Единое окно доступа к образовательным ресурсам

"Сверхпроводимость электричества" как понятие о сверхъестественном явлении, тогда как в действительности, оно есть метастабильное сверхдианамагничивание веществ

Голосов: 2

Выполнен анализ основных экспериментов, их интерпретаций и множества теорий так называемой "сверхпроводимости электрического тока" в металлах и других твердых телах при низких (криогенных) температурах. Показана ошибочность представлений о "сверхпроводимости". Доказывается, что явление, названное Камерлинг-Онессом сверхпроводимостью, не является таковым и оно не обусловлено невероятной сверхтекучестью электронов в теле. Утверждается, что обнаруженное К-Онессом явление есть метастабильная диаполяризация электронной структуры атомов и, как следствие этого, сверхдианамагниченность всего тела. Изложена оригинальная модель микроскопической теории сверхмагнетизма. Разрабатываемый автором подход к созданию новой теории сверхдианамагничиваемости веществ при низких закритических температурах представляется более адекватным физической природе этого явления, что очевидно позволит решить многие принципиальные вопросы науки и практики использования сверхдиамагнетизма в технике будущего. Для инженерно-технических, научных работников, аспирантов и студентов, занимающихся или интересующихся проблемами физики и технологий производства новой техники.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    система атомов находится в возбужденном состоянии – атомы
совершают колебания около положений равновесия. Далее следу-
ет такое: «Энергия кристалла будет суммой энергий квантовых
осцилляторов. Каждый из осцилляторов при этом может нахо-
диться в каком-либо из возбужденных состояний. Вместо того,
чтобы говорить об осцилляторе в n-ом возбужденном состоянии,
можно рассматривать n колебательных квантов. Эти кванты –
фононы – соответствуют звуковым волнам, подобно световым
квантам – фотонам, представляющим волны света. Таким обра-
зом, состояние системы характеризуется совокупностью длинно-
волновых звуковых квантов – фононов. Фононы обладают энер-
гией, которая линейно связана с импульсом (точнее, «квазиим-
пульсом»). Используя представление о фононах, можно объяс-
нить все свойства твердых тел при низких температурах... Каж-
дое элементарное возбуждение ведет себя подобно некоторой
квазичастице, способной двигаться сквозь тело. Оно обладает оп-
ределенной энергией и импульсом» [64, стр. 10-11].
     Прежде чем продолжить цитирование источника [64], оста-
новимся на изложенных началах теории сверхтекучести. В при-
веденной цитате есть несколько недопустимых подменов поня-
тий. Колебание атомов кристалла подменено термином «осцил-
ляторы», а последнее колебательными квантами. Эти кванты пе-
реименованы в фононы, которые подобны квазичастице, способ-
ной двигаться сквозь тело. Так колебания (возбуждения) атомов
превращаются в квазичастицы, обладающие собственной энерги-
ей Е и импульсом Р. И почему-то такая изначально запутанная
теория «может объяснить все свойства твердых тел при низких
температурах». Странно и бездоказательно все это. И еще. Поче-
му собственно все вышеприведенные в теории рассуждения о
фононах твердого тела с необыкновенной легкостью перенесли
на жидкий гелий II, как будто эти агрегатные состояния идентич-
ны, не имеют принципиальных различий. Различие есть хотя бы в
том, что атомы твердого тела имеют точки или «положения рав-
новесия», а атомы жидкости, тем более сверхтекучей жидкости,
такого «положения равновесия» не имеют, и поэтому очевидно в
жидкостях нет придуманных в теории фононов.
     Но продолжим цитирование из монографии [64]. Читаем:
«Малым импульсам соответствуют длинноволновые возбужде-

