РЕЛАКСАЦИЯ

(от лат. relaxatio -ослабление, уменьшение), процесс установления равновесия термодинамического в макроскопич. физ. системах (газах, жидкостях, тв. телах). Состояние макроскопич. системы определяется большим числом параметров, и установление равновесия по каждому из параметров может протекать различно. Количеств. хар-кой Р. служит в р е м я р е л а к с а ц и и. Строго говоря, время t, необходимое для установления полного термодинамич. равновесия, бесконечно велико, т. к. в процессе Р. всегда наступает период т. н. линейной Р., когда параметры Xi, описывающие состояние системы (плотность r, темп-ра Т и др.), лишь незначительно отличаются от своих равновесных значений X=i, а скорости их изменения со временем X.i=dXi/dt, пропорц. отклонениям Хi от Х=i:

за времена ti малые отклонения параметров X; от равновесных значений уменьшаются в е раз; ti наз. временами P., a 1/ti=ni — частотами Р. Значения ti определяются св-вами системы, зависят от её состояния и внеш. условий. Напр., эл-ны проводников приходят в состояние равновесия за 10-13 — 10-14 с, а приближение к равновесию крист. структур в земной коре длится геол. эпохи. Физ. система может, достигнув равновесного состояния по одним параметрам, остаться неравновесной по другим, т. е. находиться в состоянии частичного равновесия. Релаксирующая система проходит, как правило, через состояния частичного равновесия.

Все процессы Р.— неравновесные процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии системы, их исследованием занимается кинетика физическая.

Микроскопическая теория Р. базируется на молекулярно-кинетической теории, рассматривающей процессы в макроскопич. системах как проявление движения и вз-ствия атомных и субатомных ч-ц. Теория Р. наиб. разработана применительно к газам, в к-рых равновесие устанавливается благодаря столкновению ч-ц газа. При столкновениях ч-цы обмениваются энергиями и импульсами. Частоты столкновений и эффективность обмена выражаются через вероятности столкновений. Вероятности обмена энергиями и импульсами при столкновениях для ч-ц разл. сортов могут существенно отличаться, что сказывается на релаксац. процессах в системе. В электронно-ионной плазме, напр., различие масс эл-нов и ионов приводит к тому, что эти ч-цы легко обмениваются импульсами, но обмен энергией между подсистемами эл-нов и ионов затруднён. В самих же подсистемах (при электрон-электронных и ион-ионных столкновениях) обмен импульсами и энергиями идёт в одном темпе. В результате быстро устанавливается равновесие в ионной и электронной подсистемах плазмы в отдельности, но равновесие в плазме в целом устанавливается медленнее. Аналогичная ситуация наблюдается в газах из многоатомных молекул, где подсистемами явл. поступат. и внутр. степени свободы. Обмен энергией между этими видами степеней свободы затруднён. Быстрее всего устанавливается равновесие по поступат. степеням свободы, потом — по внутренним и медленнее всего — между поступат. и внутренними. В этих условиях частично равновесное состояние может быть описано введением разл. темп-р подсистем. Самый медленный процесс— выравнивание темп-р подсистем -последний этап Р. Хар-ками столкновений в газе явл. ср. время свободного пробега ч-ц tпр и его длина l=vtпр (v — ср. скорость ч-ц). По порядку величины tпр совпадает с временем установления локального равновесия в объеме газа =l3 (б ы с т р а я Р.). Локально-равновесное состояние описывается макроскопич. параметрами (Т, r и др.), к-рые различны для разных локально-равновесных частей системы, но выравниваются, когда система приходит в полное равновесие. Газ можно считать макроскопич. системой, если l <- L, где L — характерное расстояние (напр., размер сосуда). Переход от локального к полному равновесию (выравниванию темп-р, плотности) требует макроскопически большого числа столкновений (м е д л е н н а я Р.) и из-за случайности столкновений имеет диффузионный хар-р. Этот этап Р. описывается ур-ниями гидродинамики, диффузии, теплопроводности и т. п., содержащими релаксац. и кинетич. коэффициенты. Кинетич. коэфф. могут быть выражены через частоты Р. и длины свободного пробега (или через вероятности столкновений). Так, напр., время выравнивания темп-ры tT»L2/c, где c=lv — коэфф. температуропроводности; ф-ле можно придать вид tT » tпр(L/l)2, из к-рого следует, что Р. темп-ры происходит в результате (L/l)2 столкновений.

Медленная Р. в жидкостях и тв. телах также описывается ур-ниями гидродинамики, диффузии, теплопроводности и т. д., однако релаксац. и кинетич. коэфф. в случае обычных жидкостей не могут быть в общем случае выражены через вероятности микроскопич. процессов. В случае квантовых жидкостей и кристаллов кинетич. коэфф. выражаются через вероятности столкновений квазичастиц. Напр., теплопроводность диэлектрика пропорц. длине свободного пробега фононов, а электропроводность металлов и ПП — длине пробега эл-нов проводимости. Квазичастицы имеют конечные времена жизни, к-рые могут служить для оценки времён Р. в тв. телах (напр., время Р. полупроводника после выключения освещения определяется временем рекомбинации эл-нов и дырок).

