- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
Явление сверхпроводимости заключается в следующем. У некоторых металлов и сплавов происходит резкое падение электрического сопротивления до нуля при некоторой температуре (рис.3.8). Температураназываетсякритической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.Электрический ток в таком проводнике сохранется неизменным сколь угодно долго.
Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским ученым Каменлинг-Оннесом для чистой ртути (К). резко падало до нуля.
В настоящее время сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов (сверхпроводники первого рода) и у нескольких сотен металлических сплавов и соединений. (сверхпроводники второго рода). В таблице 3.2 приведены критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников первого и второго рода.
Таблица 3.2.
Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
Сверхпроводники 1 рода |
Сверхпроводники 2 рода | ||
Ti |
0,37 |
CuS |
1,6 |
Zn |
0,79 |
PbTl |
3,8 |
Al |
1,14 |
Mo2N |
5 |
Tl |
2,38 |
NbB |
6 |
Sn (белое) |
3,73
|
MoNe
|
8 – 12 |
Hg |
4,15 |
NbTi |
9,3 |
La |
4,71 |
NbZr |
10,5 |
V |
5,1 |
V2Ga |
14,5 -16,5 |
Pb |
7,22 |
V3Si |
16,9 -17,1 |
Tc |
11,2 |
NbSn |
18 |
Долгое время сверхпроводящее состояние различных металлов и соединений удавалось получить лишь при очень низких температурах, достижимых с помощью жидкого гелия, и их применение в технике было весьма ограниченным.
В 1986. было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимостив оксидных соединениях с критической температурой порядка 100 К, а затем и выше. Это было очень важным открытием, так как такая температура достигается с помощью жидкого азота. В отличие от гелия жидкий азот получают в промышленном масштабе.
В настоящее время созданы сверхпроводящие металлооксидные керамики сложного состава (Lа-Ва-Сu-О, Lа-Sr-Сu-О, It-Ва-Сu-Ои так далее), у которых температура перехода в сверхпроводящее состояниеТk может превышать125 К.
Рассмотрим основные свойства сверхпроводников.
Существование температуры перехода Тk в сверхпроводящее состояние.
Изотопический эффект (имеет место у металлов). Для одного и того же сверхпроводящего металла температуры перехода обратно пропорциональна корню квадратному из атомной массы изотопа: .
При действии на сверхпроводник магнитного поля температура перехода снижается, и достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние (рис.3.8). Критическое магнитное полеВk зависит от температуры. Если увеличивать ток, текущий через сверхпроводник, то при некотором значении токаIk сверхпроводящее состояние разрушается. Зависимостьаналогична.
Внешнее магнитное поле, меньшее, чем критическое, не проникает в толщу сверхпроводника. Сверхпроводник «выталкивает» магнитное поле из занимаемой им области и является идеальным диамагнетиком (,). Это явление называютэффектом Мейснера. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником показано на рис.3.9.
Результирующая магнитная индукция в сверхпроводнике будет равна нулю.
Эффект Мейснера можно объяснить тем, что у сверхпроводника, помещенного в слабое магнитное поле, в поверхностном слое толщинойL 10 100нм наводятся круговые незатухающие токи, которые компенсируют внешнее приложенное поле. ПараметрLназывают глубиной проникновения магнитного поля в сверхпроводник.
Микроскопическая теория сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Боголюбовым Н.Н., Дж. Бардиным, А. Купером и Дж. Шриффером и называется «теория БКШ».Рассмотрим кратко сущность этой теории.
Свободные электроны металла образуют электронный газ, подчиняющийся статистике Ферми-Дирака. Между электронами действуют кулоновские силы отталкивания, которые в значительной степени ослаблены наличием электрического поля положительных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки.
Основная идея теории БКШ: электроны в сверхпроводнике кроме кулоновских сил отталкивания испытывают взаимное притяжение, которое преобладает над отталкиванием. Взаимное притяжение электронов осуществляется с помощью кристаллической решётки
Электрон вызывает смещение иона кристаллической решётки от положения равновесия - возникает её элементарное возбуждение. При переходе решетки в основное невозбужденное состояние излучается квант тепловой энергии (звуковой частоты) - фонон, который поглощается другим электроном. В результате обмена фононами между двумя электронами возникает притяжение, то естьобразуются связанные пары электронов. Они называютсякуперовскими парами.
Электроны, образующие куперовскую пару, пространственно разделены (δ ≈10-6м) имеют противоположно направленные импульсы и антипараллельные спины. Суммарный (общий) спин такой пары равен нулю, и потому она является бозоном. К бозонам принцип Паули неприменим, поэтому число бозе-частиц, находящихся в одном и том же квантовом состоянии, не ограничено.
Важнейшая особенность связанного в куперовские пары коллектива электронов: у такой системы не происходит рассеивания электронных волн на примесях и колебаниях решётки. А это означает отсутствие электрического сопротивления.
При температуре куперовские пары разрушаются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние.
Свойства сверхпроводников делают их перспективными материалами для практического применения. Отметим два основных направления практического использования сверхпроводников: криоэнергетика и криоэлектроника.
Криоэнергетикаиспользует равенство нулю электрического сопротивления сверхпроводника. Ток через сверхпроводник не сопровождается тепловыми потерями.
Возможные использования:
передача электрической энергии по сверхпроводящим проводам;
создание очень сильных магнитных полей (мощных магнитных установок);
создание различных типов моторов и генераторов.
Криоэлектроникаи её возможные использования:
создание приборов, регистрирующих электромагнитное излучение, измерение слабых магнитных и электрических полей (уровень шумов таких приборов очень мал);
разработка быстродействующих элементов вычислительной техники.