六 前途无量的超导材料1.卡麦林·昂纳斯的故事

荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯（H.Kamerling Onnes）是 1913 年诺贝尔物理奖的获得者，这是为了表彰他制取液氮的低温技术，但他更大的贡献却是发现了超导现象。这一发现直至现在，甚至下个世纪都将对民界产生重大影响。昂纳斯无愧于诺贝尔科学奖的殊荣。

本世纪初，物理学家进行了一场获取低温的竞赛。

从分子运动的角度看，气体压力是分子碰撞容器壁的结果，而温度是气体分子动能的量度，所以，温度是没有上限的，却有下限，那就是当气体分子都停止运动时的温度。那么，这个温度是多少呢？

实验测出，如果保持气体体积不变，把气体从摄氏零度冷却，温度每下降一度，压强降低 273 分之一。由此推算，当气体压力为零时分子也就停止了运动，这时的温度就是低温的极限。英国物理学家开尔文勋爵建议用这个温度作为温度的起点，仍然用摄氏温度的温度间隔，也就是把水从冰点到沸点间的温差分为 100 等分每个等分为一度。这个温标称开氏温度，也称绝对温标，用这个温标表示的温度称绝对温度，用大写字母 K 表示。

把气体变成液体就能得到低温，比如，你可以把物体浸在液氮里，它就被冷却到液氮的沸点-195℃以下。而且每种气体都必须冷却到一定的温度以下才能被液化，所以，气体液化和低温技术自始至终是密切相关的。

19 世纪下半叶，当时已知的气体除氢以外几乎都被液化了。是苏格兰科学家杜瓦完成了氢气液化这一工作。杜瓦把装着压缩氢气的容器浸在液氮里，将压缩氢气冷到零下 200℃，再让这瓶极冷的氢气减压，通到一个大的容器里，气体体积迅速增大时就吸收热量，进一步冷却。然后再将氢气用管子引回来，压缩到容器里，冷却，再膨胀，进一步降温。反复循环这种压缩

——膨胀的过程，终于在大约- 240℃时，氢气变成了液体。次年，杜瓦使液氢减压蒸发，进一步降温，液氢凝固变成了固态氢。

杜瓦是第一个得到液氢和固态氢的人，也是第一个获得-253℃和-259℃ 的人。杜瓦还发明了特殊的镀银玻璃瓶来保存他的超冷液体。这种玻璃瓶有两层，中间抽真空，细长的瓶颈上端有一个小口，叫做杜瓦瓶，至今还在物理、化学等许多实验室使用。杜瓦瓶还是现在家用热水瓶的前身。

1908 年 7 月，在荷兰莱顿大学，昂纳斯教授开始了他准备十年之久的试验，这就是把当时称为“永久气体”的氦气液化。

昂纳斯具有卓越的组织能力和指挥才能，他的实验准备完善而且周密。他和他的同事们安装制造了大型气体液化装置，能够大量制取液态空气直到液态氢，提供一系列的低温环境；液态乙烯能达到-145℃，液态氧能达到-183

℃，液态氢能达到-253℃。

实验从上午十点开始，他们先用前天准备好的液态空气冷却高压氢气， 利用高压氢气在体积膨胀时的吸热效应来使氢气液化。这个步骤花了半天时间。

得到了足够的液态氢以后，再把装有高压氦气的容器放到液体氢中冷却到零下 250℃，开启高压容器的阀门，使高压氦气喷射到另一个低压容器中， 显然，这是一个典型的绝热膨胀过程。由于这个喷射，氦气的分子运动能进

一步减小，温度进一步降低。开始，这个试验并不太顺利，并没有得到所期望的液态氦，直到液氢全部用完，准备结束实验时，才在低温恒温器中发现了液氦的液面。

这是人类第一次将氦气液化，也是人类第一次把最低温度降到接近绝对零度，开辟了低温研究的新纪元。

昂纳斯没有满足于他的成功，立即着手进行物质在超低温下的性质的研究。在此之前，杜瓦教授获得液氢温度后，也研究过金属在低温时的导电性。据说杜瓦教授在被竞争对手超过以后，感到心灰意冷，不久就放弃了他的低温物理研究，无法与昂纳斯教授分享低温物理研究中的成功与荣誉。鲁迅先生主张“不耻最后”，赞扬那些落在最后仍然能够坚持跑到终点的选手，含意十分深远。我们做每一件事，都应该“不耻最后”，坚持到底。