Связь между кинетич. коэфф. и хар-ками столкновений ч-ц и квазичастиц устанавливается на основе ур-ний (кинетического уравнения Больцмана, в сложных случаях — квантового кинетич. ур-ния, ур-ния для матрицы плотности, с привлечением метода функций Грина и т. п.).

Релаксация и резонансное поглощение энергии. Р. в экспериментах проявляется, как правило, косвенно в затухании макроскопич. движений, в ограничении потоков ч-ц и теплоты, возникающих в телах под воздействием внеш. сил, а также в зависимости кинетич/ коэфф. (электропроводности, внутр. трения и др.) от частоты (о, если вынуждающая сила периодически изменяется во времени. Частотная зависимость (дисперсия) кинетич. коэфф.— одно из наиболее непосредств. проявлений релаксац. процессов. Сопротивление среды (её стремление остаться в состоянии равновесия, несмотря на воздействие внеш. силы) приводит к уменьшению эффективности воздействия с ростом w. Если при статич. силе fi отклонение Xi от положения равновесия составляет DXi=tifi, то при перем. силе той же амплитуды, fi(t)=ficoswt, отклонение DXi=

Эфф. уменьшение воздействия с ростом частоты w и сдвиг по фазе между fi и DХi приводят, как правило, к немонотонной зависимости от w поглощённой за период энергии Q(w) =wti/(1+(wti)2). Наличие у Q(w) максимума при wti=1 наз. к и н е м а т и ч е с к и м (релаксационным) р е з о н а н с о м. Исследование кинематич. резонанса — удобный метод измерения времени Р. Обнаружение неск. максимумов на кривой Q(w) свидетельствует о существовании неск. механизмов Р. Связь Р. с частотной зависимостью кинетич. коэфф. проявляется особенно отчётливо в тех случаях, когда в системе наблюдается резонансное поглощение эл.-магн. или звук. энергии: ширина резонансной кривой Dw пропорц. частоте Р. резонирующего параметра (Dw=ni).

Релаксация и фазовые переходы. Р. может сопровождаться фазовым переходом. Если переход из неравновесного в равновесное состояние -фазовый переход I рода, то сначала система перейдёт в метастабильное состояние, выйти из к-рого она может, только преодолев межфазовый потенц. барьер путём образования и роста (вплоть до критич. размеров) зародышей стабильной фазы. Необходимость достижения критич. зародышами макроскопич. размеров часто делает Р. из метастабильной фазы в стабильную столь медл. процессом, что метастабильные фазы ведут себя как равновесные (см. АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ, НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ).

С приближением к точке фазового перехода II рода (происходящего при темп-ре Тс) параметр порядка h, характеризующий различие св-в фаз, стремится к нулю, что приводит к увеличению его времени P. (th®? при Т -Tc®0). Замедление релаксац. процессов вблизи Тс накладывает отпечаток на все кинетич. хар-ки тел в этой области темп-р (см. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ).

Магнитная Р. Сравнительно слабая связь спинов атомных и субатомных ч-ц с движением ч-ц (колебаниями крист. решётки, орбитальным движением эл-нов проводимости в кристалле) делает систему спинов квазинезависимой подсистемой тела. В силу этого равновесие внутри спиновой системы магнитоупорядоч. сред (ферро- и антиферромагнетиков) наступает, как правило, раньше, чем всё тело приходит в состояние равновесия. В этих условиях спиновой подсистеме можно приписать темп-ру (спиновая темп-ра), к-рая будет отличаться от темп-ры тела, обусловленной движением атомов и молекул. Процесс установления равновесия в спиновой подсистеме тела наз. м а г н и т и о й Р. Магн. Р. усложняется существованием сил разл. природы, действующих между спинами. Обменные силы (см. ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ), наибольшие по величине, не могут изменить ср. магн. момента системы, даже если он имеет неравновесное значение, но выравнивают темп-ру в спиновой подсистеме. Релятив. силы вз-ствия между спинами (спин-орбитальные, магнитодипольные и др., (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ)) ответственны за Р. ср. магн. момента, причём разные компоненты магн. момента релаксируют с разной скоростью.

Р. в парамагнетиках компонента магн. момента, к-рый перпендикулярен приложенному магн. полю, связана со спин-спиновым вз-ствием (время P. t1), а Р. продольного компонента — со спин-решёточным (спин-фононным) вз-ствием (время Р. t2). Обычно t1>t2, а разл. природа Р. проявляется не только в числ. различии времён Р., но и в разных зависимостях от темп-ры. Магн. Р. яд. спинов обладает особенностями, обусловленными их сравнительно слабым вз-ствием с др. степенями свободы тв. тела и друг с другом. Из-за этого время ядерной Р., как правило, превосходит др. времена Р.

Магн. Р. проявляется в процессах намагничивания и перемагничивания (см. МАГНИТНАЯ ВЯЗКОСТЬ), она определяет ширину линий магн. резонансов и дисперсию магн. восприимчивости. Магн. Р. ограничивает применимость магнетиков в технике и в физ. эксперименте. Т. к. магн. Р. (как и др. релаксац. процессы) существенно зависит от структуры тела и его хим. состава (в кристаллах — от наличия дислокаций и др. дефектов), то время магн. Р. можно изменять технологич. обработкой (легированием, закалкой и т. п.).