材料物理性能：超导现象的物理本质

1、在恒定外磁场中冷却的超导球内，当过渡到临界温度以下时磁通被排斥的情况 (a)正常态；(b)超导态,迈斯纳效应,超导,同位素效应和电子声子相互作用,麦克斯韦(E. Maxwell)、雷诺(C. A. Raynold)和席林(B. Serin)等于1950年各自独立地测量了汞同位汞的临界温度TC，其结果可用简单公式表示,汞的同位素效应,同位素效应 即临界温度依赖于同位素质量的现象。 说明当M时，TC应趋于零，没有超导电性。在原子质量M趋于无限大时，晶格原子就不可能运动，当然不会有晶格振动了。因此，同位素效应明确告诉人们电子晶格振动的相互作用是超导电性的根源,在同位素效应实验之前，HFrolich鉴

2、于导电性良好的碱金属都不是超导体，是因为这些金属的电子晶格相互作用很微弱。 常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体，临界温度比较高的材料，常温下导电性较差，这是因为其中的电子-声子相互作用强,因此，他提出这正是高温下引起电阻的原因(电子-晶格振动相互作用)，而在低温下导致超导电性。同位素效应的实验结果，支持了弗雷里希提出的电子-声子相互作用是超导电性根源的探讨方向,超导的微观物理本质终于在超导现象发现后的46年，即1957年由巴丁(Bardeen)、库柏(cooper)和施瑞弗(Sheriffer)等人揭露，简称为BCS理论,超导现象的物理本质,这个理论认为，超导现象产生的原因是出于

3、超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果,处于超导态的某一电子e1在运动时，它周围的正离子点阵将被这个电子吸引向其靠拢以降低静电能，而使此局部区域的正电荷密度增加，而这正电的区域又会对临近电子e2产生吸引力，正是这种吸引力克服了静电斥力，使动量和自旋方向相反的两个电子e1,e2，结成电子对，库柏电子对,电子与正离子相互作用形成电子对示意图,显而易见，组成库相对的电子e1和e2之间的这种相互吸引作用与正离子的振动有关，且在超导体内，正离子运动是相互牵连的某个正离子的振动，会

4、使邻近正离子也发生振动一个个传下去，其结果是形成了一个以声速在晶格上传播的波动，叫晶格波动，简称格波,理论计算: 能量相近似的两个电子，由晶格引起的这种间接作用力是吸引力。显然电子与晶格间作用越强，这种吸引力就越大。而且根据量子统计法则，如果每对图电子的总动量都相等，那么每一对中的两个电子之间的吸引力也大大加强,因此，在电子结成库柏电子对时每对电子的总动量都是相当的。库柏对中两个电子的相互作用范围为10-6 10-9 m，而一般晶格中原子之间的距离只有10-10 m，由此看出，互相吸引而结成对的两个电子相距可能很远，这是因为电子是通过格波而在相互作用的,材料变为超导态后，电子结成库柏对，使能量

5、降低而成为一种稳定态。一个超导电子对的能量比形成的它的单独的两个正常态的电子的能量低2 ，这个降低的能量2 称为超导体的能隙，而正常态电子则处于能隙以上的能量更高的状态。能隙的大小与温度有关，且,式中，k为玻尔兹曼常数Tc为由正常态转变为超导态的临界温度,当T0时能隙最大当电子对获得的能量大于2 时就进入正常态即电子对被拆开成两个独立的正常态电子。当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量，能隙就减小,温度TTc，外磁场强度增加到H=Hc，能隙减小到零.电子对全部被拆开成正态电子于是材料即由超导态转变为正常态。由此可知，为什么温度越低，超导体就越稳定,超导体的能隙,图5.5.10 能隙随温度变化的曲线,超导态的电子对有一基本特性，即每个电子对在运动中的总动量保持不变，故在通以直流电时，超导体中的电子对将无阻力地通过晶格运动。这是因为任何时候，晶格(缺陷)散射电子对中的一个电子并改变它的动量时，它也将散射电子对中的另一个电子，