超导电现象chaodaodian xianxiang

在足够低的温度下，某些物质电阻率突然变为零的现象。1911年荷兰物理学家昂纳斯(H. Kamerlingh Onnes)首次发现了这一现象。1908年昂纳斯成功地液化了氦气，从而获得了4. 2K以下的低温区，并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。三年后，他发现当温度降低到4. 2K附近时，纯水银(Hg)的电阻率突然下降到零，而且电阻率的这一突变集中发生在极窄小的范围(10^-2K的数量级)。除了纯水银外，含有杂质的水银，甚至水银和锡的合金也具有这种性质。
具有超导电性的物质称为超导体。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。对于超导体，存在一个超导转变温度（又称为临界温度）Tc。当温度降低到Tc时，超导体发生自正常态（电阻率不为零的状态）到超导态（电阻率为零的状态）的转变。当温度高于Tc时，超导体处于正常态；而当温度低于Tc时，超导体处于超导态，呈现超导电性。某些超导体的Tc约在10^-2K到23K之间，如下表：

这么低的临界温度限制了超导体的应用。1987年，发现了一类以钇—钡—铜—氧为代表的高温超导体，其临界温度在液氮温度以上，因而具有很高的应用价值。关于高温超导体的实验和理论方面的研究已成了当今世界上最热门的课题。温度在临界温度以下，可以用外磁场破坏超导电性，使超导体恢复到正常状态。破坏超导电性所必需的最小磁场称为超导临界磁场Hc。所以，为了保持超导电性，外磁场必须小于HC。临界磁场是温度的函数。对于第Ⅱ类超导体，存在下临界磁场H_C1和上临界磁场HC2。流过超导体的电流不能超过某一量值，否则超导态也被破坏，使超导体转变到正常态。这一电流值称为临界电流。超导体的最显著的基本特征是零电阻性。一旦超导体处于超导态，其直流电阻率等于零。这一性质已被许多实验所证实。1963年费埃耳(J. File)和密耳斯(R. G. Mills)非常精确地研究了用超导线绕制的螺线管内的超导电流，结论是超导电流的衰变时间不减于10万年。这表明处于超导态的超导体确实是没有直流电阻的。超导体的另一个基本特征是完全抗磁性。处于超导态的超导体表现为一理想抗磁体，体内磁场处处为零。这一现象是迈斯纳(W.Meissner)和奥森菲尔德(R. Ochenfeld)在1933年发现的，称为迈斯纳效应。当超导体发生由正常态到超导态的转变时，超导体的晶体点阵不变，但热容量发生显著的变化。这表明，在发生超导态转变时，电子的运动发生了根本性的变化。对于元素超导体而言，临界温度T_c依赖于同位素质量M，这一现象称为同位素效应，是由麦克斯韦(E. Maxwell)、雷诺(C. A. Raynold)和席林(B.Serin)于1950年首先发现的。他们测量了水银同位素的T^c，得出的结果可用公式表示为

MuTc=常数

式中α大约等于0.5，与元素种类有关，但变化极小。上式对其他的元素超导体也成立。α的理论值为0.5。这一现象说明，M→∞对应于晶格振动的消失，而此时Tc→0，即没有超导电性。由此可知，电子与晶格振的相互作用是产生超导电性的根本原因。