Сверхпроводимость

Электрическое сопротивление многих чистых металлов плавно стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Однако у некоторых металлов, сплавов и соединений удельное сопротивление при низких температурах уменьшается не плавно, а резко падает до нуля при некоторой температуре и остается равным нулю вплоть до Т=0⁰ К (рис.1). Эти материалы называются сверхпроводниками, а само явление - сверхпроводимостью. Температура, при которой сопротивление становится равным нулю, называется критической температурой. Значение критической температуры для различных металлов и сплавов меняется примерно от 1⁰ К до 20⁰ К. Сверхпроводящее состояние может быть разрушено магнитным полем. Поле Н_кр, выше которого сверхпроводимость разрушается, называется критическим полем. У сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, наблюдается выталкивание магнитных силовых линий из объема сверхпроводника. Это явление было открыто Мейснером и называется эффектом Мейснера. Внутри сверхпроводника магнитное поле отсутствует В=0.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что теплопроводность чистых металлов при переходе в сверхпроводящее состояние уменьшается. Это свидетельствует о том, что свободные электроны, ответственные в основном за перенос тепла в металлах, при переходе металла в сверхпроводящее состояние перестают взаимодействовать с решеткой и участвовать в переноса тепла.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит основные положения квантовой теории электропороводности металлов?

2. В чем состоит сопротивление электрическому току согласно квантовой теории?

3. В чем заключается явление сверхпроводимости?

Основы зонной теории твердых тел

Изолированный атом имеет индивидуальные электронные орбиты с дискретными значениями энергии. Если постепенно сближать два изолированных атома, то вследствие их взаимного влияния электронные уровни будут расщепляться на два подуровня. В случае кристалла, состоящего из N-атомов, каждый уровень расщепляется на N-подуровней (рис.2). Число атомов в кристалле велико (порядка 10²⁸ атомов). Поэтому расстояние между подуровнями мало и вновь образованную систему уровней можно рассматривать как зону. Кроме расщепления уровней изолированных атомов при образовании кристалла происходит также и изменение положения уровней как в сторону увеличение, так и в сторону уменьшения.

В изолированном атоме на каждом уровне и в каждой оболочке максимально может размещаться строго определенное число электронов. На К-оболочке 2s-электрона,на L – оболочке 2s+6p=8 электронов, на М-оболочке 2s+6p+10d=18 электронов и т.д. Максимальное число электронов в каждой оболочке определяется формулой Z=2n², где n - номер оболочки. При образовании твердого тела число электронов, которые могутразместиться в данной оболочке атома остается неизменным. Поэтому для твердого тела, состоящего из N-атомов, в s-зоне может разместиться 2N-электронов, в p-зоне – 6N – электронов и т. д. Число электронов, которые могут разместиться в данной зоне, равно общему числу мест на уровнях изолированных атомов, умноженное на число атомов в кристалле.

В зависимости от характера зонной структуры и их заполнения твердые тела подразделяются на диэлектрики, полупроводники и металлы.