КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Специфич. явления, наблюдаемые вблизи критических точек и точек фазовых переходов II рода: рост сжимаемости в-ва в окрестности критич. точки равновесия жидкость — пар; .возрастание магн. восприимчивости и диэлектрич. проницаемости в окрестности Кюри точек ТC ферромагнетиков и сегнетоэлектриков (рис. 1); аномалия теплоёмкости в точке перехода гелия в сверхтекучее состояние (см. рис. в ст. (см. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ)); замедление взаимной диффузии в-в вблизи критич. точек расслаивающихся жидких смесей; аномалии в распространении ультразвука, рассеянии света и др.

К К. я. в более узком смысле относят явления, обязанные своим происхождением росту флуктуации плотности, концентрации и др. физ. величин вблизи точек фазовых переходов.

Рис. 1. Изменение мольной магн. восприимчивости c ферромагнетика (монокристалла Ni) с температурой T вблизи точки Кюри ТC (t — безразмерный параметр, характеризующий степень приближения к точке Кюри).

Значит. рост флуктуации приводит к тому, что, напр., в критич. точке равновесия жидкость — пар плотность в-ва от точки к точке заметно меняется. Возникшая неоднородность существенно влияет на физ. свойства в-ва, в нём, напр., усиливается рассеяние и поглощение излучений. Вблизи критич. точки жидкость — пар размеры флуктуации плотности доходят до тысяч А и сравниваются с длиной световой волны.

Рис. 2. Дисперсия (1) и поглощение (2) звука в Ar вблизи критич. темп-ры Tк перехода жидкость — пар (А — интенсивность звука, прошедшего через в-во, А0 — первонач. интенсивность звука, vзв — скорость звука).

В результате в-во становится совершенно непрозрачным, б. ч. падающего света рассвивается, и в-во приобретает опаловую (молочно-мутную) окраску — наблюдается т.н. критическая о п а л е с ц е н ц и я. Рост флуктуации плотности приводит также к дисперсии звука и его сильному поглощению (рис. 2), замедлению установления теплового равновесия (в критич. точке оно устанавливается в течение многих часов), изменению хар-ра броуновского движения, аномалиям вязкости, теплопроводности и др.

Рис. 3. Температурная зависимость рассеяния рентг. лучей смесью жидких металлов Li и Na. Вблизи критич. точки растворимости смеси (301°С) число квантов рассеянного рентг. излучения, зафиксированных счётчиком в ед. времени, имеет резкий максимум.

Аналогичные явления наблюдаются вблизи критич. точек двойных (бинарных) смесей; здесь они обусловлены развитием флуктуации концентрации одного из компонентов в другом. Так, в критич. точке расслоения смеси двух жидких металлов (напр., Li—Na, Ge—Hg) наблюдается критич. рассеяние рентг. лучей (рис. 3). При упорядочении сплавов (напр., гидридов металлов) и установлении ориентационного дальнего порядка (см. ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) в мол. кристаллах (напр., в твердых СН4, ССl4, галогенидах аммония) также наблюдаются типичные К. я., связанные с ростом флуктуации соответствующей физ. величины (упорядоченности расположения атомов сплава или ср. ориентации молекул по кристаллу) в окрестности точки фазового перехода.

Сходство К. я. в объектах разной природы позволяет рассматривать их с единой точки зрения. Установлено, напр., что у всех объектов существует одинаковая температурная зависимость ряда физ. св-в вблизи точек фазовых переходов II рода. Для получения такой зависимости физ. св-во выражают в виде степенной ф-ции от приведённой темп-ры t=(T-Тк)/Тк (здесь Тк — критическая температура) или др. приведённых величин (см. ПРИВЕДЁННЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ). Напр., сжимаемость газа (дV/др)Т, восприимчивость ферромагнетика (дМ/дН)р,Т или сегнетоэлектрика (дDlдE)p,T и аналогичная величина (дx/дm)p,T для смесей с критич, точкой равновесия жидкость — жидкость или жидкость — пар одинаково зависят от темп-ры вблизи критич. точки и могут быть выражены однотипной ф-лой:

(дV/др)T, (дМ/дН)р,T, (дD/дЕ)р,T, (дх/дm)р,T=t-g. (1)

Здесь V, р, Т — объём, давление и темп-pa, М и D — намагниченность и поляризация в-ва, Н и Е —напряжённости магн. и электрич. полей, m — химический потенциал компонента смеси, имеющего концентрацию х. Критич. индекс g имеет, по-видимому, 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. Аналогична зависимость теплоёмкости с от т для всех перечисл. систем, включая теплоёмкость гелия в точке перехода в сверхтекучее состояние (в l-точке):

Значения а лежат в интервале между нулём и 0,2, во многих экспериментах значение a, оказалось близким к 1/8. Для l-точки гелия a=0 , и ф-ла (2) для гелия видоизменяется: сp=lnt.

