论文部分内容阅读
摘要： 自从人类进入电气时代，电能已经成为不可或缺的能源。而根据原子结构和能带结构，物质可分为绝缘体、导体和半导体。其中的导体当达到一定的低温高压条件即可变成超导体，成为高效利用电能的好材料。
关键词：电能 能带 超导 低温高压 高效
【分类号】：TM743
引言：自第二次工业革命以来，人类文明步入电气化时代。日出而作日落而息的生活方式因为电能被照亮，毫秒之间跨越半个地球的信息系统通过電能而运转，人类探索宇宙的步伐借助电脑而迈出……电能毫无疑问已经成为我们生活中不可或缺的一部分。然而，每年大量的电能在传送过程中被电阻所消耗。无数的科学家投身于寻找更好电阻材料的实验之中。下面将结合原子能带理论对导体半导体绝缘体导电本质进行分析。
一.原子的能带结构
原子的原子核周围围绕着核外电子。多电子原子的核外电子的能量是不同的。按电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层。同一能层的电子能量也可能不同，还可以把它们分成能级，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。
无论什么物质都是由原子组成的，当若干个原子互相靠近时，就形成了有固定形状的晶体。电子云相互靠近，电子能级相互融合就组成一束线。因为原子之间的电子轨道数量非常多，以至于密集的电子能级重叠在一起，形成带状，即能带。自由电子在能带中穿梭与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合。这种作用称为金属键。
二.物质导电性的分类
不同的金属晶体因为原子核外电子轨道能级不同，所以有不同的能带。由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量带被称为“满带”，由未充满电子的原子轨道能级所形成的高能量带被称为“导带”，两类能带之间能量差很大，以致满带向导带跃迁几乎不可能，所以把两带之间的能量间隔被称为“禁带”（或能隙）。
由于能带结构的不同，晶体中的电子行为也就不同。因此产生了绝缘体，导体和半导体。
1） 绝缘体：能带全满（或最高能带全空），而且能带间隔能量很大，导致分子中正负电荷束薄得很紧，可自由移动的带电粒子极少，其电阻率大，所以是绝缘体。
2） 导体：能带部分被电子充满，或有空能带且能量间隙很小，能够和相邻（有电子的）能带发生重叠，则是导体。导电性能由导带电子数量决定。
3） 半导体：满带被电子充满，导带是空的，而禁带的宽度很窄。在一般情况下，由于满带上电子不能进入导带，因此不导电。在温度升高时，满带电子跃迁到导带上或带隙中杂质能级上的电子（或空穴）激发到导带（或价带）时，使原来空的导带填充部分电子，同时在满带留下空穴，因此使导带与原来的满带均未充满电子，所以导电。
三.由苯环推导超导的本质
苯环是化学中常见的分子。苯环的特点：碳原子核外电子排布是1S22S22P2结构。一个2S和两个2P轨道杂化（电子在S能量最低，在P比较高，形成分子时会平均化，使得原子轨道重新组合）成SP2。含有三个电子可以形成三个σ键，剩余一个未杂化的P轨道上含有一个电子，且这个P轨道垂直于SP2平面，所以六个这样的P轨道上的电子都可以在这六个P轨道自由移动，所以离域。也就是一号碳上的P电子可以跑到二号、三号、四号……碳的范围内。
由苯环中的大π键可以推测超导的本质
1） 在完美金属晶体中也有类似苯环的大π键，只不过被称为金属键，其本质与大π键一致，都属于离域键（价电子属于整个金属晶格的原子共有）。即电子可以在离域键内畅游，金属键不只是六个金属原子的联合，而是数不清的金属原子联合。
2） 因为原子的价电子充当了金属键中的自由电子，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用金属键中的电子，形成外层电子公用。原子核把公用电子流当成自己所需求的电子，原子核的库仑力（原子核吸引核外电子使电子绕原子核运转）去运输它，让其在自己身边流过。这样，公用电子虽然没有绕原子核运转，但每一瞬间从原子核心身边流经的电子较多，部分地满足核心对电子的需求。
