诺贝尔物理学奖-1913

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1、1913年諾貝爾物理學獎低溫物質特性尺末林■昂納斯1913年諾貝爾物理學獎授予荷蘭萊頓大學的卡末林■昂納斯(HeikeKamerlingh-Onnes,1853—1926),以表彰他對低溫下物質特性的研究，特別是這些研究導致了液態氮的生產。19世紀末、20世紀初，在低溫的實驗研究上展開過一場世界性的角逐。在這場轟動科壇的競賽中，領先的是西北歐的一個小荷蘭萊頓的低溫實驗室。19世紀後半葉，在研究氣體的性質隨壓力(壓強)和溫度變化的關係上，荷蘭物理學家曾作出過重要貢獻。1873年，凡得瓦(VanderWaals)在他的博士論文“氣態和液態的連續性”中，提出了包括氣態和

2、液態的“物態方程”，即凡得瓦方程。1880年，凡得瓦又提出了“對應態定律”，進一步得到物態方程的普遍形式。在他的理論指導下，英國人杜而(J.Dewar)於1898年實現了氫的液化。他所在的荷蘭萊頓大學發展了低溫實驗技術，建立了低溫實驗室。這個實驗室的創始人就是著名低溫物理學家卡末林•昂納斯。自從1823年法拉第第一次觀察到液化氯以來，各種氣體的液化和更低溫度的實現一直是實驗物理學的重要課題。但實驗的規模始終不能滿足需要。1877年，蓋勒德(L.P.Caillettet)和畢克特(P.P.Pictet)分別在法國和瑞士同時實現了氧的液化o1895年德國人林德(C.V

3、.Linde)和英人漢普遜(W.Hampson)利用焦耳-湯姆森效應(即節流膨脹效應)開始大規模地生產液態氧和液態氮。著名的林德機成了低溫技術的基本設備。幾年後，英國皇家研究所的杜而實現了氫的液化和固化。他本來以為達到了低溫的極限，但接著發現氮還存留在殘餘氣體中。但是經過多年努力，用了許多辦法都未能實現氮的液化。卡末林-昂納斯決心攻克這個低溫堡壘,他致力於低溫設備的建設。當時低溫的獲得主要是採用液體蒸發和氣體節流膨脹。要得到很低的溫度，往往需要採第42頁用級聯的辦法(cascademethod),也就是首先把要液化的氣體壓縮，同時利用另一種液體的蒸發帶走熱量，然後

4、再讓氣體作節流膨脹，氣體對外做功消耗內能而降溫。這個原理在物理上都已解決，沒有什麼新內容，但在實踐上卻存在許多技術問題。設計者必然要考慮到各種物理問題和解決這些問題時所需的技術裝備，很多儀器都需要自己製造，甚至在開始時連電力都需要自己提供。卡末林■昂納斯以極大的精力改善了實驗室裝備，使之由初具規模發展到後來居上。但是他更重視人才培養。他創立了一所技工學校，讓學生晚上學習，白天在實驗室工作。他培養的玻璃技師不但滿足了本國的需要，還受聘到許多國家的物理實驗室工作，為發展低溫物理學和真空技術作出了貢獻。他為工業培養人才，對荷蘭的工業發展也起了一定影響。卡末林■昂納斯還廣

5、招科技人員，包括來自國外的訪問學者，集中到他的周圍。在他的組織和領導下，萊頓低溫實驗室於1894年建立了能大量生產液氫和其它氣體(包括氨氣)的工廠和一棟規模甚大的實驗樓館。他以工業規模建立實驗室，這在歷史上還是第一次。就是從這裏開始，物理學由手工業方式走向現代的大規模水準。圖13・1是卡末林■昂納斯的低溫實驗裝置原理圖。13—1卡末林■昂納斯的低溫實驗裝置原理圖1908年7月10日是一個具有歷史意義的日子。這一天，卡末林■昂納斯和他的同事在精心準備之後，集體攻關，終於使氮液化。這一天值得大書特書，因為它標誌著20世紀“大科學”首次登台，初戰告捷。卡末林■昂納斯的準

6、備工作極其細緻，他事先對氮的液化溫度作了理論估算，預計是在5—6Ko氮氣大量儲備，有充足的供應。液態氫是自製的。在實驗前一天，製備了75升液態空氣備用。凌晨5時許，20升液態氫已準備好，逐漸灌入氮液化器中o用液態氫預冷要極端小心，如果有很微量的空氣混入系統就會前功盡棄。下午一時半，全部灌進氮液化器，開始令氨氣回圈。液化器中心的恆溫器開始進入從未達到過的低溫，這個溫度只有靠氮氣溫度計指示。然而，很長時間看不到指示器有任何變化。人們調節壓力、改變膨脹活塞，用各種可能採取的措施促進液化器的工作，溫度計都似動非動，很難作出判斷o這時液氫已近告罄，仍然沒有觀察到液氮的跡象。

7、晚上7點半，眼看實驗要以失敗告終，有一位聞訊前來觀看的教授向卡末林■昂納斯建議說，會不會是氮溫度計本身的氮氣也液化了,是不是可以從下面照亮容器，看看究竟如何？昂納斯茅塞頓開，立即照辦。結果使他喜出望外，原來中心恆溫器中幾乎充滿了液體，光的反射使人們看到了液面。這次卡末林•昂納斯共獲得了60cc的液態氮，達到了4.3K的低溫。他們又經過多次實驗,第二年達到1.38—1.04Ko化，他更注然而，卡末林■昂納斯的目標不僅在於獲得更低的溫度，實現氣體的液化和意探討在極低溫條件下物質的各種特性。金屬的電阻是他的研究物件之一。當時對金屬電阻在接近絕對零點時的變化，眾說紛紜，猜

8、測不一。根