昂纳斯和他的学生们首先测定白金丝在低温下的电阻，发现随着温度的降低，铂丝的电阻不断减小，当接近绝对零度时，电阻减小到某一定值就不再减小。这个电阻值就叫残余电阻。昂纳斯认为残余电阻是金属中的杂质引起的，就改用黄金丝做实验，因为黄金容易达到更高的纯度。实验测得黄金的残余电阻果然比白金小得多。后来，昂纳斯又选用水银做实验，因为水银在常温下是液体，可以通过蒸馏来提纯，蒸馏在实验室是很容易实现的操作， 经过多次蒸馏后，可以达到很高的纯度。当测量水银的电阻时，随着温度下降，水银的电阻也变小，当温度降到 4.2K 附近时，电阻突然消失。这是一个前所未有的发现，昂纳斯本人也大为吃惊，他并没有将实验结果立即发表， 而是提高精度，反复试验，证明结果准确无误。1911 年，他把结果报告给荷兰皇家科学院，1913 年，把这个结果公开发表。在这篇论文里，昂纳斯首次使用 Super conductivity 一词来描述他所发现的现象。Super 意为“超” Conductivety 意为“传导”，这就是“超导”一词的由来。用来描述物质导电能力的物理量是电导，电导是电阻的倒数，电阻趋近零，意味着电导无穷大。所以，“超导”一词也并没有夸张的意味。

也有人提出，“超导”也可能理解为光、热的传导，建议使用“超电导” 来代替它。但实际上，由于约定俗成，大家都知道“超导”指的是超电导， 所以仍然使用超导一词。

昂纳斯还设计了十分巧妙的实验来证明超导现象的存在，他把铅制圆圈放进杜瓦瓶里，瓶外放一块磁块，把液氦倒入杜瓦瓶，使铅冷却成超导体（这时他已经知道铅在液氦中是超导体），这时，把瓶外的磁块铁突然拿掉，由于导体切割磁力线在铅圈中产生了感生电流，这个电流应该持久不息，这就是有名的持久电流实验。

以后，很多人用更精确的方法重复了这个实验，1954 年 3 月 5 日，斯坦

福大学做的一次实验，在长达两年半的时间，持续电流未见减弱，直到 1956

年 9 月 6 日，由于液氦供应中断，实验才告中止。费勒等用更精确的核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，推算出超导电流衰变时间在十万年以上， 就是说，只要保持导体的超导状态，其中的电流至少可以流动十万年！

临界温度和临界磁场

水银在温度下降至 4.2K 附近变成超导体，当温度超过 4.2K 时，水银的超导性消失，又转变为普通导体，这个超导转变温度叫临界温度。昂纳斯发现，铅在 7.2K 以下转变为超导体，7.2K 以上是普通导体。

显然，每一种超导体都有它自己特定的临界温度，而且超导临界温度越

高越好，使用起来越方便，因为维持的温度越低，花费的钱就越多。

由持久电流实验，昂纳斯立即意识到制造超导线圈是一件很有意义的工作。因为往线圈中注入电流以后，电流流动就产生磁场，成为超导磁体，而且在超导线圈中一次注入电流就可以永久流下去，而普通线圈因为存在电阻要消耗电流，很多电能作为热量被损耗了，超导电磁铁可能会比普通电磁铁消耗少得多的电而获得更高的磁场。昂纳斯用铅制成导线，绕成线圈，在液氦冷却下，加上电流，得到了磁场。研究结果发现，磁场会破坏线圈的超导态。当磁场强度超过某一数值时，线圈就从超导体变成普通导体。由此发现了超导体的另一个重要性质：存在临界磁场。

事实上，每一种超导体都有自己的临界磁场，不管这个磁场是外加的， 还是由于本身通过电流时所产生的感应磁场，当磁场强度超过超导体的临界磁场时，超导体的超导状态就被破坏，成为普通导体。

临界磁场下流过超导体的电流密度称为临界电流密度，是表征超导体性质的另一个重要参数。

例如铅的临界温度 7.2K，铅在 4.2K 时，临界磁场 550 高斯，临界电流密度 150 安。这就是说，当铅制线圈的导线中电流密度达到 150 安培时，或

者线圈产生的磁场强度达到 550 高斯时，铅导线的超导性就会消失，转变为普通导体。这就是昂纳斯的超导电磁铁得不到强磁场的原因。

临界磁场是温度的函数，在临界温度以下时，随着温度降低而增大。在临界温度时，不需加磁场，超导体的超导性就消失，换言之，在磁场为零时实现由超导体向普通导体的转变，此时的临界磁场为零。

临界电流密度与临界磁场互相依存，它与温度的关系也是一样的。也就是在临界温度时，临界电流密度为零，随温度降低而增大。当然每一种超导体的增大趋势是各不相同的。