大学物理 第17章 激光和固体物理简介.ppt

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1、17.1 激光原理激光原理17.2 固体的能带结构固体的能带结构17.3 半导体半导体17.4 超导电性超导电性第第17章激光和固体物理简介章激光和固体物理简介1 20世纪世纪30年代，量子力学开始应用于固体年代，量子力学开始应用于固体物理领域，从而引发了对固体材料、半导体、物理领域，从而引发了对固体材料、半导体、激光、超导激光、超导的广泛研究，使固体物理理论的广泛研究，使固体物理理论日趋完善，促成了电子计算机的诞生和以计算日趋完善，促成了电子计算机的诞生和以计算机技术为基础的信息技术的快速发展机技术为基础的信息技术的快速发展.217.1激光原理激光原理Light Amplification

2、by Stimulated Emission of Radiation(Laser)“受激辐射光放大受激辐射光放大”简称激光简称激光(Laser)激光器是从微波量子放大器激光器是从微波量子放大器(Maser)发展而来。发展而来。1916年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存在。射的存在。1960年，梅曼（年，梅曼（Maiman)成功制成第一台红宝石成功制成第一台红宝石激光器。同年，激光器。同年，雅文（雅文（Javan）又）又制成了氦氖激光制成了氦氖激光器。器。3一、激光的特性一、激光的特性1.高度准直性高度准直性 激光光束的发散激光光束的发散可小

3、到可小到 10 4 rad 2.高度单色性高度单色性 谱线宽可谱线宽可 小于小于 108 nm，普通光源中，谱线宽为普通光源中，谱线宽为4.7103 nm.3.高度相干性高度相干性 激光光波的相干长度可达激光光波的相干长度可达105 m，相干性好，相干性好.普通光源的光波的相干长度小于普通光源的光波的相干长度小于1 m.4.高亮度高亮度 经过会聚的激光强度可达经过会聚的激光强度可达1017Wcm2，氧炔焰的强度不过氧炔焰的强度不过103 Wcm2.4二二.受激吸收、自发辐射和受激辐射受激吸收、自发辐射和受激辐射1.受激吸收受激吸收:原子吸收能量为原子吸收能量为h=E2-E1的光子从的光子从低能

4、态低能态跃迁跃迁到到高能态高能态。hvE2E1N2N1令令 W12=B12(v,T)单位体积中单位时间内因吸收外来光单位体积中单位时间内因吸收外来光(,T):外外来光的能量密度来光的能量密度)而从而从E1E2 的原子数：的原子数：B12：吸收系数吸收系数则则12反映单个原子发生吸收的概率。反映单个原子发生吸收的概率。满足条件：满足条件：h=E2-E152.自发辐射：自发辐射：激发态原子自发地从高激发态原子自发地从高能态能态向低向低能态能态跃迁，同时辐跃迁，同时辐射出一光子。射出一光子。E2E1N2N1跃迁跃迁 辐射辐射hv满足条件：满足条件：h=E2-E1 单位体积中单位时间内，从单位体积中单

5、位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：自发辐射的原子数：A21自发辐射系数自发辐射系数表示一个表示一个原子在单位时间内发原子在单位时间内发生自发辐射的概率。生自发辐射的概率。自发辐射的各原子发的光是各自独立无关的自发辐射的各原子发的光是各自独立无关的非非相干光相干光。63.受激辐射受激辐射:处于高能态的原子，在外来光子的作用下处于高能态的原子，在外来光子的作用下,从高能从高能态向低能态跃迁，态向低能态跃迁，同时辐射出一个同时辐射出一个全同的光子全同的光子。hvhvhvE2E1N2N1全同光子全同光子 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E2E1受激辐射的原子受激辐射的原子数：数：B

6、21:受激辐射系数，受激辐射系数，令令W21=B21(v,T)，则则 W21反映单个原子发生受激辐射的概率。反映单个原子发生受激辐射的概率。7受激辐射特点：受激辐射特点：(1)只有外来光子的能量只有外来光子的能量hv=E2E1，才能引起受激才能引起受激辐射。辐射。(2)受激辐射发射的光是相干光受激辐射发射的光是相干光.受激辐射光与外来光的受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相频率、偏振方向、位相及传播方向及传播方向均相同。均相同。(3)具有光的放大作用具有光的放大作用.完全相同的光子数增加了。完全相同的光子数增加了。受激辐射过程是产生激光的基本过程。受激辐射过程是产生激光的基本过程。8三、产

