Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Если скорость течения и меньше критической, то образование квантовых вихревых колец еще не происходит и наблюдается сверхтекучесть. Если же скорость течения превосходит критическую (хотя бы и остается меньше верхнего предела, даваемого теорией Ландау), то сверхтекучее течение Не П становится неустойчивым к образованию квантовых вихревых колец. Квантовые вихревые кольца, возникающие в сверхтекучем компоненте Не П, могут обмениваться энергией и импульсом с квазичастицами нормального компонента, чго приводит к появлению трения между этими компонентами и к исчезновению сверхтекучести. 7. Рассмотрим коротко вопрос о сверхтекучести зНе. Атом "Не содержит нечетное число нуклонов (два протона и один нейтрон) и четное число (2) электронов.
Каждая нз этих частиц обладаег спинам 1/2. Поэтому спин атома э~Не во всяком случае полуцелый, так что атомы 3 зНе подчиняются статистике Ферми — Дирака. В этом отношении они отличаются от атомов ~~~Не, для которых спин целый, а статистика Бозе-Эйнштейна. Образование конденсата и появление сверхтекучести З80 Некоторые микроскопические квантовые явления (Гл. ч'П возможны только в системах частиц с бозе-эйнштейновской статистикой. Поэтому сначала казалось, что сверхтекучесть ~~Не невозможна. Это мнение изменилось в 1974 г. после создания теории сверхпроводимости (см.
з 62). Дело в том, что между атомами ~~Не действуют силы притяжения Ван-дер-Ваальса, которые на больших расстояниях убывают обратно пропорционально седьмой степени расстояния. При наличии таких сил атомам зэНе энергетически выгодно кооперироваться в пары, что и проявляется при достаточно низких температурах. Спин такой пары всегда целый.
Поэтому пары подчиняются с*птистике Бозе — Эйнштейна, и можно ожидать появления сверхтекучести у э~Не. Действительно, сверхтекучесть ззНс была открыта в 1974 г. Она обнаруживается при температуре ниже 0,00265 К (при давлении около 34 атм). При уменьшении давления до 21 атм температура перехода жидко~о э~Не в сверхтекучее состояние понижается до 0,0024 К. 8. В заключение остановимся на возможности макроскопических квантовых явлений у водорода, аналогичных сверхтекучести. Квантовое поведение гелия, в частности свойство оставаться жидким вблизи абсолютного нуля, существенно обусловлено нулевыми колебаниями. Массы атомов и молекул водорода еще меньше, чем масса атома гелия, а потому у водорода нулевые колебания еще сильнее. С другой стороны, атом водорода состоит из двух частиц (протона и электрона), спин каждой из которых равен 1/2, а потому ов является бозе-частицей.
Молекула водорода также бозе- еастица. Казалось бы, что и водород вблизи абсолютного нуля температуры должен обладать сверхтекучестью. В действительности газ двухатомного водорода, хотя и обладает некоторыми квантовыми свойствами, но при охлаждении сжижается, а вблизи абсолютного нуля становится твердым. Г!ричина этого в том, что частицы водорода взаимодействуют меоесду собой. В частности, гомеополярные химические силы, действующие между атомами, приводя г к образованию связанного состояния молекулы водорода Нз.
А между молекулами водорода в свою очередь действуют силы, значительно превосходящие силы взаимодейсгвия между симметричными инертными атомами гелия. Однако следует принять во внимание, что силы взаимодействия нейтральных атомов водорода между собой на некотором расстоянии, превосходящем какое-то определенное значение, являются силами притяжения только в том случае, когда спины электронов атомов антипараллельиы (синглстное состояние). Если же спины электронов атомов водорода пара лелычы (триплетное состояние), то силы взаимодействия всегда отталкивательные. В этом случае образование молекулы невозможно (см.
~ 50). Однако можно получить атомарный водород, все атомы которого имеют параллельные спины. Тогда молекулы образовываться не будут. Для этого на диссоциированный водород надо воздействовать сильным ( 10 Гс) и резко неоднородным магнитным полем. Тогда произойдет пространственное разделение атомов с противоположно направленными спинами, подобно тому как это имеет место в классических опытах Штерна и Герлаха. При этом надо иметь в виду, что магнитный момент й 62) Понятие о теории свсрхпровод мости 381 ядра (протона) примерно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому силой, действующей со стороны магнитного поля на ядро, можно полностью пренебречь по сравнению с силой, действующей на электрон. Такой метод получения атомарного водорода с одинаково ориентированными спинами электронов был применен голландскими физиками Сильвера и Валравеном в Амстердаме (1980 г.). Экспериментальные трудности, которые удалось им преодолеть, очень значительны, но о них мы говорить не будем.
Теоретически можно ожидать, что такой атомарный водород будет оствваться газообразным вблизи абсолютного нуля, не переходя даже в жидкое состояние. Указанным физикам удалось сохранить газ в атомарном состоянии в течение нескольких часов при предельно низкой температуре в сильном магнитном поле. Атомарный водород оставался газообразным вплоть до 0,08 К вЂ” низшей температуры,при которой производились исследования. 8 62.
