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第24章 高压装置的发明与运用

物质在高压下的效应是人们认识物质世界极为关键的因素。此外,通过这一领域的研究还有可能合成新材料和模拟实际上无法直接观测的某些自然现象。在高压下,物质原子的空间位置和电子结构都会发生变化,从而发生相变。这对分子也一样。例如冰在压力下有几种不同的结晶状态,且熔点可高达400℃。化学家对高压研究很感兴趣,因为他们渴望通过高压作用合成新的材料;地质学家和地球物理学家则希望利用高压在实验室里模拟地壳和地幔之下的物理化学过程。

虽然高压物理这样吸引人,但是这个领域却开拓得较晚。这是因为技术上的困难很大,产生高压的有效装置很晚才被研制出来。直到1850年左右,科学家才研制达到了3000公斤/厘米2的压强,并在这个压力条件下实现了气体的液化。1893年,德国的塔曼开创了一系列高压物理实验,但主要是研究高压下的相变,如熔化等。

在高压物理理论和技术领域中做出最杰出贡献的人当首推美国物理学家布里奇曼。为了进行高压实验,他设计了一种专门的压力设备,并通过它进行实验研究,从而发现了行之有效的无支持面密封原理,其密封度随着压强的升高而升高。这样,高压装置就不再受到漏压的限制,而只与材料的强度有关。

1910年,布里奇曼等人根据这种密封原理设计出压强可达20000公斤/厘米2的高压装置,这是世界上第一个切实可行的高压装置。后来,布里奇曼又使用了特殊合金——碳化钨,并制成二级高压容器。就这样,他利用自己出色设计的高压设备和娴熟运用现代技术的能力,一步一步地把压强提高,终于做到能在100000公斤/厘米2的压强下进行实验工作。在某些情况下,压强甚至可以达到400000~500000公斤/厘米2。布里奇曼测定了在30000~400000公斤/厘米2流体静压强下的100多种物质的力学、电学、热学性质的数据,引起了其他物理学家的注意,特别是他发现了许多物质的变体,如磷的同位素异构体黑磷,6种以上的冰的异构体等。他还在高压物理各个方面都进行了深入的研究,像测量物质的电导率、热导率、压缩率、抗拉强度和黏滞性等都在技术应用上具有很大价值。他的关于大量材料的压缩率的测定,至今还经常作为标准而引用。他发现的铋、钡、碲等元素的高压相变点也成了测量高压的标准。

在高压物理的应用方面,人们最突出的成果当属人工合成金刚石。1953年,美国通用电气公司在布里奇曼高压装置的基础上,设计了一种叫做“BELT”型的高压装置,并利用它于1955年首次合成了金刚石,引起了整个工业界的轰动。后来,他们又合成了其他多种超硬材料。

目前,世界上的高压实验室总数已经超过了上百个。美国和日本的物理学家利用金刚石高压设备进行研究,得到了许多重要数据。他们利用X射线和激光加热高压容器,肯定了地幔深处的相变。以前人们曾认为地幔的相变是正交晶系变成尖晶石,并最终变成密堆积的氧化物。现在根据高压实验发现存在着有钙钛矿和钛铁矿结构的尖晶石相,这一结果导致了科学家对地震数据的修正。此外,世界上其他国家也纷纷在进行高压方面的研究,以便更快地推动科技的进步。

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