技术的历程(现代世界)/美国中学科学拓展课程

作者简介

内容简介

超导体对流经的电流毫无阻碍。1911年，人们就 已 发现超导体。但在很长的时间里，科学家一直认为超 导 现象只有在导体温度接近**零度(-273.15℃)时才 会 出现。超导现象发生时的温度称为临界温度。在大部 分Ⅰ 型超导体中，首先被确定的是金属或类金属(介于金 属 与非金属之间的～类物质)，它们只有在极低温度下 才 会发生超导现象。某些合金和金属化合物被划入Ⅱ型 超 导体。这些超导体具有*高的临界温度——特别是施 加 极高压时。到了1985年，科学家终于发现了在普通大 气 压下具有*高临界温度为23.2K(-249.95℃)的超导 体——铌的一种合金。 研究热潮 1986年4月，“高温”超导研究取得了突破性进 展。 从1983年起。任职于IBM公司苏黎世研究中心的瑞士 物理学家阿列克斯·穆勒(1927～ )和德国物理学家 格奥尔格·贝德诺尔茨(1950～ )开始用陶瓷做实验 。 从表面上看，陶瓷不像是超导体的替代品，因为陶瓷 常 被用作*缘材料。穆勒和贝德诺尔茨发现了含金属元 素的陶瓷——镧-钡-铜氧化物的超导临界温度约为 35K(-238.15℃)。 超导体在生物 磁学领域有重要应 用。当一个强大的 超导体产生的磁场 导入人体时，体内 的水分子和脂肪分 子中的氢原子就会 吸收磁场的能量， 之后又会释放这些 能量。计算机检测 这些能量，并可直 观地展示出来。这 就是磁共振成像。 图中一名技术人员 正在监测磁共振成 像扫描。 尽管35K还是超低温，但是这个发现意味着有可 能 找到具有*高超导临界温度的材料，这进一步激发了 科 学家的研究兴趣。就在穆勒和贝德诺尔茨的发现公布 之 后几个月，一些实验室通过用锶代替钡而将超导临界 温 度提升到了39K(-234.15℃)。1987年3月，中国物理 学家朱经武(1941～ )及其在美国休斯敦大学的同事 ， 以及位于美国汉茨维尔市阿巴拉马大学的吴茂昆等研 究人员在穆勒和贝德诺尔茨研究的基础上，用钇取代 原 来的金属镧得到一种陶瓷材料，其超导临界温度达到 了 98K(-175.15℃)。 钇-钡-铜氧化物陶瓷材料被命 名为“ibco”。根据这种材料中三种元 素钇、钡、铜的原子构成比例，又将 这类超导材料命名为1-2-3化合 物。1987年上半年，至少有800篇 关于高温超导研究的论文发表在 科学期刊上：下半年，这方面的论 文几乎是每周发表30篇。1988 年，许多实验室声称，由铊、钡、钙、 铜和氧组成的化合物超导临界温度 达到了125K(-148.15℃)；还有一些 研究室声称，铊化合物超导临界温度高 达140K(-133.15℃)。但是，铊化合物在美 国被称作“塔巴斯科辣椒酱”，而在英国则被称作 “烟*”，原因是铊有剧毒，所以很难研究。 巴基球及其他发现 在许多科学家继续研究陶瓷材料的同时，另一些 科 学家则转向了全新的超导研究方向，并在“巴基球” (即 1985年发现的富勒烯)上发现了超导性。巴基球是碳 原 子的三种同素异构体之一(另两种形式是石墨和金刚 石)。巴基球分子(C60)是由60个碳原子相互键合而成 的 球状体，外观像一个微型足球。1991年，位于新泽西 州美 国电报电话公司贝尔实验室的研究人员将钾原子掺杂 在 C60中构成K3C60，他们称之为迟钝球，并发现它是一 种超 导体，超导临界温度为18K(-255.15℃)。后来，其他 研 究人员又改变了l<3C60的组成，他们用铷或铯取代钾 ，获 得的材料的超导临界温度提高到了33K(-240.15℃)； 当加入铊后，超导临界温度则升高到42K(-231.15℃) 。 *多的突破 1993年，超导临界温度问题又取得了突破性的进 展。在瑞士苏黎世联邦技术研究所，由汉斯·R·奥 特领 导的研究小组研制出一种由汞、钡、钙、铜和氧5种 元素 组成的陶瓷化合物材料，其超导临界温度达到了133K (-140.15℃)。同一年，休斯敦大学的朱经武和法国 格勒 诺贝尔极低温度**研究中心的曼努尔·努伊兹·雷 盖罗研制出汞基陶瓷材料，在15万～23万倍于海平面 大气压的超高压条件下，其超导临界温度达到了153K (-120.15℃)。还有些研究小组声称，他们已经发现 了室 温-300K(26.85℃)下的超导体，但是没有任何证据证 明其真实性。 物理学家都在积极地寻求有价值的超导研究成果 。 低温超导材料必须浸在液氦中，对于使用来说，这既 不 方便又很昂贵。但另一方面，液氮不但丰富、价廉而 且使 用方便。它的沸点为77K(-196.15℃)，适合高温超导 材 料的冷藏。 超导体的优点 由超导体材料制成的导线用于制造超导磁体。这 种 超导磁体在磁分离以及医学成像方面有重要作用，还 可 用于磁悬浮列车。磁体使列车悬浮，消除了列车与车 轨 之间的摩擦。2003年12月，*本一列磁悬浮列车在山 梨磁悬浮测试线上行驶时，时速达581千米。由超导 导 线制成的发电机体积只有传统发电机的一半，但是其 发 电效率却比传统发电机高99%。此外，闭合超导线圈 可 以储存电流而不产生任何损耗，可用来制造零损耗充 电 电池。P60-63