Сверхпроводимость - раздел Физика, КВАНТОВАЯ В Области Низких Температур Наблюдается Явление Сверхпроводимости – Резкого П...
В области низких температур наблюдается явление сверхпроводимости – резкого падения сопротивления материала. Впервые это явление было обнаружено в 1911 г. Камерлингом-Оннесом для ртути при температуре 4.2 К.
Экспериментально сверхпроводимость можно наблюдать двумя способами:
1. Включив в общую цепь звено из сверхпроводника. В момент перехода в сверхпроводящее состояние разность потенциалов на концах сверхпроводящего участка будет равна нулю.
2. Поместив кольцо из сверхпроводника в перпендикулярное к нему магнитное поле. Охладив кольцо ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, выключают поле. В результате в кольце индуцируется незатухающий электрический ток, циркулирующий бесконечно долго. Такой эксперимент был поставлен: кольцо поддерживали при необходимой температуре и ток в нем без стороннего поля наблюдался в течение двух лет. Далее эксперимент было решено прекратить.
Кроме отсутствия электрического сопротивления, для сверхпроводящего состояния вещества характерен так называемый эффект Мейснера: вытеснение магнитного поля из объема проводника. Формально это можно описать равенством нулю магнитной проницаемости вещества μ.
Теория сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Бардиным, Купером и Шиффером. Проведенные к настоящему моменту экспериментальные исследования подтверждают эту теорию. Суть ее заключается в следующем: в металле, помимо сил кулоновского отталкивания, между электронами возникает особый вид притяжения. При низких температурах это притяжение оказывается сильнее кулоновского отталкивания. В результате свободные электроны объединяются в так называемые куперовские пары. Электроны, входящие в пару имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин каждой пары оказывается равным нулю, то есть куперовская пара представляет собой бозон (см. раздел 10).
Энергетический спектр таких частиц будет отличаться от спектра электрона в атоме. При этом бозоны склонны существовать в основном энергетическом состоянии E0 и с большим трудом переходить в возбужденное состояние E1, поскольку для этого необходимо приложить достаточно большую энергию. Эта энергия называется энергией связи – она равна энергии, которую нужно затратить для разрушения связи. Таким образом, основное состояние куперовской пары и ее первое возбужденное состояние разделены промежутком, равным энергии связи этой пары. Значения энергии E, попадающие в промежуток от E0 до E1, будут запрещенными для куперовской пары (возникает запрещенная зона). Следовательно, куперовские пары, прядя в согласованное движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго. Такое согласованное движение купровских пар и есть ток сверхпроводимости.
Достаточно сильное магнитное поле Bk разрушает сверхпроводящее состояние материала. Существует также предельное значение тока Ik, который можно пропустить через сверхпроводник, не разрушив данное состояние. Такой ток достаточен, чтобы перевести куперовскую пару в возбужденное состояние, т.е. разрушить ее. При значениях тока, пропускаемого через сверхпроводник, меньших Ik система не будет возбуждаться, что и будет равносильно протеканию тока без электрического сопротивления.
Для сверхпроводящего состояния вещества также наблюдается эффект Джозефсона – если два сверхпроводника разделить тонким слоем диэлектрика (~ 1 нм = 10–9м) или металла в обычном несверхпроводящем состоянии, или тонким слоем полупроводника, то через этот тонкий слой будет течь сверхпроводящий ток. Эту прослойку называют контактом Джозефсона. Электроны преодолевают барьер несверхпроводящего материала благодаря туннельному эффекту.
Различают два эффекта Джозефсона – стационарный и нестационарный. Если ток не превышает определенного значения, называемого критическим током контакта, то наблюдается стационарный эффект, при котором падение напряжения на контакте отсутствует. Если ток через контакт превышает критическое значение, то наблюдается нестационарный эффект Джозефсона. В этом случае на контакте возникает разность потенциалов U, и контакт начинает испускать электромагнитное излучение, частота которого равна:
(12.14)
Объясняется это излучение с квантовой точки зрения следующим образом: электронная пара, имеющая заряд 2e, проходя разность потенциалов U, приобретает энергию 2eU. Эта энергия и отдается сверхпроводником в виде излучения с соответствующей частотой.
Эффект Джозефсона применяют для измерения малых токов (до 10–10 А), напряжений (до 10–15 В), магнитных полей (до 10–18 Тл) и др.