7、生激光的基本条件三、产生激光的基本条件 1.粒子数反转粒子数反转 由大量原子组成的系统，由大量原子组成的系统，通常是处在热平衡状态，通常是处在热平衡状态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：E2E11eV，T300K，则，则 若若E2 E1热动平衡下热动平衡下,N1 N2粒子数的正常分布粒子数的正常分布9产生激光必须产生激光必须受激辐射占优势受激辐射占优势必须必须 N2 N1（粒子数反转）粒子数反转）粒子数反转是产生激光的必要条件粒子数反转是产生激光的必要条件.实现粒子数布居反转分布的条件：实现粒子数布居反转分布的条件：激活介质：激活介质：具有适

8、当的能级结构的工作物质具有适当的能级结构的工作物质 存在存在“亚稳态能级亚稳态能级”的物质的物质激励能源激励能源:有足够的能量输入系统有足够的能量输入系统,使工作物质中尽使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。可能多的粒子处于激发态。(又称又称“抽运抽运”或或 “泵泵浦浦”)激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励等激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励等 三能级以上多能级三能级以上多能级系统可以实现粒子数系统可以实现粒子数反转。反转。E1E3E2亚稳态亚稳态抽运抽运102.光学谐振腔光学谐振腔 要能形成持续稳定激光，要能形成持续稳定激光，在激活物质两侧有两个在激活物质两侧有两个反射镜，构

9、成一个反射镜，构成一个“光学谐振腔光学谐振腔”。全反射镜全反射镜(100%反射镜反射镜)部分反射镜部分反射镜(98%反射镜反射镜)激光激光光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用(1)使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）（沿轴线）;(2)增强增强光放大光放大作用（相当延长了工作物质）作用（相当延长了工作物质）;(3)使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。11四、激光器原理四、激光器原理 激光器组成激光器组成：激励能源、激活介质和谐振腔：激励能源、激活介质和谐振腔激励能源激励能源M1M2激光激光1.红宝石激光器红宝石激光器 1960年第一个问世的固体脉冲激光器

10、年第一个问世的固体脉冲激光器 红宝石棒红宝石棒(Al2O3晶体晶体)，其中掺有质量比为，其中掺有质量比为0.035%的铬离子的铬离子(Cr 3)红宝石激光器有关的工作能级和光谱性质都来红宝石激光器有关的工作能级和光谱性质都来源于铬离子源于铬离子 红宝石激光器的脉冲激光主要波长为红宝石激光器的脉冲激光主要波长为694.3nm.122.氦氦氖激光器氖激光器 是氦和氖混合气体所成的激光光源是氦和氖混合气体所成的激光光源毛细管毛细管阳极阳极阳极阳极阴极阴极阴极阴极内腔式内腔式外腔式外腔式反射镜反射镜反射镜反射镜 反透镜反透镜布儒斯特布儒斯特 窗窗 特斯儒布特斯儒布13工作物质工作物质:He是辅助物质，

11、是辅助物质，Ne是激活物质，是激活物质，毛细管内径毛细管内径1mm左右管内氦、氖比例为左右管内氦、氖比例为7:1(5:110:1)，总压强约，总压强约23mmHg3s2p碰碰撞撞转转移移1.15 m0.6328 m3.39 mNe4p3pHe21S23S11s4s5s泵泵浦浦氖原子两个能级的粒子数反转氖原子两个能级的粒子数反转14作为激光工作物质的有固体、液体、气体。作为激光工作物质的有固体、液体、气体。常用激光器常用激光器名称名称工作物工作物质质典型波典型波长长(nm)性能性能红红宝石宝石掺掺Cr3红红宝石宝石694.3脉冲，大功率脉冲，大功率YAG掺掺Nd3钇铝钇铝石榴石榴石石1064连续

