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第12章 当代物理前沿
第12章 当代物理前沿 ;;现代物理学的内容是极其广泛的,其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙,其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。物理学取得的成就是极为辉煌的,它本身以及它对各个自然学科、工程技术部门的相互作用深刻地影响着人类对自然的基本认识和人类的社会生活。今天的物理学是一门充满生机和活力的科学,它对当代以及未来的高新科技的进步和相关产业的建立和发展提供了巨大的推动力。而且,近三四十年来的一些物理学研究的重要成果在现代科技中已属于非常基本的内容,了解这些内容已成为培养21世纪人才的基本科学素养的一部分。本章仅就超导、纳米、光纤、声学、激光、原子能六个当代物理前沿专题作一介绍,以拓展同学们的知识面与视野。;12.1 超导电性;我们知道,自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻,电阻存在,使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想:找到没有电阻的导体材料,则电流经过时不受阻力,没有热损耗,那就具有很高的应用价值。这一梦想于1911年由荷兰科学家卡末林—昂纳斯(H.K.Onnes,1853-1926)发现汞的超导现象而实现!
超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪末,低温技术获得了显著的进展。1877年氧气被首先液化,液化温度90K,随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。1898年杜瓦(J.Dewar)第一次把氢气变成液氢,液化温度为20K,他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年, 卡末林—昂纳斯液化了最后一个“永久气体”——氦气,获得4K的低温,这是当时所能达到的最低温度,为在极低温条件下探索各种物质的物理性质创造了必要条件,当然也为三年后卡末林—昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。图12—1就是超导电性的发现者卡末林—昂纳斯。
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图12-1超导电性的发现者卡末林.昂纳斯;12.1.1超导体的基本性质;;;2.完全抗磁性;;;3存在临界磁场
前面我们已经知道了当温度高于临界温度时,超导态被破坏而变成正常态,即有电阻的状态。通过实验还发现,超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下,当外加磁场强度小于某一临界值时,超导电性可以保持;当外磁场超过某一数值的时候,超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明:对一定的超导体,临界磁场是温度的函数,达到临界温度了时,临界磁场为零。;
4.存在临界电流
实验还表明,如果在不加磁场的情况下.在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性,为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流 。在临界温度下,临界电流为零。
;5.同位素效应
超导体的临界温度 与其同位素质量 有关。 越大, 越低,这称为同位素效应。 与 有近似关系: =常数。;12.1.2 高温超导体; 1986年以前,人们发现周期表中相当一部分元素在各种不同的条件下出现超导电性,超导体种类繁多。40年代初,人们发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌NbN,其Tc=15K。50年代以后,又发现了多种高临界温度超导材料,如V3Si、Nb3Ge等,此间超导临界温度纪录一直在缓慢地提高。直到1973年,在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高临界转变温度纪录。此后该纪录再未被打破,一直到1986年柏诺兹(J.G.Bednorz,1950-)和缪勒(K .A .Muller,1927-)首次发现LaBaCuO(镧钡铜氧化物)陶瓷材料中存在35K的超导转变,为超导体的研究开辟了崭新的道路,将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。陶瓷材料在常温下一般是绝缘体,在低温下一下子变成了超导体,大大出乎人们的意料,改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。中国科学院物理研究所、美国休斯敦大学和日本东京大学的科学工作者重复了Bednorz和Muller的结果,并用Sr置换Ba,将提高到40~50K。1987年,中国科学院宣布,由赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧化物(YBaCuO)的提高到92.8K以上,从而实现了转变温度在液氮温区的突破。虽然新型超导体的转变温度还远没有达到室温,但在液氮温区实现超导也是极大的飞跃。由于液氮与液氦相比,价格便宜100倍,冷却效率高63倍,且氮十分安全,故大大扩展了超导的应用前景,使沉闷了半个多世纪的超导界一下子变得气氛活跃起来。为此,柏诺兹和缪勒共同获得诺贝尔物理学奖。
;12.1.3BCS 理论 ;12.1.4 超导材料的应用;1.超导材料在强电方面的应用
在超导电性被发现后首先应用于制作导线,目前最常用的制造超导导线的材料是传统超导体Nb—Ti(铌钛合金)与Nb3Sn合金,现在已能大规模生产。在l T
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