Т.О., эффекты Джозефсона, как же как эффект квантования магнитного потока, подтверждают, что сверх проводимость является чисто квантовым эффектом, проявляющимся в макроскопических масштабах
Все темы данного раздела:
Свойства теплового излучения
С античных времен известно, что вещества, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться. Например, раскаленные жидкие и твердые тела испускают белый свет, обладающий
Функция Кирхгофа. Абсолютно черное тело
Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2π), называют энергетической светимостью тела R, которая является
Закон смещения Вина
К 1884 г. Стефан, основываясь на экспериментальных данных, и Больцман из теоретических соображений получили, что энергетическая светимость RT абсолютно черного тела, связанная с и
Теория Планка
Для того, чтобы устранить ошибку, ученым пришлось кардинально изменить взгляд на природу излучения. Первым это сделал Макс Планк. После долгих расчетов, чтобы получить желаемый и напрашивающийся ре
Фотоэффект
Наряду с законами теплового излучения в конце XIX в. было открыто оптическое явление, не укладывающееся в рамки законов классической физики. Это явление фотоэлектрического эффекта или просто фотоэф
Энергия, масса и импульс фотона. Давление света
Фотоэффект показывает, что электромагнитное излучение способно вести себя как частица – фотон. При поглощении, испускании или взаимодействии фотона с любыми частицами можно использовать те же закон
Эффект Комптона
Наличие у света корпускулярных свойств также подтверждается комптоновским рассеянием фотонов. Эффект назван в честь открывшего в 1923 г. это явление американского физика Артура Холли Комптона. Он и
Теория атома Бора
Со времен Древней Греции вплоть до конца XIX в. считалось, что все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, которые являются неделимыми частицами материи, «кирпичиками мироздания». Всякое проявл
Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля
Размышляя над свойствами света и микрочастиц, французский физик Луи де Бройль пришел к выводу, что «Корпускулярно-волновой дуализм Эйнштейна носит всеобщий характер и распространяется на все физиче
Принцип неопределенности Гейзенберга
И свет, и микрочастицы в любой момент одновременно являются и частицей и волной. Только в некоторых случаях одно из свойств выражено меньше. Например, для электромагнитной волны частотой меньше 10
Волновая функция
Итак, микрочастицы не подчиняются законам классической механики, их поведение нельзя описать принятыми в классической физике способами. Этот факт заставил ученых создать новую теорию. Новая механик
Уравнение Шредингера
Итак, состояние системы описывается волновой функцией Ψ, которая определяется конфигурацией системы и конкретным видом силового поля, в котором она находится. Найти волновую функцию час
Уравнение Шредингера для свободной частицы
Рассмотрим свободно движущуюся частицу. И если волновой функцией фотона является плоская световая волна, для частиц волновая функция является плоской волной де Бройля, (см. раздел 4).
Для
Уравнение Шредингера для частицы в силовом поле
Если частица находится в каком-либо силовом поле, характеризуемом потенциальной энергией U, то: (5.8)
Стационарное уравнение Шредингера
Если силовое поле, в котором движется частица, стационарно (т.е. постоянно во времени), то функция U не зависит явно от t. В этом случае решение уравнения Шредингера распадается на дв
Уравнение Шредингера для частицы в потенциальной яме
Нахождение электрона в поле ядра можно приближенно считать движением в трехмерной потенциальной яме. Высота этой ямы определяется величиной кулоновского поля ядра.
