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低温魔术师

2015-01-08华兴恒

少年科学 2014年12期
关键词:超导磁体超低温速冻

华兴恒

在数九寒天的时候,寒冷除了让我们整天瑟瑟发抖外,还能有什么用处呢?殊不知,低温有时还会变起魔术来。不信,我们一起来瞧一下其中的奥秘!

神奇“魔术”

在绝对零度附近的超低温区,你会看到许多光怪陆离的现象。低温就如同一位神奇的魔术师一样,可使物质的许多性质发生很大的变化,总是给人以魔幻般的感觉,温度越低则其魔力越大、魔法也将越神奇。

魔术一:鸡蛋变成荧光蛋,花朵变得像玻璃

在一个标准大气压下,当温度降到—190℃时,透明的空气会变成浅蓝色液体,这已属于超低温世界。此时,如果你把一枚鸡蛋放进去,它会发出浅蓝色的荧光,简直变成了一个荧光蛋。若把这个鸡蛋摔在地上,它还具有极强的弹性,会像皮球一样立即弹起来。若把鲜艳的花朵放进液态空气里,鲜花则会失去原有的纤柔姿态,变得像玻璃一样亮光闪闪,非常脆。轻轻一敲还会发出“叮叮当当”的响声呢!若重敲它则会破碎。

此外,橡皮会失去弹性,能像铜锣那样敲起来“哐哐”作响,猪肉会放出灼灼的黄光。

寒冷有没有“尽头”

说起寒冷,你可知道哪里最严寒?

中国北方地区最低气温可低至-52℃。

地球上最冷的地方是南极,有记录的最低气温竟然低至-88.3℃。

在月球背着太阳的阴面,温度非常低,达到-183℃。

在太阳系的冥王星,它的表面温度可低到-240℃以下。

那么,寒冷有没有尽头呢?回答是:有。

物体的温度低到“绝对零度”,亦即-273.15℃,才算是尽头了。英国物理学家威廉·汤姆生对此做出了科学的解释:物体的温度越低,物体内物质的大量分子做无规则运动的速度就越小,当温度低到-273.15℃时,分子热运动速度将为0,所以这个“绝对零度”是理论上的数值,它就是低温的尽头。绝对零度虽然可以无限接近,但这个温度是绝对不能达到的。不过,科学家正在一步一步地向绝对零度逼近。

魔术二:多数气体冻成了固体

在绝对零度附近,氧气会冻得像白色的砂粒,氢气会冻得像钢铁一样坚硬,各种气体都被冻成了固体,惟有氦气特殊,它还是流动的液体。氦气在一个标准大气压下,当温度下降到—268.95℃时,才变成很轻的透明的液体;当温度下降到—270.98℃时,液态的氦开始出现绝无仅有的奇妙现象—超流动性!这时的液态氦可以经过很细的管子从容器中流出,且可以不受重力的牵制,以0.3米/秒的速度从杯子里顺着杯壁迅速地向上爬,瞬息之间越过杯口,再沿着杯子的外壁爬下来。这是超流体非常独特的一种表现。

魔术三:金属变脆了

金属在低温时,其内部结构会变得松散,这种现象被称为“金属的冷脆现象”。这种现象的危害性很大,只有铜和一些合金不怕低温。金属的这种冷脆现象,虽然有害但也可为人类造福。比如,当战场上布满了地雷时,虽然探雷器可以找到它们,但是排雷却是很危险的。若将液态空气撒到这些地方,就会使这些地方的温度急剧下降,地雷中的弹簧就会变脆失去弹性,因而就不会爆炸了。一般粉碎机很难将硬度高、弹性大的材料粉碎,而采用低温冷脆技术,不仅可以迅速地把它们粉碎,而且还可以控制其颗粒的大小。

用铅制成的铃在常温下摇起来就像一个闷葫芦,但在液态空气里浸过后,响声清脆美妙,犹如银铃一般悦耳动听。平常软而韧的铝丝在—100℃以下,简直就像一根钢丝弹簧一样坚硬且富有弹性。如果把水银温度计插进液态空气里,水银柱立即会冻得像钢铁一样坚硬,就会像钉子一样可以钉进木板里面去。

