第二章學生物理發明啟迪6
23.超導體的發現
超導體，作為固體物理學的一個活躍分支，它的曆史隻有短短的幾十年，而作為一門新技術應用於各個領域，那還是近三十年的事情。但是，不足百年的發展曆史，就使它發展成為一門完整的科學，並以極大的優越性應用於電機、輸電、磁流體發電、高能物理等方麵，在電子技術、空間技術、受控熱核反應，甚至與人們生活密切相關的交通運輸和醫療等方麵，都展示了樂觀的前景。
1987年2月25日，國內各大報刊紛紛以大字標題登出了頭條新聞：我國超導研究取得重大突破!新聞中講到，中國科學院物理研究所近日獲得起始轉變溫度在絕對100度以上的高臨界溫度超導體，“這項研究成果居於國際領先地位”。從此以後，報紙、電視、廣播中不斷傳來世界各國科學家和中國科學家在超導研究中取得重大進展的消息。一時間，像一陣旋風一樣，“超導熱”席卷了全世界。
當一位平素並不太為人們所了解的演員突然間走紅成為明星時，人們會以極大的興趣來關注這位明星。對於當前科學舞台上超導體這位“明星”來說，大多數人還不夠熟悉。那麼，到底什麼是超導體?超導體的研究有什麼用處?超導研究的曆史中有哪些重要的裏程碑?科學家又為什麼會對超導的研究如此重視呢?
物體的電磁性
看看我們的周圍，如今多種電器已經在家庭中普遍得到應用。當你在漆黑的夜晚坐在白熾燈明亮的光線下讀書時，當你在寒冷的冬季打開了電爐取暖時，你是否想到過白熾燈的光和電爐的熱是怎樣產生的?
物理學的發展，使我們對帶電現象的本質了解得越來越深入了。我們都知道，組成物質的原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉的帶負電的電子構成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷跟核外電子所帶的負電荷相等。這時，原子是中性的，整個物體也不顯電性，一旦物體得到或失去一些電子，使得原子核所帶的正電荷跟核外電子所帶的負電荷不相等，物體就表現出了帶電性。而物體按照導電能力的強弱，可以分為導體、半導體和絕緣體。導體能夠導電，是因為導體內部存在著可以自由移動的電荷。比如說，金屬是導體，在金屬內部所有的原子都按一定的秩序整齊地排列起來，成為所謂的晶格點陣。這些原子隻能在規定的位置附近作微小的振動。原子中離核較遠的一些電子，容易擺脫原子核的束縛，在晶格點陣之間自由地跑來跑去，這類電子叫自由電子。如果我們把晶格點陣比做一個大的果園，原子比做果樹，那麼晶格中的自由電子就好像一群在果樹園中隨意玩耍的天真活潑的孩子。當有外力作用時，自由電子便按一定的方向移動，形成電流。這就好像一聲鈴響，果樹園中自由玩耍的孩子們，都向著一個方向跑去時一樣。
玻璃、橡膠、塑料等不容易導電，我們稱為絕緣體。在它們內部，絕大部分電荷都隻能在一個原子或分子的範圍內作微小移動，這種電荷叫束縛電荷。由於缺少自由移動的電荷，所以，絕緣體的導電能力差。
還有一類物體，像鍺、矽以及大多數的金屬氧化物、硫化物等，它們的導電能力介於導體和絕緣體之間，我們把這類物體叫半導體。
磁鐵是我們日常生活中並不罕見的物體，在磁鐵的周圍存在著磁場。拿一塊磁鐵來，這個磁鐵的兩端就是它的兩個極——南極(S極)和北極(N極)，這兩個極間的相互作用是通過磁場來進行的，磁場雖然看不見摸不著，但我們可以用磁力線來描繪它。在一根條形磁鐵的上麵放一塊玻璃板，玻璃板上撒一層鐵屑，輕輕敲打玻璃板，鐵屑就會按一定的規則排列，將這些鐵屑連成線條，我們叫它磁力線。它的疏密程度能反應磁場的強與弱，磁力線上麵的每一點的切線方向，表示了這一點的磁場方向。電與磁是相互聯係、相互轉化的。我們知道，電流通過導線時，周圍就會產生磁場。根據電流可產生磁場的道理，人們把導線繞成線圈，做成了電磁體，廣泛應用在生產和日常生活中。