                              41


ния, которые, как очевидно, в жидкости являются просто про-
дольными звуковыми колебаниями. Таким образом, соответст-
вующие элементарные возбуждения представляют собой звуко-
вые кванты – фононы. Энергия фононов Е является линейной
функцией импульса Р:
                             Е=С⋅Р,
где С – скорость звука. ... Дело в том, что одних фононов оказа-
лось недостаточно для объяснения температурной зависимости и
абсолютной величины таких характеристик, как, например, теп-
лоемкость. Как легко видеть, элементарные возбуждения с энер-
гией вблизи минимума... будут давать конкурирующий с фоно-
нами вклад во все термодинамические величины. Соответствую-
щие возбуждения были названы ротонами».
      И далее, «Концепция элементарных возбуждений предпола-
гает, что количество их невелико, так что энергия их взаимодей-
ствия между собой невелика по сравнению с собственной энерги-
ей. В этом случае газ элементарных возбуждений может рассмат-
риваться как идеальный газ. ... При возбуждении жидкости фоно-
ны и ротоны могут появляться поодиночке. ... Фононный и ро-
тонный газы описываются в равновесии ... функциями статистики
Бозе. ... При температурах порядка 1,7-1,8ºК и ниже в гелии фо-
нонный и ротонный газы можно считать идеальными» [64, стр.
12, 13]. Так возмущения, колебания атомов решетки чудесным
образом поэтапно превращаются в фононный и ротонный иде-
альные газы. При этом остается все же не понятным то как эти,
ниоткуда появляющиеся при температурах 1-2ºК, газы связаны с
атомами самой сверхтекучей жидкости гелия II. Что сверхтечет
гелий II или мистические фононный и ротонный газы в нем? По-
иск ответа на данное недопонимание приводит к мысли о том,
что материальный гелий II опять-таки подменяется надуманными
фононными и ротонными идеальными газами. Вот такая теория
сверхтекучести перенесена с некоторыми дополнениями и изме-
нениями на явление «сверхпроводимости». Не случайно, поэтому
на неприменимость теории возмущений для описания свойств
«сверхпроводников» впервые указал в 1951 г. физик М. Шафрот,
указавший в частности, что эта теория не может объяснить эф-
фект Мейсснера ни в каком конечном порядке теории возмуще-


                               42


ний. К аналогичному выводу пришел в 1960 г. физик-теоретик
А.Б. Мигдал, показавший, что в рамках теории возмущений в
системе электронов нет энергетической щели для объяснения
эффекта Джозефсона [22].
     Еще «в 1933 г. К.Я. Гортер и Х. Казимир предполагали
двухжидкостную модель сверхпроводящего состояния электро-
нов проводимости металлов, в соответствии с которой при пере-
ходе в сверхпроводящее состояние не все электроны становятся
сразу сверхтекучими, а только часть их, зависящая от температу-
ры. В соответствии с моделью Гортера – Казимира в сверхпро-
воднике при температурах ниже критической существуют как бы
две электронные жидкости – нормальная (N) и сверхпроводящая
(S), определяющие все необычные свойства сверхпроводника.
Соотношение между плотностями (количеством) этих электрон-
ных компонент изменяется с температурой. Во многих случаях
двухжидкостная модель оказывается полезной для качественного
анализа» утверждается в работе [24]. При таком представлении о
двухжидкостной электронной «сверхпроводимости» электросо-
противление не должно было становиться нулевым за счет про-
хождения по проводнику части электронов нормальной проводи-
мости, т.е. с сопротивлением их движению.
     Почти двадцать пять лет спустя после К.Я. Гортера и Х. Ка-
зимира несколько иную двухжидкостную теорию «сверхпрово-
димости» развили в 1957 г. американские ученые Дж. Бардин,
Л. Купер и Дж. Р. Шриффер, ставшие позднее лауреатами Нобе-
левской премии. Их теория получила аббревиатуру БКШ. В осно-
ву математического обоснования теории БКШ положены методы,
развитые нашим соотечественником Н.Н. Боголюбовым.
     Дж. Р. Шриффер в обстоятельной монографии [68] написал,
что «в сверхпроводящем состоянии конечная доля электронов
сконцентрирована в «макромолекулу» («сверхтекучую жид-
кость»), распространенную на весь объем системы и способную к
движению как целое. При нулевой температуре конденсация яв-
ляется полной, и все электроны участвуют в формировании этой
сверхтекучей жидкости... При увеличении температуры часть
электронов «испаряется» из конденсата и образует слабо воздей-
ствующий газ возбуждений (или «нормальную жидкость»), кото-
рый также распространяется на весь объем системы; нормальная