Подобным же образом (в виде степенного выражения) в окрестности критич. точки может быть выражена зависимость уд. объёма газа от давления, магн. или электрич. момента системы от напряжённости поля, концентрации смеси от хим. потенциала компонентов. Константы a, g и др., характеризующие поведение всех физ. величин вблизи точек фазового перехода II рода, наз. критическими индексами.

В нек-рых объектах, напр. в обычных сверхпроводниках и мн. сегнетоэлектриках, почти во всём диапазоне темп-р вблизи критич. точки К. я. не обнаруживаются. С другой стороны, они оказывают влияние на в-ва обычных жидкостей в окрестности критич. точки в значит. диапазоне темп-р и на св-ва гелия вблизи l-точки. Это связано с хар-ром действия межмолекулярных сил. Если эти силы достаточно быстро убывают с расстоянием, то в в-ве значит. роль играют флуктуации и К. я. возникают задолго до подхода к критич. точке. Если же, напротив, молекулы взаимодействуют на значит. расстояниях, что характерно, напр., для кулоновского и диполь-дипольного вз-ствий в сегнетоэлектриках, то установившееся в в-ве ср. силовое поле почти не будет искажаться флуктуациями и К. я. могут обнаружиться лишь предельно близко к точке Кюри.

К. я. — это кооперативные явления, они обусловлены св-вами всей совокупности ч-ц, а не индивидуальными св-вами каждой ч-цы. Проблема кооперативных явлений полностью ещё не решена, поэтому нет и исчерпывающей теории К. я. В существующих подходах к теории К. я. исходят из эмпирич. факта возрастания неоднородности в-ва с приближением его к критич. точке и вводят понятие радиуса корреляции флуктуации rc, близкое по смыслу к ср. размеру флуктуации. Радиус корреляции характеризует расстояние, на к-ром флуктуации влияют друг на друга и, т. о., оказываются зависимыми, «скоррелированными». Этот радиус для всех в-в зависит от темп-ры по степенному закону:

rc = t-v. (3)

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

Из ф-л (1), (2) и (3) видно, что значения соответствующих величин становятся бесконечно большими в точках, где rс обращается в бесконечность (rс неограниченно растёт при t®0, т. е. с приближением к точке фазового перехода). Это означает, 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 в-ва в данной точке образца не сказываются на остальном в-ве. Наглядным примером служит рассеяние света в-вом. В случае рассеяния света на независимых флуктуациях (т. н. рэлеевское рассеяние) интенсивность рассеянного света обратно пропорц. l4 (l — длина волны) и прибл. одинакова по разным направлениям (рис. 4, а).

Рис. 4. Вверху —диаграмма направленности рассеяния света на независимых флуктуациях плотности жидкости; внизу — рассеяние света на скоррелированных флуктуациях (рассеяние при критич. темп-ре).

При рассеянии же на скоррелированных флуктуациях (т. н. критич. рассеяние) интенсивность рассеянного света пропорц. l2 и обладает особой диаграммой направленности (рис. 4, б). Большое распространение получила теория К. я., рассматривающая в-во близ точки фазового перехода как систему флуктуирующих областей размером =rс. Она наз. теорией масштабных преобразований (с к е й л и н г — т е о р и е й) или теорией подобия. Скейлинг-теория не позволяет прямым образом вычислить критич. индексы, она лишь устанавливает между ними определ. соотношения, на основе к-рых можно вычислить все индексы, если известны к.-н. два из них. Соотношения между критич. индексами позволяют определить уравнение состояния и вычислять затем разл. термодинамич. величины по сравнительно небольшому объёму эксперим. материала. На аналогичном принципе построена теория, связывающая несколькими соотношениями критич. индексы кинетич. св-в (вязкости, теплопроводности, диффузии, поглощения звука и др., также имеющих аномалии в точках фазовых переходов) с индексами термодинамич. величин. Эта теория наз. д и н а м и ч е с к и м с к е й л и н г о м в отличие от теории статич. скейлинга, к-рая относится только к термодинамич. св-вам материи.