近代物理學的知識告訴我們，無論磁現象還是電現象，它們的本源都是一個，即電荷的運動。物體原子中的電子，不停地繞核旋轉，同時也有自轉，電子的這些運動便是物體磁性的主要來源。也就是說，一切磁現象都起源於電荷的運動，而磁場就是運動電荷的場。
不僅電流能夠產生磁場，而且磁場的變化也可以產生電流，這叫電磁感應現象。電磁感應的發現，為工農業生產的電氣化創造了條件。
溫度是反映物體冷熱程度的物理量，我們常用溫度計來測量溫度。人們還規定了在一個標準大氣壓下，冰溶解時的溫度為零度，水沸騰時的溫度為100℃，在0℃～100℃之間分成100等份，每1份就叫1℃。這種標定溫度的方法叫攝氏溫標。用攝氏溫標表示溫度時，應在數字後麵寫上符號“℃”。
在熱力學理論和科學研究中，還常用另一種溫標叫絕對溫標，這種溫標不是以冰水混合物的溫度為零度，而是以-27315℃作為0℃，叫絕對零度。絕對溫度的1度叫1開，用字母“K”表示。同一個溫度可以用攝氏溫標表示，也可以用絕對溫標表示，它們之間的關係為：T＝t＋27315(K)，這裏T為絕對溫度，t為攝氏溫度。
水蒸氣遇冷可以凝結成水，但要讓空氣凝結成液體，卻不是件容易的事。經過長期的實踐，人們發現，在一個大氣壓下，空氣要在81K(約為-192℃)以下，才可以液化。換句話說，液態空氣在一個大氣壓下的沸點為81K，這樣，人們便把低於81K以下的溫度稱為低溫。至於氫氣和一些惰性氣體的液化溫度，那就更低了。如果我們能用特殊技術使這些氣體液化，並把它們置於特殊的容器中保存起來，這樣就可以獲得極低的溫度。這些溫度和我們的生活環境差距如此之大，許多物質在這樣低的溫度裏顯示了從未有過的奇異的特殊規律。研究物質在低溫下的結構、特性和運動規律的科學，就叫低溫物理。
19世紀末，隨著工農業生產的迅速發展，低溫技術也日益提高，一個個曾被認為不能液化的“永久氣體”相繼被液化，使人們獲得了越來越低的溫度，為探索未知世界的奧秘提供了強有力的武器。終於在20世紀初葉，揭開了超導體研究的序幕。
奇異的低溫世界
提起低溫，我們往往會聯想到千裏冰封、萬裏雪飄的北國風光，在我國北方度過了童年時代的人們更會浮想起許多愉快的兒時往事：玻璃窗上美麗的冰花圖案、雪球激戰、白雪老人……居住在北方的少年朋友，你們對這些場景一定不會感到陌生吧!除此之外，我們也會想到人類的老祖先曾經和漫長嚴寒的冰期作過多少萬年的艱苦鬥爭，更會想到南、北極那終年不融的冰山。經過漫長的曆史歲月，人們早已戰勝了普通的冰雪低溫。在現代，除了探索地球南北極大自然的奧秘外，擺在科學工作者麵前的一個任務便是向更低的溫度進軍了。
1784年，英國的化學家拉瓦錫曾預言：假如地球突然進到極冷地區，空氣無疑將不再以看不見的流體形式存在，它將回到液態，這就會產生一種我們迄今未知的新液體。他的偉大預言一直激勵著人們試圖實驗氣體的液化，或者嚐試達到極低的溫度。
法拉第是19世紀電磁學領域中最偉大的實驗物理學家。他生於倫敦近郊的一個小村子裏，父親是個鐵匠，家境十分貧寒，所以法拉第的青少年時期沒有機會受到正規的學校教育，隻是學了一點讀、寫、算的基本知識。但他勤奮自強，自學成才，完全憑借自己的努力、膽略和智慧，從一個書店報童到裝訂書的學徒再到皇家研究院實驗室的助理實驗員，最後成為一名著名的實驗物理學家。
