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低温下有什么神奇的物理现象

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发表于 2020-7-1 17:47:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
一波冷空气席卷全国。北京的朋友已经收到来自西伯利亚的“礼物”——强冷空气。西伯利亚这份“大礼包”给北方的人们带来一节生动的物态相变课程——2020年的第一场雪。没错,四季变化、温度交替、风霜雨雪都是大自然给予人们最好的礼物,也为人们认识丰富的物质世界打开了一扇窗。
我们借着西伯利亚这一波强冷空气,打开低温世界的大门,从人们可以感受到的温度变化一直走到接近“绝对零度”的极低温世界。
打开这扇大门之前,我们先来介绍温标的概念。温标之于温度,就好比尺子之于距离,天平之于质量,温标是衡量温度的标尺。常用的温标有三种:华氏温标、摄氏温标和绝对温标。华氏温标和摄氏温标不再过多解释,这两种温标都依赖于测温物质的物理性质,统称为经验温标。绝对温标不依赖于测温物质,由热力学第二定律的推论卡诺定理来定义,也称为开尔文温标或者热力学温标,绝对温标利用理想气体在体积一定的情况下,压强与温度之比为常数,将所有理想气体压强-温度曲线反推交点的温度定为绝对零度,最小间隔与摄氏温标相同,单位为开尔文K,则水的三相点温度(0.01℃)为273.16K。热力学第三定律指出,“绝对零度”无法通过有限次步骤达到。
水的相图,描述的是水在不同温度和压力条件下的存在状态
三种温标的换算关系为:摄氏温标(t)与绝对温标(T)的关系为 T=t+273.15;摄氏温标(C)与华氏温标(F)的关系为 F=1.8C+32
带着温标这把“标尺”,我们一起打开低温世界的大门,看看从0摄氏度到接近绝对零度都有哪些神奇的现象吧。为了方便读者理解,以下内容将同时用到摄氏温标与绝对温标。
0℃,即标准大气压下,冰水混合物的温度,这个温度也是人们最常见的相变现象,也是人们对低温的最直观感受。炎热的夏天,一杯加冰可乐,可以带给你沁透心脾的清爽。
然而,冰水混合物只是人们感受到低温的开始,要知道,北京冬天最冷的时候经常能到-10℃甚至更低,而我国漠河地区冬天通常在-40℃以下。这个温度下,体温计(水银温度计)已经失效(水银熔点为-39℃),洒出的开水会迅速变成冰花。
同时,漠河也保持着我国最低气温的记录,-52.3℃。而地球上的南极,有记录的最低气温为-88.3℃。这个温度下,标准大气压下的二氧化碳也已经变成干冰。
到这里,基本已经到了人类能够忍受的低温极限。但是,我们低温世界的探索才刚刚开始。随着温度的继续降低,空气中的各种成分逐渐变成液态。当温度降到-183℃(90.15K),氧气已经变成浅蓝色液体。温度继续降低到-195.8℃(77.35K),空气中的氮气也将变成液态。而由于氮气在空气中体积比高(78.03%),便于液化。因此液氮制冷通常用于迅速冷冻生物组织,可用于冷冻和运输食品,用来进行冷冻治疗和冷冻手术。
此外,由于液氮的廉价性(相同体积的液氮比相同体积的可乐还便宜),因此液氮也被科研爱好者“玩”出了新的高度。把活鱼扔进液氮,把岩浆倒进液氮,把可乐放进液氮,把开水倒进了液氮……众多的液氮实验充斥着视频网站,大家感兴趣可以自行搜索。2014年,当“冰桶挑战”风靡世界的时候,在液氮工厂工作的俄罗斯小伙Anton Konovalov更是疯狂的用液氮进行了一次“冰桶挑战”,他用-196℃的液氮浇到身上,但是液氮并没有给他造成冻伤。(小编提示危险请勿尝试)
Anton Konovalov将一桶液氮迎头浇下(危险实验,请勿模仿!)