12、连续，中小功率，中小功率钕钕玻璃玻璃掺掺Nd31059脉冲，大功率脉冲，大功率氦氦氖氖He、Ne632.8,1150,3390连续连续，小功率，小功率氩氩离子离子Ar488.0,515.5连续连续，大功率，大功率二氧化碳二氧化碳CO21060脉冲、脉冲、连续连续，大功率，大功率氮分子氮分子N2337.1脉冲脉冲氦氦镉镉He、Cd441.6,325.0连续连续，中功率，中功率染料染料染料液体染料液体590640连续连续可可调调，小功率，小功率半半导导体体GaAs/GaAl等等800900可可调谐调谐，小功率，小功率1517.2固体的能带结构固体的能带结构固体指具有确定形状和体积的物体。固体指具有

13、确定形状和体积的物体。分三大类：分三大类：晶晶 体体 食盐、云母、金刚石食盐、云母、金刚石 非晶体非晶体 玻璃、松香、沥青玻璃、松香、沥青 准晶体准晶体 （1984年发现年发现TiNiV 急冷合金急冷合金 中发现的五次对称现象）中发现的五次对称现象）单晶体结构单晶体结构外观上：具有规则的几何形状外观上：具有规则的几何形状微观上：晶体中原子规则排列微观上：晶体中原子规则排列形成晶体点阵形成晶体点阵(晶格晶格)点阵点阵晶体中的重复单元称为晶胞晶体中的重复单元称为晶胞基本特征：规则排列基本特征：规则排列,长程有序性长程有序性16一、一、电子共有化电子共有化单原子势场单原子势场rU U+双原子势场双原

14、子势场多原子势场多原子势场E0E2E1电子受电子受周期性势场周期性势场 U(x)=U(x+nl)的作用的作用.17解定态薛定谔方程，可以得出：解定态薛定谔方程，可以得出：(1)电子的能量是量子化的电子的能量是量子化的(2)能量较高的电子能量较高的电子(如为如为E1)的运动有隧道效应的运动有隧道效应(3)能量高于势垒高度的电子能量高于势垒高度的电子(如为如为E2)可在晶体内自可在晶体内自由运动由运动 由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化为单个原子所有的现象，称为电子的共有化.18二、能带的形成二、能带的形成孤立单原

15、子中的电子处于不同的能级。孤立单原子中的电子处于不同的能级。当原子间有相互作用时当原子间有相互作用时,电子共有化电子共有化.而根据泡利而根据泡利不相容原理，须使原先每个原子中具有相同能级的电不相容原理，须使原先每个原子中具有相同能级的电子能级分裂子能级分裂,才能再填充电子才能再填充电子.1s2s2p3s3p空带空带价带价带Mg 当当N个原子相互靠近形成晶体时，对应于原来孤立个原子相互靠近形成晶体时，对应于原来孤立原子的一个能级，分裂成原子的一个能级，分裂成N个很接近的新能级，称为个很接近的新能级，称为能带能带19能级能级能带能带离子间距离子间距r1r21S2S2P能带的一般规律：能带的一般规律

16、：原子间距越小，能带越宽，原子间距越小，能带越宽，E越大。越大。越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽，E越大。越大。两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。20三、满带、导带和禁带三、满带、导带和禁带电子在能带中的分布：电子在能带中的分布：(1)每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的的原子能级所能容纳的电子数的N倍（倍（N是组成晶是组成晶体的原子个数）。体的原子个数）。(2)正常情况下，总是优先填能量较低的能级。正常情况下，总是优先填能量较低的能级。1s2s2p3s3pMg(Z=12)原子原子 晶体晶体Mg(N个原

17、子个原子)6N2N2N2N6N21满带：满带：能带中的各个能级都填满能带中的各个能级都填满的能带。的能带。满带满带E价带：价带：与价电子能级相应的能带与价电子能级相应的能带。价带能量最高价带能量最高可能被填满，也可不满。可能被填满，也可不满。价带价带空带：空带：没有电子占据的能带。没有电子占据的能带。空带空带禁带：禁带：不被允许不被允许填充电子的能区。填充电子的能区。禁带禁带禁带禁带满带中电子不参与导电过程。满带中电子不参与导电过程。满带中电子不满带中电子不参与导电过程参与导电过程22导带：导带：不满带或满带以上最低的空带不满带或满带以上最低的空带导带导带价带价带不满带不满带满带满带空带空带价

