科普丨液态氦与超导体

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首先给大家看个小视频:氦He 能形成超流体的最不活泼的元素。

随着工业技术的发展,19世纪初,科学家开始对气体液化进行研究。1845年,物理学家法拉第已经完成了大部分气体的液化,但氧、氮、氢、氦这几种气体的液化非常困难,所以,当时这些气体被称为“永久气体”。不过,从1887年到1898年,十多年间,氧、氮、氢均被科学家成功液化,但是氦的液化却依然是一个难题。

1908年7月10日,荷兰的莱顿实验室传来了好消息,物理学家海克·开默林-昂内斯成功地对氦气进行液化,温度点为4.2K(-268.95 )。与此同时,开默林-昂内斯发现在这个温度点的金属汞电阻降为零,汞在4.2K的温度下,进入了一种全新的状态——超导态。后来,具备这种性质的物质被称为超导体。可以说,液态氦的制成开创了人类低温物理的新时代。

氦气液化后得到液氦,与其他低温液体相比,它的正常沸点最低,为4.2221K(约为-269 )。问题来了,氦气从哪里来呢?目前美国是氦气储量最大的国家,得到氦气的办法就是靠钻天然气,然后把氦气从天然气中分离出来。氦气的液化并不是那么简单。氦气是最难液化的物质,很多科学家付出颇多努力最后都无功而返。要将氦气液化,需先将氦气温度降至50K(-223 )以下,如果要提高液化率,温度也得达到15K(-258 ),可想而知氦气的液化是一个艰辛的过程,如此苛刻的条件使得氦气是继氧、氮、氕、氢等物质之后最后被液化的物质。

古人云,先难后获。由于液氦具有极低的临界温度,因此液氦是科研中制造超低温的“神器”。某些材料在特定温度下,会出现电阻为零的现象,这些材料被称为超导体。但是,特定的温度往往是低温,因此需要液氢、液氮、液氦等低温液体制造低温环境,而在这三种液体中,液氦的温度是最低的,这就意味着如果不考虑成本、实验条件等因素,液氦是这三种液体中最理想的,而且也能找到更多的超导材料。在超导技术的应用中,液氦也发挥了很大的作用。核磁共振成像仪和波谱仪、超导磁体中超导线圈的低温冷源往往都会用到液氦。

把一圈导线缠绕在特制的超导材料上,再将其放置在液氦中,冷却至4.2开尔文、甚至更低,便可达到超导体所需的特殊温度条件,再向线圈中通入高强度电流。目前最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室,由一块超导磁铁产生,磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。

液氦对于我国在低温超导研究、半导体生产、卫星飞船发射、导弹武器工业等领域的发展起到了极大的作用。而今天的中科院物理研究所超导国家重点实验室,仍旧使用液氦进行着超导研究,实验室的工作一直处于国际超导研究的前沿。

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    怀枫 2026年03月15日

    我是音西号的签约作者“怀枫”

  • 怀枫
    怀枫 2026年03月15日

    本文概览:网上有关“科普丨液态氦与超导体”话题很是火热,小编也是针对科普丨液态氦与超导体寻找了一些与之相关的一些信息进行分析,如果能碰巧解决你现在面临的问题,希望能够帮助到您。首先给大家...

  • 怀枫
    用户031504 2026年03月15日

    文章不错《科普丨液态氦与超导体》内容很有帮助