金屬物體具有傳導(dǎo)電流的能力，稱為金屬的導(dǎo)電性。如金、銀、銅、鋁等，都是較好的金屬導(dǎo)體。金屬為什么會導(dǎo)電呢？一般認(rèn)為，金屬的導(dǎo)電性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。

最早的金屬導(dǎo)電理論，是建立在經(jīng)典理論上的特魯?shù)隆�洛倫茲假說，認(rèn)為金屬中存在有自由電子，在外電場作用下，自由電子沿電場力方向產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。按照Q—M鍵理論，原子的Q鍵鏈接具有傳導(dǎo)電場能的功能，據(jù)此，提出新的金屬導(dǎo)電理論——Q鍵電橋說。

一、Q鍵電橋說

       Q—M鍵理論認(rèn)為，金屬之所以具有導(dǎo)電性，與原子核的Q鍵鏈接有關(guān)。具體表述為，在外界電場作用下，原子核電場串聯(lián)起來，構(gòu)成一條電場傳導(dǎo)通路——電橋，電場能通過電橋形成電流。需要說明的是，核外電子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其電場無法形成線性鏈接，因此，金屬導(dǎo)電性與核外電子沒有關(guān)系。原子核電場串聯(lián)屬于原子Q鍵鏈接的組成部分，因此稱為Q鍵電橋，其傳導(dǎo)電流過程，如圖所示：

       比較而言，電橋說以原子核為傳導(dǎo)電流的載體，明確了電流的本質(zhì)——流動(dòng)的電場能，以光速C傳遞，完全符合電流的傳輸特征。而自由電子運(yùn)動(dòng)說則以核外電子為傳導(dǎo)電流的載體。自由電子定向運(yùn)動(dòng)描述的是粒子流，粒子流沿著電場方向運(yùn)動(dòng)，勢必向?qū)�體的一端聚集，而另一端形成空穴，金屬原子變?yōu)殡x子，金屬的傳導(dǎo)功能具有一定飽和性；如此一來，電子定向運(yùn)動(dòng)只能維持短暫的電流傳導(dǎo)，無法形成持續(xù)的電流，與事實(shí)不符。另一方面，自由電子以光速傳導(dǎo)電流也是值得推敲的。

二、電阻

       金屬導(dǎo)體在傳遞電流過程中，對電流的阻礙作用稱為電阻。電阻的特征是將電能轉(zhuǎn)化為熱能。那么，電阻是怎如何生的呢？下面就來探討這一問題。

       在原子內(nèi)部，原子核與核外電子存在著質(zhì)量場和電場雙重作用，其中，原子核和核外電子的電場方向相反，參照圖示：金屬電阻與熱電子(A)。

      當(dāng)外界電場作用于導(dǎo)體時(shí)，金屬原子通過Q鍵鏈接形成電橋，原子核的電場方向與外界電場方向保持一致，而核外電子的電場方向則與外界電場方向相反。電場方向相反產(chǎn)生排斥作用，因此，核外電子將在外界電場作用下，調(diào)轉(zhuǎn)電場方向，與原子核電場方向相同。由于原子核與電子互為逆向旋轉(zhuǎn)粒子，電場方向相同，質(zhì)量場旋轉(zhuǎn)方向則相反。根據(jù)質(zhì)量場作用規(guī)則，逆向旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場間產(chǎn)生排斥作用。因此，核外電子將在原子核質(zhì)量場斥力作用下發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)，躍遷到外層高能級軌道。核外電子在電場翻轉(zhuǎn)及軌道躍遷過程中，產(chǎn)生的反作用即為導(dǎo)體的電阻效應(yīng)。電阻值的大小與電子躍遷前后能量之差成正比。參照圖示，金屬電阻與熱電子（B）。

      不難看出，導(dǎo)體電阻是外界電場能量轉(zhuǎn)化為核外電子軌道躍遷能量的一種作用機(jī)制。躍遷到高能級軌道上的電子又稱為熱電子，是物體進(jìn)入高溫狀態(tài)的一種標(biāo)志。通過電阻作用效應(yīng)，原子能級升高，意味著導(dǎo)體溫度升高。熱電子在軌道躍遷過程中，產(chǎn)生熱輻射現(xiàn)象。因此，電阻具有把電能轉(zhuǎn)化為熱能的物理特征。

三、超導(dǎo)現(xiàn)象

      超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在特定的低溫條件下，電阻降為零的性質(zhì)。超導(dǎo)現(xiàn)象的特征是零電阻和完全抗磁性。

      1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在溫度降至4.2K附近時(shí)，導(dǎo)電性能突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，電阻竟然消失了。后來發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有這種特殊的導(dǎo)電性能，昂內(nèi)斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。^[1]

      為了證實(shí)超導(dǎo)體電阻為零，科學(xué)家將一個(gè)鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩年半的時(shí)間內(nèi)，電流一直沒有衰減，這說明圓環(huán)內(nèi)的電能沒有損失。當(dāng)溫度升到高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc時(shí)，圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應(yīng)電流立刻消失，這就是著名的昂內(nèi)斯持久電流實(shí)驗(yàn)。

       超導(dǎo)體零電阻效應(yīng)，反映的是極限條件下，溫度與電阻的關(guān)系。這一現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢？下面就來闡述這一問題。

