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液氦  

2010-06-01 12:26:46|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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今天突然看到,说是美国把这种东西做为一种战略资源而收紧对外出售。可以看到这种东西的重要性。它可能真的代表了进步的科技。而他的用处可能不只是在超导体上。也有可能是美国发现了什么更重要的物理性质,为了不让其他国家进行科研而进行的一种制裁手段!我们要知道我们的科技与别人的差别可不是一二十年的事。如果我们还不能依靠我们自已,那么我们的科技可能会一蹶不振!形成马太效应,一再加大差距。因为我们差太多了。想想,1981年时美国就有航天飞机了。而我们国家到现在还正在研制。国内的资源,科技,各个方面的差距也非常的大,特别是西北地区。有很多中国人的思想可能还停留在50年前。世界已经不是你所想象的样子了。我们要接受全新的人生观与价值观了。

        液氦具有一系列引人注目的特点,主要表现在以下几方面。

  超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高,与此不同,HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时,几乎与温度无关,其数值约为3×10-6帕秒,比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值(<10-12帕秒),这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时,发现流管愈细,超流动性就愈明显,在直径小于10-5厘米的流管中,流速与压强差和流管长度几乎无关,而仅取决于温度,流动时不损耗动能。

  对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子,伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体,遵守玻色统计规律,玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc,当温度低于Tc时,一些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态),称为凝聚,温度愈低,凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多,在绝对零度时,全部粒子都凝聚到零点振动能状态,以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能,故有极大的平均自由程,能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型,后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成,一种是处于基态的凝聚部分,熵等于零,无粘滞性,是超流体;另一种是处于激发态(未凝聚)的正常流体,熵不等于零,有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度,温度降至λ点时,正常流体开始部分地转变为超流体,温度愈低,超流体的密度愈大,而正常流体的密度则愈小,在绝对零度时,所有原子都处于凝聚状态,全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。

  热传导HeⅠ具有普通流体的导热率,因而当减小压强时,液氦出现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ高出106倍,比铜高出104倍。当温度越过λ点,HeⅠ转变为HeⅡ时,液氦从很坏的热导体突然变为到目前为止最好的热导体。由于HeⅡ的导热率异乎寻常地高,其内部不可能出现温差,因而内部不可能汽化,即不能沸腾。当利用抽气方法减低蒸气压时,开始阶段出现激烈的沸腾,温度降低至λ点以下时,HeⅠ转变为HeⅡ,沸腾突然停止,液面平静如镜,汽化只发生在液面。正常流体的导热率与温度梯度无关,纯粹是反映物质性质的量,但HeⅡ的导热率却与温度梯度甚至容器的几何形状有关。

  氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜,液膜中只包含无粘滞性的超流体成分,称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时,烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口,并进入杯内,直至杯内和杯外液面持平。反之,将盛有液氦的烧杯提出液氦面时,杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。

  热效应包括机-热和热-机两种效应。盛有液氦的两个容器用极细的毛细管C连通,注入液氦,温度低于λ点,右侧液面高于左侧,形成压强差Δp.液氦中低熵超流成分能从右侧通过毛细管转移到左侧,而高熵的正常成分不能通过毛细管。这导致右侧液氦的熵增加,左侧的熵减少,这意味着右侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力引起的热量迁移称为机-热效应。机-热效应的逆过程称为热-机效应。右侧液氦受热后(吸热Q),低熵的超流成分减少,左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向右侧,而正常成分不能通过毛细管,这导致右侧液面升高形成压强差。热-机效应的“喷泉”装置。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光照射玻璃管,使管内的液氦温度升高,超流成分激发成正常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移,形成内外压强差,液氦从喷嘴喷出。

  第二声波普通流体中的声波是由密度交替变化形成的,称密度波。1941年朗道发展了量子液体的流体动力学,预言在HeⅡ中除普通密度波(称第一声波)外,还存在另一种声波,它是由液氦中超流成分(低熵,温度较低)与正常流体成分(高熵,温度较高)的相对运动形成的,称为温度波或熵波(第二声波)。实验证实了温度波的存在。

  3He是4He的同位素,在天然氦中所占比例小于10-7,通过人工核反应可得足够数量的3He.3He的临界温度和临界压强分别为3.34K和1.17大气压。与4He一样,在常压下液态3He不会固化,在绝对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年,D.D.奥舍罗夫等人在2mK低温下发现了两个3He的液态新相,分别称为3He-A和3He-B,它们均为超流态。液态3He和4He在0.87K以上温度时完全互溶,在该温度以下则分离成两相,按3He所占比例的多少分别称为浓相(含3He较多)和稀相(含3He较少),浓相浮于稀相之上(因3He比4He轻)。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热,这就是稀释致冷机的工作原理(见超低温技术)。3He原子的电子总自旋为零,核自旋为1/2,故与电子一样属费米子,遵守费米-狄拉克统计,液态3He称为费米液体,正常态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。

  在本世纪初的几十年里,世界各国都在寻找氦气资源,在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。

  在液态空气的温度下,氦和氖仍然是气体;在液态氢的温度下,氖变成了固体,可是氦仍然是气体。

  要冷到什么程度,氦才会变成液体呢?

