大学物理（下册）课件16-12 超导体

一、超导体的基本电磁学性质

1.零电阻

当物体处于超导态时,若加上磁场,当磁场强度增大到某一临界值HC

时,超导被破坏,超导体由超导态转变为正常态。临界磁场是温度的函数,可用下式表示:式中,H0

为T=0K时的临界磁场强度,即临界磁场强度的最大值。一、超导体的基本电磁学性质

2.迈斯纳效应

由于超导体内的零电阻,超导体内任意两点间的电势差为零,所以超导体内不可能存在电场。因此根据电磁感应定律,磁通量不可能改变。施加外磁场时,磁通量将不能进入导体内,这种磁性是零电阻的结果。二、超导体电性的BCS理论

金属中的正离子组成了晶格点阵。由于组成晶格的各离子间都以一定作用力相互联系着,所以整个晶格点阵是一个整体,其中任意一个离子的运动都将影响周围离子的运动,而周围离子的运动又会反过来影响该离子的运动。这就是说,晶格离子的运动彼此是互相关联的,它们作为一个不可分割的整体进行集体运动。所以离子在晶格附近振动,就会传播到整个晶体,引起晶体中所有原子的集体运动,这种情况自然使我们联想到波的运动形式,人们称之为格波。格波的能量是量子化的,基本的能量为hν,格波的能量子称为声子,如同光子一样,声子也可以看作准粒子。三、超导体的应用

1.超导磁体超导磁性是目前超导体最大量和最有成效的应用。与常规电磁铁相比,超导磁体具有轻便、耗能低、能产生强磁场的优点。特别是超导磁体无焦耳热损耗,不需要水冷却,稳定性好,均匀度高,容易在较大空间内获得强磁场,易于启动并且能长期运转,所以广泛应用于大型加速器、可控热核反应装置等。

2.超导输电线目前科学技术日新月异,世界各国的电力需用量正以每年8%~10%的增长率在不断发展,解决大功率输电的问题变得十分迫切。为了进一步提高输电容量,只好向超高压输电方向发展。日本已采用500kV,而欧美则采用700kV超高压输电,在这样的超高压下输电,介质损耗增大,效率降低。因此各国都在考虑其他输电方案,如直流输电、气体绝缘电缆输电、极低温电缆输电、高频输电、激光输电等。由于超导材料可以无损地承载一个很大的电流,所以适用于大功率的直流输电。国外已经进行了大量的研究,并且在短距离进行了试验,对于交流超导电缆也进行了研究,提出了一些方案。但不论是直流还是交流输电都要遇到制冷的问题,因此高温超导体就成为大家关心的研究对象。

3.磁悬浮列车超导悬浮列车的基本原理是:在车辆底部安装超导磁体,在靠近轨道两旁埋设一系列闭合线圈,当列车运行时,超导磁体的磁场相对线圈运动,在电磁感应线圈内引起感应电流,超导磁体与感应电流磁场的作用会产生向上的浮力使列车悬浮,于是列车前进时只受空气阻力。据估计,如果列车在真空管道中行进,空气阻力会大幅度减少,列车速度可望提高到1600km/h。总之,超导材料具有广泛的应用前景,但由于目前还不能制备出常温下的超导体,所以当前的研究主要是关于超导机制,只有清楚了超导机制才能制备出更高转变温度下的超导体。

本章小结1.黑体辐射和普朗克能量子假设(1)黑体:能够全部吸收外来电磁辐射的物体。黑体辐射性质与材料无关。(2)黑体辐射的实验规律:斯特藩玻耳兹曼定律:Mλ(T)=σT4。维恩位移定律:λmT=b。(3)普朗克能量子假设:物体和频率为ν的电磁辐射作用时,吸收或发射的能量只能是hν的整数倍。最小的能量单元hν称为能量子。

2.光电效应和光量子假设、爱因斯坦方程、康普顿效应1)光电效应实验规律(1)要产生光电效应,入射光的频率必须大于某一频率ν0。这个频率称为截止频率(也称红限),它与金属材料有关。只要入射光的频率大于截止频率就会产生光电效应,与入射光的强度无关。如果入射光的频率小于截止频率,无论其强度有多大,都没有光电效应。(2)只要入射光的频率大于截止频率,遏止电势差就与入射光的频率具有线性关系,而与入射光的强度无关。

(3)只要入射光的频率大于截止频率,入射光一开始照射金属表面时,立刻就会有电子逸出,其时间间隔不超过10-9

s。即使用极弱的光,也是这样。(4)若入射光的频率大于截止频率,则饱和光电流强度与入射光的强度成正比。用一定频率和强度的单色光照射金属K,随K、A加速电势差的增大,光电流强度逐渐增大并逐渐趋于饱和。