战斗民族小伙用亲身实验生动地向大家诠释了莱顿弗罗斯特效应,即低温的液氮接触高温的皮肤会立刻蒸发,而蒸发产生的氮气在皮肤表面形成了蒸汽层,阻碍了皮肤与液氮的接触。即便如此,也不建议大家盲目模仿,毕竟,一不小心,可能接触到液氮的身体组织就会迅速冻伤坏死。
从液氮温度的77K开始,低温下奇特的现象也逐渐丰富起来。继续降低温度,许多气体将会陆续液化,但是,在18世纪,由于低温技术的限制,人们认为存在不能被液化的“永久气体”,如氢气、氦气等。直到1898年,英国物理学家杜瓦制得液氢(液化温度为-252.77℃,即20.38K),1908年,荷兰莱顿大学莱顿实验室的卡末林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化(标准大气压下液化温度为4.215K),并通过降低液氦蒸汽压的方法,获得1.15~4.25K的低温。从此昂内斯教授为大家打开了极低温物理世界的大门。昂内斯在液化氦气的研究中,发现金属铂电阻在4.3K保持为一常数,而不是通过一极小值后再增大。昂尼斯进一步实验选择了更容易提纯的汞作为实验对象。他将汞冷却到-40℃,使汞凝固成线状;然后利用液氦将温度降低至4.2K附近,并在汞线两端施加电压;当温度稍低于4.2K时,汞的电阻突然消失,表现出超导电性。因此他成为研究超导第一人,为超导的研究奠定了基础,也因此获得1913年诺贝尔奖。如今,超导体的三个基本特性:完全电导性、完全抗磁性、通量量子化均已经得到广泛应用,比如超导线圈、超导磁悬浮列车、超导量子干涉仪等。
完全抗磁性即迈斯纳效应,是磁悬浮列车的理论基础。
利用超导约瑟夫森效应和磁通量子现象测量微弱磁场的超导量子干涉仪
继续挺进更低的温度,我们将达到宇宙大爆炸后膨胀冷却到现在的温度2.7K(微波背景辐射的温度)
随着温度降低,液氦将在2.18K时会有明显的性质改变,将获得超流性(HeⅡ),即具有零阻力或零黏度。超流态的液氦能沿容器壁向上流动,使容器内外的液面持平,即著名的“氦膜爬升”实验。此外,热传导性为铜的800倍;其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。
液氦的这种超流特性起源于玻色-爱因斯坦凝聚, He原子是自旋为整数的玻色子, HeⅡ可以看成是由玻色子组成的玻色气体,遵守玻色统计规律,玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。当温度低于一个临界温度Tc时,一些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态),称为凝聚,温度愈低,凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多,在绝对零度时,全部粒子都凝聚到零点振动能状态,这个现象即玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能,故有极大的平均自由程,能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管
4He相图,由于相图曲线与λ相似,也被称为λ相图。
继续降低温度,我们基本已经来到了1K附近的温区,单纯的通过压缩4He再降低液氦蒸汽压的方法已经很难再使温度继续下降。科学家利用相同的方法对氦的同位素3He进行液浴减压可以到0.3K。实际上。3He和4He的混合液在0.87K以上温度时可以以任意比例互溶,在0.87K以下时发生相分离,即分成含3He较多的浓相和含3He较少的稀相两部分,两者间构成一界面,浓相浮于稀相之上。当3He原子从浓相通过界面进入稀相时,由于4He的超流特性,3He在超流态4He中不受任何阻力,好似在真空中一般,这个过程类似于普通液体通过液面蒸发成气体,要吸热致冷,这就是稀释制冷的原理。稀释制冷机就是利用这一原理,再通过压缩机将稀相的3He-4He蒸馏分离出4He,再将3He通过循环系统重新回到浓相,利用稀释制冷技术,我们可以到达1.5mK的温度。现如今,稀释制冷机已经成为凝聚态实验物理学家研究的利器。
3He相图与稀释制冷原理
稀释制冷机内部结构,看似简单的结构内部极为精密
如果继续向绝对零度进发,目前已经能够在稀释制冷的基础上通过加压使3He发生液-固相变时的吸热效应(坡密朗丘克致冷,液态3He的熵比固态3He的熵要小),可以达到1mK。利用核绝热去磁使核磁矩由自旋极化变成混乱取向使熵增加的吸热效应可以将核自旋温度降低到50nK量级,但是晶格温度仍为mK量级。
至此,我们已经达到了目前几乎人类能够达到的低温极限,但是依然无法达到绝对零度,从量子力学的角度来看,量子涨落是永恒的,粒子不可能静止不动,既然存在量子涨落,光仍然会产生、湮灭。
那么,既然绝对零度无法达到,我们不断追求的接近绝对零度又有什么意义呢?回过头来看一看我们从0℃走到接近绝对零度的过程,可以清楚的看到:随着温度的降低,不同的凝聚现象逐渐发生。用物理语言描述,这正是不同的对称性逐渐发生破缺的结果。我们知道,由于多体相互作用以及热激发使得许多量子效应无法在宏观世界观测到,但是,随着温度的逐渐降低,那些被热激发掩盖的量子现象、凝聚现象就会一点点展现出来。例如,随着空气的逐渐冷却,其中的水开始凝结成冰,继续冷却,其中的二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝结,当进入1K以下的极低温,还会看到许多奇妙的量子现象。如果温度进一步降低,还会有哪些凝聚现象发生?这些新的凝聚现象又会引发什么样的量子效应,能否为我们带来好处?这是科学家们思考的永恒主题,也是低温技术发展的永恒动力。
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