Квантовые явления при низких температурах. Сверхпроводимость

Фононы.

Согласно Дебаю, теплоемкость возбужденного твердого тела можно описать в виде упругих волн, распространяющихся в кристалле. Согласно карпускулярно-волновому дуализму свойств вещества упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы, обладающие энергией ε=hν. Фонон – квант энергии звуковой волны, таким образом упругие волны в кристалле есть звуковые волны. Фононы являются квазичастицами, ведущими себя подобно микрочастицам. Подобно тому, как квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах, квантование упругих волн привело к представлению о фононах. Фононы сильно отличаются от обычных частиц, так как они связаны с колебательным движением многих частиц системы. Квазичастицы не могут возникнуть в вакууме.

Фононы – тепловой резервуар твердого тела. В связи с этим кристаллические тела можно рассматривать как фононный газ. Теплоемкость кристаллических тел практически совпадает с теплоемкостью фононного газа, а теплопроводность можно описать как теплопроводность фононного газа. Фононы взаимодействуют друг с другом, с другими квазичастицами а также с дефектами кристаллической решетки. Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с фононами объясняется механизмом электрического сопротивления кристаллических проводников.

В 1911 году голландский физик Г.Камерлинг-Оннес, проводя эксперименты по исследованию влияния примесей на остаточное сопротивление, столкнулся с новым, неожиданным явлением. Изучая зависимость сопротивления ртути от температуры, он установил, что при очень низких температурах сопротивление образца обращалось в нуль. Сам по себе этот факт не казался неожиданным. Согласно существовавшим в то время представлениям, и как оказалось правильным, сопротивление очень чистых металлов определяется движением атомов. Поэтому в чистых металлах следовало ожидать плавного уменьшения сопротивления до нуля при понижении температуры до 0^оК. Неожиданным оказалось то, что исчезновение сопротивления происходило скачком в температурном интервале в несколько сотых долей градуса. Как выяснилось впоследствии, такое сверхпроводящее состояние при низких температурах наблюдается примерно у половины металлических элементов, большого числа металлических соединений, у ряда полупроводников и оксидов. В настоящее время открыто множество керамик, которые обладают сверхпроводящими свойствами при 77^оК.

Явление обращения электрического сопротивления в нуль ученый назвал

сверхпроводимостью. Температура, ниже которой наблюдается явление сверхпроводимости, называется критической. Если же температура металла больше критической, то вещество скачком переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Возникновение явления сверхпроводимости объясняется образованием связанных электронных пар (купперовских пар). Как известно, между электронами действуют силы кулоновского отталкивания. Кроме того, на электроны действуют положительные ионы кристаллической решетки металла, которые ослабляют силы кулоновского отталкивания. В результате взаимодействия электронов с решеткой посредством фононов между отдельными электронами возможно возникновение сил притяжения. Механизм этого взаимодействия носит не только электростатический характер. С точки зрения квантовой теории эти силы появляются вследствие того, что электроны могут обмениваться квантами колебаний (фононами) с решеткой. Этот обмен приводит к слабому притяжению электронов. Если силы притяжения между электронами больше кулоновских сил отталкивания, то образуются связанные электронные пары с пониженной энергией. Электронный газ, состоящий из таких связанных электронных пар, обладает иными свойствами, чем обычный электронный газ. При достаточно низких температурах такой газ обладает свойствами сверхтекучести, т.к. электроны движутся в сверхпроводнике без трения об узлы решетки. Т.о. между явлениями сверхпроводимости и сверхтекучести есть аналогия: сверхпроводимость это ничто иное, как сверхтекучесть электронов в металлах.

Наряду со спаренными электронами, в сверхпроводнике существует и обычный электронный газ, т.е. газ индивидуальных электронов. Т.о. в сверхпроводящем состоянии существуют как бы две жидкости: обычная и сверхтекучая.

Если температура сверхпроводника начинает повышаться от 0^оК, то тепловое движение будет разрывать все большее и большее число пар электронов. В результате доля обычного электронного газа будет расти и,наконец, наступит критическая температура, при которой исчезнут последние спаренные электроны. После этого в сверхпроводнике восстановится сопротивление.

В сверхпроводящее состояние могут переходить только те металлы, которые удовлетворяют следующим эмпирическим правилам:

1) у металлов количество валентных электронов должно лежать в интервале от 2 до 8;

2) при одинаковом количестве валентных электронов значение критической температуры зависит от типа кристаллической решетки; 3) величина критической температуры с увеличением массы атома уменьшается.

Дата добавления: 2014-01-07