Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Рис. VII.2.7
Рис. VII.2.8
602
ГЛ. VII.2. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
собственный отрицательный заряд электрона. Электрон вместе с этим «облаком» имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.
6°. В квантовой теории металлов притяжение между электронами связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решетки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон (VII.2.7.5°), который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если спины взаимодействующих электронов антипараллельны.
7°. Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов. Расстояние б между электронами пары равно
где h — постоянная Планка, uF — скорость электрона на уровне Ферми (VII.2.5.2°), k — постоянная Больцмана (11.1.4.5°), Tc — температура перехода в сверхпроводящее состояние
(п. 1°). Оценка показывает, что б ~ IO-4 см, т. е. электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка IO4 периодов кристаллической решетки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив, простирающийся на громадные, по атомным масштабам, расстояния.
Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным. Если же при температуре Tc (п. 1°) происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.
8°. Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность об-
§ VII.2.6. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
603
мена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими, чем энергия связи пары электронов. Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.
9°. Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре T = Tc (п. 1°) происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и явление сверхпроводимости перестает существовать.
10°. Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики получены вещества, для которых температура Tc перехода в сверхпроводящее состояние превышает термодинамическую температуру 77 К (температуру сжижения азота).
11°. Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости (п. 2°), для получения сильных магнитных полей применяются особые сверхпроводники II рода — некоторые сплавы, тонкие сверхпроводящие пленки. В такие сверхпроводники магнитные поля с напряженностью большей, чем Hc (п. 2°), проникают в вещество в виде нитей, пронизывающих образец. Вещество между нитями оказывается сверхпроводящим, и сильные токи могут привести к созданию сверхсильных магнитных полей. Широкое распространение имеют магниты, основанные на сверхпроводящих соленоидах.
12°. Эффектом Джозефсона называется явление протекания сверхпроводящего тока через контакт, образованный двумя
сверхпроводниками, разделенными тонким слоем (~1СГ9 м) диэлектрика (контакт Джозефсона). Куперовские пары электронов проходят через диэлектрик благодаря туннельному эф-
604
ГЛ. VII.2. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
фекту (VI .1.7.2°). При токе через контакт Джозефсона, не превышающем определенного критического тока контакта, на контакте отсутствует падение напряжения — происходит стационарный эффект Джозефсона. При токе через контакт, большем критического, на контакте возникает падение напряжения U и излучаются электромагнитные волны с частотой 2eU п
V = —. Это явление называется нестационарным эффектом
Джозефсона. Физическое своеобразие этого эффекта состоит в том, что сквозь контакт Джозефсона при постоянном падении напряжения протекает переменный ток.
13°. Явление сверхпроводимости привело к принципиально новому заключению о возможности квантования макроскопических физических величин. Сверхпроводящее кольцо дает возможность наблюдать гигантский по масштабам квантовый эффект. Сила тока в сверхпроводящем кольце не изменяется непрерывно, а квантуется, принимая лишь определенные значения. Квантование тока означает, что и индукция магнитного поля (111.10.1.2°), и магнитный поток (111.10.7.1°) также квантуются. Квантование магнитного потока происхо-
