Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Критические явления

Критические явления (далее К) характеризуют поведение веществ в окрестности точек фазовых переходов К типичным К относятся: рост сжимаемости вещества с приближением к критической точке равновесия жидкость — пар; возрастание восприимчивости и диэлектрической проницаемости в окрестности Кюри точек ферромагнетиков и сегнетоэлектриков (рис. 1); аномалия теплоемкости в точке перехода в сверхтекучее состояние (рис. 2); замедление взаимной диффузии веществ вблизи критических точек расслаивающихся жидких смесей; аномалии в распространении ультразвука и др.

  К К в более узком смысле относят явления, обязанные своим происхождением росту флуктуаций термодинамических величин (плотности и др.) в окрестности точек фазовых переходов (см. Критическое состояние).

  Значительный рост флуктуаций приводит к тому, что в критической точке равновесия жидкость — пар плотность вещества от точки к точке заметно меняется. Возникшая флуктуационная неоднородность вещества существенно влияет на его физические свойства.

  Заметно усиливается, например, рассеяние и поглощение веществом излучений. Вблизи критической точки жидкость — пар размеры флуктуаций плотности доходят до тысяч Å и сравниваются с длиной световой волны. В результате вещество становится совершенно непрозрачным, большая часть падающего света рассеивается в стороны. Вещество приобретает опаловую (молочно-мутную) окраску, наблюдается т. н. критическая опалесценция вещества.

  Рост флуктуаций приводит также к дисперсии звука и его сильному поглощению (рис. 3), замедлению установления теплового равновесия (в критической точке оно устанавливается часами), изменению характера броуновского движения, аномалиям вязкости, теплопроводности и др. К в чистом веществе.

  Аналогичные явления наблюдаются в окрестности критических точек двойных (бинарных) смесей; здесь они обусловлены развитием флуктуаций концентрации одного из компонентов в другом. Так, в критической точке расслоения жидких металлов (например, в системах —, —) наблюдается критическое рассеяние рентгеновских лучей (рис. 4). В окрестности точек ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, где растут флуктуации намагниченности и диэлектрической поляризации, имеются резкие аномалии в рассеянии и поляризации проходящих пучков нейтронов (рис. 5), в распространении звука и высокочастотного электромагнитного поля. При упорядочении сплавов (например, гидридов металлов) и установлении ориентационного дальнего порядка в молекулярных (например, в твердом метане, четыреххлористом галогенидах аммония) также наблюдаются типичные К, связанные с ростом флуктуаций соответствующей физической величины (упорядоченности расположения сплава или средней ориентации молекул по в окрестности точки фазового перехода.

  Внутреннее сходство К при фазовых переходах в объектах очень разной природы позволяет рассматривать их с единой точки зрения. Установлено, например, что у всех объектов существует одинаковая температурная зависимость ряда физических величин вблизи точек фазовых переходов рода. Для получения такой зависимости физические величины выражают в виде степенной функции от приведенной температуры t=(T—Тк)/T,: (здесь Тккритическая температура) или др. приведенных величин (см. Приведенное уравнение состояния). Например, сжимаемость газа (д/др) Т, восприимчивость ферромагнетика (дМ/дН) р, Т или сегнетоэлектрика (дD/дЕ) р, Т и аналогичная величина (дх/дm) р, Т для смесей с критической точкой равновесия жидкость — жидкость или жидкость — пар одинаково зависят от температуры вблизи критической точки и могут быть выражены однотипной формулой:

 (1)

  Здесь , р, Т — объем, давление и температура, М и D — намагниченность и поляризация вещества, Н и Е— напряженность и электрических полей, mхимический потенциал компонента смеси, имеющего концентрацию х. Критический индекс g, возможно, имеет одинаковые или близкие значения для всех систем. Эксперименты дают значения g, лежащие между 1 и 4/3, однако погрешности в определении у часто оказываются того же порядка, что и различие результатов экспериментов. Аналогичная зависимость теплоемкости с от температуры для всех перечисленных систем имеет вид:

cv, сн, cE, cp, x,...~ t-a. (2)

  Значения a лежат между нулем и ~ 0,2, в ряде экспериментов a оказалось близким к 1/8. Для теплоемкости в точке перехода в сверхтекучее состояние (в l-точке) формула (2) видоизменяется: Ср ~ Int.

  Подобным же образом (в виде степенного выражения) в окрестности критических точек может быть выражена зависимость удельного объема газа от давления, или электрического момента системы от напряженности поля, концентрации смеси от потенциала компонентов. При постоянной температуре, равной Тк, они могут быть записаны следующим образом:

, M ~ 1/d,

. (3)

  Экспериментальные значения d лежат между 4 и 5.

