雜說氦元素（上）從低溫說起
天氣炎熱，大家都希望涼快一點。近水的朋友就會下河、下海或者到泳池里去游泳，正常的情況下，那里會涼快一點。過去沒有冰箱的時候，家里會在上午就把一個西瓜，放在井里，到了傍晚，把西瓜拿起來，一家人就可以吃上冰涼可口的西瓜了。我們做化學(xué)反應(yīng)的，有的化學(xué)反應(yīng)需要在零度左右的溫度下進行，我們就把發(fā)生反應(yīng)的試管或燒瓶放在冰水里冷卻，這就是所謂冰浴。如果在冰水里加鹽，那么最低的溫度可以接近零下20度。
如果需要周圍的溫度更低，通常可以用液態(tài)氮。氮的沸點是-196攝氏度，有些需要極低溫度的物質(zhì)就可以保存在液氮中，例如草原上要給牲畜人工授精，優(yōu)良品種牲畜的精子就保存在液氮里，雖然各牧場交通不便，但由于儲存液氮的容器體積不大，很容易拿到各牧場。
如果要使周圍有最低的溫度，那就只能用液態(tài)氦了。氦的沸點是-269攝氏度，離開“絕對零度”只有4度了。氦是世界上最難液化的物質(zhì)。有的朋友會問，這是為什么？我們不妨從頭說起。
我們從小就知道，在通常情況下，物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)。在正常的一個大氣壓下，由固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)換溫度是熔點，由液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)換溫度稱沸點。在一定的溫度下，一個物質(zhì)之所以成為固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)，是由它的結(jié)構(gòu)性質(zhì)造成的。
組成一般物質(zhì)的最基本單位是原子，由原子組成分子或晶體或非晶體。究竟在常溫下是什么狀態(tài)，要看分子的大小和分子之間的作用力的大小。
例如，氮氣由兩個氮原子組成氮分子，分子很小，又是非極性分子，分子之間作用力很小，有點動能就分開了，很難凝聚在一起，所以常溫下是氣體，而且沸點很低，上面已經(jīng)說過，要到-196攝氏度才能夠液化，凝聚成液體。
二氧化碳分子由兩個氧原子和一個碳原子組成，分子很小，也是非極性分子，分子間作用力也小，所以常溫下也是氣體。但是，氧原子與碳原子之間的化學(xué)鍵畢竟是有極性的（只是因為兩個碳原子對稱排列而使分子總體上不顯極性），分子之間可以有一定的相互作用，所以其沸點比氮氣要高一些。在-78攝氏度時會由晶體直接升華變成氣體。人們把固體的二氧化碳稱為“干冰”，在舞臺上制造“云霧”效果。
水分子由兩個氫原子和一個氧原子組成，分子比二氧化碳還小。但是，與二氧化碳不同，氧原子與兩個氫原子不在一條直線上，氧原子與氫原子之間化學(xué)鍵的極性又很大，所以整個分子顯出很大的極性。兩個分子之間不但有一般分子之間的作用力，而且不同分子之間的氧原子和氫原子，還有可能形成氫鍵。這樣的分子就非常容易凝聚在一起，所以，在常溫下水就是液體，沸點高達100攝氏度。
汽油是許多種烷烴的混合物，以它們的代表物正庚烷（辛烷值0）和異辛烷（辛烷值100）為例。它們的分子式分別是C7H16和C8H18，比水分子大得多，但是，由于氫原子在碳原子邊上分布得較為均勻，總的極性不大。但是，由于畢竟分子比水分子要大得多。它們的沸點分別為98和99攝氏度，基本上與水分子差不多。
牛油和羊油，都是脂肪酸的甘油三酯，由于它們的分子都比較大，比如其中一個主要的脂肪酸硬脂酸就有十八個碳原子的碳鏈，這樣的分子之間總會有許多相互作用，致使由這樣的分子組成的物質(zhì)，在常溫下就是固體。
又如，鐵由一個個鐵原子整整齊齊地緊緊的排在一起，有些電子在不同的原子之間流動，形成所謂金屬鍵，使得許許多多的鐵原子組成鐵的晶體。其他與鐵相似的金屬也是如此。它們的原子沒有形成分子，而是直接組成晶體（如果硬要說分子，那就是一些巨大無比的分子）。大多數(shù)金屬晶體都有較高的熔點和沸點。
又如，像石英這樣的物質(zhì)，雖然在學(xué)習(xí)化學(xué)的時候，經(jīng)常把它們寫出二氧化硅，但是，實際上石英中并沒有二氧化硅分子，只是由巨大數(shù)量的硅原子和氧原子通過化學(xué)鍵形成了晶體，二氧化硅只是說明了在晶體中硅原子與氧原子的比例是1：2（也可以認為是巨大無比的分子）。由于硅氧鍵的強度非常大，所以其熔點就很高。同樣的情況還有三氧化二鋁以及許多無機的氧化物，他們的熔點往往比金屬還高，我們用以熔煉金屬的坩堝往往都是這樣的氧化物。
所以，要想熔點和沸點低，就必須是分子要小，分子之間的作用力也要小。
而分子中最小的就是氦，分子間作用力最小的也是氦。
大家都知道，氦是第二號元素，原子核中有兩個質(zhì)子（大多數(shù)情況下還有兩個中子），核外有兩個電子。這是一個惰性元素。