1823年，法拉第開始了氣體液化的實驗研究。當時，他正在皇家學院的實驗室做戴維的助手。有一天，法拉第正在研究氯化物的氣體性質，他用一根較長的彎形玻璃管進行他的實驗：把一種氯化物裝在管子的較長端，然後密封玻璃管的兩端，加熱管子的較長端，他突然發現在玻璃管的冷端出現了一些油狀的液滴，法拉第馬上就意識到，這液滴是氯。由於加熱，密封管中的壓強必然增大，但隻有冷端收集到液態的氯，這說明影響氣體液化的因素不隻是壓強，除了壓強之外，還有溫度。1826年，法拉第又做了一個實驗，這次他將管子的短端放在冰凍混合物中，結果收集到的液氯更多了。從這以後，法拉第開始對其他氣體進行研究，他用這種方法陸續液化了硫化氫、氯化氫、二氧化硫、乙炔等氣體。到了1845年，大多數的已知氣體都已經被液化了，而氫、氧、氮等氣體卻絲毫沒有被液化的跡象。當時有許多科學家認為，它們永遠也不會被液化了，它們就是真正的“永久氣體”。
然而，實驗家們並沒有就此罷休，他們設法改進高壓技術，試圖用增大壓強的方法來使這些“永久氣體”液化。有人將氧和氮封在特製的圓筒中，再沉入海洋約16千米深處，使壓強大於200個大氣壓；維也納的一位醫師納特勒在19世紀中葉曾選出能耐300大氣壓的容器來做實驗，但最終都未成功，空氣始終未能被液化。
法國物理學家卡尼承德·托爾，在1822年曾做過一個實驗，他把酒精裝在一個密閉的槍管中，由於看不見槍管中發生的現象，他就設法利用聽覺來幫助自己。他將一個石英球隨酒精一起封進槍管內，利用石英球在液體中滾動和在氣體中滾動所發出的不同聲音來辨別槍管內的酒精是液態還是氣態。他發現在足夠高的溫度時，酒精完全變成了氣態。
為了搞清楚這個過程是怎樣發生的，他改用密封的玻璃管進行實驗，在管內充入部分酒精，一邊加熱一邊觀察。然而，盡管玻璃管很堅固，每當液體隻剩一半時，玻璃管就會突然爆炸。這到底是為什麼呢?他再一次進行上述實驗，結果玻璃管還是毫不例外地發生了爆炸。經過多次反複的實驗，托爾最後得出結論：當酒精加熱到某一溫度時，將突然全部轉變成氣體，這時的壓強將達到119個大氣壓。當然，在這樣大的壓強下，什麼樣的玻璃管也將會發生爆炸的。
托爾對酒精汽化現象的研究，引起了人們的重視，人們紛紛開始對其他液體進行研究，發現任何一種液體，隻要是給它不斷地加熱，在某一溫度下，它都會轉變成氣體，這時容器內部由氣體產生的壓強將顯著增大。就這樣，托爾對氣液轉變現象的研究，使他成了臨界點的發現者。然而，遺憾的是，當時托爾對之並不能解釋，直到1869年，安德魯斯全麵地研究了這一現象，才搞清楚了氣液轉變的全過程。
安德魯斯是愛爾蘭的化學家，見伐斯特大學化學教授。1861年，他用了比別人優良得多的設備從事氣液轉變的實驗。他從托爾的工作中吸取了經驗，托爾用酒精做的實驗是相當成功的。後來安德魯斯換用水來做這個實驗，但由於水的沸點太高，壓強要大到容器無法支持的地步，因此沒有做成這個實驗。於是，安德魯斯就選了二氧化碳(CO2)作為工作物質。他把裝有液態和氣態的二氧化碳的玻璃容器加熱到3092℃時，液氣的分界麵變得模糊不清，失去了液麵的曲率，而溫度高於3092℃時，則全部處於氣態。當溫度高於這個數值時，即使壓力增大到300或400個大氣壓，也不能使CO2液化，他把這種氣液融合狀態叫臨界態，這個溫度值叫臨界溫度。在這些實驗的啟示下，人們進而設想每種氣體都有自己的臨界溫度，所謂的“永久氣體”可能是因為它們的臨界溫度比已獲得的最低溫度還要低得多，隻要能夠實現更低的溫度，它們也是可以被液化的。問題的關鍵在於尋找獲得更低溫度的方法。