Рассмотрим простейший сл
Туннельный эффект
Рассмотрим движение частицы при прохождении потенциального барьера. Пусть она движется слева направо и встречает на своем пути потенциальный барьер высотой U0 и шириной
Гармонический осциллятор. Фононы
Для описания классических и квантовых систем часто используют модель гармонического осциллятора. Линейным гармоническим осциллятором называют систему, совершающую одномерное колебательное дв
Главное квантовое число
Рассмотрим в качестве модельной простейшую систему, состоящую из неподвижного ядра с зарядом Z = 1 и одного электрона, т.е. атом водорода. Аналогичным образом будут описываться так называемы
Орбитальное и магнитное квантовые числа
Параметры l и m представляют собой азимутальное (или орбитальное) и магнитное квантовые числа. Поясним их появление. Рассмотрим стационарное уравнение Шредингера (в дека
Правила отбора. Спектры атомов
Знаем, что испускание и поглощение света происходит при переходах электрона с одного уровня на другой. При этом атом может поглотить или испустить только фотон с энергией, равной разности энергий с
Собственный момент электрона
Итак, атом обладает механическим моментом импульса, и его существование влияет на спектры атомов. Поскольку в состав атома входят заряженные частицы, то при рассмотрении их движения необходимо учит
Принцип Паули
В случае более сложных, чем водород, атомов, имеющих несколько электронов, можно считать, что каждый электрон движется в усредненном поле ядра и остальных электронов. Это поле уже не является пропо
Эффект Зеемана
Зная полный магнитный момент атома, можно определить влияние внешнего магнитного поля на его спектр. Происходящее под действием внешнего магнитного поля расщепление энергетических уровней атомов на
Виды молекул
Для понимания природы химической связи, обуславливающей образование молекул из атомов, а также кристаллов, необходимо рассмотреть квантовомеханическую модель атома с учетом волновых свойств электро
Спонтанное и вынужденное излучение
Существование любой микросистемы (атома, молекулы, потока частиц) – это многократное изменение полной энергии этой системы в результате ее взаимодействия с другими системами. Изменение полной энерг
Принцип работы и устройство лазеров
Вынужденное излучение было положено в основу усилителей электромагнитного излучения. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, и независимо от них американец Ч. Таунсон, в 50-е годы XX века со
Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака
Изучаемые в курсе классической молекулярной статистической физики частицы, можно было рассматривать как упругие шарики. При этом каждую из тождественных частиц можно было отличить от других – как б
Образование энергетических зон
Все кристаллические тела представляют собой упорядоченное скопление огромного количества атомов. Идеальная кристаллическая решетка состоит из многократно повторяющихся тождественных элементарных яч
Собственная проводимость
Рассмотрим квантовую теорию проводимости различных веществ. Напомним, что проводимостью называется способность носителей заряда осуществлять направленное движение согласно приложенному элект
Примесная проводимость
Электрические и оптические свойства примесных полупроводников зависят от природных или искусственно введенных примесей. Разумеется, для эффективного управления свойствами материала необходим
Квантовая теория проводимости металлов
Рассмотрим процесс проводимости с квантовой точки зрения. В предыдущей лекции было сказано, что при объединении атомов в кристаллическую решетку происходит снижение высоты стенок потенциального бар
Состав и характеристики атомных ядер
Ядро любого атома, кроме атома легкого водорода, состоит из частиц – нуклонов двух типов: Z протонов и N нейтронов. Нейтрон был открыт в 1932 г. Джеймсом Чэдвиком, тогда же Кар
Ядерные силы
Упомянутые ядерные силы характеризуют одно из фундаментальных взаимодействий, которое получило название сильного взаимодействия. Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий – по порядку
Образование ядер. Дефект масс
Рассмотрим процесс образования ядра. Природа образования любого ядра такова, что масса стабильного ядра всегда меньше суммы масс составляющих это ядро нуклонов.
Например, ядро дейтерия, на
Закон радиоактивного превращения
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. В процессе такого превращения у ядра могут измениться ка
Альфа-распад
Альфа-распадом называется процесс самопроизвольного испускания ядром α-частиц, которые по своей природе являются ядрами атомов гелия
Бета-распад
Бета-распад – процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар (ядро с тем же атомным номером) с зарядом, отличным от исходного на ΔZ = ± 1, за счет испускания эле
Спонтанное деление тяжелых ядер. Гамма-излучение
Процесс спонтанного деления тяжелых ядер был обнаружен в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаковым. Ими было установлено, что без какого-либо внешнего воздействия ядра урана само
Вынужденные ядерные процессы
Ядерной реакцией называют процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, приводящий к преобразованию ядра (или нескольких ядер). Реакция возникает при сближении реаги
Реакция деления ядра
В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана тепловыми нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан (тепловыми называются
Реакция синтеза атомных ядер
Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромного количества энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высоки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем пособии были рассмотрены основные вопросы квантовой физики - квантовая природа электромагнитного излучения, физика атомов, молекул, кристаллических тел и ядер, представлены элементы ква
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савельев И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. М.: Наука, 1989. Т. 1 – 3.
2. Типлер П. А.Современная физика: пер. с англ.: в 2-х т. / П. А. Типлер, Р. А. Ллуэллин: Т.
Новости и инфо для студентов