向“低溫”進軍

韓吉辰

低溫與我們的生活有密切關系，低溫既有危害，又能被利用來為人類服務.下面請韓教授細細道來.

奇妙的“低溫世界”

數九寒天，北風刺骨，天寒地凍.我國北方地區氣溫在零下20多攝氏度，而在地球的兩極則更寒冷，最冷的地方在南極，為零下88．3攝氏度，被稱為“世界寒極”.在月球的陰面，溫度為零下160攝氏度，而在宇宙深處則更低，達零下270攝氏度左右.

那么，寒冷到底有沒有盡頭呢？科學家回答：有，這就是“絕對零度”，為零下273．15攝氏度，用0 K表示.這個“絕對零度”是理論上的數值，科學家通過實驗正在一步步地向它逼近，在1958年他們達到距離“絕對零度”只有五萬分之一攝氏度的區域，又經過十幾年的艱苦努力，終于創造了比“絕對零度”僅僅高億分之三攝氏度的新紀錄.

低溫就像一位神奇的魔術師，使物質的性質發生很大變化，溫度越低則魔法越神奇，這些與我們的生活有著密切關系呢.

空氣在零下190攝氏度時會變成淺藍色液體，屬超低溫世界，如果把雞蛋放進去，它會產生淺藍色的熒光，摔在地上會像皮球一樣彈起來；鮮艷的花朵放進去，會變成玻璃一樣光閃閃的，輕輕一敲發出“當”的聲音，重敲竟碎了……

金屬也怕冷

金屬在低溫時內部結構會變得松散，稱為“金屬的冷脆現象”.1913年，俄羅斯的一支南極探險隊，由于裝汽油的鐵箱是用錫焊的，一遇低溫，焊錫變成粉末，汽油漏光，結果探險隊的隊員全部遇難.后來凡是到南極、北極或嚴寒地區，油箱一律不許用錫焊.不但錫怕寒冷，金屬鋁、鎂甚至鋼鐵，也都害怕嚴寒.1938年和1940年，在比利時先后發生兩座鐵橋在嚴寒中轟然坍塌的事故，這就是由金屬的冷脆現象引起的.只有金屬銅和一些合金（比如鋁合金、鈦合金）不怕低溫，所以在低溫設備上，例如盛液態空氣的容器，常常使用金屬銅來制造.

這種金屬的冷脆現象也可以為人類造福.比如戰場上布滿地雷，探雷器可以找到它，但是排雷卻很危險，如果將液態空氣撒到這些地方，溫度急劇下降，地雷中的金屬彈簧就會變脆失去彈性，從而導致地雷不能再爆炸.我們知道，一般粉碎機很難將硬度高、彈性大的材料粉碎，而用冷脆技術，不僅可以迅速粉碎這些材料，而且還可以控制顆粒大小.在電爐煉鋼中，大部分原材料是回收的廢鋼，這些廢鋼的大小厚薄輕重都相差懸殊，在進爐前必須進行粉碎，而這一直是個難題.過去用1 400攝氏度的電弧來切割，很費力，又污染環境，現在利用低溫冷脆技術，一小時可以粉碎30噸，還可以大大減少污染.

在食品工業、中草藥加工、醫療、涂料制造業等方面，低溫技術也廣有用途.清除海上石油污染是一大難題，現在設計出低溫清污法，從漂浮的石油層下噴灑液氮，水面上石油迅速凝結成顆粒，再將這些顆粒鏟走，這樣不僅對于水中的生物沒有任何影響，還可以很好地保護海洋環境.

“超導現象”顯神威

低溫魔術師最出色的表演，當數“超導現象”.1911年，荷蘭科學家卡麥林·翁納斯在低溫實驗中意外發現：當溫度降至零下269攝氏度時（液氦溫區），水銀的電阻忽然消失了.這就是“超導現象”，原來超低溫使物質變成了新物態——超導態.

