕、氢等物质之后最后被液化的物质。

中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

1877年的气体液化装置

古人云,先难后获。由于液氦具有极低的临界温度,因此液氦是科研中制造超低温的“神器”。某些材料在特定温度下,会出现电阻为零的现象,这些材料被称为超导体。但是,特定的温度往往是低温,因此需要液氢、液氮、液氦等低温液体制造低温环境,而在这三种液体中,液氦的温度是最低的,这就意味着如果不考虑成本、实验条件等因素,液氦是这三种液体中最理想的,而且也能找到更多的超导材料。在超导技术的应用中,液氦也发挥了很大的作用。核磁共振成像仪和波谱仪、超导磁体中超导线圈的低温冷源往往都会用到液氦。

中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

如此科研“神器”注定了它尽管高冷“难追”,但是仍旧有无数的人前赴后继地奉献自我去“搞定”它。终于,卡末林-翁纳斯于1908年获得了世界上的第一滴液氦,并于1911年用液氦冷却汞,发现了超导现象。经过几十年的技术完善,液氦技术已经非常完善了。但是中国并未跟上世界科研的脚步,直到新中国成立之后,我国氦的液化技术还未起步。要了解新中国第一瓶液氦诞生的历史,就不得不介绍一位伟大的低温物理学家——洪朝生先生。

中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

洪朝生先生是著名的物理学家,中国低温物理与低温技术研究的创始人之一,中国科学院院士。新中国初建立时期,百废待兴,科研领域的提高势在必得。心怀祖国的洪朝生在荷兰工作期间,收到了中科院应用物理所(现中科院物理所)所长陆学善的来信邀请,回国筹建低温物理实验室。此时的洪朝生不仅在国外的低温物理实验上获得了肯定,普渡大学多次邀请他重返实验室,给他提高待遇等,而且还受邀于著名的物理学家莫特,到英国利物浦大学一起研究理论物理。但是,洪朝生最后选择了祖国,毅然决然地回国,准备为中国低温物理研究贡献力量。可是,一切并不是那么顺利。尽管当时中科院在艰难的开国初期,仍拿出10亿元(币制改革后10万元)作为实验室的筹建经费,但是,国内低温物理实验的基础设备都不全,无法立即开展科研工作。实验器材需要国外采购,他就随采购团队远赴德国,将设备、材料的规格等清楚地和德国方面交流购买,事事亲力亲为。

而在20世纪50年代,低温物理实验重要的设备——氦液化机在国内根本无法买到,而所有具有氦液化机生产能力的国家都禁止将机器卖给中国。面对困境,洪朝生说:“这个我得自力更生,自己来干。”于是,他通过对氦液化原理的了解,自己设计氦液化机,充当科技工程师,不断地通过设计、研制、安装、调试,多次反复,并且带上了他的学生,于1959年4月3日制备了新中国的第一瓶液氦!

中国第一瓶自制液氦诞生丨科学史

液氦对于我国在低温超导研究、半导体生产、卫星飞船发射、导弹武器工业等领域的发展起到了极大的作用。而今天的中科院物理研究所超导国家重点实验室,仍旧使用液氦进行着超导研究,实验室的工作一直处于国际超导研究的前沿。

作者系中国科学院物理研究所研究生

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