2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：超導(dǎo)和超流現(xiàn)象12

超導(dǎo)和超流現(xiàn)象超導(dǎo)體和超流體

電子在導(dǎo)體中定向移動形成電流，電子在原子間移動時，由于電子與原子核間的電磁力的作用，會引起原子振動，這就是電阻的成因。大量原子振動在宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)體發(fā)熱，到達一定程度可使導(dǎo)體熔化。電焊、電切割利用的就是這一原理。流體流動時產(chǎn)生的阻力實質(zhì)上是流體分子之間存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除電流和流體傳輸中的阻力，就必須在微觀粒子特性上想辦法。

１９１１年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在4.2K時，其電阻會突然消失。他稱之為“超導(dǎo)電性”，并因之獲得１９１３年諾貝爾物理學(xué)獎。

對這一奇妙的現(xiàn)象，直到１９５７年科學(xué)家才作出較為成功的理論解釋。美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗提出，超導(dǎo)體中存在著電子對，這些電子對可以平穩(wěn)地通過由失去部分電子的原子所組成的通道，不會引起原子振動，即為超導(dǎo)現(xiàn)象。這三位科學(xué)家因此而獲得１９７２年的諾貝爾物理學(xué)獎。

后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)存在著兩種超導(dǎo)體。一種稱為Ｉ型超導(dǎo)體，主要是金屬超導(dǎo)體。它對磁場有著屏蔽作用，也就是說磁場無法進入超導(dǎo)體內(nèi)部。如果外部磁場過強，就會破壞超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能。另一種稱為ＩＩ型超導(dǎo)體，主要是合金和陶瓷超導(dǎo)體。它允許磁場通過(部分屏蔽磁場)。

巴丁、庫珀和施里弗提出的理論只能解釋Ｉ型超導(dǎo)體的特性，無法解釋ＩＩ型超導(dǎo)體的特性。１９５０年維塔利·金茨堡與蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·郎道[因?qū)δ蹜B(tài)(特別是液氦理論)的研究成果獲得１９６２年諾貝爾物理學(xué)獎]提出一種描述超導(dǎo)等現(xiàn)象的公式，在此基礎(chǔ)上，１９５７年阿列克謝·阿布里科索夫提出了一種能夠解釋ＩＩ型超導(dǎo)體特性的理論。

超流體現(xiàn)象也是在超低溫環(huán)境下觀測到的。大氣中稀有的惰性氣體氦很難液化。直到１９０８年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂內(nèi)斯才把它制成液體。氦有兩種同位素氦４和氦３。上世紀３０年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·卡皮察首先觀測到液態(tài)氦４的超流體特性。他因與此相關(guān)的成果獲得１９７８年諾貝爾物理學(xué)獎。這一現(xiàn)象很快被蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·郎道用凝聚態(tài)理論成功解釋。不過，科學(xué)家直到２０世紀７０年代末才觀測到氦３的超流體現(xiàn)象。因為使氦３出現(xiàn)超流體現(xiàn)象的溫度只有氦４的千分之一。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，氦３超流體有一些特別的現(xiàn)象無法用原有理論解釋。針對這些現(xiàn)象，２０世紀７０年代末，在英國工作的安東尼·萊格特提出了一個能用數(shù)學(xué)公式解釋氦３超流體現(xiàn)象的理論。后來證明這一理論能夠系統(tǒng)地解釋多種超流體的特性，并適用于粒子物理和宇宙學(xué)等其他領(lǐng)域。

2003年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院在首都斯德哥爾摩宣布2003年諾貝爾物理學(xué)獎得主（從左至右）：俄羅斯和美國雙重國籍的科學(xué)家阿列克謝·阿布里科索夫、俄羅斯科學(xué)家維塔利·金茨堡以及擁有英國和美國雙重國籍的科學(xué)家安東尼·萊格特,以表彰他們在超導(dǎo)體和超流體理論上作出的開創(chuàng)性貢獻。

超導(dǎo)材料的用途非常廣泛，比如在磁懸浮列車、核磁共振成像、超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)計算機、輸電和儲能等方面都有很大用處。如今世界各國對超導(dǎo)的研究越來越熱，而重中之重就在于常溫超導(dǎo)。有專家預(yù)測，這種技術(shù)一旦推廣應(yīng)用，總體上可以節(jié)約目前三分之二的電力。與超導(dǎo)原理已經(jīng)得到應(yīng)用相比，超流體原理的應(yīng)用尚在研究之中。不過，這一領(lǐng)域已經(jīng)曙光初現(xiàn)。２００２年，德科學(xué)家實現(xiàn)銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉(zhuǎn)換。世界科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為２００２年世界十大科技進展之一。超導(dǎo)現(xiàn)象研究及應(yīng)用超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的兩個性質(zhì)和臨界參數(shù)第I,II類超導(dǎo)體超導(dǎo)體的理論超導(dǎo)體的應(yīng)用1910年，昂尼斯開始和他的學(xué)生研究低溫條件下的物態(tài)變化。1911年，他們在研究水銀電阻與溫度變化的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，當溫度低于4K時已凝成固態(tài)的水銀電阻突然下降并趨于零，對此昂尼斯感到震驚。水銀的電阻會消失得無影無蹤，即使當時最富有想象力的科學(xué)家也沒料到低溫下會有這種現(xiàn)象。

為了進一步證實這一發(fā)現(xiàn)，他們用固態(tài)的水銀做成環(huán)路，并使磁鐵穿過環(huán)路使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。在通常情況下，只要磁鐵停止運動由于電阻的存在環(huán)路中的電流會立即消失。但當水銀環(huán)路處于4K之下的低溫時，即使磁鐵停止了運動，感應(yīng)電流卻仍然存在。這種奇特的現(xiàn)象能維持多久呢？他們堅持定期測量，經(jīng)過一年的觀察他們得出結(jié)論，只要水銀環(huán)路的溫度低于4K，電流會長期存在，并且沒有強度變?nèi)醯娜魏污E象。

接著昂尼斯又對多種金屬、合金、化合物材料進行低溫下的實驗，發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低溫下電阻消失、感應(yīng)電流長期存在的現(xiàn)象。由于在通常條件下導(dǎo)體都有電阻，昂尼斯就稱這種低溫下失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo)。在取得一系列成功的實驗之后，昂尼斯立即正式公布這一發(fā)現(xiàn)，并且很快引起科學(xué)界的高度重視，昂尼斯也因此榮獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎。1:超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)2:超導(dǎo)體的性質(zhì)和臨界參數(shù)零電阻

將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度以下時電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象叫超導(dǎo)體零電阻完全抗磁性

當超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)“

三個臨界參數(shù)臨界溫度（TC）--