接著人們又做了一個有趣的實驗，用金屬鉛做成一個圓環，放入接近絕對零度的超低溫儀器中，這時鉛的電阻消失了.在環中通上電流，然后截斷電源，將整套儀器封閉起來.兩年以后，人們把儀器打開，測量環中的電流強度，發現幾乎沒有什么變化！原來“超導環”的電阻為零，幾乎沒有一點能量損失，所以環中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經久不衰！

多年來，人們一直在尋找能用來傳輸電流的超導材料，因為意義太重大了，那將引起電力工業的一場劃時代的革命.因為目前世界上的電能約有四分之一損耗在輸電線路上，如果使用沒有電阻的超導材料做輸電線路，再采用一些絕熱技術，就實現了“無損耗輸電”，實際上等于增加了發電量.在世界能源緊張的今天，這可是一筆可觀的財富??！

各國都在抓緊時間研究低溫超導材料，這一研究不斷傳來好消息.我國科學家已經發現液態氮溫區(零下170攝氏度)的超導材料.另外還發現溫區較高的一些合金或無機材料，但制造工藝比較復雜，成本比較高.

“超導材料”走向實用

科學家利用“超導材料”，制成了小巧的“冷子管”.冷子管的構造并不復雜，它是由兩根彼此絕緣、互相交叉的鉭絲和镎絲浸在液態氦中制成.冷子管體積很小，非常省電，100萬個冷子管只需0.5瓦電源即可.由冷子管制成的電子微波放大器，是最靈敏的儀器.因為它可以避免分子熱騷動帶來的誤差，使微波得到有效的放大，精密度極高.目前科學家利用它來測量從極其遙遠的星球射來的微弱光線，探索宇宙的秘密.

最近科學家設計制造出實用“超導電纜”，利用一種合金氧化物（釔鋇銅氧）制成幾毫米的帶子，纏繞在裝有流動液氮的管子上，再加上幾層絕熱層，一根“超導電纜”就制成了，目前成本是200美元／千安·米-1，價格昂貴.日本則用一種二硼化鎂制成了“超導電纜”，成本大大降低，為1美元／千安·米-1，但是技術要求很高，要求在液氦溫區實現超導.“超導電纜”的輸電能力是銅的3~4倍，具有較高的使用價值.

當前低溫超導技術的實際應用很廣泛，“超導磁體”是其中最重要的一方面.把超導金屬絲繞成線圈，降至超低溫以后通上電流，利用電流的磁效應就制成了“超導磁體”.超導磁體沒有電阻，就沒有熱損耗，很容易產生強大的磁場，而且非常節省電，5萬高斯的強磁場只需幾百瓦功率的電源.過去一個產生5萬高斯強磁場的磁體質量通常達20噸，而利用超導磁體，質量只有幾千克，就是再加上制冷絕熱設備，也還是輕得多.

“超導磁體”的一個重要用途，是解決了“受控熱核反應”的“容器”難題.原來熱核反應——核聚變，必須在近億攝氏度的高溫下才能進行，那么使用什么“容器”能承受這么高的溫度呢？利用“超導磁體”產生的強大磁場，形成一個神奇的“磁瓶”，可以約束“熱核反應”在其中進行.原來在近億攝氏度的溫度下，氫原子變成一個個帶電粒子，強大的磁場可以阻止它們外溢.

“超導磁體”的另一大貢獻，是使磁懸浮火車成為現實.1971年西德制成了世界第一列磁懸浮火車，速度達到500公里/時，現在，只要看看報紙或電視，就可以發現，世界各國（包括我國）都在爭相修建高速磁懸浮列車專線呢！不久的將來，你可以坐上速度400多公里/時的超導磁懸浮火車旅行，早晨從北京出發去上海，辦完事，晚上可以坐火車返回北京，比乘飛機還方便呢！

“超導現象”在電力、交通、國防、探礦、醫療、核能等方面都有巨大的潛在用途，前景非常廣闊.“低溫魔術師”的威力真是無窮無盡，我們要充分研究利用它的“魔力”，更好地為人類服務！