正文 第十七章 量子物理(二)(3 / 3)

(2)盡量采用比較、對照法對於抽象的東西,如果直接去;形容它,往往事倍而功半,不妨試用一個比較熟悉的東西與之對照,指出它們之間的區別與聯係,這樣更容易被學習者接-受。在本章教學中可以比較對照一下如:經典波-概率波;光子-實物粒子-舊量子論一新量子論;軌道-波函數;定態非定態氫原子結構一多電子原子結構;概率-概率密度,這些概念的區別與聯係,有時可以收到意想不到的效果。

(3)正視抽象釋念和抽象方法為了如實反映量子力學的本來麵目,不應回避必要的數學理過程。要明確告訴學生;波函數就是從薛定諤方程中求解出來的,有些課題至今沒有精確解,是因為求解太複雜。量子力學中重要的概念波函數,至今數學概念,沒有找到直接可以形容它的物理概念。即便是:原子結構的形象表征——電子雲圖,其數學意義也優於物理意義。近代物理學的抽象特征恰恰說明了這樣一個真理:客觀物質世界絕不是依賴我們的主觀感覺而存在的。對於微觀世界,不能憑借我們在宏觀世界中的經驗去認識,正如對於高速運動體係,不能根據我們在低速運動中的經驗去理解一樣。

(4)理論解釋基本線索教材內容隻能一段一段地講授,但其中的有機聯係如何?這對於整體性地把握知識至關重要。如有的學生學過本章後竟得出:“量子力學的基礎是波爾理論。”這樣一個錯誤結論,就是沒有理順知識線索的表現。為此,試將本章主要理論線索。讀者可自行填入相產公式。

17.5參閱內容

超導體簡介

1911年,荷蘭物理學,家卡末林昂尼斯發現在溫度低於4.2K時,水銀的電阻突然下降為零,這就是超導性。具有超導性的材料稱為超導體。電阻突然消失的溫度稱為超導體的臨界溫度。實際上,超導體從正常態到超導態的過渡是在一個溫度區間內完成的超導體在正常態時,阻值溫度的變化為直線關係,阻值開始偏離直線的溫度為T起,阻值為正常電阻的一半時的溫度,阻值從對應的溫度區間為轉變寬度Δt,電阻下降到零的溫度稱為零電阻溫度。金屬元素超導體的ΔT=2.0x103K左右,陶瓷類型超導體的ΔT=2K左右。

超導體的基本特性之一是完全導電性。若把超導體製成環狀,利用電磁感應使其中產生一個電流,由於在r。以下溫度時的電阻為零,則這個電流在環中經久不衰。柯林斯曾使超導環中的電流持續了約兩年半之久而未發現電流有明顯變化。持久電流產生的磁通也經久不變,稱為凍結磁通。超導環中的磁通是量子化的,其最小單位是磁通量子。

超導體的另一基本特性:是完全抗磁性,即邁斯納效應。一塊超導體置於磁場中,然後溫度冷卻到以下,原來存於超導體中的磁通被排出,超導體內部的磁感應強度。

對超導體的完全抗磁性阿卡迪也夫曾作過懸浮磁體實驗:當一個小的永久磁體降落到超導體表麵上時,由於磁通.線不能進入超導體,在磁體與超導體之間存在的斥力可以克服小磁體重力,使之懸浮在超導體表麵附近。

足夠強的磁場會破壞超導性,使超導體由超導態轉變為正常態所需的磁場強度稱為臨界磁場,是溫度的函數。流過超導體的電流可以產生磁場,當電流超過一定值I時,超導電性被破壞,稱為臨界電流。

自1911年發現超導電性以來,超導電的起因一直為人們所關注。直到本世紀五十年代才由三位美國物理學家巴丁(Bardeen)、庫柏(Cooper)、和施瑞弗解決了,即稱之為BCS理論。BCS理論認為超導電流的載流子是兩兩電子凝聚成的電子對,即庫柏對。兩電子在庫柏對的尺寸內有吸引作用,不能分開而作整體運動。庫柏對的尺寸比原子間尺寸大得多。因此,庫柏對是互相重疊的。晶格的振動不能幹擾庫柏對的整體運動,因為幹擾相當於拆開電子對,而需要一定能量,對每個電子即需要A的能隙所對應的能量。當了時,熱振動能量比A小,不能拆開庫柏對,因此超導體表現為零電阻。

低溫是發現、研究和應用超導體必不可少的條件。目前,理想的致冷劑是液氮,它來源豐富,易於貯存,在一個大氣壓下的沸點是HK。1986年以前,超導材料均為金屬材料,其T。提高緩慢,從1911年的4.2K提高到1986年前的23.2K花去了75年的中間。1986年初以來,由於陶瓷類型的新型超導材料的發明,有了大幅度提高,進入了液氮溫區。1987年中國科學院物理所已製成起始超導轉變溫度高於100K的新超導材料。目前,我國在製造高溫度轉變新超導材料方麵已處於國際領先行列。

由於新型超導材料的發明和不斷進展,使得超導理論的應用和超導材料技術的應用將涉及許多科技領域:電力工程、電子技術、地質天文、生物醫學、國防軍事等。如,磁流體發電機、超導磁體、超導磁懸浮列車、超導計算機等提前成為現實。而約瑟夫森效應的發現及對其研究,又更加超導理論和超導技術所波及的領域。

當兩塊超導體被一薄層絕緣體隔開時,超導體中的正常電子可以有一定幾率從一個金屬過渡到另一個金屬,這稱為正常電子的隧道效應。1962年,約瑟夫森提出當絕緣層厚度小於1cm,時不僅正常電子可以穿過絕緣肩,而且庫柏對也可以穿過絕緣層這稱為超導電子隧道效應,亦為約瑟夫森效應。這種隧道結,稱為約瑟夫森結。庫柏對穿過隧道結而使之具有超導電性,結的直流電阻為零,這稱為直流約瑟夫森效應。當電流超過某一臨界電流時,直流效應破壞,這時電流由正常電子提供,而隧道結上有電壓。

當有外加磁通穿過約瑟夫森結時,臨界電流與中呈周期性變化,周期為磁通量子,此現象稱為超導量子衍射現象,若在結上加上電壓U,則結中有交變電流頻率,這稱為交流效應。

兩個約瑟夫森結用超導體構成閉合環路,則流過兩個結的總臨界電流是環中磁通的周期函數,這稱為超導量子幹涉器。

約瑟夫森效應的一係列新奇的物理現象,引起不少物理學家的興趣,並投入研究,使得該效應的物理內容與應用領域得到較快地發展逐漸形成了一門新興的學科——超導量子電子學。