世界上第一桶液氮的誕生:相當之奇妙
2020-11-25 驅動之家相信大家都知道，有一種很懶的氣體，一般不與其它物質發生化學反應，必須降到足夠低的溫度時它才會液化，沒錯說的就是氦氣。液氦被廣泛運用於各個領域。
世界上第一個製成液氦的科學家卡末林·昂內斯，同時也創造了當時人造低溫的世界記錄，幾乎達到絕對零度。他也因此獲諾貝爾物理學獎，被同行尊稱為「零度先生」。
教授矢志攻難關
卡末林·昂內斯是正宗的「富二代」，父親是工廠廠長，母親有藝術家的天賦，姐姐是當時的畫家。昂內斯中學時對文學很感興趣，是學校公認的小詩人。後來，他在廣泛的閱讀中對物理學產生濃厚的興趣，總想弄清看不見摸不著的氣體。
1870年，17歲的昂內斯中學畢業後，沒有像母親期盼那樣進入藝術學院進修，而是選擇了格羅寧根大學攻讀物理學。
後來，由於成績優異，他轉入德國著名的海德堡大學學習。在那裡，他遇到了著名的物理學家基爾霍夫和化學家羅伯特·威廉·本生，並與他們結下了深厚的師生之緣。
有名師指導，青年昂內斯信心滿滿。1882年他受聘為萊頓大學物理學教授之後，就想改善物理實驗室向低溫實驗研究進軍。
為了招來科技人才，1884年夏，荷蘭萊頓大學的物理學教授卡末林·昂內斯向上級提交了一個重要的報告，裡面提到了一個建議：希望學校重視人才的儲備和培養，除了招攬科技人才比如國外的學者外，還要創建一所技工學校，讓學生們參加學校的實驗研究，爭取製造液氫、液氦等，在世界性的低溫實驗角逐中領先一步。
環境優美的萊頓大學 (來源：留學網)
報告裡的低溫實驗研究，科學根源來自英國物理學家法拉第。
實驗改善再攻關
昂內斯提交的報告得到批准，校方同意他改善實驗室裝備，擴大實驗室的規模。自此，他每天早出晚歸，在做低溫試驗的同時，還要參加技工學校籌備會議，與來訪學者面談，給學生上課。
技工學校建成後，培養了大量的玻璃技師，不但滿足了荷蘭本國的需要，還被聘請到其它國家實驗室工作。此外，技工學校畢業的技師對本國的工業發展起到很大的促進的作用。
1894年，在昂內斯組織下，萊頓大學建立液態氣體（如液氫）製造工廠和低溫實驗館樓。通過工業規模建立實驗室，這在世界歷史上尚屬首次。
自此，物理學由手工業方式走向規模研究水平。荷蘭也因昂內斯的研究一躍進入當時的科技強國之列。
萊頓低溫實驗館樓一角(來源：文摘網)
有了強有力的實驗基礎，昂內斯的氣體液化研究實驗之路就通暢多了。某天，他從雜誌上看到一則消息：英國皇家研究所的物理學家杜瓦在實驗中實現了氫氣的液化和固化，本以為實驗已達到低溫的極限，但發現氦氣還留在殘餘空氣中，用很多方法都沒製得液氦。
「氦氣不能液化，根本原因應該是低溫過程中出現的技術問題。技術問題與實驗室規模有關。可能杜瓦的實驗室規模太小。」經過分析，昂內斯得出這樣的結論。
這個結論是有科學依據的。因為當時物理學家們主要通過液體蒸發及其它辦法來獲得低溫。科學原理很多人都知道，問題是實驗比較講究：一是需要技術裝備，有些裝備還要製造；二是規模要大，最基礎的是要提供電力。
「零度先生」挑極限
很顯然，萊頓大學實驗樓館有這個實力。1908年7月10日下午13：30，萊頓大學低溫實驗樓館三樓的液化中心，昂內斯和助手們緊張地盯著氦氣溫度計，不想錯過指示器的一丁點變化。
他們採用液態氫降溫預冷來製取液氦的方法，之前已把20升液態氫小心翼翼地灌入氦液化器中，液態氫帶動氦氣循環流動就會帶來低溫。
之所以要小心翼翼，是因為灌裝過程中只要有微量空氣混入即會前功盡棄。
昂內斯讓助手們時而調節壓力，時而加大膨脹活塞的力度，以期促進液化器工作。
時間一分一秒地流逝。液態氫都快用完了，氦氣溫度計的指示器還是一動不動。
在4.2K（開度）下正在沸騰的液態氦（來源：物理雙月刊網）
晚上19：30，一位在旁邊觀看的教授突然提醒，溫度計裡的氦氣是不是也被液化了，所以指針才不動，不如直接用探照燈看看恆溫器吧。
一語驚醒夢中人。昂內斯當即照辦，結果讓他喜出望外——實驗恆溫器幾乎裝滿液體，從液面旁邊的刻度看，高度有60釐米。
經過專業測試，液體溫度達零下269攝氏度。這個低溫下的液體，只可能是液氦！
成功了！24年努力沒有白費！
很快，昂內斯通過類似實驗把溫度降低到零下272.11攝氏度。這個溫度離人類所能達到的最低溫度273.15攝氏度——絕對零度只差1.04攝氏度。
同行們尊稱他為「零度先生」。他也因此獲得1913年度諾貝爾物理學獎。
昂內斯的諾貝爾獎官方照片(來源：物理雙月刊網)
獲得成功的昂內斯沒有自滿，而是平靜地投入到極低溫狀態下金屬電阻的研究中。
對此，當時有兩種說法，即金屬的電阻無限增加或無限減少。孰是孰非，只能用實驗結果來說話。他先用鉑絲做樣品，結果極低溫度下電阻出現反常。
學生猜測是鉑絲裡有雜質，他用當時純度最高的金屬水銀代替，發現降到零下268攝氏度時，水銀的電阻消失。
1911年11月25日，昂內斯公開作了《水銀電阻消失速度的突變》的報告。此後，他又發現錫、鉛等金屬在極低溫下電阻情況也與水銀類似。
於是，他撰文宣稱：「這些材料在低溫下進入了一種新的狀態，這種狀態具有特殊的電學性質，是一種超導現象。」「超導」一詞產生了，沿用至今。
昂內斯由於低溫研究並成功製取液氦揚名西方，並在19位提名者中脫穎而出，最終獲得諾貝爾物理學獎。
與此同時，澳大利亞的一位年輕人在晶體中的X射線衍射現象上取得重要進展，並獲得1914年度諾貝爾物理學獎。
他是誰？有何精彩故事？……欲知後事如何，且聽下集分解。
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【參考資料】
1. 圖書《諾貝爾物理學獎一百年》，2002年上海科學普及出版社出版，作者是郭奕玲、沈慧君
2. 圖書《權謀：諾貝爾科學獎的幕後》，中文版楊建軍譯，2005年上海科教出版社出版
3. 論文《百年諾貝爾物理學獎探析》，《物理》2002年第10期，作者仲偉綱、豐建淑
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