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音像超导简史(精)刘兵|责编:姜曼
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我与科学世界引子超导的发现冷与热是如何表示的叩开低温世界的门实验天才杜瓦的遗憾零度先生卡末林-昂内斯邂逅“超导女神”迈斯纳的贡献杜瓦、卡末林-昂内斯和迈斯纳的比较超导理论的发展开索姆的实验戈特和卡西米尔的“二流体”模型伦敦兄弟的见解什么是唯象理论弗烈里希的预言超导体的一个重要特征皮帕德的测量巴丁、库珀、施里弗和BCS理论两类超导体舒布尼柯夫的工作京茨堡和朗道的计算阿布里柯索夫轶事崂山与隧道效应贾埃的隧道结33岁的约瑟夫森荣获诺贝尔奖超导体的应用一个典故电压基准和电磁波探测的SOU超导计算机超导电力输送超导发电超导磁悬浮列车医疗领域中的超导应用超导体的应用高温超导体的探索启用超导体的困难超导理论的进一步发展马梯阿斯对常规超导体的探索几个曲柏诺兹和缪勒的突破日本、美国和中国的反应液氮温区超导体的发现竞争趣闻后记
冷与热是如何表示的定量地衡量冷与热的程度,我们必须要引入温度的概念。温度是一个表示物体冷热程度的物理量,它用温标来表示。在一些,如美国,常用的是由德国物理学家华仑海特(G.D.Fahrenheit)在1712年建立的华氏温标(用°F来表示)。按照华氏温标的规定,在101325帕(1个标准大气压)下,水的冰点为32°F,沸点为212°F。我国一般采用的是摄氏温标(用。C来表示)。摄氏温标是由瑞典天文学家摄尔西斯(A.Celsius)在1742年根据水银的体积随温度变化而变化的特建立的,按照摄氏温标的规定,在101325帕(1个标准大气压)下,水的冰点为O℃,沸点为100℃,这就是我们现在所用的摄氏温标。摄氏温度和华氏温度的换算关系是:华氏温度=÷×摄氏温度+32在科学界,人们用得多的,是由一位名叫汤姆孙(WilliamThomson)的英科学(也就是后来的开尔文勋爵)在1848年建立的温标,我们称它为热力学温标(也称开氏温标或温标)。热力学温度通常用K(开)来表示,它与摄氏温度的换算关系是:摄氏温度=热力学温度-273.15据此换算关系,我们就可以算出,水的冰点为273.15K,而热力学温度的OK被称为零度(也就是-273.15℃)。20世纪初,科学家们曾提出了一条重要的热力学定律,讲的是零度永远不可能达到,但可以地趋近。采用热力学温标在科学研究中方便,因为它是以零度作为起点的。在本书中,我们也将主要采用热力学温标,只是在特殊的地方,为了使读者有一种感的体验,才将它换算为摄氏温标。有了以上关于温度和温标的知识储备,我们就可以更进一步地讨论一下冷与热的问题了。比如说“冷”,我们知道,在自然界中,冷的地方也许就是南极洲了。据有记录的气象观测,在南极洲冷曾达到过-88.3℃的低温(换算成热力学温度大约是185K)。人要是生活在这么冷的环境中实在是太可怕了,然而,与超导物理学相关的“冷”相比,南极洲的“冷”简直算不上什么。实际上,在三四十年前,超导现象只能在零度以上几开,多也就是二十几开的低温下才能被看到。在地球上,这样低的温度只有在实验室里才能实现。那么,科学家们究竟是怎样在实验室中达到这样低的温度的呢?要回答这个问题,我们就要去追溯历科学家们进行的气体液化研究了。叩开低温世界的大门——几个实验带来的惊喜谈到低温,人们想到的,也许是像用冰箱来冷冻食品之类。从古代开始,人们就已经在生活中利用某些手段来创造一些比通常的环境更“冷”一些的场所。例如,在我国西周初期,人们就已经在冬季把天然的冰贮存起来,到夏季时好用它来冷藏食物等。不过,我们要讨论的与超导相关的低温,正像前面所讲的那样,要远比这种利用天然冰等手段降温达到的温度“冷”得多。这种低温的达到,是与科学家们研究气体的液化密不可分的。在我们周围,所见到的物质一般不是固态,就是液态或气态,物质的这几种状态是可以相互转化的。当满足一定的条件时,气体就会变成液体,这一过程叫作气体的液化。改变气体的压力和温度可使气体液化。18世纪末,一位叫马伦的荷兰科学家为了验当时已知的玻意耳气体定律适用于所有的气体,做了一系列实验。当用氨气做实验时,他发现:在不断增加压力时,氨气变成了液体。马伦的实验引起了人们的极大兴趣。于是,科学家们采用不同的气体,试图用增加压力的方式使之液化。但在当时所能达到的压力极限内,有若干种气体始终不能变为液体。转眼问,到了1纪,法拉第(M.Faraday)的一项实验又给人们带来了新的希望。18年,法拉第做了这样一个实验:他把一些氯化物封在一个弯曲的玻璃管中,并对管内的氯化物加热。出人意料的是,在玻璃管的冷端出现了一些像油滴一样的液体。这些微小的“油滴”就是液化了的氯气。由此,法拉第总结出,加热使氯化物分解出氯气并使氯气的压力增加,从而使氯气液化。而液化了的氯气只出现在玻璃管的冷端,这表明压力和温度对气体的液化都有重要影响。后来,在担任了英皇研究所实验室主任后,在1826一1845年,法拉第改进了这个实验,将玻璃管的冷端浸泡在更冷的混合物中。利用这种方法,他将绝大多数气体液化,例如,二氧化碳、硫化氢、氯化氢、二氧化硫、氨气等。但是,这还不能使人完全满意,因为仍有几种气体,包括氧气、氮气、氢气、一氧化氮、一氧化碳、甲烷。以及后来才发现的氦气,一直不能被液化。在当时,人们把这些不能被液化的气体称作“气体”。P3-6
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