新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                      铊：突然担负重任

    某些化学元素，例如金和氧，已经家喻户晓；而有一些元素，例
如钕与镥，就鲜为人知了。然而，某些只有化学家才知道的元素，偶
尔也会爆出新闻。化学元素铊便是这样。

    1861年，英国物理学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）发现
了铊。当时他正在研究加热矿物时所发出的光的波长，这时他在某一
波长的位置发现了一条漂亮的绿线，这一波长不属于任何当时已知的
元素。他深入追踪下去，并且分离出一种当时还不知道的元素。他根
据一个希腊语单词“thallos”，意思是“绿色的嫩枝”，把这种元素
命名为“铊”，以纪念那条使他追踪下去的绿线。

    然而．铊看起来好像并没有多大用处。从性质上讲，它与铅相似。
它的密度比铅稍为大一点，熔点稍为低一些。但铊是有毒的。事实上，
铊被发现后的第一个用途是制作耗子药（这个用途还是在它被发现6年
之后的1920年才找到的）。

    不过，现在有了超导电性物质。在极低温度下，有些物质失去了
全部电阻，这一性质对于科学技术的各个分支显得至关重要。人们一
谈起超导电性，就会涉及到磁悬浮列车、更强大的对撞机、小而快的
计算机，还有可控核聚变反应。

    然而，直到1986年，我们尚不知道有任何物质在高于23K的温度时
还具有超导电性。这确实是一个十分低的温度，想一想，普通室温约
为300K，而南极洲最低的气温也达200K！ 

    不过，那时人们只用金属作为试验对象。1986年，苏黎世的两位
科学家K·A·米勒（K. A. Mueller）与J·G·别德诺兹（J. G.
Bednorz）想到了把陶瓷类物质用来做试验，这样，他们便发现了在
36K的超导电性。他们当即就获得了1987年度诺贝尔奖。

    米勒与别德诺兹研究的陶瓷类物质是以氧化铜为基础的。其中，
电子沿着铜原子与氧原子相联系的那片区域运动，超导电性似乎取决
于电子的运动路线。不过，为了得到高温度值，还必须掺加其他类型
的原子。这些原子必须是诸如钡、钇以及镧这样的元素。看来尤其需
要掺加的原子是一组被称作“稀土元素“中的某一种。

    目前还无法确知这些陶瓷类混合物是如何工作的。化学家以不同
的比例混合各种不同的氧化物（包括至关重要的氧化铜），把它们在
不同的温度下烘烤不同时间，看看有什么变化。这是“烹调”化学，
所得的混合物并非是稳定可靠的。偶然有一种特殊的混合物在相当高
的温度下具有超导电性；而当下一批出炉时，它就不行了。这完全取
决于加热过程中陶瓷中的粒子是如何熔合在一起的。

    能够保持超导电性的最高温度不超过100K（偶然会有更高温度的
报道，但显然是错误的）。肯定的是，即便只与几年以前的成果相比，
接近100K的温度已经是惊人地高了，但它仍然要比南极洲的气温低。
科学家仍然希望能得到在更高温度下的超导电性。

    一位名叫艾伦·赫尔曼（Alan Herman）的美国化学家．尝试用铊
原子替代稀土元素。铊原子的大小与稀土元素差不多，因而能够占据
分子结构的同一位置。

    1987年5月，科学家首次发现了一种不含稀土元素的陶瓷具有超导
电性，其超导温度是80K。

    原始配方用的是铜、钡与铊这三种元素的氧化物，但在1988年初，
赫尔曼在混合物中加入了一点钙，从而得到了105K的超导温度。含有
铊的混合物首次突破了100K的纪录；其他不加铊的所有材料还达不到
这一纪录。

    看来问题的关键在于要看边界上铊原子层之间存在着多少层铜-氧
原子。第一种含铊陶瓷的铊原子层之间只有一层铜-氧原子；具有更高
超导温度的第二种陶瓷则有两层。

    显然，十分重要的一件事是试用一下铊边界上具有3层铜-氧原子
的那种陶瓷材料，当这样做以后，果真获得了高达125K的超导温度。
我们尚不清楚一共可以再叠加多少层，但是基于理论上的考虑，我们
认为超导温度不可能无限制地提高。如果我们在铊与其他元素之间像
三明治那样夹上10层之多的铜-氧原子，可望得到高达200K的超导温度，
这就突破了南极洲气温这一屏障。

    铊是毒性很强的物质，对于工业用途而言，这太危险了。虽然科
学家必须去寻找具有同样作用的另一种物质，但是，在提高我们的技
术能力的进程中，铊已经扮演了重要角色。