- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
Лекция №12.
12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
12.1. Свойство сверхпроводимости
Проявляется у некоторых материалов как резкое падениие удельного сопротивления вплоть до нуля при температуре ниже определённого значения. Ныне известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, и поэтому имеет смысл определённое значение Тс – температура перехода в сверхпроводящее состояние. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь – от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0.0005 K (Mg) до 23,2 К (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2).
12.2. Изотопический эффект
У сверхпроводников заключается в том, что температуры Тс обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего металла.
Резкое уменьшение электрического сопротивления до нуля, наблюдаемое в некоторых материалах при низких температурах, получило название явления сверхпроводимости. В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К очень резко падает до нуля (рис1). Это явление было названо сверхпроводимостью. Температура Тк, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой перехода. Величина ее для различных сверхпроводников изменяется в пределах от 0,01 до 20°К (табл. 12.1).
Равенство нулю сопротивления при конечной величине плотности тока означает, что напряженность электрического поля в любой точке сверхпроводника равна нулю.
Таблица 12.1
Критические температуры некоторых сверхпроводников
-
Элемент
Тк, °К
Элемент
Тк, °К
Ниобий
9,22
Алюминий
1,20
Свинец
7,22
Цинк
0,91
Висмут
6,00
Кадмий
0,56
Тантал
4,40
Титан
0,40
Ртуть
4,15
Железо
4,20
Олово
3,73
Цирконий
0,70
Индий
3,37
Таллий
2,38
Рис 12.1 Температурная зависимость сопротивления сверхпроводников
Таким образом, первым фундаментальным свойством вещества в сверхпроводящем состоянии является идеальная проводимость.
Необходимо подчеркнуть, что эта особенность принципиально отличается от изменения сопротивления у обычных чистых металлов. Действительно, если металл не имеет примесей и дефектов кристалла, то при уменьшении температуры рассеяние электронов уменьшается и сопротивление стремится к нулю. Однако такое уменьшение сопротивления не является проявлением сверхпроводимости по двум причинам.
Прежде всего, переход вещества в сверхпроводящее состояние не связан в принципе с примесями. Кроме того, в отличие от обычных металлов, в которых сопротивление при понижении температуры уменьшается плавно, в сверхпроводниках при достижении критической температуры происходит резкое, скачкообразное уменьшение сопротивления.
Помимо нулевого электрического сопротивления, второе принципиальное свойство сверхпроводников – полное выталкивание магнитного поля.
Магнитная проницаемость вещества в сверхпроводящем состоянии μ = 0, а магнитная восприимчивость к = -1. В отличие от обычных проводников магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. Явление это, присущее идеальным диамагнетикам, называется эффектом Мейсснера, открывшего его в 1933 г. Из эффекта Мейсснера следует, что токи в сверхпроводнике текут по его поверхности., в частности,, при температуре, близкой к абсолютному нулю, глубина проникновения тока для олова порядка 5·10-8 м.
Эффект Мейсснера показывает, что состояние сверхпроводимости нельзя рассматривать как простую потерю проводником электрического сопротивления. Действительно, в соответствии с законами классической электродинамики, из равенства нулю сопротивления сверхпроводника, т. е. равенства нулю в нем электрического поля вытекает, что магнитное поле внутри сверхпроводника не должно меняться со временем, должно быть постоянным.
Рис. 12.2 Температурная зависимость критического магнитного поля
Другими словами, если бы сопротивление обычного проводника, находящегося в магнитном поле, при охлаждении обращалось в нуль, то в образце должно было бы сохраниться то магнитное поле, которое было в нем в момент перехода в сверхпроводящее состояние, т. е. магнитное поле должно было бы «заморозиться» в металле. Эффект же Мейсснера показывает, что магнитное поле в сверхпроводнике равно нулю, силовые линии магнитного поля выталкиваются из объема сверхпроводника.
Следовательно, отсутствие электрического сопротивления является лишь одним из особых свойств сверхпроводящего состояния.
Итак, явление сверхпроводимости можно определить, как появление в материале двух не связанных друг с другом свойств – идеальной проводимости и идеального диамагнетизма, хотя при сверхпроводимости наблюдаются также и другие явления – скачок удельной теплоемкости, небольшое изменение объема, резкое уменьшение поглощения ультразвука.
Сверхпроводящее состояние вещества существенно зависит от магнитного поля. При воздействии магнитного поля достаточной величины сверхпроводящее состояние разрушается. Необходимая напряженность магнитного поля Нк, называется критической. Величина Нк зависит от температуры: с понижением температуры Нк растет и достигает максимального значения при абсолютном нуле. Типичные зависимости напряженности магнитного поля, при которой разрушается состояние сверхпроводимости, показаны на рис 12.2. На примере олова и свинца. Области выше и правее указанных кривых определяют нормальное состояние олова и свинца, а области ниже и левее – состояние сверхпроводимости. Зависимости близки к параболе и могут быть приближенно описаны уравнением
, (1)
Таблица 12.2
Значения критического магнитного поля при абсолютном нуле для различных элементов, где
Нк0 – критическое поле при абсолютном нуле.
-
Элемент
Элемент
Алюминий
7,9
Свинец
63,9
Кадмий
2,3
Ниобий
154,7
Галлий
4,0
Тантал
66,0
Индий
23,3
Олово
24,3
Цинк
4,2
Цирконий
3,7
Состояние сверхпроводимости разрушается также при пропускании через сверхпроводник тока такой величины, при которой на поверхности образца магнитное поле, вызванное этим током, становится равным критическому Нк. Величина тока Iк, при которой разрушается состояние сверхпроводимости, называется критической.
Значения Нк0 для ряда металлов приведены в табл. 12.2.
Квантово-механическая теория
Квантово-механическая теория явления сверхпроводимости рассматривает его как сверхтекучесть электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно – без «трения» о неоднородности кристаллической решетки. Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар (так называемые куперовские пары рис12.3).
Рис. 12.3 Схема куперовской пары
Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решетки и приводящее к притяжению электронов.
В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты – фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.
Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов. Оценка показывает, что электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка ста периодов кристаллической решётки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой сплочённое образование, простирающееся 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) сохраняет обычные свойства. Если же при температуре Тc силы притяжения преобладают над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.
Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими чем энергия связи пары электронов. Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.
Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре Т = Тc происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и явление сверхпроводимости перестаёт существовать.