18、带价带导带导带23四、导体、半导体和绝缘体四、导体、半导体和绝缘体 1.1.导体的能带结构导体的能带结构价带价带导带导带某些一价金属，某些一价金属，如如:Li 空带空带满带满带价带价带空带空带某些二价金属，某些二价金属，如如:Be,Ca,Ba 空带空带如如:Na,K,Cu,Al,Ag价带价带导带导带 从能级图上来看从能级图上来看:导体中共有化电子很易从低能导体中共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去级跃迁到高能级上去 在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流量，集体定向流动形成电流242.2.本征半导体的能带结构本征半导体的能

19、带结构 本征半导体是指纯净的半本征半导体是指纯净的半导体，价带通常是满带。导体，价带通常是满带。价带价带空带空带Eg=0.1 2eV 半导体的半导体的禁带宽度禁带宽度Eg 很很窄窄,所以加热、光照、加电场所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带都能把电子从满带激到发空带中去中去。当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。253.3.绝缘体的能带结构绝缘体的能带结构 从能级图上来看：满带与空从能级图上来看：满带与空带之间有一个较宽的禁带，共带之间有一个较宽的禁带，共有化电子很难从

20、低能级有化电子很难从低能级(满带满带)跃迁到高能级跃迁到高能级(空带空带)上去上去价带价带空带空带Eg=36eV 当外电场足够强时，绝缘体当外电场足够强时，绝缘体被击穿被击穿。2617.3半导体半导体一、一、P P型半导体和型半导体和N N型半导体型半导体 1.本征半导体本征半导体 满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个个带正电的带正电的空位，称为空位，称为“空穴空穴”。空带空带满带满带 Eg电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴总是成对出现的。电电子子和和空空穴穴叫叫本本征征载载流流子子，它们形成半导体的它们形成半导体的本征导电性。本征导电性。在

21、外电场作用下，电子可以在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于跃迁到空穴上来，这相当于 空空穴反向跃迁。穴反向跃迁。空穴跃迁也形成电流，空穴跃迁也形成电流，这称为这称为空穴导电。空穴导电。272.n2.n型半导体型半导体型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体(Si、Ge等等)，掺入少量五价，掺入少量五价的杂质元素（如的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体等）形成电子型半导体,称称 n 型半导体型半导体满满带带空带空带EgD DE EDD施主能级施主能级施主能级施主能级在在在在n n型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中:电子多数载流子，空穴少数载流子电子多数载流子，空

22、穴少数载流子电子多数载流子，空穴少数载流子电子多数载流子，空穴少数载流子 量子力学表明，这种掺杂后量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处靠空带处,ED102eV，极易，极易形成电子导电形成电子导电,该能级称为该能级称为施施主能级主能级283.p型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体(Si、Ge等等)，掺入少量三价的，掺入少量三价的杂质元素（如杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导体，称等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体型半导体D DE EAA受受主能级主能级满满带带空带空带Eg在在在在p p型半导体中：型半导体中：型半导体中：

23、型半导体中：空穴多数载流子，电子少数载流子空穴多数载流子，电子少数载流子空穴多数载流子，电子少数载流子空穴多数载流子，电子少数载流子 量子力学表明，这种掺杂量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，紧靠满带处，ED102eV，极易产生空穴导电，该能级称极易产生空穴导电，该能级称受主能级受主能级29二、二、P-N P-N 结结1.结的形成结的形成n n型型型型p p型型型型 电子和空穴扩散电子和空穴扩散 在在p型和型和n型半导体的交界面型半导体的交界面附近形成一电偶层，厚度约为附近形成一电偶层，厚度约为107m，产生一电场，产生一电场,称为内建称为内建

24、场。当场大到一定程度，遏止场。当场大到一定程度，遏止电子和空穴的继续扩散，最后电子和空穴的继续扩散，最后达到动平衡状态达到动平衡状态 PN 结结 在型在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为型交界面附近形成的这种特殊结构称为 PN结。结。PN结处存在接触电势差结处存在接触电势差Uo，由，由P区向区向N区递增。区递增。电子的能量应考虑电势差电子的能量应考虑电势差Uo带来的附加势能。带来的附加势能。30电势曲线电势曲线 PN 结结P区区N区区U0|-eU0|电子能级电子能级电子能级电子能级电子电势能曲线电子电势能曲线P区区N区区满满带带空带空带eU0这使电子能带出现弯曲这使电子能带出现弯曲 能带

25、的弯曲对能带的弯曲对N区的电子和区的电子和P区的空穴都形成了一区的空穴都形成了一个势垒，它阻碍着个势垒，它阻碍着N区的电子进入区的电子进入P区，同时也阻碍区，同时也阻碍着着P区的空穴进入区的空穴进入N区，这一势垒区通常称为阻挡层区，这一势垒区通常称为阻挡层.312.结的单向导电性结的单向导电性p p型型型型n n型型型型I正向偏压正向偏压:在在结的结的p型型区接电源正极区接电源正极.阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向有利于空穴向n区运动，电区运动，电子向子向P区运动，区运动，形成正向电形成正向电流流(m级级).p p型型型型n n型型型型I反向偏压反向偏压:在在结的结

26、的型区接电源负极型区接电源负极.阻挡层势垒增大、变宽，不利阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向于空穴向n区运动，也不利于区运动，也不利于电子向电子向P区运动区运动,没有正向电流没有正向电流.32三、半导体器件三、半导体器件1.发光二极管发光二极管(LED)2.光电池光电池3.半导体三极管半导体三极管4.集成电路集成电路3317.4超导电性超导电性1911年昂尼斯（年昂尼斯（K.Onnes）发现超导现象。发现超导现象。一、超导体的主要特性一、超导体的主要特性 1.零电阻现象零电阻现象 某些金属、合金及化合物的温度低于某一值时，某些金属、合金及化合物的温度低于某一值时，电阻突然为零，称为超导电性电阻

27、突然为零，称为超导电性 具有超导电性的材料称为具有超导电性的材料称为超导体超导体.超导体电阻降为零的温度超导体电阻降为零的温度称为称为转变温度转变温度或或临界温度临界温度，通，通常用常用Tc表示表示.低温下汞的电阻低温下汞的电阻温度关系温度关系 34Hg：T Tc=4.15K时时:=0 R=0 若若 I 0，却有却有U=0故故超导体内电场强度超导体内电场强度 E=0说明：只有在稳恒电流的情况下才有零电阻效应说明：只有在稳恒电流的情况下才有零电阻效应.2.临界磁场与临界电流临界磁场与临界电流 材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态态.这种破坏超导态所需

28、的最小磁场强度称为这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界临界磁场磁场，以，以Hc表示表示.临界磁场与温度有关临界磁场与温度有关(TTC)Hc(0)表示表示T0K时的临界磁场，时的临界磁场，不同材料的不同材料的Hc(0)是不同的是不同的.35 当通过超导体导线的电流超过一定数值当通过超导体导线的电流超过一定数值Ic后，其后，其超导态便被破坏，超导态便被破坏，Ic就称为超导体就称为超导体临界电流临界电流.超导态存在三个临界条件：超导态存在三个临界条件：临界温度临界温度Tc 临界磁场临界磁场Hc 临界电流临界电流Ic.超导材料只有同时满足超导材料只有同时满足TTc、HHc、IIc时才时才能处于超导

29、态能处于超导态.3.迈斯纳效应迈斯纳效应完全抗磁性完全抗磁性 处于超导态的超导体内磁感应强度总是等于处于超导态的超导体内磁感应强度总是等于零的特性称为零的特性称为完全抗磁性完全抗磁性.将超导体放入磁场中，表面产生超导电流，将超导体放入磁场中，表面产生超导电流，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为的磁感应强度为 0。364.同位素效应同位素效应超导临界温度与元素的同位素质量有关超导临界温度与元素的同位素质量有关5.能隙能隙超导中电子的能量存在类似半导体禁带的情况超导中电子的能量存在类似半导体禁带的情况37二、二、BCS理论理论 195

