低溫物理學

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低溫物理學 (Cryogenics),又稱低溫學,是物理學的分支,主要研究物質在低溫狀況下的物理性質的科學,有時也包括低溫下獲得的生成物和它的測量技術。而低溫物理學中的低溫定義為−150 °C(−238 °F,即123K)以下的溫度。

19世紀,英國物理學家法拉第在一次實驗中偶然液化了氯氣,由此,他認為一切氣體在低溫高壓的情況下都可以被液化。到了19世紀40年代,法拉第本人已經成功液化了當時大多數已知的氣體,只有氧氣氮氣氫氣一氧化碳二氧化氮甲烷六種氣體無法液化,而且創出當時的最低溫度( -110 °C, 163K)。隨後,低溫設備不斷被完善,逐級降溫定壓氣體膨脹方法開始廣泛應用。1898年英國物理學家杜瓦成功液化了氫氣,標誌著這六種氣體都夠能被液化。1895年,英國化學家從礦石中分離出更難液化的氣體——氦氣。直至1908年,才成功被荷蘭萊頓大學的物理學家海克·卡末林·昂內斯將其液化,同時令低溫記錄創下新低( -269 °C, 4K)。之後,昂內斯獲得1913年的諾貝爾物理學獎

1911年,昂內斯意外發現以( -268.8 °C, 4.2K)的液氦冷卻時,電阻突然驟降到接近零歐姆(0Ω),此現象即為超導現象。隨後,他又發現在低溫下也和汞一樣具有相似的超導特性。超導效應的發展前景可觀,如果能使超導材料在室溫下應用,將能大大提高輸電的效能,延長材料使用的壽命,降低熱損耗。近年,物理學家正不斷尋找超導轉變溫度(Tc)更高的超導材料。目前,高溫超導體已經成為凝聚態物理學中最熱門的研究領域。

定義與差別[編輯]

低溫物理學[編輯]

低溫物理學是研究如何有效率製造低溫環境,並研究物質於低溫狀態下的變化,例如,粒子震動的變化。此外,低溫物理學常用絕對溫度(K)及蘭金溫標(°R)為溫度標準,很少會使用攝氏(°C)及華氏(°F)。

低溫生物學[編輯]

低溫生物學是生物學的分支之一,主要研究生物器官在低溫下的狀態及影響。低溫生物學最熱門的研究為低溫繁殖技術

人體冷藏學[編輯]

人體冷藏學是一項尚未成熟的技術,目的是要冷卻人體動物,並希望能在未來使其復活。人體冷藏學與低溫生物學不同,現時並沒有一個實際而成功的例子。部份人對其可行性有所懷疑,其中有不少是科學家及醫生。而且,人體冷藏學還需要面對其相關學科的應用,如低溫物理學、低溫生物學、流變學醫學等等,令其實現增添難道。

低溫標準[編輯]

低溫物理學的英語(Cryogenics)源自希臘語,字面意思是「the production of icy cold」,即「冰凍的產物」,又可解作「在低溫狀態」的類義字。但是,仍沒有為低溫定下標準,因而沒有說明需要製冷至幾度才是低溫物理學的範疇。所以,美國國家標準技術研究所NIST, National Institute of Standards and Technology)製定,溫度必須低於 -180 °C,即93.15K,才併入低溫物理學範疇。這溫度介乎於惰性氣體沸點之間。因此,使低溫物理學有特定的標準。

工業應用[編輯]

工業應用上製造液化氣體,如液態氮液態氦,其中也會使用到低溫物理學的技術。

參考文獻[編輯]

  • 《超流體》/(美)沈星揚著 (1982). - 北京:科學出版社
  • Mendelsohn, Kurt (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library.

參見[編輯]