3） 超导体通电后，在电压波作用下，使超导体处于公用的状态下的价电子顺势移动，形成了核外层电子公用的电子流——超导电流。核心把公用电子流当成自己所需求电子的一部分，用原子核库仑力顺势运输它，让其在自己身边流过。于是超导电流不仅不受阻力，而且获得了一份来自核心的运输力。在原子库仑力的接力运输下，电子畅通无阻，形成电阻等于零的超导现象。
4） 其实在一定的低温高压条件下，使得能量极低原子规则排列的时候，保证金属原子之间的距离保持在足够小的范围，电子云有序排布（至少要是一种稳定的状态，如果每个原子都在进行着各种运动， 那么就算彼此靠在一起， 也不可能产生电子的离域。）导致金属原子的电子云发生交叉，外层电子能级互相充分融为一体，形成一个完整的能带。就可以保证电子在其中自由迁徙，即表现出超导性。
5） 当金属晶体在温度较高的情况下会增大距离，使不同金属原子的电子能级之间重叠程度下降，甚至临时断裂。
6）当满足低温高压时，只有部分种类的材料才符合超导条件。
四.总结
综合以上分析，我们得出超导体的两条性质：（1）低温高压条件下，超导材料中的原子相互靠近且规则排布，电子云重叠，相邻原子的电子能级重合程度加强，形成的能带更稳定，自由电子可在能带中自由迁徙（2）超导时公用电子在金属键中流动不仅不受阻力，而且还获得了一份来自原子核的运输力。因此电子定向运动能量没有损失，电流大小没有变化，即出现了超导现象。
在能源使用日趋紧张的今天，对于高效能源利用的探索仍具有巨大科研潜力，并受到国际社会的高度关注，如2014年诺贝尔物理学奖就颁发给了发明出高效节能的蓝光发光二极管日本物理学家赤崎勇、天野弘与中村修二。而对绝缘体、半导体、导体、超导体等节能材料的本质的了解，也必将有助于我国科学领域进步乃至世界在能源领域做出巨大突破，同时也是电气学领域想要取得突破不可忽视的牢固基石，其学术价值与社会意义难以量计。对于超导现象的研究和超导材料的探索还有很长的路要走。
作者介绍：我的名字叫沈也迪，是来自辽宁沈阳第四中学的一名高三学生。在年级排名中上游的我不仅有强烈的求知欲和好奇心，又能欣赏自然的美好，还可以在运动场上展现自我。“追求真理，心向自然，坚持不懈”是我永远的座右铭。这在我的学习和生活中给了我无尽的灵感与精神动力。
身为物理课代表的我与物理有着不解之缘。那一年期末考试物理满分让同学和老师对我刮目相看，在我心中那个应试物理变得简单又束缚。于是我便在书店买到了一本将改变我一生命运的书——《爱因斯坦传》。这本书不仅让我感受到了爱因斯坦的智慧与传奇的一生，更让我对物理学的“新大厦”——量子力学和相对论产生了无尽的幻想和思考。在以后的高中岁月里我对物理的热情有增无减。我把中午的饭费省下来买了很多的经典书籍。物理方面有费曼讲义、霍金三部曲、量子物理史话等。数学方面有几何原本、数学是什么、柯朗的数学物理方法等。哲学方面有叔本华、尼采、康德名家名书。这些书充实着我的高中生活，丰富了我的阅历，培养了我对天体、量子、场论的好奇心，建立了我对微观粒子到宏观宇宙的物理基石。并且在自学物理竞赛仅三个月的条件下就夺得了第32届全国高中生物理竞赛辽宁赛区二等奖。
在自学高等物理的过程中，我结识了很多大学老师、大学生和民间科学爱好者并于他们结下了深厚的友谊。在与他们的谈话中我也体会到了探究物理的陶醉与快乐。同时我也发现了一些现代物理上没有解决的一个问题例如：左手定则。到目前为止，几乎所有的量子问题都在直接或间接的应用着这个经验规则，却没有说为什么叉场只能让电流逆时针偏转。我认为如果这个问题没有解决，那么电与磁的本质就不可能完全弄清楚。我在这个问题上探索了很久：电子的自旋有序化、电子的螺旋结构、电磁活化能等是我近两年来为了磨合电与磁的成果。
