超导。科学发现的历史和本质

超导。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

即使在古代，人们也注意到物质的聚集状态取决于外部条件。最引人注目和说明性的例子是水变成冰和蒸汽的过程。气体（氨）于 1792 年由荷兰物理学家 M. van Marum 首次液化。迈克尔法拉第，从 1823 年开始，一次将几种气体转化为液态：氯气、二氧化硫和二氧化碳。

这个过程并不困难，因为中间气体在相当高的温度下液化。真正的气体是另一回事。他们花了五十多年才设法将它们转化为液态。 1877 年，R. Pictet 和 L. Calete 获得了液氧和液氮。在工业规模上，德国工程师 K. Linde 仅在 1895 年才进行空气液化。

现在看来，按照已经制定好的方案，很容易将任何其他气体转化为液态。但它不在那里。事实上，绝大多数气体在膨胀过程中都会冷却。然而，顽固的氢、氖和氦表现得“不诚实”——它们在膨胀时会升温。

十九世纪末找到了一条出路。原来，要想获得液态氢和液态氦，只需要将它们预冷到相对较低的温度即可。

克拉科夫的 Olshevsky、荷兰的 Kamerling-Onnes 和英国的杜瓦同时试图获得液态氢。杜瓦赢得了这场比赛：10 年 1898 月 20 日，他获得了 14 立方厘米的液态氢。几个月后，他设法获得了固体氢。它与绝对零仅相差 XNUMX 度。

才华横溢的头脑、出色的实验手艺和出色的博学帮助詹姆斯杜瓦成为低温技术的先驱之一。值得注意的是，这个词本身（来自希腊语“kryos”——冷）和著名的“杜瓦瓶”都属于他。

但氦固执地拒绝屈服。直到 9 年 1908 月 1853 日，莱顿大学的 Heike Kamerling-Onnes 博士（1926-29 年）才将氦液化的消息传来。他用系统对抗杜瓦的直觉和技巧，具有伟大组织者的能力。 XNUMX岁就任主任的莱顿著名的Kamerling-Onnes实验室被称为XNUMX世纪研究所的第一个典范。

R. Bakhtamov 写道：“在实验结束时，Kamerling-Onnes 试图获得固体氦气。”“他失败了。他后来失败了，当他达到 1,38 开氏度，然后是 1,04 开尔文时。原因奇怪的现象，然而，他强迫自己退后一步并继续计划计划的下一个点 - 研究金属在氦气温度下的特性。

Onnes 测量了金、铂的电阻并吸收了汞。然后惊喜开始了。 28 年 1911 月 27 日，他向荷兰皇家学院报告说，水银的电阻已经达到了如此低的值，以至于“仪器没有检测到它”。 XNUMX月XNUMX日，消息澄清：水银的电阻不是逐渐下降，而是急剧下降，急剧下降，可以说是“电阻消失”。

在 1913 年 11 月发表的一篇文章中，Onnes 首次使用了“超导”一词。再过50年，他就会开始对这种奇怪的现象有所了解。 XNUMX 年后，这一现象将得到解释，尽管绝非完全解释。 Onnes 多次观察到另一种相当奇怪的现象 - 异常高的氦迁移率。但这已经很不自然了，以至于昂内斯甚至都没有试图去理解什么。

他继续他的路线，越来越接近绝对零。本质上，他使用了一种方法：为了降低液氦的蒸气压，他安装了越来越强大的泵。最终，Onnes 达到了 0,83 开尔文度。这似乎是极限。然而，在 1926 年 1956 月 - Kamerling-Onnes 去世两个月后 - 美国教授 Latimer 发展了加拿大人 William Gioka 的想法，提出了一种新的冷却方法 - 磁性。 0,00001 年，牛津大学的弗朗西斯·西蒙获得了 XNUMX 开尔文的温度，仅比绝对零高出十万分之一度。”

令人惊讶的是，在氦气液化仅 XNUMX 年后，尽管进行了数千次实验，但其最奇异的特性超流动性被发现了。但是有一天，一群加拿大科学家仍然敢于给出描述，坚决不下结论。 “关于一种新现象的正确结论，”他们指出，“即使对于一年级学生来说也不难。但只有成熟和有经验的物理学家才会认真地假设液体的热导率突然增加数百万倍。”

1938年初，《自然》发表了两篇文章。其中一个属于一位苏联科学家 PL 卡皮察，另一个是剑桥大学的 Allen 和 Mizenar。他们的结果和结论是一致的：液氦的流动几乎完全没有粘性。 Kapitsa 拥有“超流”这个词，这个词已经被普遍接受。引人注目的是，氦原子和金属的自由电子以相同的方式表现。这一发现使得将两种现象联系起来成为可能：导体中电子流的超导性和超流动性。

超导是在本世纪初发现的，但直到 1957 年，巴丁、库珀和施里弗才能够通过构建以他们的名字命名的理论（BCS 理论）对超导现象给出令人满意的解释。

“超导体中会发生什么？”雷格在他的书中问道，“这个问题的完整答案是漫长而复杂的。通常情况下，两个电子在真空中相互排斥，但在金属中，原子核的正电荷会屏蔽电子带负电荷，排斥力几乎可以完全消失。

在某些情况下，晶格会在电子周围收缩，从而产生一团正电荷云，包围该电子并吸引其他电子。结果是电子之间有轻微的吸引力。由于这种吸引力很弱，它只会导致电子成对移动；因此，有一种类似于化学键的键，但比化学键弱数千倍。因此，库珀对类似于“双电子”分子，向超导状态的转变可以被认为是电子气转变为由这种“分子”组成的气体。化学中也会出现类似的现象：例如，如果双原子氧被加热，它会分解成单个原子，冷却后可以重新组合。

在金属中运动的电子气凝结成库珀对的液体，我们称之为“冷凝液”。这样一对原子的半径约为 300 埃，远大于相邻原子之间的距离（几埃）。在库珀对的海洋中，很难想象比对本身更短的涟漪或波浪。因此，尺寸不超过十埃的晶格不均匀性并不代表凝结水流动的障碍，并且不会发生能量损失。这是超导性的主要原因。”

仍然很难想象这一发现的所有后果。超导效应已经成功应用于日本高速磁悬浮列车。 R. Bakhtamov 写道：“具有独特特性的超导磁系统已经被创造出来并且正在发挥作用。”例如，洛克希德公司制造了一个重 85 公斤并产生 15 奥斯特磁场的电磁体。

最大场强30-40万奥斯特、尺寸约4米的超导磁体已经在欧美多个加速器实验室工作，场强达170万奥斯特的磁体已经制造出来。

目前正在努力制造最大的电机——带有超导励磁系统的涡轮发电机和水力发电机。

超导体为计算机的创造开辟了全新的可能性。超导系统中的电流是一种理想的存储设备，能够存储大量数据并以惊人的速度发布......

已经获得了在 18-20 开尔文温度下仍保持超导性的合金。创造一种在至少 100 开尔文温度下具有特性的物质将导致电气工程领域的一场革命。现代科学认为，这项任务是真实的，其解决方案的后果将用一个词来定义——奇妙。

作者：萨明 D.K.

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