Квантовые свойства макроскопических объектов

Квантовые закономерности приводят к тому, что эти пары образуют так называемый Бозе-конденсат, обладающий свойствами сверхтекучести. Поскольку эти пары электронов обладают электрическим зарядом, то их сверхтекучесть равносильна сверхпроводимости.

    Так в чем же заключается явление сверхпроводимости, которое смогла полностью объяснить лишь квантовая теория.

    Сопротивление всех чистых (лишённых примесей) металлов при приближении к абсолютному нулю температуры стремится к нулю, но в некоторых металлах изменение это происходит не плавно: при некоторой определённой температуре сопротивление внезапно (скачком) падает до нуля или, во всяком случае, до неизмеримо малой величины. Резкость этого скачка характеризуется тем, что в некоторых металлах он происходит при изменении Т всего лишь на 0,001°.

    Температура скачка называется критической температурой, а состояние металла ниже этой температуры, характеризуемое отсутствием сопротивления постоянному току, называется сверхпроводящим состоянием.

 

    Последующие исследования сверхпроводников позволили обнаружить многие их замечательные свойства. Оказалось, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. Критическое поле, при котором это происходит зависит от температуры. Далее обнаружилось, что сверхпроводимость исчезает и в том случае, когда по образцу пропускают достаточно большой ток.

    Наконец, был обнаружен так называемый эффект Мейснера.

О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в 1933 году.

    До сих пор сверхпроводимостью называли исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера заключается в следующем:

если поместить металл в не очень сильное магнитное поле и понижать температуру, то при переходе металла в сверхпроводящее состояние силовые линии поля вытолкнутся из него.

    Последующее изучение показало, что на самом деле при таком переходе у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой толщиной 10-5—10-6 см, в котором циркулируют токи, полностью экранизирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения.

 

 

 

 

3.4 Применение сверхпроводимости заманчиво и затруднительно

 

    Знакомство с удивительными свойствами сверхпроводящих материалов сразу вызывает мысль о необходимости их применения в технике. Этой задачей стали заниматься еще в 1920-х гг. Очень заманчиво не тратить энергию на потери в проводах. Стоит только напомнить, что в современных воздушных линиях электропередачи теряется до 10% передаваемой энергии и еще больше потери энергии на преобразование тока.

    Однако не так-то просто заменить все провода на сверхпроводящие. Первая и очевидная трудность — нужны низкие температуры. Подбираться к абсолютному нулю температур непросто и недешево. Многие стоящие на этом пути трудности уже преодолены. Скажем, затраты на собственно охлаждение не очень велики. Более существенным препятствием является сложность соответствующей аппаратуры, для создания и обслуживания которой требуются «высокая» технология и высокая квалификация.

    Все работающие сверхпроводящие устройства должны быть тщательно изолированы от внешней среды. Гелий — дорогой и редкий материал, поэтому для уменьшения его потерь применяется дополнительное внешнее охлаждение жидким азотом. Такое двойное охлаждение сильно усложняет аппарат. Уже отсюда ясно, почему столь большое внимание уделялось повышению критической температуры сверхпроводимости, и почему столь большой отклик вызвали во второй половине 1980-х гг. открытия ВТСП-материалов.

(ВТСП — высокотемпературная сверхпроводимость или высокотемпературные сверхпроводники. Так обычно именуются материалы, чья критическая температура больше, чем температура кипения азота (Tb = 77,4 К). Соответственно наблюдать сверхпроводимость можно с использованием лишь жидкого азота, без гелия. В 90-х годах ХХ века стала употребляться и аббревиатура НТСП — низкотемпературная сверхпроводимость или низкотемпературные сверхпроводники, до этого в эксперименте они все были низкотемпературными).

    Реализовать идею линии электропередачи без потерь пока не удалось. В настоящее время технически сложно создать столь протяженное и равномерно охлаждаемое устройство. Пока работают лишь компактные сверхпроводящие устройства, которые удобно охлаждать и защищать.

