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备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院出乎意料降温电阻突为零——超导电性的发现卡末林·昂纳斯的目标不仅在于获得更低的温度，实现气体的液化和固化，他更注意探讨在极低温条件下物质的各种特性。金属的电阻是他的研究对象之一。当时对金属电阻在接近绝对零点时的变化，众说纷纭，猜测不一。根据经典理论，纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐降低，在绝对零度时达到零。有人认为，这一理论不一定适用于极低温。当温度降低时，金属电阻可能先达一极小值，再重新增加，因为自由电子也许会凝聚在原子上。按照这种看法，绝对零度下的金属电阻有可能无限增加。两种看法的预言截然相反，孰是孰非，惟有实验才能作出判断。卡末林·昂纳斯用铂丝做测试样品，测量电阻靠惠斯顿电桥。测出的铂电阻先是随温度下降，但是到液氦温度（4.3K）以下时，电阻的变化却出现了平缓。于是卡末林·昂纳斯和他的学生克莱（Clay）在1908年发表论文讨论了这一现象。他们认为是杂质对铂电阻产生了影响，致使铂电阻与温度无关；如果金属纯净到没有杂质，它的电阻应该缓慢地向零趋近。为了检验自己的判断是否正确，卡末林·昂纳斯寄希望于比铂和金更纯的水银。水银是当时能够达到最高纯度的金属，因为采用连续蒸馏法可以做到这一点。卡末林·昂纳斯的水银管如图l所示。这是一组U形毛细管，内径只有l／20毫米，反复提纯过的水银在真空状态下注入管中，水银降温后即凝固形成金属线。最难处理的问题是如何防止玻璃管在温度变化时破裂，于是就为此精心设计了贮存水银样品的U形管。从图42-1可见，在U形管上端设有贮液器，以适应水银体积的变化。在电阻两头设有4个端点，分别为电流接头和电位接头，电位接头又由铂丝引出。1911年4月的一天，卡末林·昂纳斯让他的助手霍耳斯特（G．Holst）进行这个实验。水银样品浸于氦恒温槽中。恒定电流流经样品。测量电位接头引出的电位差，出乎他们的预料，当温度降至氦的沸点（4.2K）以下时，电位差突然降到了零。会不会是线路中出现了短路？在查找短路原因的过程中，霍耳斯特发现当温度回升到4K以上时，短路立即消失。再度降温，仍出现短路现象。即使重接线路也无济于事。于是他立即向卡末林·昂纳斯报告。卡末林·昂纳斯起先也不相信，自己又多次重复这个实验，终于认识到这正是电阻消失的真正效应。图1水银管备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院卡末林·昂纳斯在1911年4月28日宣布了这一发现。此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是与水银有关的特殊现象。11月25日他做了《水银电阻消失速度的突变》的报告，明确地给出了水银电阻（与常温下电阻相比较）随温度变化的曲线（图2）。从曲线可以看出，在4.21K与4.19K之间，电阻减小得极快，并在4.19K处完全消失。就这样卡米林·昂纳斯发现了超导电性。卡末林·昂纳斯进而研究杂质对超导的影响，出乎他的意料，在水银中加杂质并不影响超导现象的出现。看来，卡末林·昂纳斯为了试验最纯的金属，选用了水银，却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象——超导电性。然而，对于卡末林·昂纳斯来说，这一发现并非图2卡末林·昂纳斯的水银电阻随温度变化的曲线完全偶然，第一，他首先实现了氦气的液化，而且直到20世纪20年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温实验室拥有大规模液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。所以超导电性的发现对于卡末林·昂纳斯来说，又是必然的。卡末林·昂纳斯因对低温下物质性质的研究，特别是液氦的制备而获得1913年诺贝尔物理学奖。他是继洛仑兹、塞曼（P．Zeeman）和范德瓦耳斯之后荣获这一最高科学荣誉的第四位荷兰物理学家。