Понятие о теории сверхпроводимости 1. Прежде чем читать настоящий параграф, необходимо обратиться к 2 80 т. 111, где были приведены основные опытные факты о сверхпроводимости и истории открьггия этого явления. Здесь будет дано краткое представление о теории сверхпроводимости, в той мере, как это возможно сделать в рамках общего курса физики. После создания теории сверхтекучести естественно было думать, что сверхпроводимость является сверхтекучестью «электронной жидкостил, образованной валентными электронами в металле.
Эта правильная мысль встретила, однако, серьезное затруднение. Электроны имеют спин 1/2. На их состояния наложен запрет Паули, а потому они подчиняются статистике Ферми †Дира,т.с.являются фермионами. Напротив, на атомы зНе, с которыми имеет дело теория сверхтекучести, запрет Паули не распространяется, поскольку спин этих атомов целочисленный. В отличие от электронов, атомы зНе 4 подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, т.е. являются бозонами.
С этим связано глубокое различие между основными состояниями атомов ~~Не и электронов. В частности, для атомов ~~Не имеет место бозе-эйнштейновская конденсация, а для электронов., казалось бы, это явление невозможно. 2. Важным моментом на пути преодоления указанной трудности оказалось открытие иэотопичсского эффекта., экспериментально обнаруженного в 1950 г, на изотопах ртути и олова. Этот эффект наблюдается у чистых сверхпроводников, имеющих несколько изотопов.
Оказалось, что для кристаллических решеток, построенных из различных изотопов одного и того же элемента, выполняется соотношение Т лгМ = С = сопв1. Здесь ҄— критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние, а М -- массовое число атомов, из которых построена кристаллическая решетка. Постоянная С одинакова для всех изотопов элемента, меняясь при переходе от одного элемента к другому. Но масса М определяет частоту колебаний решетки, 382 Некоторые макроекоаичеекие квантовые явления (Гл. УП ео ~Т/М.
Поэтому изотопический эффект заставляет ожидать, что сверхпроводимость обусловлена взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решетки. На это указывает также то обстоятельство, что сверхпроводимость не обнаружена у чистых металлов с хорошей проводимостью (сюда относятся, например, элементы первой группы периодической системы Ь|, Ма, К, Сп, Ай, Аи). Дело в том, что у хороших проводников велика длина свободного пробега электронов, обусловленная их взаимодействием с кристаллической решеткой. Это значит, что взаимодействие электронов с колебаниями решетки слабое. У плохих проводников, наоборот, длина свободного пробега электронов мала, т. е. взаимодействие электронов с колебаниями решетки сильное, а это, согласно ожиданию, как раз и требуется для возникновения сверхпроводимости. Открытие изотопнческого эффекта позволило выбрать правильное направление в построении микроскопической теории сверхпроводимости.
Начало было положено в 1950 г. Фрелихом (р. 1905), теоретически предсказавшим изотопический эффект практически одновременно с его экспериментальным обнаружением. После основополагающей работы Купера (р. 1930) последовательная микроскопическая теория сверхпроводимости была создана в 1957 г. Бардином (р.
1908), Купером и Шрнфферол1 (р. 1931). По имени авторов она сокращенно называется теорией БКШ. Более совершенный метод в теории сверхпроводимости был разработан Н.Н. Боголюбовым примерно в то же время. Предсказание Купера о спаривании электронов (см. ниже п. 4) позволило Боголюбову распространить и развить метод, предложенный им ранее в теории сверхтекучести. Другой метод в теории сверхпроводимости был разработан Л.
П. Горьковым (р. 1929) и Намбу (р. 192Ц. 3. Колебания кристаллической решетки, как известно, квантованы и могут рассматриваться как квазичастицы — фононы. Электроны проводимости в металле могут нопрерывно обмениваться фононами. Один электрон излучает, а другой поглощает фонон. Эти фононы называются виртуальными, так как они существуют в течение короткого времени жизни, а поэтому их энергия не фиксирована, а удовлетворяет принципу неопределенности время энергия. Это позволяет не принимать во внимание закон сохранения энергии во время процесса взаимодействия виртуального фонона с электроном.
Электрон, излучивший виртуальный фонон, испытывает отдачу, т.е. меняет свой импульс. Импульс другого электрона, поглотившего тот же фонон, также изменяется. Явление происходит так, как если бы между электронами, помимо кулоновского отталкивания, существовало дополнительное взаимодействие. Это дополнительное взаимодейсгвие может проявиться в притяжении или отталкивании электронов. Следующая классическая аналогия может служить иллюстрацией эгого эффекта. Два конькобежца на льду непрерывно перекидывают друг другу мяч.
Из-за отдачи между ними возникает отталкивание. Но оно может перейти в притяжение, если мяч заменить бумерангом. Для этого конькобежцы должны встать спиной друг к другу и каждый 3 62) Понятие о теории сверхпровод мости 383 из них должен бросать бумеранг в сторону, противоположную своему партнеру. Поведение бумеранга, конечно, определяется воздушной средой, в которой он летит. В случае фонона роль такой среды играет кристаллическая решетка. 4. В теории металлов, развитой Блохом (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