2)光子电磁场能量本身也是量子化的,即辐射能量本身也是量子化的。这些一份一份的电磁辐射就被称为光量子,简称光子。光的波粒二象性表述如下:3)爱因斯坦方程

4)康普顿效应实验规律(1)当散射角θ=0°时,在入射线原方向上出现与入射光的波长相同,而且也只有与入射线波长相等的谱线。(2)当散射角不等于0°时,散射谱线中同时存在等于入射线的波长和大于入射线波长的谱线。波长的变化量Δλ=λ-λ0

只与散射角有关,与散射物质无关。(3)散射物质的原子量越小,康普顿效应越明显,即变波长线的相对强度越大。

5)波长偏移量康普顿效应说明,能量守恒定律和动量守恒定律对微观粒子同样适用。

3.玻尔氢原子理论1)氢原子光谱规律2)卢瑟福的有核模型原子中绝大部分质量集中在带正电的原子核中,电子绕原子核旋转,核的尺寸与整个原子的尺寸相比很小。

3)玻尔的氢原子理论(1)定态假设:电子只能在一系列特定的轨道上作绕核运动而不辐射电磁波,这时的原子处于稳定状态,简称定态。原子系统的能量只能处于一系列不连续的能量状态。(2)量子跃迁假设:当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态,亦即电子从高能量En

轨道跃迁到低能量Em

的轨道上时,要发射一个频率为ν的光子,其频率满足反之,当电子从低能量Em

轨道跃迁到高能量En

轨道时,需要吸收一个能量为hν的光子。

(3)轨道角动量量子化假设:电子以速度v

在半径为r的圆周上绕核运动时,只有电子的角动量L等于h/(2π)的整数倍的那些轨道才是稳定的,即式中,n

为主量子数。此条件也叫量子化条件。

4.德布罗意波和不确定关系1)德布罗意假设任意质量为m,以速度v

做匀速运动的实物粒子,既具有以能量E和动量p所描述的粒子性,也具有以频率ν和波长λ所描述的波动性,实物粒子的波粒二象性也满足下列关系上式即为德布罗意公式。这种波称为德布罗意波或物质波。

2)不确定关系不能同时确定微观粒子的坐标和动量,这是微观粒子波粒二象性的反映。位置不确定度和动量不确定度满足的关系为

5.量子力学简介(1)波函数的统计解释。微观粒子的运动状态用波函数Ψ(r,t)表示,|Ψ(r,t)|2dV

表示t时刻粒子处于空间

r处dV

体积元内的概率,|Ψ(r,t)|2

表示t

时刻粒子处于空间r

处单位体积内的概率,即|Ψ(r,t)|2

为概率密度。(2)薛定谔方程:

(3)定态薛定谔方程:

4)定态薛定谔方程应用(1)一维无限深方势阱。(2)定态波函数:(3)能量:(4)隧道效应:即使粒子的能量小于势垒的高度,粒子也有一定的概率穿透势垒。

6.氢原子的量子理论1)氢原子的定态薛定谔方程2)三个量子数

8.激光1)吸收和辐射(1)自发辐射:在没有外界干扰的情况下,高能级电子以一定的概率向低能级跃迁并放出光子的过程。(2)受激吸收:原子吸收光子从低能级跃迁到高能级的过程。(3)受激辐射:在外来光子的诱导下,原子中处于高能级的电子向低能级跃迁,并发出和外来光子具有相同特征的光子的过程。

2)粒子数反转高能级的电子数大于低能级电子数。3)激光的组成(1)工作物质:具有亚稳态能级结构,使得粒子数反转成为可能的物质。(2)激励:能量输入系统。(3)谐振腔:选频和定向。4)激光优点方向性好,单色性好,相干性好,光脉冲宽度可以很窄。

9.半导体1)固体能带晶体中,由于原子间相距很近,每个电子除了受到自身原子核作用外,还受到相邻原子核的作用,外层电子共有化。同时由于泡利不相容原理,这些本来分属独立原子的电子不能占据同一能级,于是孤立原子能级分裂成大量相距很近的准连续能级。

2)半导体(1)本征半导体:纯净无杂质的半导体。(2)杂质半导体:在纯净的半导体中掺入微量杂质就会显著地改变半导体的特性,得到杂质半导体。杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。

3)PN结

PN结是P型半导体和N型半导体在交界处由于扩散形成的电偶层,具有单向导电性。

10.超导体(1)超导的电磁学性质:零电阻、迈斯纳效应。零