相信我对真理的探求之心将会把我引入物理正途。我已做好准备在众多科学先辈的引领之下，为国家为世界竭尽我所能，做出最大贡献。义无反顾的踏上这追求真理的物理之路。
关键词：电能 能带 超导 低温高压 高效
【分类号】：TM743
引言：自第二次工业革命以来，人类文明步入电气化时代。日出而作日落而息的生活方式因为电能被照亮，毫秒之间跨越半个地球的信息系统通过電能而运转，人类探索宇宙的步伐借助电脑而迈出……电能毫无疑问已经成为我们生活中不可或缺的一部分。然而，每年大量的电能在传送过程中被电阻所消耗。无数的科学家投身于寻找更好电阻材料的实验之中。下面将结合原子能带理论对导体半导体绝缘体导电本质进行分析。
一.原子的能带结构
原子的原子核周围围绕着核外电子。多电子原子的核外电子的能量是不同的。按电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层。同一能层的电子能量也可能不同，还可以把它们分成能级，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。
无论什么物质都是由原子组成的，当若干个原子互相靠近时，就形成了有固定形状的晶体。电子云相互靠近，电子能级相互融合就组成一束线。因为原子之间的电子轨道数量非常多，以至于密集的电子能级重叠在一起，形成带状，即能带。自由电子在能带中穿梭与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合。这种作用称为金属键。
二.物质导电性的分类
不同的金属晶体因为原子核外电子轨道能级不同，所以有不同的能带。由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量带被称为“满带”，由未充满电子的原子轨道能级所形成的高能量带被称为“导带”，两类能带之间能量差很大，以致满带向导带跃迁几乎不可能，所以把两带之间的能量间隔被称为“禁带”（或能隙）。
由于能带结构的不同，晶体中的电子行为也就不同。因此产生了绝缘体，导体和半导体。
1） 绝缘体：能带全满（或最高能带全空），而且能带间隔能量很大，导致分子中正负电荷束薄得很紧，可自由移动的带电粒子极少，其电阻率大，所以是绝缘体。
2） 导体：能带部分被电子充满，或有空能带且能量间隙很小，能够和相邻（有电子的）能带发生重叠，则是导体。导电性能由导带电子数量决定。
3） 半导体：满带被电子充满，导带是空的，而禁带的宽度很窄。在一般情况下，由于满带上电子不能进入导带，因此不导电。在温度升高时，满带电子跃迁到导带上或带隙中杂质能级上的电子（或空穴）激发到导带（或价带）时，使原来空的导带填充部分电子，同时在满带留下空穴，因此使导带与原来的满带均未充满电子，所以导电。
三.由苯环推导超导的本质
苯环是化学中常见的分子。苯环的特点：碳原子核外电子排布是1S22S22P2结构。一个2S和两个2P轨道杂化（电子在S能量最低，在P比较高，形成分子时会平均化，使得原子轨道重新组合）成SP2。含有三个电子可以形成三个σ键，剩余一个未杂化的P轨道上含有一个电子，且这个P轨道垂直于SP2平面，所以六个这样的P轨道上的电子都可以在这六个P轨道自由移动，所以离域。也就是一号碳上的P电子可以跑到二号、三号、四号……碳的范围内。
由苯环中的大π键可以推测超导的本质
1） 在完美金属晶体中也有类似苯环的大π键，只不过被称为金属键，其本质与大π键一致，都属于离域键（价电子属于整个金属晶格的原子共有）。即电子可以在离域键内畅游，金属键不只是六个金属原子的联合，而是数不清的金属原子联合。
2） 因为原子的价电子充当了金属键中的自由电子，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用金属键中的电子，形成外层电子公用。原子核把公用电子流当成自己所需求的电子，原子核的库仑力（原子核吸引核外电子使电子绕原子核运转）去运输它，让其在自己身边流过。这样，公用电子虽然没有绕原子核运转，但每一瞬间从原子核心身边流经的电子较多，部分地满足核心对电子的需求。