      通過前面章節(jié)對熱本質(zhì)的討論，我們知道，物體溫度與原子能級存在著對應(yīng)關(guān)系。原子能級越高，物體溫度越高，原子能級越低，物體溫度越低，原子能級決定了物體的溫度。反過來說，物體所處環(huán)境的溫度可以調(diào)整原子的能級，溫度越高，原子能級越高，溫度越低，原子能級越低。當(dāng)外部環(huán)境溫度恒定時(shí)，物體溫度不變，原子能級處于被鎖定狀態(tài)。原子能級處于基態(tài)時(shí)，對應(yīng)于物體的最低溫度狀態(tài)，每種原子的極限溫度不盡相同，都接近于絕對零度�；鶓B(tài)原子的核外電子運(yùn)動(dòng)在最低能量軌道上，不會產(chǎn)生電磁輻射。

      所謂電阻是外界電場改變核外電子電場方向，使之成為熱電子而產(chǎn)生的反作用效應(yīng)。如果核外電子被極限溫度鎖定在最低能級軌道上，就不會發(fā)生軌道躍遷，沒有機(jī)會成為熱電子。核外電子不發(fā)生軌道躍遷，對外界電場不產(chǎn)生反作用，此時(shí)，導(dǎo)體電阻表現(xiàn)為零，進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。如果物體溫度升高，核外電子在外界電場作用下，躍遷到高能級軌道，成為熱電子。這時(shí)，超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)就會馬上消失，恢復(fù)到常態(tài)。原子的極限溫度，又稱超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc。

      1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)——完全抗磁性。對單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。

      傳統(tǒng)超導(dǎo)理論認(rèn)為，當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個(gè)無損耗感應(yīng)電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而在深入超導(dǎo)區(qū)域總合成磁場為零。換句話說，這個(gè)無損耗感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。

      然而，分析發(fā)現(xiàn)，上述說法與電磁感應(yīng)原理相矛盾。因?yàn)楦袘?yīng)電流產(chǎn)生的條件是，導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，靜止于磁場中的導(dǎo)體，包括超導(dǎo)體在內(nèi)，在沒有切割磁力線的情況下，是不會產(chǎn)生感應(yīng)電流的，設(shè)定超導(dǎo)體表面產(chǎn)生無損耗感應(yīng)電流，缺乏理論依據(jù)。

      人們曾做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動(dòng)了。實(shí)驗(yàn)過程顯示，超導(dǎo)體的完全抗磁性是在超導(dǎo)體與磁場相對靜止時(shí)出現(xiàn)的，沒有切割磁力線運(yùn)動(dòng)，屬于超導(dǎo)體內(nèi)部的一種自然屬性。

      超導(dǎo)體的完全抗磁性是如何產(chǎn)生的呢？邁斯納效應(yīng)的機(jī)理是什么呢？下面就來探討這個(gè)問題。

       每個(gè)原子都是一個(gè)小磁體，都能夠與外界磁場發(fā)生作用。電橋說認(rèn)為，在外界磁場作用下，超導(dǎo)態(tài)原子像電場中的原子一樣，將按著磁場方向有序排列，原子核電場串聯(lián)起來，鏈接成環(huán)形電橋。在環(huán)形回路中，電阻為零，原子核電場能自行循環(huán)，形成昂內(nèi)斯持久電流，即無損耗感應(yīng)電流。換句話說，靜止于磁場中的超導(dǎo)體，將自行感應(yīng)生成電流，感應(yīng)電流形成感應(yīng)磁場。

       超導(dǎo)體不等同于電阻率為無限小的理想導(dǎo)體，對于理想導(dǎo)體來說，在加磁場前后導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度不發(fā)生變化，而超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場。那么，超導(dǎo)體的這種屬性是如何產(chǎn)生的呢？

       原子的磁場由原子核磁場和核外電子磁場共同組成。磁場的本質(zhì)是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場效應(yīng)，原子核磁場和電子磁場就是其質(zhì)量場（M場）自旋產(chǎn)生的效應(yīng)。磁場對原子作用分為兩種情形：第一種情形，原子的磁場方向與外磁場方向相同，這時(shí)，外磁場將向原子核和電子傳輸自旋角動(dòng)量，導(dǎo)致M場作用強(qiáng)度增大，原子核與電子結(jié)合力增強(qiáng)，原子半徑縮小。第二種情形，原子的磁場方向與外磁場方向相反，這時(shí)，外磁場將消減原子核和電子自旋角動(dòng)量，導(dǎo)致M場作用強(qiáng)度減小，原子核與電子結(jié)合力減弱，原子半徑增大。就是說，無論原子磁場方向與外磁場方向相同，還是相反，原子半徑都要發(fā)生增減變化；準(zhǔn)確地說是核外電子發(fā)生了軌道躍遷，進(jìn)入到新的能量軌道，這就是磁場對原子的作用效應(yīng)。

       但是，超導(dǎo)態(tài)的原子，原子能級為基態(tài)，核外電子被鎖定在最低能量軌道上，不會發(fā)生任何軌道躍遷。這意味著超導(dǎo)態(tài)抵制外部磁場的作用效應(yīng)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為“零”。根據(jù)作用與反作用原理，超導(dǎo)態(tài)原子將通過感應(yīng)電流生成與外磁場大小相等、方向相反的感應(yīng)磁場。

       超導(dǎo)感應(yīng)磁場與外磁場相互排斥，傳統(tǒng)超導(dǎo)理論把這一現(xiàn)象理解為，磁力線無法通過超導(dǎo)體，把體內(nèi)的磁場排擠出去。其實(shí)，在完全抗磁性實(shí)驗(yàn)中，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場強(qiáng)度并不為零，而是與外磁場呈對抗?fàn)顟B(tài)，因而出現(xiàn)了各種排斥現(xiàn)象，這是邁斯納效應(yīng)的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬圖示如下：