Номер 3, страница 146 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

3. Как объяснить явление сверхпроводимости?

Явление сверхпроводимости — это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения, называемого критической температурой ($T_c$). Это чисто квантовое явление, которое не может быть объяснено с помощью классической физики.

Микроскопический механизм (Теория БКШ)

Общепринятое объяснение для так называемых "традиционных" сверхпроводников даёт теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), созданная в 1957 году.

1. Образование куперовских пар. Главная идея теории БКШ заключается в том, что при температурах ниже критической ($T < T_c$) электроны проводимости перестают быть независимыми и объединяются в пары, называемые куперовскими парами.

2. Роль фононов. Это спаривание происходит не напрямую, а через взаимодействие с кристаллической решёткой. Электрон, движущийся в кристалле, притягивает к себе положительно заряженные ионы решётки, создавая локальную деформацию — область с повышенной концентрацией положительного заряда. Эта область, в свою очередь, притягивает другой электрон. Такое косвенное притяжение через кванты колебаний решётки (фононы) оказывается сильнее, чем прямое кулоновское отталкивание двух электронов.

Ответ: Сверхпроводимость объясняется тем, что при низких температурах электроны объединяются в куперовские пары благодаря взаимодействию с колебаниями кристаллической решётки (фононами).

Квантовая природа и нулевое сопротивление

1. Бозе-конденсация. Куперовская пара состоит из двух электронов с противоположными спинами, поэтому её суммарный спин равен нулю. Частицы с целым спином являются бозонами. В отличие от электронов (фермионов), которые подчиняются принципу Паули и не могут занимать одно и то же квантовое состояние, бозоны могут "конденсироваться" все вместе в одном состоянии с наименьшей энергией. При $T < T_c$ все куперовские пары образуют единый квантовый ансамбль — бозе-конденсат.

2. Энергетическая щель. Этот ансамбль пар движется по проводнику как единое целое. Чтобы возникло электрическое сопротивление, необходимо, чтобы носитель тока рассеялся, то есть потерял энергию, например, при столкновении с дефектом решётки. Однако в сверхпроводящем состоянии существует энергетическая щель ($ \Delta $) — минимальная энергия, которую нужно сообщить системе, чтобы разрушить куперовскую пару и перевести её в возбуждённое состояние. При низких температурах энергия тепловых колебаний и дефектов решётки недостаточна, чтобы преодолеть эту щель. В результате ансамбль куперовских пар движется без рассеяния и потерь энергии.

3. Эффект Мейснера. Кроме нулевого сопротивления, сверхпроводники характеризуются эффектом Мейснера — полным выталкиванием магнитного поля из своего объёма, что доказывает, что сверхпроводимость является не просто идеальной проводимостью, а особым термодинамическим состоянием вещества.

Ответ: Нулевое сопротивление возникает потому, что куперовские пары являются бозонами, образующими единый квантовый конденсат, который движется без рассеяния. Для рассеяния (и появления сопротивления) необходимо разрушить пару, что требует энергии, большей чем энергетическая щель, которой нет у дефектов решётки при низких температурах.