    Первые такие устройства появились в 1960-х гг. после того, как были открыты материалы, пригодные для изготовления проводов. По большому счету, два главных вида применений сверхпроводимости в технике — магниты с обмоткой из сверхпроводящего провода и СКВИДы.

 

4. Квантовая электроника

 

    Квантовая электроника - область электроники, охватывающая изучение и разработку методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел.

    Часто под термином "Квантовая электроника" понимают совокупность квантовых электронных приборов и устройств - молекулярных генераторов и квантовых усилителей, оптических квантовых генераторов (лазеров) и др., - в которых используется вынужденное излучение.

    К квантовой электронике относят также вопросы нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом и применение такого взаимодействия в устройствах преобразования частоты лазерного излучения.

    Наиболее крупным прикладным разделом квантовой электроники является лазерная техника, связанная с созданием лазеров различных типов, исследованием свойств лазерного изучения и его использованием для решения различных практических задач.

    Квантовая электроника сформировалась и развивалась как самостоятельная область науки и техники во вотрой половине ХХ века.

    История квантовой электроники неразрывно связана с радиоспектроскопией, исследующей свойства вещества с помощью избирательного (резонансного) поглощения радиоволн СВЧ диапазона. Именно в радиоспектроскопии зародилась идея о том, что путём создания инверсии населённостей энергетических уровней в среде можно добиться усиления радиоволн. Если же какая-либо система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она может и генерировать это излучение.

    Первый прибор квантовой электроники - молекулярный генератор на аммиаке, созданный в 1955 одновременно в СССР (Басов и Прохоров) и США (Ч. Таунс и др.), по существу, является радиоспектроскопом, который, однако, устроен так, что молекулы аммиака не поглощают, а излучают радиоволны. В конце 50-х гг. В СССР и США малошумящие парамагнитные квантовые усилители, в которых активной средой служили парамагнитные кристаллы, находящиеся при температуре жидкого гелия (4,2 К) и возбуждаемые вспомогательным источником СВЧ излучения. В эти же годы широко исследовалась возможность создания приборов квантовой электроники оптического диапазона длин волн.

    В 1960 первый такой прибор - рубиновый лазер - создан в США. Кристалл рубина возбуждается импульсной ксеноновой лампой. В последующие годы лазеры на диэлектрических кристаллах, возбуждаемые внешним источником оптической накачки, получили широкое распространение и составляют одну из важнейших разновидностей лазеров. Усиление в таких лазерах осуществляется за счет вынужденных переходах в электронных оболочках ионов-активаторов (хром в кристаллах рубина, неодим в стекле и алюминиевом гранате).

    В 1960 создан (США) первый газовый лазер на смеси атомов неона и гелия, возбуждаемых электрическим разрядом в газе низкого давления. Маломощные гелий-неоновые и мощные лазеры на CO2 стали наиболее распространёнными представителями семейства газовых лазеров, охватывающих широкий спектральный диапазон - от глубокого ультра-фиолетового (0,12 мкм) до инфракрасного, смыкающегося с субмиллиметровым (1 нм).

    В 1959 Басов с сотрудниками теоретически обосновали возможность создания полупроводникового лазера; первые такие лазеры созданы в 1962-63гг. (СССР и США).

 

4.1 Применение квантовой электроники

 

