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低溫物理學,又稱低溫學,是物理學的分枝,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。

1 低溫物理學 - 簡介

低溫物理學(Cryogenics,或low temperature physics)是指產生和維持比正常溫度低得多(從-180℃開始至接近絕對零度)的溫度,以及研究在這些低溫下的物質性質和出現的現象的學科。

低溫物理無一定的溫度範圍,大多數科學家設為從-150℃開始。科羅拉多的波爾德(Boulder)國際標準和技術研究所選用從-180度c開始。因為永久氣體(氦,氫,氖,氮,氧和空氣)的 沸點在-180度c以下。而弗利昂、氫硫化物以及其它冷卻劑的沸點在-180℃以上。

所謂低溫通常是指低於液氮溫度(77K),而更多更重要的低溫現象則發生在液氦溫度(4.2K)以下。在低溫下物質的熱學、電學和磁學性質均會發生巨大改變。例如固體比熱容在某些溫度下會突變;在足夠低的溫度下,原則上所有順磁物質均可表現出鐵磁性或反鐵磁性(見磁介質);金屬的導電性明顯提高,而半導體的導電性則大大降低。這些現象均與低溫下的量子力學效應有關。

低溫物理學是要學習如何製造低溫環境,並研究物質的狀態(如粒子的震動)。此外,為人所熟悉的溫度刻度華氏(°F)、攝氏(°C)也不會使用,只會使用絕對溫度(K)及Rankine(°R)。

2 低溫物理學 - 學術研究

1908年H.卡末林·昂內斯首次實現了氦氣的液化。液態氦當溫度低於入點后從HeⅠ相轉變為HeⅡ相,HeⅡ相具有超流動性,粘滯係數變為零,可無阻地通過毛細管,同時其熱導率大大增加,約為入點以上溫度時的3×106倍。

1911年昂內斯首次發現一些金屬在極低溫度下呈現零電阻現象,稱為超導電性。

1933年W·邁斯納發現超導體具有完全抗磁性,體內磁場恆為零(見超導電性)。此外,在超導臨界溫度處超導體的比熱容發生突變,超導態不存在溫差電現象,等等。超流動性和超導體的這些奇異現象均與低溫下的宏觀量子現象密切相關,並均來源於低溫下發生的某種有序化轉變。對超流動性和超導電性的研究大大深化了人們對物質世界所循規律的認識,故一直是低溫物理學的研究重點。對液態3He和4He的性質的研究導致了新的致冷手段(稀釋致冷機)的出現。對超導體各種性質及其應用的研究形成了超導物理學這一分支學科。以約瑟夫森效應為基礎的超導器件的研究和應用形成了超導電子學這一新學科。

3 低溫物理學 - 工業應用

1986年之後對高臨界溫度超導材料的研究和探索為超導應用展現了廣闊前景。全球在低溫方面應用液氮和液氦最廣,是一般可達到的最低溫度。

液化氣體,如液化氮及液化氦,也會使用很多的低溫物理學的技術。

此外,低溫物理學在磁共振成像,電功率輸送,冷凍食物和血液儲存等方面都有應用。

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