                              43


и сверхпроводящая компоненты при этом проникают друг в дру-
га. Когда температура приближается к критическому значению
Тс, доля электронов, остающихся в сверхтекучей жидкости, стре-
мится к нулю, и система претерпевает фазовый переход второго
рода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Эта двух-
жидкостная картина, описывающая свойства сверхпроводника,
формально аналогична картине, характеризующей сверхтекучий
Не4, хотя между этими системами и имеются важные различия».
      Далее читаем, что «микроскопическую теорию сверхпрово-
димости, предложенную Бардиным, Купером и автором, можно
изложить на языке подобной двухжидкостной картины. В первом
приближении сверхтекучая жидкость образована из электронных
пар, связанных силами поляризации решетки. Эти пары сильно
перекрываются в пространстве... Согласно теории, нормальная
жидкость образована газом элементарных возбуждений системы»
и т.д.
      Приведем здесь только некоторые суждения о теории БКШ.
      1. «Микроскопическая теория Бардина–Купера–Шриффера
(теория БКШ) утверждает, что сверхпроводимость металлов обу-
словлена образованием связанных состояний электронных пар.
Как же может возникнуть притяжение между такими двумя оди-
наково заряженными частицами, как электроны в металле? Тео-
рия БКШ объясняет этот феномен взаимодействием электронов с
решеткой. Однако соответствующие вычисления не основывают-
ся на наглядных физических представлениях» [44, стр. 61-62].
      2. «К сожалению, теория БКШ не отвечает на вопрос почему
не все металлы являются сверхпроводниками, и она не может
предсказать сверхпроводящие свойства того или иного металла
или сплава. Константа электрон-фононного воздействия V, вхо-
дящая в основное уравнение энергии конденсации пар, не опре-
делена через известные микроскопические параметры металла и
остается неизвестной» [24].
      К настоящему времени известно несколько модификаций
теории БКШ. Считается, что результаты физико-математической
части теории БКШ получаются гораздо проще с помощью теории
Гинзбурга- Ландау и отличаются численными значениями коэф-
фициентов.


                              44


      Наконец следует упомянуть о выдвигавшемся в 1980 г. рас-
смотрение «сверхпроводимости» в обобщенной модели «желе»
[14].
      В качестве выводов из вышеизложенной информации мож-
но констатировать, что ни одна из предлагавшихся моделей
(микроскопических теорий) «сверхпроводимости» не является
удовлетворительной и приемлемой. Те разнообразные понимания
«сверхпроводимости», которые были и есть, исходят из навязчи-
вой идеи (априорного постулата) о том, что в «сверхпроводнике»
электроны в любом виде и состоянии должны непременно куда-
то течь, перемещаться и в обычном проводнике, и (по аналогии) в
«сверхпроводнике», тогда как многие факты противоречат этому
представлению. Поэтому возникает устойчивое альтернативное
умозаключение о том, что электроны атомов не текут внутри и
вдоль проводника или спиралеобразно, а с ними происходит в
атомах нечто другое. Во всех микроскопических теориях прово-
димости и «сверхпроводимости» электроны, хоть и взаимодейст-
вуют со своими атомами, но существуют в проводнике самостоя-
тельно, свободно, вне своих атомов и как вторая субстанция. Все
же наиболее вероятно, что это не так, что все электроны находят-
ся внутри своих атомов и, следовательно, не движутся, не текут
впереди или за электромагнитным полем, распространяющимся
по проводнику, а только передают его под действием соответст-
вующего полевого напряжения.

