低温的魅力，本文主要内容关键词为：低温论文,魅力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
夏天灼热的气浪，冬天刺骨的寒风，奇妙的大自然可以将我们带入冷热两个截然不同的世界中。在日常生活中，我们习惯用温度来表示物体的冷热程度，那你是否知道在这冷与热之下，还存在着一个复杂而无规则的分子世界，冷热只是表明这个世界中分子无规则运动的剧烈程度。
温度——分子平均动能的量度
自然界中的物质是由大量分子组成的，且每个分子都在作无规则的运动。由于在宏观上，我们无法对微观世界中的单个分子的运动状态进行分析，故只能研究大量分子的总体运动效果，也就是考虑分子的平均动能。
温度与分子无规则运动的剧烈程度（即运动速度）有关，确切地说它是分子平均动能大小的一种度量。当我们升高物体的温度，分子无规则运动的速度就会增大，其动能也就增大。反之，如果降低物体的温度，分子无规则运动的速度就会减小，其动能也就减小。用宏观物理量——温度来描述微观分子运动的剧烈程度，实在是物理学的美妙所在。
1848年，英国物理学家开尔文创立了一种开氏温标（又称绝对温标或热力学温标，单位为K）， 它与摄氏温标所使用的温差尺度完全一样，唯一的差别是：摄氏温标以纯水的凝固点作为零度指标，而开氏温标则以可能的最低温度——绝对零度（相当于摄氏－273.16℃）为零度指标。从理论上说，在绝对零度的状态下，物质内部分子或原子的所有运动都将被“冻结”，分子的热运动将完全停止。但要让分子的热运动完全停止是不可能的，所以－273.16℃是一个可以无限接近却永远无法达到的温度，也是人们向往和追求的极低温目标。
奇妙的低温世界
众所周知，在低温下任何气体都会变成液体或固体。例如，氧气在90K时会变成浅蓝色的液体，在54.6K时则变成固体；而氦气却要到4.2K时才能被液化，而且连“脾气”也都改变了。
实际上，氦有两种液态，当氦的温度介于2.19～4.2K时，我们称它为氦Ⅰ；当氦的温度低于2.19K时，我们称它为氦Ⅱ。 氦Ⅱ真是个怪物，它可以向上爬出装它的容器，地球引力似乎对它根本不起作用；它还能钻过细如毛发的管子。液态氦为什么会具有如此独特的性质——超流动性呢？对此，科学家至今仍是一知半解，可能是由于氦原子特有的组成所致，亦或是在某种极端条件下，它所表现出的相当不寻常且奇妙的能量交互作用吧！
那么，固体在低温时的表现又如何呢？1951年1月31日，加拿大魁北克省，当地的气温已下降到零下35℃，这时一座长达180 米的金属结构的大桥突然分成若干段跌落河中。导致这次事故的罪魁祸首就是低温——在低温下，固体材料内部的分子运动发生了变化，致使材料变硬、变脆。
不过，低温也有其有用的一面。例如，在温度下降过程中，某些金属和绝缘陶瓷材料的电阻会突然变为零——超导体，这种现象令科学家兴奋不已。利用超导材料，人们可以制造基本无信号衰减的远距离通信电缆，功率强大的超导发电机，高速行驶的磁悬浮列车，具有人工智能的电子计算机，以及能明察秋毫的电子显微镜等等。
激光圆梦
激光是一种特殊的光，它能把巨大的能量投向一个很小的范围，而且这束光可能强到足以气化很硬或很耐热的材料。其实，这都是电子的功劳，它在对能量“饱餐一顿”后，被迫整齐划一地、及时地复原成光子，即产生一个相干光束。激光不同于太阳光和灯光，它是一种单色光，因此光子的能量是一样的。
奇异的低温世界中隐藏着大量的奥秘，在这寒冷统治的王国里，大自然的规律更加神秘莫测，于是人们不断努力去撞击低温世界的大门。
