Головна

   Велика Радянська Енциклопедія

Критичні явища

   
 

Критичні явища, характеризують поведінку речовин в околиці точок фазових переходів До типових К. я. відносяться: зростання стисливості речовини з наближенням до критичній точці рівноваги рідина - пар; зростання магнітної сприйнятливості і діелектричної проникності в околиці Кюрі точок ферромагнетиков і сегнетоелектриків ( рис. 1 ); аномалія теплоємності в точці переходу гелію в надтекучий стан ( рис. 2 ); уповільнення взаємної дифузії речовин поблизу критичних точок расслаивающихся рідких сумішей; аномалії в поширенні ультразвуку та ін

До До. я. в більш вузькому сенсі відносять явища, зобов'язані своїм походженням зростанню флуктуацій термодинамічних величин (густини та ін.) в околиці точок фазових переходів (див. Критичний стан ).

Значне зростання флуктуацій приводить до того, що в критичній точці рівноваги рідина - пар щільність речовини від точки до точки помітно змінюється. Виникла флуктуаційна неоднорідність речовини істотно впливає на його фізичні властивості.

Помітно посилюється, наприклад, розсіяння і поглинання речовиною випромінювань. Поблизу критичної точки рідина - пара розміри флуктуацій щільності доходять до тисяч A і порівнюються з довжиною світлової хвилі. В результаті речовина стає абсолютно непрозорим, більша частина падаючого світла розсіюється в сторони. Речовина набуває опалову (молочно-каламутну) забарвлення, спостерігається т.з.. крітіческаяопалесценція речовини.

Зростання флуктуацій приводить також до дисперсії звуку і його сильному поглинанню ( рис. 3 ), уповільнення встановлення теплового рівноваги (у критичній точці воно встановлюється годинами), зміни характеру броунівського руху , аномаліям в'язкості , теплопровідності і ін К. я. у чистому речовині.

Аналогічні явища спостерігаються в околиці критичних точок подвійних (бінарних) сумішей; тут вони обумовлені розвитком флуктуацій концентрації одного з компонентів в іншому. Так, в критичній точці розшарування рідких металів (наприклад, в системах Li-Na, Ge-Hg) спостерігається критичне розсіяння рентгенівських променів ( рис. 4 ). В околиці точок Кюрі феромагнетиків і сегнетоелектриків, де ростуть флуктуації намагніченості і діелектричної поляризації, є різкі аномалії в розсіянні і поляризації проходять пучків нейтронів ( рис. 5 ), в поширенні звуку і високочастотного електромагнітного поля. При упорядкуванні сплавів (наприклад, гідридів металів) і встановленні орієнтаційного далекого порядку в молекулярних кристалах (наприклад, в твердому метані, чотирихлористому вуглеці, галогенидах амонію) також спостерігаються типові К. я., пов'язані із зростанням флуктуацій відповідної фізичної величини (впорядкованості розташування атомів сплаву або середньої орієнтації молекул по кристалу) в околиці точки фазового переходу.

Внутрішня схожість К. я. при фазових переходах в об'єктах дуже різної природи дозволяє розглядати їх з єдиної точки зору. Встановлено, наприклад, що у всіх об'єктів існує однакова температурна залежність ряду фізичних величин поблизу точок фазових переходів II роду. Для отримання такої залежності фізичні величини виражають у вигляді статечної функції від приведеної температури t = (T- Тк ) / T,: (тут Тк - критична температура ) або ін наведених величин (див. Наведене рівняння стану ). Наприклад, стисливість газу ( дV / др ) Т, сприйнятливість феромагнетика ( дм / дН ) р, Т або сегнетоелектріка ( дD / де ) р, Т і аналогічна величина ( дх / ДM ) р, Т для сумішей з критичною точкою рівноваги рідина - рідина або рідина - пара однаково залежать від температури поблизу критичної точки і можуть бути виражені однотипною формулою:

? (1)

Тут V, р, Т - обсяг, тиск і температура, М и D - намагніченість і поляризація речовини, Н и Е - напруженість магнітного і електричних полів, m - хімічний потенціал компонента суміші, що має концентрацію х. Критичний індекс g, можливо, має однакові або близькі значення для всіх систем. Експерименти дають значення g, лежать між 1 і 4/3, однак похибки у визначенні у часто виявляються того ж порядку, що і відмінність результатів експериментів. Аналогічна залежність теплоємності с від температури для всіх перерахованих систем має вигляд:

cv, з н, c E, c p, x, ... ~ t -a. (2)

Значення a лежать між нулем і ~ 0,2, у ряді експериментів a виявилося близьким до 1/8. Для теплоємності гелію в точці переходу в надтекучий стан (у l-крапці) формула (2) видозмінюється: Ср ~ Int.

Подібним же чином (у вигляді статечного вираження) в околиці критичних точок може бути виражена залежність питомого об'єму газу від тиску, магнітного або електричного моменту системи від напруженості поля, концентрації суміші від хімічного потенціалу компонентів. При постійній температурі, що дорівнює Тк, вони можуть бути записані таким чином:

, M ~ H 1 / d,

. (3)

Експериментальні значення d лежать між 4 і 5.