惰性元素有氦、氖、氬、氪、氙、氡。由于他們的原子結(jié)構(gòu)都處于滿殼層狀態(tài)，一般情況下它們都不與任何物質(zhì)（包括自身）組成分子，也就是說，其原子就是分子，稱單原子分子。
正常情況下，呈電中性的單原子分子之間的靜電相互作用都很小，所以，這些惰性元素的熔點和沸點都很低，室溫下都是氣體，稱為惰性氣體。
但是，由于電子總是在不斷運動之中，原子越大，核外電子越多，體積越大，越容易發(fā)生形變，也就是說，原子的正負電荷的重心常常不在一起。這時候，原子之間的相互作用力（往往稱為色散力）就會增大。這樣，惰性氣體元素的熔點和沸點都隨著原子的增大而增高。在常壓下，氦、氖、氬、氪、氙和氡的沸點分別是-269、-246、-186、-152、-108和-65攝氏度。
氦的沸點是最低的，在這樣的極低溫度下，人們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的一些特殊性質(zhì)。例如在液態(tài)氦的低溫環(huán)境中，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。1911年，荷蘭人昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失，后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，這就是超導(dǎo)。降溫時使某種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐瑢?dǎo)性質(zhì)的溫度稱為該物質(zhì)的超導(dǎo)臨界溫度。
超導(dǎo)對于人們有極大的意義。一旦人們擁有了廣泛實用的超導(dǎo)技術(shù)，人類將取得極其重大的技術(shù)進步和社會發(fā)展。我們從中學(xué)就知道了歐姆定律，電流等于電壓除以電阻，電阻是取得大電流的最大障礙。如果電流很大，導(dǎo)線的發(fā)熱將非常厲害。一旦我們可以使得導(dǎo)體中的電阻接近于零，我們就能夠獲得大電流。這對于電力的輸送毫無疑問是一個福音。
電流經(jīng)過線圈能夠產(chǎn)生磁場。這樣，大電流又是取得大磁場的必要條件。大家都知道磁懸浮列車，在大磁場中，列車能夠懸浮在軌道上前進，極大的減少前進中的摩擦阻力。
可控核聚變是將來人們最有希望的能源。但是核聚變要在至少數(shù)百萬度的高溫下進行，我們不可能有一個能夠容忍這樣高溫度的“容器”，所以，可控的核聚變只能用強磁場把反應(yīng)約束在空中。而產(chǎn)生強磁場的條件是要有強大的電流，而產(chǎn)生大電流的關(guān)鍵是極小的電阻，不然，沒有導(dǎo)體能夠容忍這樣的大電流，所以，超導(dǎo)對于可控核聚變的應(yīng)用有極其重大的意義。
如果人們必須要在液態(tài)氦的極低溫度即-269攝氏度的條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)，這就給超導(dǎo)加上了一個幾乎不可能有實際應(yīng)用的桎梏。所以，人們必須找到在略高一點的溫度條件下具有超導(dǎo)性質(zhì)的物質(zhì)，也就是說，人們必須找到臨界溫度較高的物質(zhì)。
從1911年開始的幾十年里，人們在尋找“高溫超導(dǎo)”材料方面取得的進展并不大。因為人們想到的導(dǎo)體總是金屬，在人們的思想里，金屬才是好的導(dǎo)體，而氧化物之類的陶瓷一定是“絕緣體”。事情到了1986年終于發(fā)生了大的變化，人們發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物的超導(dǎo)臨界溫度是30K（即-243攝氏度）。“鋇鑭銅氧化物”是“陶瓷”一類的，竟然有超導(dǎo)的性質(zhì)。這個發(fā)現(xiàn)給“高溫超導(dǎo)”打開了一扇前所未有的大門。很快，人們又找到了在40K溫度下具有超導(dǎo)性質(zhì)的物質(zhì)。接著人們又找到了超導(dǎo)的臨界溫度到達了90K的物質(zhì)（例如釔－鋇－銅－氧系材料）。這又是一個大的突破，因為這樣的超導(dǎo)可以在液氮的條件下實現(xiàn)了。
眾所周知，氦在地球的的含量不多，液態(tài)氦所需要的溫度也太低。而氮氣占了空氣中的五分之四，對于人類來說真是取之不盡的。上面所說的臨界溫度90K就是-183攝氏度，比液態(tài)氮的沸點-196攝氏度高了，也就是說，在液氮中人們就能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)，這就為超導(dǎo)的實際應(yīng)用開辟了道路。
（未完待續(xù)）
