《超导体》

出处：按学科分类—综合性图书 湖北人民出版社《青年读书辞典》第575页（1765字）

【着者】：

章开源着。本书是中国物理学会编辑的《物理学基础知识丛书》中的一种，旨在普及有关超导的知识，推动我国超导体的研究，其对象主要是具有中等以上文化程度的读者。鉴于本书属普及基础知识的科普读物，因此作者采用了定性分析的方法，从超导体的发现和特性、超导理论的发展、超导体的种类和应用以及尚待探索的问题等方面对超导作了全面介绍。超导现象是1911年被卡末林·昂尼斯教授领导的荷兰莱登实验室的科学家们发现的。他们在进行气体液化的实验中从液氦里获得了4．25K～1．15K的低温，进而在低温下观察金属的导电率(电阻的倒数)时，发现在4．2K附近时水银的电阻突然消失了。这种具有特殊电性质的物态被定名为“超导态”；电阻发生突然变化的温度被称为超导临界温度(T_c)。这个神奇的发现，从此把人们引入物质世界一个未知的崭新天地。书中写道：1933年迈斯纳和奥赫森菲尔德对围绕球形导体(单晶锡)的磁场分布进行了研究，他们在精心的实验观测中发现，与完全导体内“磁场不随时间变化”的性质不同，无论过渡到超导态的途径如何，只要T＜T_c，超导体内的磁感应强度B总是为零，即超导体具有完全的抗磁性，它不是“完全导体”。这一特性被称为“迈斯纳效应”。“零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个独立的基本性质”；当超导体温度T＞T_c时会使超导态遭受破坏。而当T＜T_c时，若外磁场强度H超过临界磁场强度H_c，或超导体内电流I超过临界电流I_c，超导态也将被破坏，而且H_c和I_c是与超导体温度有关的量。这也是超导体的一些特性。作者认为，为加快超导研究和应用的步伐，正确解释超导现象的本质是个关键。本书用主要篇幅就超导理论中的“二流体”模型、BCS超导微观理论、第1类超导体(当外磁场由H＜H_c过渡到H＞H_c时，超导体由迈斯纳态变成正常态)和第2类超导体(当外磁场H在H_c1～H_c2之间变化时，超导体为混合态)等问题作了较为详细的说明。此外，“超导隧道结”中也包含有超导体的一些重要特性。作者利用BCS理论中的超导基态、费米能E_F、超导能隙、库珀电子对等概念就NIS结(正常金属、绝缘层、超导体)和SIS结(超导体、绝缘层、超导体)中的电子隧穿效应进行了十分有益的论述。超导体的应用是人们普遍关心的问题，本书从两个方面对超导体的应用作了介绍。一是利用其零电阻特性制造超导磁体，以获取体积小、重量轻、耗电省的强大磁场。例如，采用超导磁体的环形加速器使体积缩小、粒子速度提高；采用磁流体(MHD)发电，可使一般火电厂的热利用率从40%提高到60%(美苏合制的U－25B磁流体发电装置已于1977年向莫斯科电网供电)；利用超导磁体产生的“磁笼”可使轻原子的等离子体在高温(约为10⁸K)和高密度(约为10¹⁵／厘米³)条件下被约束一段时间，以实现受控热核反应(前苏联已建成采用超导磁体的“托卡马克－7号”装置)。此外，超导磁悬浮列车、超导电机和超导送电也将给社会带来巨大效益。二是关于超导隧道效应方面的。超导隧道效应对电磁波探测、电压基准监视、磁场测量和电子计算机硬件的革命性进步具有极大的价值。例如，根据约瑟夫森隧道效应制成的超导量子干涉仪(SQUID)可探查极微弱的磁感应强度(分辨率为10^－11高斯)，以致可以测量人体心跳时的磁场变化和脑电磁波的发射；美国IBM公司利用约瑟夫森结制成的电子计算机元件，其状态跃迁速度达到10^－11秒数量级，这将为生产最快速的计算机奠定基础。现在除一些高科技领域外，超导体一直未被普遍应用，这主要是因为目前超导材料的T_c都太低。铌－锗合金(Nb₃Ge)的T_c最高(T_c=23．2K)，但达到这一温度还存在技术上的困难。实际用得最多的铌－锡合金(Nb₃Sn，T_c=18．1K)。应用超导材料都离不开昂贵的液氦设备。如果能在液态的氢、氮、氧(T_c分别为20K、77．3K和90．3K)中，或者在常温下实现超导，将引起超导应用的根本变革。因此，设法提高超导体的转变温度T_c，成了当代科技领域中非常活跃的一个研究课题。人们正寄希望于具有低压稳定性和超导电性的金属氢的出现，并期待从生物超导现象中得到有关“超导”本质的新启示。在本书结束之前，作者坚信，超导物理学的未来，一定会由“年青的人们”去开创。