Сверхпроводимость
Эта теория основывается на том, что электроны в сверхпроводнике объединяются в пары, взаимодействуя через кристаллическую решетку. Они тесно связаны между собой, так что разорвать пару и разобщить электроны чрезвычайно трудно. Такие мощные связи позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла, помогая друг другу.
Теперь рассмотрим механизм притяжения электронов. Как известно одноименные заряды отталкиваются. Но если они находятся в какой-либо среде, то она оказывает влияние на взаимодействие зарядов и даже может изменять его знак. Ведь по закону Кулона сила взаимодействия равна: 
Значит, если среда такова что ее диэлектрическая проницаемость отрицательна, то одноименные заряды будут притягиваться. В сверхпроводнике роль такой среды играет кристаллическая решетка. Когда “первый” электрон пролетает мимо положительно заряженных ионов, он вызывает своеобразную деформацию решетки. Электрон притягивает к себе окружающие положительные ионы, то есть поляризует кристаллическую решетку. Поляризация означает скопление положительного заряда вблизи поляризующего электрона. “Второй” электрон, естественно притягивается к области с избытком положительных ионов, а, следовательно, и к “первому” электрону. “Первый” электрон как бы окутывается облаком положительного заряда, и к этому облаку притягивается “второй” электрон.
Таким образом, как утверждает теория, электрон может возбудить колебания кристаллической решетки проводника, которая в свою очередь воздействует на этот электрон, и на любой другой электрон. Такое взаимодействие может привести к парному согласованию движения электронов, то есть вопреки кулоновскому отталкиванию электроны могут оказаться связанными друг с другом. Такие пары называются куперовскими парами по имени Леона Купера, впервые показавшего, что сверхпроводимость в металлах связана с образованием электронных пар.
Следует отметить, что притяжение относится лишь к той части электронов, которые ответственны за электропроводность, то есть свободным электронам. Оказалось также, что не всякие два электрона способны притягиваться. Одним из основных элементов модели Купера было утверждение, что пару могут создавать только то электроны, у которых импульсы равны по величине и противоположны по направлению, то есть полный импульс пары равен нулю.
Не следует также думать, что спаренные электроны образуют единое целое. Размер пары относительно большой – порядка 10-6 м. В этом объеме размещается огромное число связанных пар, так что понятие изолированной пары теряет смысл. При очень низких температурах это в высшей степени координированное состояние электронов осуществляется самопроизвольно, потому что выигрыш в энергии превышает потери (потери связанны с тем, что свободные электроны могут утрачивать свою свободу). Вот почему сверхпроводящее состояние устойчиво и для его разрушения необходимо приложить немалую энергию (тепловую, магнитную, электрическую).
Движение электронных пар.
Итак, пару электронов можно рассмотреть как новую частицу. Рассмотрим их поведение внутри кристалла. Пространственное перекрытие огромного числа пар приводит к строгой взаимной согласованности, корреляции их движения. Пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны в нормальном металле. В отсутствие внешнего поля все пары вследствие полной корреляции имеют импульс равный нулю, так как образованы электронами с равными по модулю и противоположными по направлению импульсами. Если поместить совокупность куперовских пар в электрическое поле, то пары будут ускоряться, то есть получать импульс. Но и этот импульс для всех пар должен быть одинаковым.
Возникновение тока не нарушает корреляцию пар: они движется в одном направлении, с одной скоростью. Но при этом поведение пар отличается от поведения обычных электронов. В обычном состоянии электроны оседают на положительно заряженных атомах, теряют энергию при столкновениях, что и обуславливает наличие сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, рассеиваться на решетке не могут. Например, “отскакивание” одного из членов пары в сторону при столкновении с атомом компенсируется действиями его “партнера”, то есть суммарный импульс остается неизменным. Не рассеиваясь на решетке, спаренные электроны могут двигаться сквозь решетку кристалла без всякого сопротивления.
Конечные температуры.
Итак, в проводнике имеется два вида электронов: обычные и сверхпроводящие (входящие в куперовскую пару). Соотношение между ними зависит от энергии тела. С уменьшением энергии количество обычных электронов уменьшается, а количество куперовских пар увеличивается. При абсолютном нуле будет существовать совершенный конденсат, охватывающий все электроны. С повышением температуры тепловое возбуждение достигнет критического значения, и его энергии будет достаточно, чтобы разрушить пары. Образовавшиеся несвязанные электроны становятся мощной разрушающей силой, которая уничтожает оставшиеся электронные пары. Они “портят” механизм притяжения между электронами и тем самым ослабляют силы связи в парах. При дальнейшем увеличении температуры разрушение пар приобретает катастрофический характер, и выше некоторой температуры уже ни одна пара существовать не может. Теория “БКШ” дала очень важный количественный результат – формулу для критической температуры: Тк = 1.14×h×ν×e
Здесь h×ν – средняя энергия взаимодействия электронов в паре, е = 2.7,а g – постоянная, определяющая силу притяжения между электронами. Расчеты говорят о том, что критическая температура не может превосходить 30…40 К.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
Как видно, малость критической температуры зависит от структуры кристаллической решётки, т.к. она выполняет роль посредника в спаривании электронов. Возникает вопрос, а нельзя ли найти другого посредника, другую среду, которая обеспечивала бы более сильное межэлектронное притяжение, тем самым повышая и критическую температуру.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8