Teori superconductivity • James Trefil, Encyclopedia "Dua ratus undang-undang alam semesta"

Teori superconductivity

Superconductivity adalah sesuatu yang pelik dan, sedikit sebanyak, malah bertentangan dengan akal sehat. Apabila arus elektrik mengalir melalui dawai biasa, maka akibat rintangan elektrik dawai, arus melakukan beberapa kerja yang bertujuan untuk mengatasi rintangan ini dari sisi atom, sebagai hasil daripada haba yang dihasilkan. Pada masa yang sama, setiap perlanggaran sebuah elektron – pembawa arus semasa – dengan atom melambatkan elektron, dan brek atom memanaskan pada masa yang sama – inilah sebab mengapa plat panas di hotplate menjadi merah dan panas. Fakta adalah bahawa lingkaran mempunyai elektrik rintangan, dan akibatnya, apabila arus elektrik mengalir melaluinya, ia mengeluarkan tenaga terma (lihat Undang-undang Ohm).

Pada tahun 1911, ahli fizik eksperimen Belanda, Heike Kamerling Onnes (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) membuat penemuan hebat. Setelah merendam wayar dalam helium cair, suhu yang tidak lebih daripada 4 ° di atas sifar mutlak (yang, kita ingat, ialah -273 ° C pada Celsius atau -460 ° F pada Fahrenheit), dia mendapati bahawa pada suhu ultralow rintangan elektrik jatuh hampir kepada sifar.Mengapa ini berlaku, dia, sebenarnya, tidak dapat meneka, tetapi fakta itu jelas. Pada suhu ultralow, elektron tidak dapat mengalami daya tahan dari atom-atom dari kisi kristal logam dan disediakan superkonduktiviti

Tetapi kenapa semua ini berlaku? Ini adalah rahsia sehingga tahun 1957, ketika tiga ahli fizik percubaan – John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (Leon Cooper, lahir 1930), dan John Robert Schrieffer (John Robert Schrieffer, lahir 1931) penjelasan untuk kesan ini. Teori superconductivity kini dipanggil "teori BCS" dalam penghormatan mereka – mengikut huruf pertama nama-nama ahli fizik ini.

Dan intinya terletak pada hakikat bahawa pada suhu ultra rendah atom logam berat praktikal tidak turun naik kerana pergerakan haba rendah mereka, dan mereka boleh dianggap secara praktikal bergerak. Oleh kerana sebarang logam mempunyai sifat konduktif elektrik yang melekat dalam logam sahaja, ia melepaskan elektron lapisan luar menjadi "bebas terapung" (lihat Bon bahan kimia), kita mempunyai apa yang kita ada: nukleus, nukleus bercas positif kisi kristal dan elektron bercas negatif, bebas "terapung" di antara mereka. Dan di sini konduktor berada di bawah tindakan perbezaan potensi elektrik.Elektron – sama ada willy atau nilly – bergerak, menjadi percuma, antara nukleus bercas positif. Setiap kali, bagaimanapun, mereka dengan licin berinteraksi dengan nukleus (dan antara satu sama lain), tetapi kemudian "lari". Walau bagaimanapun, pada masa yang sama, sementara elektron "tergelincir" di antara dua nukleus bercas positif, mereka "mengalihkan perhatian" mereka kepada diri mereka sendiri. Akibatnya, selepas elektron "tergelincir" di antara dua nukleus, mereka semakin dekat untuk masa yang singkat. Kemudian kedua-dua nukleus, sudah tentu, secara beransur-ansur menyimpang, tetapi perkara itu dilakukan – potensi positif telah muncul, dan semua elektron bercas negatif baru tertarik kepadanya. Perkara yang paling penting di sini ialah untuk memahami: disebabkan oleh satu elektron yang "terselip" di antara atom-atom, maka ia menghasilkan keadaan tenaga yang menggalakkan untuk mempromosikan elektron lain. Akibatnya, elektron diangkut secara berpasangan dalam struktur atom-kristal – mereka tidak dapat melakukan sebaliknya, kerana ini tidak berfaedah untuk mereka. Untuk lebih memahami kesan ini, anda boleh menarik analogi dari dunia sukan. Penunggang basikal di trek sering menggunakan taktik "merangka" (iaitu, "menggantung pada ekor" lawan) dan, dengan itu, mengurangkan rintangan udara.Elektron melakukan perkara yang sama, membentuk Pasangan berkembar.

