КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ характеризуют
поведение веществ в окрестности точек фазовых переходов К типичным
К. я. относятся: рост сжимаемости вещества с поиближением к критической
точке
равновесия жидкость - пар; возраста-ние магнитной восприимчивости
и диэлектрической проницаемости в окрестности Кюри точек ферромагнетиков
и сегнетрэлектриков (рис. 1); аномалия теплоёмкости в точке перехода гелия
в сверхтекучее состояние (рис. 2); замедление взаимной диффузии веществ
вблизи критич. точек расслаивающихся жидких смесей; аномалии в распространении
ультразвука и др.

К К. я. в более узком смысле относят
явления, обязанные своим происхождением росту флуктуации термодинамич.
величин (плотности и др.) в окрестности точек фазовых переходов (см. Критиче-ское
состояние).

Значит. рост флуктуации приводит к
тому, что в критич. точке равновесия жид-кость - пар плотность вещества
от точки к точке заметно меняется. Возникшая флуктуационная неоднородность
ве-щества существенно влияет на его физ. свойства.

Заметно усиливается, напр., рассеяние
и поглощение веществом излучений. Вблизи критич. точки жидкость - пар размеры
флуктуации плотности доходят до тысяч А и сравниваются с длиной световой
волны. В результате вещество ста" новится совершенно непрозрачным, большая
часть падающего света рассеивается в стороны. Вещество приобретает опаловую
(молочно-мутную) окраску, наблюдается т. н. критическая она-лесценция вещества.



(2) звука в аргоне вблизи
критической
тем-пературы Тперехода жидкость- пар.
Л - интенсивность
звука, прошедшего через вещество, АО -первоначальная интенсивность
звука; vскорость звука.

Рост флуктуации приводит также к ди-cnepcuu
звука и его сильному поглощению (рис. 3), замедлению установления теплового
равновесия (в критич. точке оно устанавливается часами), изменению характера
броуновского
движения, аномалиям вязкости, теплопроводности и др. К. я. в
чистом веществе.

Аналогичные явления наблюдаются в окрестности
критич. точек двойных (бинарных) смесей; здесь они обусловлены развитием
флуктуации концентрации одного из компонентов в другом. Так, в критич.
точке расслоения жидких металлов (напр., в системах Li - Na, Ge - Hg) наблюдается
критич. рассеяние рентгеновских лучей (рис. 4). В окрестности точек Кюри
ферромагнетиков и сегнето-электриков, где растут флуктуации намагниченности
и диэлектрич. поляризации, имеются резкие аномалии в рассеянии и поляризации
проходящих пучков нейтронов (рис. 5), в распространении звука и высокочастотного
электромагнитного поля. При упорядочении сплавов (напр., гидридов металлов)
и установлении ориен-тационного дальнего порядка в молекулярных кристаллах
(напр., в твёрдом метане, четырёххлористом углероде, га-логенидах аммония)
также наблюдаются типичные К. я., связанные с ростом флуктуации соответствующей
физ. величины (упорядоченности расположения атомов сплава или средней ориентации
молекул по кристаллу) в окрестности точки фазового перехода.

Внутр. сходство К. я. при фазовых переходах
в объектах очень разной природы позволяет рассматривать их с единой точки
зрения. Установлено, напр., что у всех объектов существует одинаковая температурная
зависимость ряда физ. величин вблизи точек фазовых переходов II рода. Для
получения такой зависимости физ. величины выражают в виде степенной функции
от приведённой темп-ры т = (Т - Т(здесь
Т- критическая температура) или др. приведённых величин (см. Приведённое
уравнение состояния). Напр., сжимаемость газа (dV/др)восприимчивость
ферромагнетика (дМ/дН)или сегнетоэлектрика
(дD/дЕ)и
аналогичная величина (дх/дM)для смесей с критич. точкой
равновесия жидкость - жидкость или жидкость - пар одинаково зависят от
темп-ры вблизи критич. точки и могут быть выражены однотипной формулой:

Здесь V, р, Т - объём, давление
и темп-pa, М и D - намагниченность и поляризация вещества,
Н
и
Е
- напряжённость магнитного и электрич. полей, M- химический потенциал
компонента
смеси, имеющего концентрацию х.
Критич. индекс у, возможно, имеет
одинаковые или близкие значения для всех систем. Эксперименты дают значения
у, лежащие между 1 и ⁴/у часто оказываются того же порядка, что и различие результатов

Рис. 5. Зависимость интенсивности N
рассеянного
пучка нейтронов, прошедшего через образец никеля, от температуры. Измерялось
рассеяние на углы О=10,2'иО=37'(для О=10,2' масштаб уменьшен в 3 раза).
Максимум рассеяния соответствует точке Кюри Ти его
положение не зависит от угла рассеяния.