3） 超导体通电后，在电压波作用下，使超导体处于公用的状态下的价电子顺势移动，形成了核外层电子公用的电子流——超导电流。核心把公用电子流当成自己所需求电子的一部分，用原子核库仑力顺势运输它，让其在自己身边流过。于是超导电流不仅不受阻力，而且获得了一份来自核心的运输力。在原子库仑力的接力运输下，电子畅通无阻，形成电阻等于零的超导现象。
4） 其实在一定的低温高压条件下，使得能量极低原子规则排列的时候，保证金属原子之间的距离保持在足够小的范围，电子云有序排布（至少要是一种稳定的状态，如果每个原子都在进行着各种运动， 那么就算彼此靠在一起， 也不可能产生电子的离域。）导致金属原子的电子云发生交叉，外层电子能级互相充分融为一体，形成一个完整的能带。就可以保证电子在其中自由迁徙，即表现出超导性。
5） 当金属晶体在温度较高的情况下会增大距离，使不同金属原子的电子能级之间重叠程度下降，甚至临时断裂。
6）当满足低温高压时，只有部分种类的材料才符合超导条件。
四.总结
综合以上分析，我们得出超导体的两条性质：（1）低温高压条件下，超导材料中的原子相互靠近且规则排布，电子云重叠，相邻原子的电子能级重合程度加强，形成的能带更稳定，自由电子可在能带中自由迁徙（2）超导时公用电子在金属键中流动不仅不受阻力，而且还获得了一份来自原子核的运输力。因此电子定向运动能量没有损失，电流大小没有变化，即出现了超导现象。
在能源使用日趋紧张的今天，对于高效能源利用的探索仍具有巨大科研潜力，并受到国际社会的高度关注，如2014年诺贝尔物理学奖就颁发给了发明出高效节能的蓝光发光二极管日本物理学家赤崎勇、天野弘与中村修二。而对绝缘体、半导体、导体、超导体等节能材料的本质的了解，也必将有助于我国科学领域进步乃至世界在能源领域做出巨大突破，同时也是电气学领域想要取得突破不可忽视的牢固基石，其学术价值与社会意义难以量计。对于超导现象的研究和超导材料的探索还有很长的路要走。
作者介绍：我的名字叫沈也迪，是来自辽宁沈阳第四中学的一名高三学生。在年级排名中上游的我不仅有强烈的求知欲和好奇心，又能欣赏自然的美好，还可以在运动场上展现自我。“追求真理，心向自然，坚持不懈”是我永远的座右铭。这在我的学习和生活中给了我无尽的灵感与精神动力。
身为物理课代表的我与物理有着不解之缘。那一年期末考试物理满分让同学和老师对我刮目相看，在我心中那个应试物理变得简单又束缚。于是我便在书店买到了一本将改变我一生命运的书——《爱因斯坦传》。这本书不仅让我感受到了爱因斯坦的智慧与传奇的一生，更让我对物理学的“新大厦”——量子力学和相对论产生了无尽的幻想和思考。在以后的高中岁月里我对物理的热情有增无减。我把中午的饭费省下来买了很多的经典书籍。物理方面有费曼讲义、霍金三部曲、量子物理史话等。数学方面有几何原本、数学是什么、柯朗的数学物理方法等。哲学方面有叔本华、尼采、康德名家名书。这些书充实着我的高中生活，丰富了我的阅历，培养了我对天体、量子、场论的好奇心，建立了我对微观粒子到宏观宇宙的物理基石。并且在自学物理竞赛仅三个月的条件下就夺得了第32届全国高中生物理竞赛辽宁赛区二等奖。
在自学高等物理的过程中，我结识了很多大学老师、大学生和民间科学爱好者并于他们结下了深厚的友谊。在与他们的谈话中我也体会到了探究物理的陶醉与快乐。同时我也发现了一些现代物理上没有解决的一个问题例如：左手定则。到目前为止，几乎所有的量子问题都在直接或间接的应用着这个经验规则，却没有说为什么叉场只能让电流逆时针偏转。我认为如果这个问题没有解决，那么电与磁的本质就不可能完全弄清楚。我在这个问题上探索了很久：电子的自旋有序化、电子的螺旋结构、电磁活化能等是我近两年来为了磨合电与磁的成果。
相信我对真理的探求之心将会把我引入物理正途。我已做好准备在众多科学先辈的引领之下，为国家为世界竭尽我所能，做出最大贡献。义无反顾的踏上这追求真理的物理之路。