30、7年年,由巴丁由巴丁(J.Bardeen)、库珀、库珀(L.V.Cooper)和施里弗和施里弗(J.R.Schrieffer)提出一提出一个超导性的量子理论，简称个超导性的量子理论，简称BCS理论，比较满意理论，比较满意地解释了超导电性产生的原因地解释了超导电性产生的原因.其最重要的思想是其最重要的思想是其最重要的思想是其最重要的思想是库珀电子对库珀电子对库珀电子对库珀电子对概念概念概念概念.1.格波格波 当电子当电子A在晶格间运动时，吸在晶格间运动时，吸引邻近的晶格离子，使离子稍引邻近的晶格离子，使离子稍稍靠拢过来，成一个正电荷相稍靠拢过来，成一个正电荷相对集中的小区域对集中的小区域.这些离

31、子偏离平衡位置而产这些离子偏离平衡位置而产生振动，以波的形式在点阵中生振动，以波的形式在点阵中传播，这种波称为传播，这种波称为格波格波.38格波的能量也是量子化的，其能量子称为声子格波的能量也是量子化的，其能量子称为声子.形成格波的过程相当于电子发射出一个声子形成格波的过程相当于电子发射出一个声子 2.“电电声声”作用作用 电子电子A通过正电荷集中区域吸引另一个通过正电荷集中区域吸引另一个B电子，电子，将动量和能量传递给这个电子，而正电荷位移组成将动量和能量传递给这个电子，而正电荷位移组成格波。因此，电子间通过交换格波声子产生间接的格波。因此，电子间通过交换格波声子产生间接的吸引作用吸引作用.

32、393.库珀对库珀对 在超导态中，在超导态中，交换声子的两个电子可以束缚在交换声子的两个电子可以束缚在一起形成一个电子对，称为库珀对一起形成一个电子对，称为库珀对.库珀对的两个电子的平均距离约为库珀对的两个电子的平均距离约为106 m，而，而晶格的晶格间距约为晶格的晶格间距约为1010 m，即库珀对在晶体中，即库珀对在晶体中要伸展到几千个原子的范围要伸展到几千个原子的范围.库珀对是作为整体与晶格作用的，而且这些电库珀对是作为整体与晶格作用的，而且这些电子对会不断发生旧对的解体和新对的形成子对会不断发生旧对的解体和新对的形成.库珀对中两个电子自旋相反，动量的大小相等库珀对中两个电子自旋相反，动量

33、的大小相等而方向相反而方向相反.（泡利不相容原理）泡利不相容原理）超导体处于超导态时，价电子以库珀对为整体与超导体处于超导态时，价电子以库珀对为整体与晶格作用，库珀对电子在散射前后总动量仍然保持晶格作用，库珀对电子在散射前后总动量仍然保持不变，即电流的流动不发生变化，因此没有电阻。不变，即电流的流动不发生变化，因此没有电阻。40三、超导材料的分类三、超导材料的分类按超导体在临界磁场按超导体在临界磁场Hc时将磁通排斥在超时将磁通排斥在超导体外的方式分类：导体外的方式分类：在临界磁场以下，磁通在临界磁场以下，磁通是完全被排斥在超导体是完全被排斥在超导体之外的，只要磁场高于之外的，只要磁场高于临界磁

34、场，磁场就完全临界磁场，磁场就完全透入超导体中，材料也透入超导体中，材料也恢复正常。恢复正常。1.第第类超导材料类超导材料超导态向正常态的转变无任何中间态。超导态向正常态的转变无任何中间态。电流密度电流密度磁场磁场温度温度正常正常超导超导41存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），材料处于材料处于下临界磁场下临界磁场时是时是完全超导态完全超导态，在下临界磁，在下临界磁场和上临界磁场之间，处于场和上临界磁场之间，处于混合态混合态。当磁场达到上。当磁场达到上临界磁场时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电临界磁场时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电阻的阻

35、的正常态正常态。2.第第类超导材料类超导材料混合态混合态外磁场外磁场温度温度正常态正常态超导超导3.高温超导材料高温超导材料42四、超导电性在工业上的应用四、超导电性在工业上的应用电能在零电阻输送，完全没有损耗电能在零电阻输送，完全没有损耗大尺度、强磁场、低消耗大尺度、强磁场、低消耗2.超导电缆超导电缆1.超导磁体超导磁体3.超导储能超导储能超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。会持续。4.超导电子计算机器件超导电子计算机器件 灵敏度高灵敏度高,运算速度快运算速度快;功耗小，不存在散热问功耗小，不存在散热问题题.4344