    Приборы квантовой электроники имеют ряд характерных особенностей, отличающих их от электронных приборов других типов. Так молекулярные генераторы СВЧ диапазона обладают исключительно высокой стабильностью частоты колебаний ~10-13 (например, часы на основе такого генератора "уйдут" на 3 секунды за 1 млн. Лет). Квантовые парамагнитные усилители СВЧ имеют рекордно низкий уровень собственных шумов (не св. 10 К) по сравнению с усилителями других типов и поэтому применяются в устройствах радиоастрономии, системах дальней космической связи. На основе лазеров возникли новые области науки и техники: нелинейная оптика, лазерная химия, лазерная технология, голография, лазерная медицина, лазерная интерферометрия и др. Мощный направленный лазерный пучок, сфокусированный на поверхности любого вещества, способен расплавить и испарить его. Это явление лежит в основе многих технологических применений лазеров. Лазерный луч служит незаменимым инструментом интерферометрических измерений с высокой точностью, примерно сравнимой с размерами атомов и молекул. Способность активной среды некоторых лазеров накапливать энергию возбуждения и затем излучать её в виде короткого (10-7-10-9) импульса с недостижимой прежде мощностью (109-1010Вт) легла в основу лазерной импульсной локации и дальнометрии. Чрезвычайно малая расходимость лазерного излучения (примерно на 4 порядка меньше, чем у СВЧ излучения при сравнимых диаметрах антенных систем) делает возможным его передачу на огромные расстояния, недостижимые для радиолокации. Инжекционные ПП лазеры, непосредственно преобразующие электрический ток в когерентное оптическое излучение, являются самыми миниатюрными приборами квантовой электроники, на основе которых развиваются такие важные направления электроники, как оптоэлектроника, системы записи и считывания информации.

    Лазеры активно вторглись в технологию современной микроэлектроники (процессы подгонки резисторов, контроля микросхем, скрайбирования и отжига кремниевых пластин, фотолитографии и т. д.). Лазеры получили применение и в военном деле.

    Промышленность выпускает различные типы лазеров, которые используются не только как эффективный инструмент научных исследований, но и для решения разного рода практических задач. Основные преимущества лазерного воздействия — малая область распространения тепла, отсутствие переноса электрических зарядов и механического контакта, возможность работать внутри вакуумных баллонов и в агрессивных газах.

    Одним из первых применений лазеров было измерение расстояния до Луны с большей точностью, чем это было сделано радиофизическим методом. После того как на Луне был установлен уголковый отражатель, расстояние до неё было измерено с точностью до 1,5 м. Существует лазерная локационная служба расстояния Земля — Луна.

    Новые возможности открыло применение лазеров в оптических линиях связи. Развитие оптических линий связи с их задачами модуляции колебаний, детектирования, гетеродинирования, преобразования частоты световых колебаний потребовало переноса в оптику методов радиофизики и теории колебаний.

    Возникла нелинейная оптика, изучающая нелинейные оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности света (самофокусировка света, генерация оптических гармоник, вынужденное рассеяние света, параметрическая генерация света, самопросветление или самозатемнения света). Методами нелинейной оптики создан новый класс перестраиваемых по частоте источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Нелинейные явления в оптике существуют только в узком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. При малых интенсивностях нелинейные оптические эффекты отсутствуют, затем по мере роста интенсивности они возникают, возрастают, но уже при потоках интенсивности 1014 вт/см2 все известные вещества разрушаются лазерным лучом и превращаются в плазму.

    Получение и исследование лазерной плазмы является одним из наиболее интересных применений лазеров. Осуществлен термоядерный синтез, инициируемый лазерным излучением.

    Благодаря высокой концентрации электромагнитной энергии в пространстве и по спектру лазеры находят широкое применение в микробиологии, фотохимии, химическом синтезе, диссоциации, катализе. Квантовая электроника привела к развитию голографии — метода получения объёмных изображений предметов восстановлением структуры световой волны, отражённой предметом.

    Производство приборов квантовой электроники в промышленно развитых странах сформировалось в крупную отрасль промышленности.

 

5. Заключение

 

    Квантовая механика - волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.

 

    Законы квантовой механики  составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц.

    Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений.

    Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников).

    Только на основе квантовой механики  удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Существуют также явления (например, Джозефсона эффект), в которых законы квантовой механики  непосредственно проявляются в поведении макроскопических объектов.

     Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах квантовой механики. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантово-механическая теория излучения. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Таким образом, квантовая механика становится в значительной мере "инженерной" наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам.

    Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.