液氦

今天突然看到，說是美國把這種東西做為一種戰略資源而收緊對外出售。可以看到這種東西的重要性。它可能真的代表了進步的科技。而他的用處可能不隻是在超導體上。也有可能是美國發現了什麼更重要的實體性質，為了不讓其他國家進行科研而進行的一種制裁手段！我們要知道我們的科技與别人的差别可不是一二十年的事。如果我們還不能依靠我們自已，那麼我們的科技可能會一蹶不振！形成馬太效應，一再加大差距。因為我們差太多了。想想，1981年時美國就有航天飛機了。而我們國家到現在還正在研制。國内的資源，科技，各個方面的差距也非常的大，特别是西北地區。有很多中國人的思想可能還停留在50年前。世界已經不是你所想象的樣子了。我們要接受全新的人生觀與價值觀了。

        液氦具有一系列引人注目的特點，主要表現在以下幾方面。

　　超流動性普通液體的粘滞度随溫度的下降而增高，與此不同，HeⅠ的粘滞度在溫度下降到2.6K左右時，幾乎與溫度無關，其數值約為3×10-6帕秒，比普通液體的粘滞度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滞度随溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ點以下的溫度時立刻降至非常小的值(＜10-12帕秒)，這種幾乎沒有粘滞性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時，發現流管愈細，超流動性就愈明顯，在直徑小于10-5厘米的流管中，流速與壓強差和流管長度幾乎無關，而僅取決于溫度，流動時不損耗動能。

　　對HeⅡ性質的理論研究首先由F.倫敦作出。4He原子是自旋為整數的玻色子，倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體，遵守玻色統計規律，玻色統計允許不同粒子處于同一量子态中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc，當溫度低于Tc時，一些粒子會同時處于零點振動能狀态(即基态)，稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點振動能狀态的粒子數就愈多，在絕對零度時，全部粒子都凝聚到零點振動能狀态，以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零點振動能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型，後來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、可互相滲透的流體組成，一種是處于基态的凝聚部分，熵等于零，無粘滞性，是超流體；另一種是處于激發态(未凝聚)的正常流體，熵不等于零，有粘滞性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度，溫度降至λ點時，正常流體開始部分地轉變為超流體，溫度愈低，超流體的密度愈大，而正常流體的密度則愈小，在絕對零度時，所有原子都處于凝聚狀态，全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關于液氦的許多力學和熱學性質。

　　熱傳導HeⅠ具有普通流體的導熱率，因而當減小壓強時，液氦出現激烈的沸騰現象。HeⅡ的導熱率要比HeⅠ高出106倍，比銅高出104倍。當溫度越過λ點，HeⅠ轉變為HeⅡ時，液氦從很壞的熱導體突然變為到目前為止最好的熱導體。由于HeⅡ的導熱率異乎尋常地高，其内部不可能出現溫差，因而内部不可能汽化，即不能沸騰。當利用抽氣方法減低蒸氣壓時，開始階段出現激烈的沸騰，溫度降低至λ點以下時，HeⅠ轉變為HeⅡ，沸騰突然停止，液面平靜如鏡，汽化隻發生在液面。正常流體的導熱率與溫度梯度無關，純粹是反映物質性質的量，但HeⅡ的導熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關。

　　氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆寫一層液膜，液膜中隻包含無粘滞性的超流體成分，稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移動。将空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時，燒杯外的液氦将沿燒杯外壁爬上杯口，并進入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的燒杯提出液氦面時，杯内液氦将沿器壁不斷轉移到杯外并滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。

　　熱效應包括機-熱和熱-機兩種效應。盛有液氦的兩個容器用極細的毛細管C連通，注入液氦，溫度低于λ點，右側液面高于左側，形成壓強差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側通過毛細管轉移到左側，而高熵的正常成分不能通過毛細管。這導緻右側液氦的熵增加，左側的熵減少，這意味着右側溫度升高而左側溫度降低。這種由機械力引起的熱量遷移稱為機-熱效應。機-熱效應的逆過程稱為熱-機效應。右側液氦受熱後(吸熱Q)，低熵的超流成分減少，左側液氦中的超流成分通過毛細管流向右側，而正常成分不能通過毛細管，這導緻右側液面升高形成壓強差。熱-機效應的“噴泉”裝置。帶毛細管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管内的液氦溫度升高，超流成分激發成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管内轉移，形成内外壓強差，液氦從噴嘴噴出。