    2.3. Феноменологическое (макроскопическое) описание
            «электрической сверхпроводимости»

     Феноменологизм ( от греч. феномен, явление) – методологи-
ческий подход, принцип познания, согласно которому теория
имеет дело только с явлением (феноменом) как таковым, как «не-
посредственно данным», наблюдаемым, а не с его сущностью, не
с «вещью в себе», которая в такой теории остается скрытой и не-
познанной до конца. Феноменологическая теория создается на
основе умозрительных представлений о фактах (свойствах) явле-
ния, на предположениях (постулатах), принимаемых в качестве
фактов. Такая теория, не касающаяся сущности (внутренней при-
роды) описываемого явления, носит общий, макроскопический

                               45


подход. Но, как известно, «сущность является, а явление есть реа-
лизация сущности». Поэтому, в частности, научно обоснованная
физическая теория должно сочетать в себе две взаимосвязанных
части – микроскопическое и макроскопическое (феноменологи-
ческое) описание исследуемого явления.
      Первым основополагющим постулатом всех известных фе-
номенологических теорий «сверхпроводимости» является апри-
орное утверждение о том, что в «сверхпроводнике» самопроиз-
вольно перемещаются электроны и этим образуют незатухающий
электрический ток. Такое утверждение не является реальным
фактом; оно не подтверждено прямыми измерениями или наблю-
дениями за потоком электронов и поэтому не может приниматься
в качестве объективной предпосылки для логического создания
феноменологической теории «сверхпроводимости». Эксперимен-
тально наблюдаемым фактом является незатухающее магнитное
поле «сверхпроводника». Из этого и следует исходить.
      Другие постулаты (исходные предпосылки, условия) фено-
менологических теорий также вызывают сомнения в их адекват-
ности. Обратимся к этим теориям.
      Первую феноменологическую теорию «сверхпроводимости»
предложили в 1935 г. братья Ф. Лондон и Г. Лондон. Считается,
что в своей теории Лондоны предерживались «двухжидкостной»
модели «сверхпроводника», предложенной ранее К.Я. Гортнером
и Х. Казимиром. По этой модели в «сверхпроводнике» якобы су-
ществуют электроны двух типов – «нормальные» электроны про-
водимости с концепцией nn(Т) и «сверхпроводящие» с концен-
трацией ns(Т). Полная концентрация электронов n = nn + ns. Кон-
центрация «сверхпроводящих» электронов убывает с ростом
температуры и обращается в нуль при Т=Ткр, а при Т→0 она
стремится к полной плотности электронов n. Сверхпроводящий
ток обеспечивается незатухающим движением сверхпроводящих
электронов, а нормальные при этом ведут себя обычным образом
[29, стр. 27]. Странно, что здесь, и во многих других источниках,
как бы доказательством «сверхпроводимости» являются слова:
«Сверхпроводящий ток обеспечивается незатухающим движени-
ем сверхпроводящих электронов». Это же логическая тавтология