1877年，法国人盖勒特和比利时人毕克特同时使空气中的氧变成了液体（液化温度为90K），它标志人类向低温世界进军取得了重大突破。之后，英国科学家杜瓦获得81K液态空气； 荷兰著名低温物理学家翁纳斯于1899年获得21K无色液态氢，并于1908年又制得4.2K和1K 的液态氦；1935年，科学家德哈斯和维尔斯马用绝热去磁法创造了当时的最低温0.0034K；到了1978年， 芬兰赫尔辛基附近的奥坦尼姆技术研究所低温实验室的科学家们获得3.3×10[－8]K的低温， 可以说人类正用尽各种方法向绝对零度——真正的零度逼近。
当本世纪的杰作——激光问世后，如何使原子、分子的运动速度降至极小，甚至接近于零，而又使它们保持相对独立的梦想终于得以实现。尽管在近一个世纪以前，物理学家就认识到光对实物粒子有机械力的作用，而且正是在这种作用下彗星尾巴才永远背向着太阳，但是由于一般光源的光强很弱，它们对原子运动的影响很小，因此人们对原子运动进行有效地控制只能是在激光问世之后。
激光场的光强很强，它对原子运动的影响显著。一般原子每秒可吸收和发射上千万个光子，在激光场中原子每次吸收的激光光子是定向的，而发射的荧光光子却是无规则的（其平均动量变化为零），于是原子便迅速减速并冷却下来。这种利用激光场使原子减速的技术是冷却原子的一种有效方法，我们称之为激光冷却。利用激光冷却技术，原子的速度就能无限趋近于零，从而使原子的无序运动受到限制。现在，科学家已利用激光将原子冷却到10[－12]K的数量级， 为人类精确研究单个原子及其内部结构创造了条件。
激动人心的原子喷泉
在探索低温世界的同时，人们不仅加深了对辐射与物质间相互作用的认识，开辟了深入了解低温环境下气体量子物理特性的途径，而且还利用激光冷却和捕陷原子技术制成原子喷泉。
首先，采用多束激光“捕获”某些原子，然后使用激光冷却技术将其冷却，并围在一定区域内。当增大某束激光的光压，减小另一束激光的光压的时候，那些被围在“冷阱”中已被减速的原子便失去了“平衡”，并沿着光压较小的那一束光“喷出”，于是激动人心的原子喷泉就形成了。
利用原子喷泉，科学家制成了精密度极高的原子钟（每3000万年仅误差1秒），以满足太空导航和精确定位的需要。而且， 根据原子喷泉喷发时，上升与下降的原子彼此形成的干涉波，我们还可非常精确地测得重力加速度的值，其误差小于3×10[－9]米／秒[2]。
思维空间
1.物理学中把某物体的质量与其速度平方的乘积的1／2叫作物体的动能。已知0℃时的氢分子平均速度为1840米／秒， 氧分子的平均速度为460。米／秒，它们的质量之比为1：16。把这些数值代入动能公式mv[2]／2，氢分子和氧分子的平均动能是否相等？
2.已知热力学温标和摄氏温标的关系为T（K）＝t（℃）＋273。请估计人的正常体温为多少K？人体内的主要成分是水，那么在240K 左右时，人会出现什么情况？（提示：人的正常体温约为36℃，水的冰点为－4℃。）
3.请根据文中所给数据，用表格和直方图表示人类获取低温的过程。（提示：以温度为纵坐标、年代为横坐标建立坐标系。）
一试身手
1.请设计一个合理的表格，记录一个月内每天的最高气温和最低气温。然后将所记录的数据用图线进行表示（以日期为横坐标、温度为纵坐标建立坐标系），并用简单的语言对图线进行分析。
2.取少许液氮倒入一金属盘中，然后在金属盘上方轻轻释放一永磁铁。当永磁铁下落到金属盘上方某一位置时观察现象，并说明原因。（提示：液氮温度很低，它使金属盘的温度和电阻都大大降低。在永磁铁下落过程中，穿过金属盘的磁通量增加，于是盘中产生感应电流，其磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。当永磁铁所受的重力与磁场力达到平衡时，永磁铁便处于悬浮状态。如果实验中采用液氦，那效果将更好，因为在液氦的温度下金属盘将变成超导体。）
