2022-2023学年高二物理竞赛课件：超导和超流现象12

超导和超流现象超导体和超流体

电子在导体中定向移动形成电流，电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动，这就是电阻的成因。大量原子振动在宏观上表现为导体发热，到达一定程度可使导体熔化。电焊、电切割利用的就是这一原理。流体流动时产生的阻力实质上是流体分子之间存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除电流和流体传输中的阻力，就必须在微观粒子特性上想办法。

１９１１年，荷兰科学家卡麦林·昂内斯发现，汞在4.2K时，其电阻会突然消失。他称之为“超导电性”，并因之获得１９１３年诺贝尔物理学奖。

对这一奇妙的现象，直到１９５７年科学家才作出较为成功的理论解释。美国物理学家巴丁、库珀和施里弗提出，超导体中存在着电子对，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，不会引起原子振动，即为超导现象。这三位科学家因此而获得１９７２年的诺贝尔物理学奖。

后来科学家发现存在着两种超导体。一种称为Ｉ型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。另一种称为ＩＩ型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过(部分屏蔽磁场)。

巴丁、库珀和施里弗提出的理论只能解释Ｉ型超导体的特性，无法解释ＩＩ型超导体的特性。１９５０年维塔利·金茨堡与苏联科学家列夫·郎道[因对凝聚态(特别是液氦理论)的研究成果获得１９６２年诺贝尔物理学奖]提出一种描述超导等现象的公式，在此基础上，１９５７年阿列克谢·阿布里科索夫提出了一种能够解释ＩＩ型超导体特性的理论。

超流体现象也是在超低温环境下观测到的。大气中稀有的惰性气体氦很难液化。直到１９０８年，荷兰科学家卡麦林·昂内斯才把它制成液体。氦有两种同位素氦４和氦３。上世纪３０年代末，苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦４的超流体特性。他因与此相关的成果获得１９７８年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到２０世纪７０年代末才观测到氦３的超流体现象。因为使氦３出现超流体现象的温度只有氦４的千分之一。

科学家发现，氦３超流体有一些特别的现象无法用原有理论解释。针对这些现象，２０世纪７０年代末，在英国工作的安东尼·莱格特提出了一个能用数学公式解释氦３超流体现象的理论。后来证明这一理论能够系统地解释多种超流体的特性，并适用于粒子物理和宇宙学等其他领域。

2003年10月7日，瑞典皇家科学院在首都斯德哥尔摩宣布2003年诺贝尔物理学奖得主（从左至右）：俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特,以表彰他们在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献。

超导材料的用途非常广泛，比如在磁悬浮列车、核磁共振成像、超导发电、超导计算机、输电和储能等方面都有很大用处。如今世界各国对超导的研究越来越热，而重中之重就在于常温超导。有专家预测，这种技术一旦推广应用，总体上可以节约目前三分之二的电力。与超导原理已经得到应用相比，超流体原理的应用尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。２００２年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为２００２年世界十大科技进展之一。超导现象研究及应用超导现象的发现超导体的两个性质和临界参数第I,II类超导体超导体的理论超导体的应用1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。

为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。

接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。1:超导现象的发现2:超导体的性质和临界参数零电阻

将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象叫超导体零电阻完全抗磁性

当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应“

三个临界参数临界温度（TC）--