§ 19-4 超导电性
1.超导电现象
超导电现象 某些材
料在温度低于某一温
度时，电阻突然降到
零的现象。具有超导
电性的材料称为超导
体，电阻降为零的温
度称为 转变温度 或 临
界温度。
R/R0
4.00 4.10 4.20 4.30 4.40
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
T/K
临界温度
低温下汞的电阻温度关系
对于氧化物
超导体，其转变
温度范围较宽。
0.9R0
0.5R0
0.1R0
R0
TO
R
Te Tm TsT?
氧化物超导体的转变温度
电阻从起始
转变处下降到一
半时对应的温度
定义为转变温度。
转变宽度T?
超导电现象
高温超导体的电子显微镜图象
超导电现象
2,超导体的主要特性
（ 1）零电阻 超导体处于超导态时电阻完全消
失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无
衰减地持续下去。
（ 2）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态，这种破坏超导
态所需的最小磁场强度称为临界磁场。临界磁场
的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通
过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破
坏，此电流称为临界电流。
（ 3）迈斯纳效应 —— 完全抗磁性 在使样
品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁
场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应
强度总是为零。
（ 4）同位素效应 同位素的质量越大，转
变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子
状态有关，也与金属的离子晶格有关。
超导体的主要特性
3,BCS理论
巴丁（左）、库珀、施里弗（右）
1957年巴丁（ J.Bardeen)、库（ L.V.Cooper)
和施里弗（ J.R.Schrieffer)提出一个超导电性的微
观理论，称为 BCS理论。
从正常态到超导态的转变非常迅速，因此
人们设想这种变化应该是电子态的转变，因电
子的质量小、反应快；但是同位素效应又说明
这种转变与晶格的质量有一定关系。
BCS理论
格波 电子在离子晶格间运动
时，电子密度有起伏，当电子
在某处集中时，会对附近的离
子晶格产生吸引，从而使离子
产生振动，并以波的形式在点
阵中传播，这种波称为格波。
声子 格波是量子化的，其
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。
BCS理论
格波与库珀对
库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运
动着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子
通过交换声子产生了间接的吸引作用。对于某些
材料，在一定的低温条件下，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。
电子 A 声子 电子 B
电子 A1p 电子 B2p
qp ?1
qp ?2
（ 声子 ）q
超导体的主要特性
BCS理论
处在 超导态的电子，不是单独一个个存
在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，
其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相
反，总动量为零。库珀对作为整体与晶格作
用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另
一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格
交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶
格，因此没有电阻。
超导体的主要特性
当温度大于临界温度时，热运动使库珀对
分散为正常电子，超导态转为正常态。
当磁场强度达到临界强度时，磁能密度
等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获
得能量而被撤散，超导态转为正常态。
超导体的主要特性
4,超导电性的应用
?用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。
?用超导材料制造电机，可以大大提高效率。
?用超导线圈制造电磁体
可以得到很强的磁场，可
应用于受控核聚变、高能
加速器、磁流体发电、磁
悬浮列车、核磁共振成像
装置等。 磁悬浮列车
5.碳 60分子（ C60）
C60是由 60个碳原子构
成的空心大分子，外形酷
似足球。
固态 C60类似于 Ga-As
的半导体，在其中掺入
碱金属，它将转变为超
导体。
有科学家预言，如能制成 C540，它将可能成为室
温超导体。
C60的示意图
5.碳 60分子（ C60）
C60是由 60个碳原子构
成的空心大分子，外形酷
似足球。
固态 C60类似于 Ga-As
的半导体，在其中掺入
碱金属，它将转变为超
导体。
有科学家预言，如能制成 C540，它将可能成为室
温超导体。
C60的示意图
1.超导电现象
超导电现象 某些材
料在温度低于某一温
度时，电阻突然降到
零的现象。具有超导
电性的材料称为超导
体，电阻降为零的温
度称为 转变温度 或 临
界温度。
R/R0
4.00 4.10 4.20 4.30 4.40
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
T/K
临界温度
低温下汞的电阻温度关系
对于氧化物
超导体，其转变
温度范围较宽。
0.9R0
0.5R0
0.1R0
R0
TO
R
Te Tm TsT?
氧化物超导体的转变温度
电阻从起始
转变处下降到一
半时对应的温度
定义为转变温度。
转变宽度T?
超导电现象
高温超导体的电子显微镜图象
超导电现象
2,超导体的主要特性
（ 1）零电阻 超导体处于超导态时电阻完全消
失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无
衰减地持续下去。
（ 2）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态，这种破坏超导
态所需的最小磁场强度称为临界磁场。临界磁场
的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通
过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破
坏，此电流称为临界电流。
（ 3）迈斯纳效应 —— 完全抗磁性 在使样
品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁
场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应
强度总是为零。
（ 4）同位素效应 同位素的质量越大，转
变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子
状态有关，也与金属的离子晶格有关。
超导体的主要特性
3,BCS理论
巴丁（左）、库珀、施里弗（右）
1957年巴丁（ J.Bardeen)、库（ L.V.Cooper)
和施里弗（ J.R.Schrieffer)提出一个超导电性的微
观理论，称为 BCS理论。
从正常态到超导态的转变非常迅速，因此
人们设想这种变化应该是电子态的转变，因电
子的质量小、反应快；但是同位素效应又说明
这种转变与晶格的质量有一定关系。
BCS理论
格波 电子在离子晶格间运动
时，电子密度有起伏，当电子
在某处集中时，会对附近的离
子晶格产生吸引，从而使离子
产生振动，并以波的形式在点
阵中传播，这种波称为格波。
声子 格波是量子化的，其
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。
BCS理论
格波与库珀对
库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运
动着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子
通过交换声子产生了间接的吸引作用。对于某些
材料，在一定的低温条件下，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。
电子 A 声子 电子 B
电子 A1p 电子 B2p
qp ?1
qp ?2
（ 声子 ）q
超导体的主要特性
BCS理论
处在 超导态的电子，不是单独一个个存
在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，
其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相
反，总动量为零。库珀对作为整体与晶格作
用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另
一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格
交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶
格，因此没有电阻。
超导体的主要特性
当温度大于临界温度时，热运动使库珀对
分散为正常电子，超导态转为正常态。
当磁场强度达到临界强度时，磁能密度
等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获
得能量而被撤散，超导态转为正常态。
超导体的主要特性
4,超导电性的应用
?用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。
?用超导材料制造电机，可以大大提高效率。
?用超导线圈制造电磁体
可以得到很强的磁场，可
应用于受控核聚变、高能
加速器、磁流体发电、磁
悬浮列车、核磁共振成像
装置等。 磁悬浮列车
5.碳 60分子（ C60）
C60是由 60个碳原子构
成的空心大分子，外形酷
似足球。
固态 C60类似于 Ga-As
的半导体，在其中掺入
碱金属，它将转变为超
导体。
有科学家预言，如能制成 C540，它将可能成为室
温超导体。
C60的示意图
5.碳 60分子（ C60）
C60是由 60个碳原子构
成的空心大分子，外形酷
似足球。
固态 C60类似于 Ga-As
的半导体，在其中掺入
碱金属，它将转变为超
导体。
有科学家预言，如能制成 C540，它将可能成为室
温超导体。
C60的示意图