                               46


– тривиальная логическая ошибка в определении или в доказа-
тельстве «чего-либо через то же самое».
      Судя по учебной литературе, в теории Лондонов часть при-
знаваемой ими нормальной проводимости электронов в реальном
«сверхпроводнике» почему-то не учитывалась. Теория абстраги-
рована от своей микроскопической модели. В противном случае
общее сопротивление двухжидкостному току электронов в
«сверхпроводнике» должно быть больше нуля, т.е. R≠0, а в тео-
рии постулируется, что R=0. В этом состоит существенное внут-
реннее противоречие теории Лондонов.
      Можно прочитать, что Ф. Лондон в результате «напряжен-
ных размышлений» над странностью эффекта Майсснера, выдви-
нул следующее предположение: в сверхпроводнике под действи-
ем внешнего магнитного поля возникает «жесткая» упорядочен-
ная волновая функция сверхпроводящих электронов, что и обес-
печивает сверхпроводимость [24]. «Согласно теории Ф. и Г. Лон-
донов сверхпроводимость является следствием «жесткости» вол-
новой функции электронов по отношению к внешнему магнит-
ному полю, а сам сверхпроводник как бы представляет собой
«один большой диамагнитный атом» [69]. Предположения о по-
токе электронов (J≠0), об отсутствии электросопротивления в
«сверхпроводнике» (R=0), и о полном его диамагнетизме были
заложены Лондонами в преобразования формул классической
электродинамики и «это стало основой для дальнейшего развития
электродинамики сверхпроводников… Физик-теоретик Фриц
Лондон первый указал, что для объяснения эффекта Мейссернера
и существования постоянных сохраняющихся токов в сверхпро-
водящих кольцах необходимо предположить, что между электро-
нами в сверхпроводнике имеется какая-то дальнодействующая
связь и их движение оказывается скоординированным» [65, стр.
10]. «Ф. Лондон выдвинул… диамагнитную гипотезу, в которой
сверхпроводник рассматривается как гигантский атом с большим
числом электронов… В каждой макроскопической теории име-
ются какие-либо необъясненные предпосылки. Так, в теории Ф.
Лондона и Г. Лондона остается неясным происхождение основ-
ных уравнений» [67, стр. 274-275].



                              47


      При анализе любой теории на ее правильность надо исхо-
дить из законов формальной логики, по которым, если основопо-
лагающие утверждения не верны, то последующие теоретические
построения (силлогизмы) и умозаключения не могут быть истин-
ными. По такой причине теория Лондонов оказалась ошибочной,
но ее все же многократно и практически малоэффектно пытались
улучшать, «модернизировать».
      Наиболее основательной переработке подверглась теория
Лондонов в работах академиков В.Л. Гинзбурга и Л.Д. Ландау.
Они в 1950 г. опубликовали (при отсутствии ясности в природе
возникновения сверхпроводящего состояния [24]) свою феноме-
нологическую теорию «сверхпроводимости» электронов, учиты-
вающую «сверхтекучесть квантовых электронов», факт фазового
перехода второго рода проводника в «сверхпроводящее» состоя-
ние, практически те же электрофизические постулаты и тезис о
«жесткости» волновой функции Ψ движущихся в металле элек-
                      2
тронов, приняв, что ψ равняется плотности «сверхпроводящих»
носителей зарядов ns. При этом отмечается, что ограничивающим
условием применимости теории Гинзбурга-Ландау является бли-
зость температуры образца к критической [29, стр. 34].
      «В теории Гинзбурга и Ландау не выяснен смысл функции
Ψ и связь ее с истинными волновыми функциями электронов в
металле и не объяснена связь основных параметров α и β с мик-
роскопическими характеристиками сверхпроводников (так, в ча-
стности, ничем не обоснована необходимость увеличения χ (диа-
магнитной восприимчивости) с ростом количества примесей в
металле)» [67, стр. 274]. Существуют и другие замечания к тео-
рии Гинзбурга-Ландау.
      С целью дальнейшего развития феноменологической части
теории «сверхпроводимости» в 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и
Дж. Шриффер (США) предложили более последовательную тео-
рию. В основу математического обоснования теории Бардина-
Купера-Шриффера (БКШ) положены методы, разработанные со-
ветским физиком-теоретиком и математиком Н.Н. Боголюбовым
[24]. В теории БКШ обобщены результаты теоретических иссле-
дований их предшественников.