Однаково залежать від приведеної температури також: різниця питомих об'ємів рідини (Vж) і пара (Vп), що знаходяться в рівновазі нижче критичної точки; магнітний або електричний момент речовини у феромагнітному або сегнетоелектричної стані за відсутності зовнішнього поля; різниця концентрацій двох фаз (x1 и x2) расслаивающейся суміші; корінь квадратний з щільності r s сверхтекучей компоненти в гелії II (див. Надтекучість ):

М, D, x 2-x 1 @ x1-x 2, ? ~ tb (4)

Знайдені значення b близькі до однієї третини (від 5/ 16 до 3/8). Константи a , b, g , d і ін, що характеризують поведінку фізичних величин поблизу точок переходу II роду, називаються критичними індексами.

У деяких об'єктах, наприклад в звичайних надпровідниках і багатьох сегнетоелектріках, майже у всьому діапазоні температур поблизу критичної точки К. я. не виявляються. З ін боку, властивості звичайних рідин в значному діапазоні температур в околиці критичної точки або властивості гелію поблизу l-точки майже цілком визначаються К. я. Це пов'язано з характером дії міжмолекулярних сил. Якщо ці сили досить швидко убувають з відстанню, то в речовині значну роль грають флуктуації і К. я. виникають задовго до підходу до критичної точки. Якщо ж, навпаки, міжмолекулярні сили мають порівняно дальній радіус дії, як, наприклад, кулоновское і диполь-дипольна взаємодія в сегнетоелектрик, то стале в речовині середнє силове поле майже не буде спотворюватися флуктуаціями і К. я. можуть виявитися лише гранично близько до точки Кюрі.

К. я. - це кооперативні явища, тобто явища, обумовлені властивостями всієї сукупності часток, а не індивідуальними властивостями кожної частки. Проблема кооперативних явищ повністю ще не вирішена, тому немає і вичерпної теорії К. я.

Усі реальні підходи до теорії К. я, виходять з емпіричного факту зростання неоднорідності речовини з наближенням до критичної точки і вводять поняття радіусу кореляції флуктуацій rc, близьке за змістом до середнього розміру флуктуації. Радіус кореляції характеризує відстань, на якій флуктуації впливають один на одного і, т. о ., виявляються залежними, "скоррелировать". Цей радіус для всіх об'єктів залежить від температури по статечному закону:

rc ~ t -n. (5)

Передбачувані значення n лежать між 1/2 и 1/3.

Залежності (1), (2) і (5) означають, що значення відповідних величин стають нескінченними в точках, де t перетворюється на нуль (СР рис. 1 , 2, 3). Т. о., радіус кореляції необмежено зростає з наближенням до точки фазового переходу. Це означає, що будь-яка частина даної системи в точці фазового переходу відчуває зміни, що відбулися з іншими частинами. Навпаки, далеко від точки переходу флуктуації статистично незалежні і випадкові зміни стану речовини в даній точці зразка ніяк не позначаються на решту речовини. Наочним прикладом служить розсіювання світла речовиною.

У разі розсіяння світла на незалежних флуктуаціях (т. н. релєєвськоє розсіювання) інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна 4-го ступеня довжини хвилі і приблизно однакова по різних напрямах ( рис. 6 , а). Розсіювання ж на скоррелірованних флуктуаціях - критичне розсіяння - відрізняється тим, що інтенсивність розсіяного світла пропорційна квадрату довжини хвилі і володіє особливою діаграмою спрямованості ( рис. 6 , б).

Серед теорій К. я. великого поширення набула теорія, що розглядає речовину в околиці точки фазового переходу як систему флуктуючих областей розміру ~ rc. Вона називається теорією масштабних перетворень (скейлинг-теорією). Скейлінг-теорія не дозволяє з властивостей молекул, складових речовина, обчислити критичні індекси, але дає співвідношення між індексами, які дозволяють обчислити їх все, якщо відомі які-небудь два з них. Співвідношення між критичними індексами дозволяють визначити рівняння стану і обчислювати потім різні термодинамічні величини за порівняно невеликому обсягу експериментального матеріалу. На аналогічному принципі побудована теорія, що зв'язує декількома співвідношеннями критичні індекси кінетичних властивостей (в'язкості, теплопровідності, коефіцієнт дифузії, поглинання звуку та ін, також мають аномалії в точках фазових переходів) з індексами термодинамічних величин. Ця теорія називається динамічним скейлінгом на відміну від статичної скейлінга, який відноситься тільки до термодинамічних властивостях матерії.

Літ.: Фішер М., Природа критичного стану, пер. з англ., М., 1968; Покровський В. Л., Гіпотеза подібності в теорії фазових переходів, "Успіхи фізичних наук", 1968, т. 94, в. 1, с. 127; Critical phenomena. Wash., 1966.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
© 2014-2022  vre.pp.ua