  英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃,在这样低的温度下,其他各种气体不仅变成液体,而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。

  1908年7月,卡美林·奥涅斯成功了,氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

  要得到液态氢,必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氢气就变成了液体。

  要得到液态氦,必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氦气才能变成液体。

  液态氦是透明的容易流动的液体,就像打开了瓶塞的汽水一样,不断飞溅着小气泡。

  液态氦是一种与众不同的液体,它在零下269℃就沸腾了。在这样低的温度下,氢也变成了固体,千万不要使液态氦和空气接触,因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

  多少年来,全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年,在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机,每小时可以制造4升液态氦。以后,液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

  在今天,液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号,就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下,否则就不能收到图像。

  然而,液态氦的奇妙之处还不在于低温。

  卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足,还想使温度进一步降低,以得到固态氦。他没有成功(固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的),却得到了一个没有预料到的结果。

  对于一般液体来说,随着温度降低,密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降,果然,液氦的密度增大了。但是,当温度下降到零下271℃的时候,怪事出现了,液态氦突然停止起泡,变成像水晶一样的透明,一动也不动,好像一潭死水,而密度突然又减小了。

  这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ,而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。

  把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的,但是过了一会,杯底出现了液态氦,慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。

  把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来,挂在半空。看,玻璃杯底下出现了液氦,一滴,两滴,三滴……不一会,杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗?不,玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢?

  原来氦Ⅱ是能够倒流的,它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象,只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性”,具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。

  后来,许多科学家研究了这种怪现象,又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。

  在一根玻璃管里,装着很细的金刚砂,上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中,用光照玻璃管粗的下部,细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉,光越强喷得越高,可以高达数厘米。

  氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中,光能直接变成了机械能。

  大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧!各种物质放在液态氦里,情况就更奇妙了。

  看!在液氦的温度下,一个铅环,环上有一个铅球。铅球好像失去了重量,会飘浮在环上,与环保持一定距离。

  再看!在液氦的温度下,一个金属盘子,把细链子系着磁铁,慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候,链子松了,磁铁浮在盘子上,怎样也不肯落下去。

  真像是到了魔术世界!这一切,只能在液态氦的温度下发生。温度一升高,魔术就不灵了,铅球落在铅环上,磁铁也落在金属盘子里了。

  这是低温下的超导现象。

  原来,有些金属,在液态氦的温度下,电阻会消失;在金属环和金属盘中,电流会不停地流动而产生磁场。这时候,磁场的斥力托住了铅球和磁铁,使它们浮在半空中。

  在低温下,出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验,都要在低温下进行。

  目前,世界各国的物理学家还在研究液态氦,希望通过液态氦达到更低的温度,研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化,会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。

  氦,这个奇妙的物质,一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦,通过科学实验,不断地为氦写下一页又一页新的历史。

  物理学家不仅仅得到了液态氦,还得到了固态氦,他们正在向绝对零度进军(物理学把零下273.16℃叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标,用K表示。OK就是-273.16℃,而273.16K就是0℃)。从理论上讲,绝对零度是达不到的,但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2℃,液态氦的沸点是绝对温标4.2℃。在绝对温标2.19℃的时候,氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年,利用“绝热去磁”法,使液态氦冷到绝对温标0.0034℃;1957年,达到绝对温标0.00002℃;目前已达到跟绝对零度只相差0.000001℃了。

  天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦,以后的命运又如何呢?他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星,中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心,氢原子核已经都变成了氦原子核,氦原子核又相互碰撞,正在生成着碳原子核和氧原子核,同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样,一会儿膨胀,一会儿收缩,很有规律。为什么会这样?这也是因为氦在起作用。

  天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值,有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。

  氦的历史并没有完,人类认识氦的历史也没有完,而我们这本讲氦的故事的小册子,却不得不结束了。

  要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢?是天文学家詹森和罗克耶吗?是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗?是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗?当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。

  很难说。在人类认识氦的历史上,他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素,但是发现它和认识它,是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利,决不是某一个人的力量能够完成的。

  科学是没有平坦的道路可走的,只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史,我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度,对于实验中的一点细微现象——一个小气泡,第三位小数的细微差异,也不放过。他们不但爱问为什么,而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干,几个月、一年、几年坚持不懈,终于由纷乱的谜团中找出头绪,得到了解答。他们永远不满足已有的成绩,而是深入一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深入的。到现在为止,谁也不敢这样说:“氦,我们已经完全认识清楚了。”可能在未来的十年,我们就能完全的为人类所用!!

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