运用低温冷脆技术来炼钢,1小时可粉碎30吨废钢铁,这样既加快了速度,又节约了能源,同时还减少了浪费,真可谓一举多得。

超导“魔术”

低温魔术师最出色的表现,当属“超导现象”。1911年,荷兰科学家卡麦林·昂内斯在低温实验中意外地发现:水银的电阻率(电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1米、横截面积是1平方米的导线在常温20℃时的电阻,叫做这种材料的电阻率。)并不像预料的那样随温度的降低逐渐减小,而是当温度降低到—269℃(液氦温区)附近时,水银的电阻忽然消失了,这就是“超导”现象。

接着,人们又做了一个有趣的实验:用金属铅做成一个圆环,放入接近绝对零度的超低温环境中,这时铅的电阻消失了。人们在环中通入电流,然后截断电源,将整套仪器封闭起来。两年以后,人们把仪器打开,测量环中的电流强度,发现几乎没有什么变化!原来,“超导环”的电阻为0,几乎没有一点能量损失,所以环中的电流可以几年、十几年、甚至几十年经久不衰。

多年来,人们一直寻找能用来传输电流的超导材料,因为目前世界上的电能约有四分之一损耗在输电线路上。如果使用没有电阻的超导材料做输电线路,就实现了“无损耗输电”,实际上等于增加了发电量。在世界能源日趋紧张的今天,这可是一笔非常可观的财富啊!

最近,科学家制造出实用的“超导电缆”,这是利用一种合金氧化物(钇钡铜氧)制成几毫米的带子,缠绕在装有流动液氮的管子上,再加上几层绝热层,一根“超导电缆”就制成了。不过,价格昂贵。

当前,低温超导技术实际应用为“超导磁体”,把超导金属丝绕成线圈,降至超低温以后,就制成了“超导磁体”。超导磁体没有电阻,因而也就没有热损耗,很容易产生强大的磁场,非常节省电力,5万高斯的强磁场只需几百瓦的电能。“超导磁体”的一大贡献,是使磁悬浮列车成为了现实。1971年,德国制成了世界第一列磁悬浮列车,速度高达500千米/时。

冷藏“魔术”

科学家曾做过一个实验:将金鱼迅速冻僵,使其变得硬如冰块,然后放入水中,金鱼就会慢慢苏醒。这个实验生动地说明了“低温魔术师”还能使“生命冷藏”成为可能。不过,必须得“速冻”金鱼才能复活,如果将金鱼慢慢地降温,最后也降到超低温,金鱼就不能复活了。这是为什么呢?原来,当慢慢降低温度时,动物细胞中的水分会结冰,而结冰时体积会膨胀,使细胞膜破裂而死亡。可是当“速冻”到超低温时,细胞中的水分还没有来得及膨胀,细胞没有被破坏,只是停止了活动,不再进行新陈代谢,一旦温度上升,生命就可以复活。目前,科学家正在加紧探索其中的奥秘,以便寻找一种可以延长人类寿命的新途径!

1967年1月,美国物理学家詹姆斯·贝德福发现自己身患癌症,他请医生为自己做了“速冻冷藏”手术。这个史无前例的手术长达8个小时,医生将他的身体进行特殊处理,将其体温迅速降至—196℃的超低温,然后装进一个合金钢的器具中,再放进一座“冰墓”中,这种处置方式被称为“冷冻悬停”,冰墓内的温度保持在—200℃。

现在,国外已经建有几座这样的“冰墓”,有几十个“速冻冷藏人”停留着,他们将度过一百年甚至几百年,期望在医学发达可以根治自己的疾病时复苏过来,治愈后再继续生活呢!

低温魔术师威力无比,还有很多秘密没有揭开,我们要充分利用它的魔力,更好地为人类服务!

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