Metallien suprajohtavuus, Heike Kamerling-Onnesin löytö

Ensimmäinen, joka törmäsi suprajohtavuusilmiöön Heike Kamerling Onnes — Hollantilainen fyysikko ja kemisti. Ilmiön havaitsemisvuosi oli 1911. Ja jo vuonna 1913 tiedemies saa fysiikan Nobel-palkinnon tutkimuksestaan.

Suorittaessaan tutkimusta elohopean sähköresistanssista erittäin alhaisissa lämpötiloissa, hän halusi määrittää, mihin tasoon aineen sähkövirran vastus voisi laskea, jos se puhdistetaan epäpuhtauksista, ja vähentää mahdollisimman paljon sitä, mitä voidaan nimeltään. » lämpökohina «, eli alentaa näiden aineiden lämpötilaa. Tulokset olivat odottamattomia ja hämmästyttäviä. Alle 4,15 K lämpötiloissa elohopean vastus katosi yhtäkkiä kokonaan!

Alla on kaavio siitä, mitä Onnes havaitsi.

Siihen aikaan tiede tiesi jo ainakin sen verran metallien virta on elektronien virtaa, jotka ovat erotettuja atomeistaan ​​ja jotka, kuten varautunut kaasu, kuljettavat pois sähkökentän vaikutuksesta.Se on kuin tuuli, kun ilma siirtyy korkeapaineiselta alueelta matalapainealueelle. Vasta nyt virran tapauksessa ilman sijasta on vapaita elektroneja ja langan päiden välinen potentiaaliero on analoginen paine-eron kanssa ilmaesimerkissä.

Dielektrikissä tämä on mahdotonta, koska elektronit ovat tiukasti sidottu atomeihinsa ja niitä on erittäin vaikea repiä pois paikaltaan. Ja vaikka metalleissa virran muodostavat elektronit liikkuvat suhteellisen vapaasti, ne törmäävät silloin tällöin värähtelevien atomien muodossa oleviin esteisiin ja syntyy eräänlaista kitkaa ns. sähköinen vastus.

Mutta erittäin alhaisessa lämpötilassa se alkaa näkyä suprajohtavuus, kitkailmiö katoaa jostain syystä, johtimen vastus putoaa nollaan, mikä tarkoittaa, että elektronit liikkuvat täysin vapaasti, esteettä. Mutta miten tämä on mahdollista?

Löytääkseen vastauksen tähän kysymykseen fyysikot ovat käyttäneet vuosikymmeniä tutkimukseen. Ja vielä nykyäänkin tavallisia johtoja kutsutaan "normaaleiksi" johtoiksi nollaresistanssin tilassa olevia johtimia kutsutaan "suprajohtimiksi".

On syytä huomata, että vaikka tavalliset johtimet vähentävät vastustaan ​​lämpötilan laskeessa, kuparista, jopa useiden kelvinien lämpötilassa, ei tule suprajohdetta ja elohopea, lyijy ja alumiini tekevät, mutta niiden resistanssi on vähintään sata biljoonaa. kertaa pienempi kuin kupari samoissa olosuhteissa.

On syytä huomata, että Onnes ei esittänyt perusteettomia väitteitä siitä, että elohopean resistanssi olisi virran kulkiessa tasan nolla, eikä se yksinkertaisesti pudonnut niin paljon, että sen mittaaminen aikalailla oli mahdotonta.

Hän teki kokeen, jossa nestemäiseen heliumiin upotetun suprajohtavan kelan virta jatkoi kiertämistä koko ajan, kunnes henki haihtui. Kompassin neula, joka seurasi kelan magneettikenttää, ei poikennut ollenkaan! Vuonna 1950 tämän kaltainen tarkempi koe kestää puolitoista vuotta, eikä virta heikkene millään tavalla niin pitkästä ajanjaksosta huolimatta.

Aluksi tiedetään, että metallin sähkövastus riippuu merkittävästi lämpötilasta, voit rakentaa tällaisen kaavion kuparille.

Mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän atomit värähtelevät Mitä enemmän atomit värähtelevät, sitä merkittävämpi este niistä tulee virran muodostavien elektronien tiellä. Jos metallin lämpötila laskee, sen vastus pienenee ja lähestyy tiettyä jäännösresistanssia R0. Ja tämä jäännösvastus, kuten kävi ilmi, riippuu näytteen koostumuksesta ja "täydellisyydestä".

Tosiasia on, että viat ja epäpuhtaudet löytyvät kaikista metallinäytteestä. Tämä riippuvuus kiinnosti ihmisiä ennen kaikkea vuonna 1911, alun perin hän ei pyrkinyt suprajohtavuuteen, vaan halusi vain saavuttaa johtimen sellaisen taajuuden kuin mahdollista minimoidakseen sen jäännösresistanssin.

Niinä vuosina elohopea oli helpompi puhdistaa, joten tutkija törmäsi siihen vahingossa, vaikka platina, kulta ja kupari ovat tavallisissa lämpötiloissa parempia johtimia kuin elohopea, niiden puhdistaminen on vain vaikeampaa.

Kun lämpötila laskee, suprajohtava tila syntyy äkillisesti tietyllä hetkellä, kun lämpötila saavuttaa tietyn kriittisen tason. Tätä lämpötilaa kutsutaan kriittiseksi, kun lämpötila laskee vieläkin alemmas, vastus putoaa jyrkästi nollaan.

Mitä puhtaampi näyte, sitä terävämpi pudotus, ja puhtaimmissa näytteissä tämä pudotus tapahtuu alle sadasosan välein, mutta mitä saastuneempi näyte, sitä pidempi pudotus ja saavuttaa kymmeniä asteita, tämä on erityisesti havaittavissa sisään korkean lämpötilan suprajohteet.

Näytteen kriittinen lämpötila mitataan jyrkän pudotuksen väliltä ja se on jokaiselle aineelle yksilöllinen: elohopealla 4,15 K, niobiumilla 9,2 K, alumiinilla 1,18 K jne. Seokset ovat erillinen tarina, niiden suprajohtavuuden havaitsi myöhemmin Onnes: elohopea kullan kanssa ja elohopea tinalla olivat ensimmäiset hänen löytämänsä suprajohtavat seokset.

Kuten edellä mainittiin, tiedemies suoritti jäähdytyksen nestemäisellä heliumilla. Onnes muuten hankki nestemäistä heliumia omalla menetelmällään, joka kehitettiin omassa erityislaboratoriossaan, joka perustettiin kolme vuotta ennen suprajohtavuusilmiön löytämistä.

Ymmärtääkseen hieman suprajohtavuuden fysiikkaa, joka tapahtuu näytteen kriittisessä lämpötilassa niin, että vastus putoaa nollaan, on mainittava vaihemuutos… Normaalitila, kun metallilla on normaali sähkövastus, on normaalivaihe. Suprajohtava vaihe — Tämä on tila, jolloin metallilla on nollaresistanssi. Tämä vaihemuutos tapahtuu välittömästi kriittisen lämpötilan jälkeen.

Miksi vaihemuutos tapahtuu? Alku "normaalissa" tilassa elektronit viihtyvät atomeissaan, ja kun virta kulkee tässä tilassa olevan johdon läpi, lähteen energia kuluu pakottamaan jotkut elektronit jättämään atomejaan ja alkamaan liikkua sähkökenttää pitkin. vaikka kohtaavatkin tiellään välkkyviä esteitä.

Kun lanka jäähdytetään kriittisen lämpötilan alapuolelle ja samalla muodostuu virta sen läpi, elektronien (energiasuotuisa, energiahalpa) on helpompi olla tässä virrassa ja palata alkuperäiseen. "normaali" tila, olisi tässä tapauksessa tarpeen saada jostain lisäenergiaa, mutta se ei tule mistään. Siksi suprajohtava tila on niin vakaa, että aine ei voi poistua siitä, ellei sitä lämmitetä uudelleen.

Katso myös:Meissner-ilmiö ja sen käyttö