　　第二聲波普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的，稱密度波。1941年朗道發展了量子液體的流體動力學，預言在HeⅡ中除普通密度波(稱第一聲波)外，還存在另一種聲波，它是由液氦中超流成分(低熵，溫度較低)與正常流體成分(高熵，溫度較高)的相對運動形成的，稱為溫度波或熵波(第二聲波)。實驗證明了溫度波的存在。

　　3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小于10-7，通過人工核反應可得足夠數量的3He.3He的臨界溫度和臨界壓強分别為3.34K和1.17大氣壓。與4He一樣，在常壓下液态3He不會固化，在絕對零度附近需加34個大氣壓才能固化。1972年，D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發現了兩個3He的液态新相，分别稱為3He-A和3He-B，它們均為超流态。液态3He和4He在0.87K以上溫度時完全互溶，在該溫度以下則分離成兩相，按3He所占比例的多少分别稱為濃相(含3He較多)和稀相(含3He較少)，濃相浮于稀相之上(因3He比4He輕)。3He原子從濃相通過界面進入稀相時要吸熱，這就是稀釋緻冷機的工作原理(見超低溫技術)。3He原子的電子總自旋為零，核自旋為1/2，故與電子一樣屬費米子，遵守費米-狄拉克統計，液态3He稱為費米液體，正常态的液态3He的性質可用朗道的費米液體理論描述。

　　在本世紀初的幾十年裡，世界各國都在尋找氦氣資源，在當時主要是為了充飛艇。但是到了今天，氦不僅用在飛行上，尖端科學研究，現代化工業技術，都離不開氦，而且用的常常是液态的氦，而不是氣态的氦。液态氦把人們引到一個新的領域——低溫世界。

　　在液态空氣的溫度下，氦和氖仍然是氣體；在液态氫的溫度下，氖變成了固體，可是氦仍然是氣體。

　　要冷到什麼程度，氦才會變成液體呢？

　　英國實體學家杜瓦在1898年首先得到了液态氫。就在同一年，荷蘭的實體學家卡美林·奧涅斯也得到了液态氫。液态氫的沸點是零下253℃，在這樣低的溫度下，其他各種氣體不僅變成液體，而且都變成了固體。隻有氦是最後一個不肯變成液體的氣體。卡美林·奧涅斯決心把氦氣也變成液體。

　　1908年7月，卡美林·奧涅斯成功了，氦氣變成了液體。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

　　要得到液态氫，必須先把氫氣壓縮并且冷卻到液态空氣的溫度，然後讓它膨脹，使溫度進一步下降，氫氣就變成了液體。

　　要得到液态氦，必須先把氦氣壓縮并且冷卻到液态氫的溫度，然後讓它膨脹，使溫度進一步下降，氦氣才能變成液體。

　　液态氦是透明的容易流動的液體，就像打開了瓶塞的汽水一樣，不斷飛濺着小氣泡。

　　液态氦是一種與衆不同的液體，它在零下269℃就沸騰了。在這樣低的溫度下，氫也變成了固體，千萬不要使液态氦和空氣接觸，因為空氣會立刻在液态氦的表面上當機成一層堅硬的蓋子。

　　多少年來，全世界隻有荷蘭卡美林·奧涅斯的實驗室能制造液态氦。直到1934年，在英國盧瑟福那裡學習的前蘇聯科學家卡比查發明了新型的液氦機，每小時可以制造4升液态氦。以後，液态氦才在各國的實驗室中得到廣泛的研究和應用。

　　在今天，液态氦在現代技術上得到了重要的應用。例如要接收宇宙飛船發來的傳真照片或接收衛星轉播的電視信号，就必須用液态氦。接收天線末端的參量放大器要保持在液氦的低溫下，否則就不能收到圖像。

　　然而，液态氦的奇妙之處還不在于低溫。

　　卡美林·奧涅斯是第一個得到液氦的科學家。他并不滿足，還想使溫度進一步降低，以得到固态氦。他沒有成功（固态氦是1926年基索姆用降低溫度和增大壓力的方法首先得到的），卻得到了一個沒有預料到的結果。

　　對于一般液體來說，随着溫度降低，密度會逐漸增加。卡美林·奧涅斯使液态氦的溫度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，當溫度下降到零下271℃的時候，怪事出現了，液态氦突然停止起泡，變成像水晶一樣的透明，一動也不動，好像一潭死水，而密度突然又減小了。

　　這是另一種液态氦。卡美林·奧涅斯把前一種冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把後一種靜止的液态氦做氦Ⅱ。

　　把一個小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是過了一會，杯底出現了液态氦，慢慢地漲到跟杯子外面的液态氦一樣平為止。