Adalah penting untuk memahami bahawa pada suhu yang sangat rendah semua orang elektron membentuk pasangan Cooper. Sekarang bayangkan bahawa setiap pasangan itu adalah satu bundle seperti bihun, di setiap hujungnya terdapat elektron caj. Sekarang bayangkan bahawa di hadapan anda adalah semangkuk penuh "mi" seperti: ia terdiri sepenuhnya dari pasangan Cooper yang saling berkaitan antara satu sama lain. Dalam erti kata lain, elektron dalam logam superconducting berinteraksi dalam pasangan dengan satu sama lain, dan semua tenaga mereka dibelanjakan untuk ini. Oleh itu, elektron semata-mata tidak mempunyai tenaga untuk berinteraksi dengan nukleus atom-atom dari kisi kristal. Akibatnya, ia datang kepada fakta bahawa elektron melambatkan begitu banyak sehingga mereka tidak mempunyai apa-apa lagi kehilangan (energik), dan nuklei di sekeliling mereka "menyejukkan" begitu banyak sehingga mereka tidak lagi dapat "melambatkan" elektron bebas. Akibatnya, elektron mula bergerak di antara atom-atom logam, secara praktikalnya tidak kehilangan tenaga akibat perlanggaran dengan atom-atom, dan rintangan elektrik superkonduktor bergegas ke sifar. Untuk penemuan dan penjelasan mengenai kesan superkonduktiviti, Bardeen, Cooper dan Schrieffer menerima Hadiah Nobel pada tahun 1972.

Ramai tahun telah berlalu sejak itu, dan superkonduktiviti dari kategori fenomena yang unik dan makmal-makhluk telah berubah menjadi fakta yang umumnya diiktiraf dan sumber berbilion ringgit dalam pendapatan untuk industri elektronik. Dan perkara itu ialah apa-apa arus elektrik merangsang medan magnet di sekelilingnya (lihat Hukum Faraday induksi elektromagnetik). Oleh kerana superconductors untuk masa yang lama menjalankan arus dengan hampir tidak ada kerugian, jika dikekalkan pada suhu yang sangat rendah, mereka adalah bahan yang ideal untuk pembuatan elektromagnet. Dan, jika anda pernah menjalani prosedur diagnostik perubatan yang dipanggil tomografi elektron dan dilakukan pada pengimbas menggunakan prinsip resonans magnetik nuklear (NMR), maka anda sendiri, mungkin tidak menyedari, berada dalam beberapa sentimeter dari superconducting electromagnets . Mereka mencipta medan yang membolehkan para doktor mendapatkan imej ketepatan tinggi tisu-tisu tubuh manusia di bahagian itu tanpa perlu menggunakan pisau bedah itu.

Superkonduktor moden mengekalkan sifat unik mereka apabila dipanaskan sehingga suhu pesanan 20K (dua puluh darjah di atas sifar mutlak).Untuk masa yang lama, ini dianggap sebagai had suhu superkonduktiviti. Walau bagaimanapun, pada tahun 1986, pekerja-pekerja makmal Swiss dari syarikat komputer IBM, Georg Bednorz (Georg Bednorz, 1950) dan Alexander Müller (Alexander Müller, 1927) menemui aloi, yang sifat superconductingnya dikekalkan pada 30K. Hari ini, sains mengetahui bahan-bahan yang kekal superkonduktor walaupun pada 160K (iaitu, di bawah -100 ° C). Dalam kes ini, teori yang diterima umum akan menjelaskan kelas ini superkonduktiviti suhu tinggi, belum dicipta, tetapi jelas sekali bahawa mustahil untuk menjelaskannya dalam rangka teori BCS. Penggunaan superkonduktor suhu tinggi praktikal hari ini tidak dijumpai kerana kos tinggi dan kerapuhan yang melampau, tetapi pembangunan ke arah ini terus berlaku.

John bardine
John Bardeen, 1908-91

Ahli fizik Amerika, salah seorang daripada dua penerima hadiah Nobel. Dilahirkan di Madison, Wisconsin, dalam keluarga profesor patologi. Dididik di Universiti Madison dan Princeton. Semasa rehat antara tahun pertama dan tahun pengajiannya, beliau bekerja selama beberapa tahun di syarikat minyak Gulf Oil sebagai prospek seismologi untuk deposit minyak.Semasa Perang Dunia Kedua, beliau berkhidmat di Makmal Angkatan Laut Tentera Laut Amerika Syarikat di Washington, selepas perang yang dia bekerja di makmal radio Bell syarikat telefon, di mana dia mengarang penciptaan transistor, yang pada tahun 1956 ia dianugerahkan Hadiah Nobel pertama dalam Fizik. Selepas ini, Bardin menjadi profesor di University of Illinois, di mana dia mula mengembangkan teori BCS, yang bersama-sama dengan pengarang bersama, pada tahun 1972 menerima Hadiah Nobel untuk kali kedua.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: