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液態(tài)氦氣制備的歷史



  氦單質(zhì)在極低溫度下由氣態(tài)氦轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>液態(tài)氦氣。由于氦原子間的相互作用（范德華力）和原子質(zhì)量都很小，很難液化，更難凝固。富同位素4He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強分別為5.20K和2.26大氣壓，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度為4.215K.在常壓下，溫度從臨界溫度下降至絕對零度時，氦始終保持為液態(tài)，不會凝固，只有在大于25大氣壓時才出現(xiàn)固態(tài)。

  1873年范德瓦爾斯在他的博士論文《論液態(tài)與氣態(tài)的連續(xù)性》中提出了包含氣態(tài)和液態(tài)的“物態(tài)方程”，論證了氣態(tài)和液態(tài)能以連續(xù)性的方式互相轉(zhuǎn)變，指出所有氣體都存在著臨界溫度，這成為將來所有氣體液化的理論指導(dǎo)。范德瓦爾斯還提出分子不但占有體積而且相互之間有作用力。

  1880年范德瓦爾斯又提出了“對應(yīng)態(tài)定律”，用這個定律就可用一個方程描寫所有氣體的行為。在范德瓦爾斯對應(yīng)態(tài)定律的指導(dǎo)下，杜瓦（James Dewar）于1898年液化了氫氣，卡墨林-翁納斯（Kamerlin-Onnes）于1908年實現(xiàn)了氦氣液化。

  杜瓦對低溫學(xué)的貢獻非常重要，他不但在1898年首先液化了氫氣，也是氫液化和固化（對液氫減壓降溫）的開拓者，而且于1892年發(fā)明了雙層鍍銀玻璃中間抽真空的低溫容器，成為此類低溫容器的鼻祖，在低溫科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的卓越貢獻在氦氣液化過程中起到了極其重要的作用。

  在科學(xué)上的所有進展都離不開當(dāng)時工業(yè)技術(shù)的支撐。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初那段時期工業(yè)和技術(shù)已經(jīng)為科學(xué)的發(fā)展和進步奠定了物質(zhì)和技術(shù)的基礎(chǔ)。氧氣和空氣的液化、空氣低溫分離、小型液空裝置等不斷面世，這不僅為氦液化提供了預(yù)冷源，更重要的是為氦氣液化提供了相應(yīng)的實驗設(shè)備。

液態(tài)氦氣

  氦氣當(dāng)時是通過加熱獨居石（磷鈰鑭礦石）的方法獲得的，每克磷鈰鑭礦石中大約含25px3-50px3的氦氣。卡墨林-翁納斯做實驗時液化系統(tǒng)中共用了200L（常溫、常壓下）的氦氣。

  1882年卡墨林-翁納斯被任命為萊登大學(xué)物理系實驗物理主任并開始籌建低溫物理實驗室，他在與范德瓦爾斯合作進行氣體和液體性質(zhì)的系統(tǒng)研究中獲得了靈感，領(lǐng)會了物質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)的本質(zhì)聯(lián)系。

  卡墨林-翁納斯不但是一位杰出的科學(xué)家、也是有開拓眼光的科學(xué)技術(shù)管理者，他采取開發(fā)政策，1885年在科學(xué)雜志《萊登大學(xué)物理實驗室通訊》上詳細地公布了實驗室全部結(jié)果、所有實驗裝置的細節(jié)和技術(shù)進展，歡迎世界各國的人士來訪、學(xué)習(xí)交流和討論。這樣他建立了廣泛的學(xué)術(shù)聯(lián)系，獲得了大量的信息。

  卡墨林-翁納斯是把研究-教育-產(chǎn)業(yè)三者之間建立互動的先行者。1890年他建立了萊登儀器工學(xué)校，對學(xué)員進行儀表制造和玻璃裝置燒制的培訓(xùn)，完成學(xué)業(yè)后有的在他的實驗室作技工，有的自立組建公司，為實驗室提供所需的各種設(shè)備和玻璃容器。

  卡墨林-翁納斯領(lǐng)導(dǎo)的實驗室為了滿足低溫研究的需要，1892年建造了每小時14L的空氣液化裝置，在1906年具有了每小時液化4L氫氣的能力，并用抽氣減壓的方法獲得了14K的低溫，為液化氦打下了堅實的基礎(chǔ)�？�-翁納斯在液化氦氣的競爭中脫穎而出，后來居上。在1908年7月10日獲得了世界上第1滴液氦。連同1911年他第一個發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)電性，卡墨林-翁納斯開創(chuàng)了液氦溫區(qū)和超導(dǎo)的新領(lǐng)域。

  氦在通常情況下為無色、無味的氣體；熔點-272.2℃（25個大氣壓），沸點-268.785℃；密度0.1785克/升，臨界溫度-267.8℃，臨界壓力2.26大氣壓；水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)。液態(tài)氦在溫度下降至2.18K時（HeⅡ），性質(zhì)發(fā)生突變，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動，熱傳導(dǎo)性為銅的800倍，并變成超導(dǎo)體；其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。

  液氦在一個大氣壓下密度為0.125 g/mL。氦有兩種天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上全是氦4。

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