　　把這個盛着液态氦的小玻璃杯提出來，挂在半空。看，玻璃杯底下出現了液氦，一滴，兩滴，三滴……不一會，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？不，玻璃杯一點也不漏。這是怎麼回事呢？

　　原來氦Ⅱ是能夠倒流的，它會沿着玻璃杯的壁爬進去又爬出來。這是在我們日常生活中沒有碰到過的現象，隻有在低溫世界才會發生。這種現象叫做“超流動性”，具有“超流動性”的氦Ⅱ叫做超流體。

　　後來，許多科學家研究了這種怪現象，又有了許多新的發現。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發現的氦刀噴泉。

　　在一根玻璃管裡，裝着很細的金剛砂，上端接出來一根細的噴嘴。将這玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，細噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉，光越強噴得越高，可以高達數厘米。

　　氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質。在這個實驗中，光能直接變成了機械能。

　　大家還記得拉姆賽把各種物質放到液态空氣中的各種奇妙的實驗吧！各種物質放在液态氦裡，情況就更奇妙了。

　　看！在液氦的溫度下，一個鉛環，環上有一個鉛球。鉛球好像失去了重量，會飄浮在環上，與環保持一定距離。

　　再看！在液氦的溫度下，一個金屬盤子，把細鍊子系着磁鐵，慢慢放到盤子裡去。當磁鐵快要碰到盤子的時候，鍊子松了，磁鐵浮在盤子上，怎樣也不肯落下去。

　　真像是到了魔術世界！這一切，隻能在液态氦的溫度下發生。溫度一升高，魔術就不靈了，鉛球落在鉛環上，磁鐵也落在金屬盤子裡了。

　　這是低溫下的超導現象。

　　原來，有些金屬，在液态氦的溫度下，電阻會消失；在金屬環和金屬盤中，電流會不停地流動而産生磁場。這時候，磁場的斥力托住了鉛球和磁鐵，使它們浮在半空中。

　　在低溫下，出現了許多奇妙的實體現象。許多重要的實體實驗，都要在低溫下進行。

　　目前，世界各國的實體學家還在研究液态氦，希望通過液态氦達到更低的溫度，研究各種物質在低溫下會發生什麼奇妙的變化，會有什麼我們目前還不知道的性質。這就産生了實體學的一個新的分支——低溫實體學。

　　氦，這個奇妙的物質，一直在引起科學家們的注意。科學家們繼續研究氦，通過科學實驗，不斷地為氦寫下一頁又一頁新的曆史。

　　實體學家不僅僅得到了液态氦，還得到了固态氦，他們正在向絕對零度進軍（實體學把零下273.16℃叫做絕對零度。這個溫度标叫做絕對溫标，用K表示。OK就是-273.16℃，而273.16K就是0℃）。從理論上講，絕對零度是達不到的，但是可以不斷接近它。液态氫的沸點是絕對溫标20.2℃，液态氦的沸點是絕對溫标4.2℃。在絕對溫标2.19℃的時候，氦Ⅰ變為氦Ⅱ。1935年，利用“絕熱去磁”法，使液态氦冷到絕對溫标0.0034℃；1957年，達到絕對溫标0.00002℃；目前已達到跟絕對零度隻相差0.000001℃了。

　　天文學家也繼續研究着太陽元素。太陽上的氫“燃燒”變成了氦，以後的命運又如何呢？他們發現宇宙間有一些比太陽更熾熱的恒星，中心溫度達到幾億度。在這些恒星的核心，氫原子核已經都變成了氦原子核，氦原子核又互相碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同時放出大量的能。這類恒星橡心髒一樣，一會兒膨脹，一會兒收縮，很有規律。為什麼會這樣？這也是因為氦在起作用。

　　天文學家還研究了銀河系内氫的含量和氦的含量的比值。根據這個比值，有人估算了銀河系的年齡有一二百億年。

　　氦的曆史并沒有完，人類認識氦的曆史也沒有完，而我們這本講氦的故事的小冊子，卻不得不結束了。

　　要問在發現氦和研究氦的曆史上誰的功勞最大呢？是天文學家詹森和羅克耶嗎？是化學家拉姆賽和實體學家克魯克斯嗎？是發明分光鏡的本生與基爾霍夫嗎？當然還要考慮把空氣、氫氣以及氦氣液化的漢普松、卡美林·奧涅斯等人的功勞。

　　很難說。在人類認識氦的曆史上，他們都有着自己的貢獻。氦僅僅是一種元素，但是發現它和認識它，是許多門科學——實體學、天文學、化學、地質學等的共同勝利，決不是某一個人的力量能夠完成的。