экспериментов. Аналогичная зависимость
теплоёмкости с от темп-ры для всех перечисленных
систем имеет вид:

Значения а лежат между нулём и 0,2,
в ряде экспериментов а оказалось близким к 1/8 Для теплоёмкости гелия в
точке перехода в сверхтекучее состояние (в Х-точке) формула (2) видоизменяется:
CD 1пт.

Подобным же образом (в виде степенного
выражения) в окрестности критич. точек может быть выражена зависимость
удельного объёма газа от давления, магнитного или электрич. момента системы
от напряжённости поля, концентрации смеси от хим. потенциала компонентов.
При постоянной темп-ре, равной Тони могут быть записаны
след. образом:

Экспериментальные значения 6 лежат
между 4 и 5.

Одинаково зависят от приведённой темп-ры
также: разность удельных объёмов жидкости (Vнаходящихся в равновесии ниже критич. точки; магнитный или электрич. момент
вещества в ферромагнитном или сегнетоэлект-рич. состоянии в отсутствие
внеш. поля; разность концентраций двух фаз (xрасслаивающейся
смеси; корень квадратный из плотности pв гелии II (см. Сверхтекучесть):

Найденные значения 0 близки к одной
трети (от ⁵/3/а, B, у, 8 и др., характеризующие поведение физических величин вблизи точек
перехода II рода, наз. критич. индексами.

В нек-рых объектах, напр. в обычных
сверхпроводниках и многих сегнетоэлект-риках, почти во всём диапазоне темп-р
вблизи критич. точки К. я. не обнаруживаются. С др. стороны, свойства обычных
жидкостей в значительном диапазоне темп-р в окрестности критич. точки или
свойства гелия вблизи Y-точки почти целиком определяются К. я. Это связано
с характером действия межмолекулярных сил. Если эти силы достаточно быстро
убывают с расстоянием, то в веществе значит. роль играют флуктуации и К.
я. возникают задолго до подхода к критич. точке. Если же, напротив, межмолекулярные
силы имеют сравнительно дальний радиус действия, как, напр., кулонов-ское
и диполь-дипольное взаимодействие в сегнетоэлектриках, то установившееся
в веществе среднее силовое поле почти не будет искажаться флуктуациями
и К. я. могут обнаружиться лишь предельно близко к точке Кюри.

К. я.- это кооперативные явления, т.
е. явления, обусловленные свойствами всей совокупности частиц, а не индивидуальными
свойствами каждой частицы. Проблема кооперативных явлений полностью ещё
не решена, поэтому нет и исчерпывающей теории К. я.

Все реальные подходы к теории К. я,
исходят из эмпирич. факта возрастания неоднородности вещества с приближением
к критич. точке и вводят понятие радиуса корреляции флуктуации r,
близкое
по смыслу к среднему размеру флуктуации. Радиус корреляции характеризует
расстояние, на к-ром флуктуации влияют друг на друга и, т. о., оказываются
зависимыми, некоррелированными". Этот радиус для всех объектов зависит
от темп-ры по степенному закону:

(5)

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

Зависимости (1), (2) и (5) означают,
что значения соответствующих величин становятся бесконечными в точках,
где т обращается в нуль (ср. рис. 1, 2, 3). Т. р., радиус корреляции неограниченно
растёт 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
- критич. рассеяние - отличается тем, что интенсивность рассеянного света
пропорциональна квадрату длины волны и обладает особой диаграммой направленности
(рис. 6,6).

Рис. 6. а - диаграмма направленности
рассеяния света на независимых флуктуациях плотности жидкости; 6 - рассеяние
света на скоррелированных флуктуациях (рассеяние при критической температуре).
Масштаб в случае б сильно уменьшен.

Среди теорий К. я. большое распространение
получила теория, рассматривающая вещество в окрестности точки фазового
перехода как систему флуктуирующих областей размера rназ. теорией масштабных преобразований (скейлинг-теорией). Скейлинг-теория
не позволяет из свойств молекул, составляющих вещество, вычислить критич.
индексы, но даёт соотношение между индексами, к-рые позволяют вычислить
их все, если известны какие-нибудь два из них. Соотношения между критич.
индексами позволяют определить уравнение состояния и вычислять затем
различные термо-динамич. величины по сравнительно небольшому объёму экспериментального
материала. На аналогичном принципе построена теория, связывающая несколькими
соотношениями критич. индексы кине-тич. свойств (вязкости, теплопроводности,
коэфф. диффузии, поглощения звука и др., также имеющих аномалии в точках
фазовых переходов) с индексами термодинамич. величин. Эта теория называется
динамическим скейлингом в отличие от статического скейлинга, который относится
только к термодинамич. свойствам материи.

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