                              48


     В теории БКШ собраны всевозможные допущения, гипоте-
зы и предположения, которые, как было показано выше, далеки
от истины. Эта теория кое-что по-своему и иллюзорно объясняет,
но не может ничего предсказать, что, по-видимому, свидетельст-
вует о ее несостоятельности. Однако Дж. Бардин, Л. Купер и Дж.
Р. Шриффер за свою теорию «сверхпроводимости» получили Но-
белевскую премию.
     После создания теории БКШ появилось несколько модифи-
каций улучшающих и расширяющих область ее объяснений [24].
     Итак, если «сверхпроводимость», как следует из всего вы-
шеизложенного, не является таковой, т.е. не является идеальной
проводимостью (сверхтекучестью) электронов в твердых телах,
то для этого явления не подходит электродинамическое описа-
ние. Оно, будучи явлением магнетизма, что доказывает адекват-
ное восприятие известных экспериментов, может и должно рас-
сматриваться как явление полного или промежуточного метаста-
бильного намагничивания тел. Переход от ферромагнетизма и
парамагнетизма, или от высокотемпературного диамагнетизма к
промежуточному или полному диамагнетизму (к сверхдиамагне-
тизму), происходящий при температурах Ткр, в действительности
есть фазовый переход второго рода, но не электронного конгло-
мерата, а атомов твердого вещества. Механизм этого внутри-
атомного фазового перехода будет представлен в последующих
параграфах.

2.4. Термодинамика перехода тел к сверхнамагничиваемости

     Еще в 1934 г. В. Кеезом, С. Гортер и Н. Каземир попытались
создать термодинамическую теорию перехода металлов в
«сверхпроводящее» состояние как теорию фазовых переходов.
Тогда было достаточно много аргументов в пользу такого подхо-
да к изучению физической природы «сверхпроводимости». На-
пример, есть зависимость «сверхпроводимости» от фазового со-
стояния металла: белое олово «сверхпроводящее», а серое нет.
Многими опытами доказано, что «сверхпроводимость» бесспорно
принадлежит к структурно чувствительным свойствам [45, стр.
11]. Это на первый взгляд свидетельствует о подобии фазовым


                              49


переходам первого рода, аналогичным α → γ ( ОЦК → ГЦК) пре-
                                         ←         ←
вращением в железе. Однако, позднее было установлено, что «ка-
кой-либо прямой связи между кристаллическим строением и
сверхпроводимостью установить нельзя» [16, стр. 13]. Определе-
но, что картина дифракции рентгеновских лучей имеет один и тот
же вид как выше, так и ниже критической температуры, что ука-
зывает на неизменность кристаллической решетки при переходе
проводника из нормального в «сверхпроводящее» состояние.
Микроструктурные исследования также показали, что кристал-
лическая структура металла (и других веществ) до перехода в
«сверхпроводящее» состояние и после восстановления нормаль-
ного состояния остается без изменений. Кроме того, этот переход
не сопровождается выделением или поглощением тепловой энер-
гии. Следовательно, рассматриваемое явление есть фазовый пе-
реход второго рода, а физическая природа его обусловлена оче-
видно не изменением межатомных или межмолекулярных взаи-
модействий, а изменением внутриатомной электронной структу-
ры твердого тела при критической температуре, необходимой для
этого фазового перехода.
     Ясно, что валентные электроны внешнего пространственно-
энергетического уровня, устанавливающие взаимосвязи атомов и
формирующие микроструктуру (кристаллическую атомную или
молекулярную) вещества, не претерпевают изменений при рас-
сматриваемом фазовом переходе, т.к. при этом микроструктура
тел остается неизменной.
     Следовательно, можно думать, что: 1. оставшиеся валент-
ные электроны, т.е. не задействованные на межатомные связи,
обеспечивают свойство обычного магнетизма; 2. дополнитель-
ную намагничиваемость при температурах ниже Ткр, вероятно
создают спаренные в диполи электроны другого (низлежащего)
уровня.
     Убедившись в том, что различные твердые тела при очень
низких температурах переходят от обычного (нормального) со-
стояния к сверхнамагничиваемости, а не к «сверхпроводимости»,
и в последствие в сверхнамагниченное состояние, то в дальней-
шем вместо слов «сверхпроводимость», «сверхпроводящее со-
стояние», «сверхпроводники» и т.п., будем использовать терми-


                              50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика