基本介紹
- 中文名：海克·卡末林·昂內斯
- 外文名：Heike Kamerlingh Onnes
- 國籍：荷蘭
- 出生地：格羅寧根
- 出生日期：1853年9月21日
- 逝世日期：1926年2月21日
- 職業：物理學家
- 畢業院校：格羅寧根大學
- 主要成就：發現超導現象
1913年諾貝爾物理學獎
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人物生平
海克·卡末林·昂內斯的父親擁有一制瓦廠，但他的母親藝術素養頗佳，深深影響了他。他的姐夫是當時萊頓有些名氣的畫家。
1853年9月21日生於格羅寧根。他年輕時也曾涉獵詩歌。
1870年他進入格羅寧根大學攻讀物理，次年轉入德國海德堡大學，在這裡曾有向化學家羅伯特·威廉·本生及物理學家基爾霍夫請教學習的機會。
1873年回到了格羅寧根。1879年獲博士學位。
1882年任萊頓大學實驗物理學教授，並創建了聞名世界的低溫研究中心——萊頓實驗室。
1913年，昂尼斯又發現錫和鉛也和汞一樣具有超導性。
1913年，由於對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，昂尼斯被授予諾貝爾物理學獎。 在昂尼斯的領導下，萊頓大學物理實驗室成為世界低溫物理學的研究中心。
1923年，昂尼斯退休，
1926年2月21日在萊頓逝世。
科學研究
19世紀末20世紀初，在低溫的實驗研究上展開過一場世界性的角逐。在這場轟動科壇的競賽中，領先的是西北歐的一個小國 — 荷蘭首都萊頓的低溫實驗室。
19世紀後半葉，在研究氣體的性質隨壓強和溫度變化的關係上，荷蘭物理學家曾作出過重要貢獻。1873年，范德瓦耳斯（Vander Waals）在他的博士論文“氣態和液態的連續性”中，提出了包括氣態和液態的“物態方程”，即范德瓦耳斯方程。1880年，范德瓦耳斯又提出了“對應態定律”，進一步得到物態方程的普遍形式。在他的理論指導下，英國人杜瓦（J. Dewar）於1898年實現了氫的液化。他所在的荷蘭萊頓大學發展了低溫實驗技術，建立了低溫實驗室。這個實驗室的創始人就是著名低溫物理學家卡末林·昂內斯。
自從1823年法拉第第一次觀察到液化氯以來，各種氣體的液化和更低溫度的實現一直是實驗物理學的重要課題。但實驗的規模始終不能滿足需要。
1877年，蓋勒德（L.P. Caillettet）和畢克特（P.P. Pictet）分別在法國和瑞士同時實現了氧的液化。1895年德國人林德（C.V.Linde）和英國人漢普遜（W.Hampson）利用焦耳－湯姆孫效應（即節流膨脹效應）開始大規模地生產液氧和液氮。著名的林德機成了低溫技術的基本設備。幾年後，英國皇家研究所的杜瓦實現了氫的液化和固化。他本來以為達到了低溫的極限，但接著發現氦還存留在殘餘氣體中。但是經過多年努力，用了許多辦法都未能實現氦的液化。卡末林·昂內斯決心攻克這個低溫堡壘，他狠抓了低溫設備的建設。
當時低溫的獲得主要是採用液體蒸發和氣體節流膨脹。要得到很低的溫度，往往需要採用級聯的辦法，即首先把要液化的氣體壓縮，同時利用另一種液體的蒸髮帶走熱量，然後再讓氣體作節流膨脹，氣體對外做功消耗內能而降溫。這個原理在物理上都已解決，沒有什麼新內容，但在實踐上卻存在許多技術問題。設計者必然要考慮到各種物理問題和解決這些問題時所需的技術裝備，很多儀器都需要自己製造，甚至在開始時連電力都需要自己提供。卡末林·昂內斯以極大的精力改善了實驗室裝備，使之由初具規模發展到後來居上。但是他更重視人才培養。他創立了一所技工學校，讓學生晚上學習，白天在實驗室工作。他培養的玻璃技師不但滿足了本國的需要，還受聘到許多國家的物理實驗室工作，為發展低溫物理學和真空技術作出了貢獻。他為工業培養人才，對荷蘭的工業發展起到了一定的影響。卡末林·昂內斯還廣招科技人員，包括來自國外的訪問學者，集中到他的周圍。在他的組織和領導下，萊頓低溫實驗室於1894年建立了能大量生產液氫和其它氣體（包括氦氣）的工廠和一棟規模甚大的實驗樓館。他以工業規模建立實驗室，這在歷史上還是第一次。就是從這裡開始。物理學由手工業方式走向現代的大規模水平。
1908年7月10日是一個具有歷史意義的日子。這一天，卡末林.昂內斯和他的同事在精心準備之後，集體攻關，終於使氦液化。它標誌著20世紀“大科學”首次登台，初戰告捷。為了做好這個實驗，卡末林－昂內斯的準備工作極其細緻，他事先對氦的液化溫度作了理論估算，預計是在5K～6K。氦氣大量儲備，有充足的供應。液氫是自製的。在實驗前一天，製備了75L液態空氣備用。凌晨5時許，20L液態氫已準備好，逐漸灌入氦液化器中。用液氫預冷要極其小心，如果有很微量的空氣混入系統就會前功盡棄。下午一時半，全部灌進氦液化器後開始令氦氣循環。液化器中心的恆溫器開始進入從未達到過的低溫，這個溫度只有靠氦氣溫度計指示。然而，很長時間看不到指示器有任何變化。人們調節壓力、改變膨脹活塞，用各種可能採取的措施促進液化器的工作，溫度計都似動非動，很難作出判斷。這時液氫已近告罄，仍然沒有觀察到液氦的跡象。晚7點半，眼看實驗要以失敗告終，有一位聞訊前來觀看的教授向卡末林·昂內斯建議說，會不會是氦溫度計本身的氦氣也液化了，是不是可以從下面照亮容器，看看究竟如何？昂內斯頓開茅塞，立即照辦。結果使他喜出望外，原來中心恆溫器中幾乎充滿了液體，光的反射使人們看到了液面。 這次卡末林·昂內斯共獲得了60cm的液氦，達到了4.3K的低溫。他們又經過多次實驗，第二年達到1.38K～1.04K。
然而，卡末林·昂內斯的目標不僅在於獲得更低的溫度，實現氣體的液化和固化，他更注意探討在極低溫條件下物質的各種特性。金屬的電阻是他的研究對象之一。當時對金屬電阻在接近絕對零點時的變化，眾說紛紜，猜測不一。根據經典理論，純金屬的電阻應隨溫度的降低而逐漸降低，在絕對零度時達到零。有人認為，這一理論不一定適用於極低溫。當溫度降低時，金屬電阻可能先達一極小值，再重新增加，因為自由電子也許會凝聚在原子上。按照這種看法，絕對零度下的金屬電阻有可能無限增加。兩種看法的預言截然相反，孰是孰非，唯有實驗才能作出判斷。
卡末林.昂內斯先是用鉑絲作測試樣品，測量電阻靠惠斯通電橋。測出的鉑電阻先是隨溫度下降，但是到液氦溫度（4.3K）以下時，電阻的變化卻出現了平緩。於是卡末林·昂內斯和他的學生克萊（Clay）在1908年發表論文討論了這一現象。他們認為是雜質對鉑電阻產生了影響，致使鉑電阻與溫度無關；如果金屬純粹到沒有雜質，它的電阻應該緩慢地向零趨近。
為了檢驗自己的判斷是否正確，卡末林·昂內斯寄希望於比鉑和金更純的水銀。水銀是當時能夠達到最高純度的金屬，採用連續蒸餾法可以做到這一點。1911年4月的一天，卡末林·昂內斯讓他的助手霍爾斯特（G.Holst）進行這項實驗。水銀樣品浸於氦恆溫槽中，恆定電流流經樣品。測量樣品兩端的電位差。出乎他們的預料，當溫度降至氦的沸點（4.2K）以下時，電位差突然降到了零。會不會是線路中出現了短路？在查找短路原因的過程中，霍爾斯特發現當溫度回升到4K以上時，短路立即消失。再度降溫，仍出現短路現象。即使重接線路也無濟於事。於是他立即向卡末林·昂內斯報告。卡末林·昂內斯起初也不相信，自己又多次重複這個實驗，終於認識到這正是電阻消失的真正效應。
卡末林·昂內斯在1911年4月28日宣布了這一發現。此時他還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。11月25日他作了“水銀電阻消失速度的突變”的報告，明確地給出了水銀電阻（與常溫下電阻相比較）隨溫度變化的曲線。他在報告中說：“在4.21K與4.19K之間，電阻減少得極快，在4.19K處完全消失。”
1912年—1913年間，卡末林·昂內斯又發現了錫（Sn）在3.8K電阻突降為零的現象，隨後發現鉛也有類似效應，轉變溫度估計為6K（後來證實為7.2K）。1913年，卡末林·昂內斯宣稱，這些材料在低溫下“進入了一種新的狀態，這種狀態具有特殊的電學性質”。“超導”一詞就是卡末林·昂內斯命名的。
卡末林·昂內斯的研究成果發表在《阿姆斯特丹皇家科學院學報》和《萊頓大學物理實驗室通訊》上。後一刊物是他自己創辦的，主要刊登低溫學的學術文獻。
由於對低溫物理所作出的突出貢獻，卡末林·昂內斯獲得1913年的諾貝爾物理學獎。
人物評價
19世紀末20世紀初，在低溫的實驗研究上展開過一場世界性的角逐。在這場轟動科壇的競賽中，領先的是荷蘭小城萊頓的低溫實驗室。昂內斯於1913年獲得諾貝爾物理學獎，以表彰他對低溫物質特性的研究，特別是這些研究導致液氦的生產。
後世紀念
為紀念他，萊頓大學物理實驗室1932年被命名為“卡末林·昂尼斯實驗室”。