  Одинаково зависят от приведенной температуры также: разность удельных объемов жидкости (ж) и пара (п), находящихся в равновесии ниже критической точки; или электрический момент вещества в ферромагнитном или сегнетоэлектрическом состоянии в отсутствие внешнего поля; разность концентраций двух фаз (x1 и x2) расслаивающейся смеси; корень квадратный из плотности rs сверхтекучей компоненты в (см. Сверхтекучесть):



М, D, x2-x1 @ x1-x2,  ~ tb (4)

  Найденные значения b близки к одной трети (от 5/16 до 3/8). Константы a, b, g, d и др., характеризующие поведение физических величин вблизи точек перехода рода, называются критическими индексами.

  В некоторых объектах, например в обычных сверхпроводниках и многих сегнетоэлектриках, почти во всем диапазоне температур вблизи критической точки К не обнаруживаются. С др. стороны, свойства обычных жидкостей в значительном диапазоне температур в окрестности критической точки или свойства вблизи l-точки почти целиком определяются К Это связано с характером действия межмолекулярных сил. Если эти силы достаточно быстро убывают с расстоянием, то в веществе значительную роль играют флуктуации и К возникают задолго до подхода к критической точке. Если же, напротив, межмолекулярные силы имеют сравнительно дальний радиус действия, как, например, кулоновское и диполь-дипольное взаимодействие в сегнетоэлектриках, то установившееся в веществе среднее силовое поле почти не будет искажаться флуктуациями и К могут обнаружиться лишь предельно близко к точке
  К — это кооперативные явления, т. е. явления, обусловленные свойствами всей совокупности частиц, а не индивидуальными свойствами каждой частицы. Проблема кооперативных явлений полностью еще не решена, поэтому нет и исчерпывающей теории К

  Все реальные подходы к теории К. я, исходят из эмпирического факта возрастания неоднородности вещества с приближением к критической точке и вводят понятие радиуса корреляции флуктуаций rc, близкое по смыслу к среднему размеру флуктуации. Радиус корреляции характеризует расстояние, на котором флуктуации влияют друг на друга и, т. о., оказываются зависимыми, "скоррелированными". Этот радиус для всех объектов зависит от температуры по степенному закону:

rc~t-n. (5)

  Предполагаемые значения n лежат между 1/2 и 1/3.

  Зависимости (1), (2) и (5) означают, что значения соответствующих величин становятся бесконечными в точках, где t обращается в нуль (ср. рис. 1, 2, 3). Т. о., радиус корреляции неограниченно растет с приближением к точке фазового перехода. Это значит, что любая часть рассматриваемой системы в точке фазового перехода чувствует изменения, произошедшие с остальными частями. Наоборот, вдали от точки перехода флуктуации статистически независимы и случайные изменения состояния вещества в данной точке образца никак не сказываются на остальном веществе. Наглядным примером служит рассеяние света веществом.

  В случае рассеяния света на независимых флуктуациях (т. н. рэлеевское рассеяние) интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны и приблизительно одинакова по разным направлениям (рис. 6, а). Рассеяние же на скоррелированных флуктуациях — критическое рассеяние — отличается тем, что интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату длины волны и обладает особой диаграммой направленности (рис. 6, б).

  Среди теорий К большое распространение получила теория, рассматривающая вещество в окрестности точки фазового перехода как систему флуктуирующих областей размера ~ rc. Она называется теорией масштабных преобразований (скейлинг-теорией). Скейлинг-теория не позволяет из свойств молекул, составляющих вещество, вычислить критические индексы, но дает соотношение между индексами, которые позволяют вычислить их все, если известны какие-нибудь два из них. Соотношения между критическими индексами позволяют определить уравнение состояния и вычислять затем различные термодинамические величины по сравнительно небольшому объему экспериментального материала. На аналогичном принципе построена теория, связывающая несколькими соотношениями критические индексы кинетических свойств (вязкости, теплопроводности, коэффициент диффузии, поглощения звука и др., также имеющих аномалии в точках фазовых переходов) с индексами термодинамических величин. Эта теория называется динамическим скейлингом в отличие от статического скейлинга, который относится только к термодинамическим свойствам материи.

  Лит.: Фишер М., Природа критического состояния, пер. с англ., М., 1968; Покровский В. Л., Гипотеза подобия в теории фазовых переходов, "Успехи физических наук", 1968, т. 94, в. 1, с. 127; Critical phenomena. Wash., 1966.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 03.03.2024 06:21:41