ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД

ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД фазовое
превращение, в широком смысле - переход вещества из одной фазы в
другую при изменении внешних условий - темп-ры, давления, магнитного и
элект-рич. полей и т. д.; в узком смысле - скачкообразное изменение физ.
свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Различие двух трактовок
термина "Ф. п." видно из следующего примера. В узком смысле переход вещества
из газовой фазы в плазменную (см. Плазма) не является Ф. п., так
как ионизация газа происходит постепенно, но в широком смысле это
- Ф. п. В данной статье термин "Ф. п." рассматривается в узком смысле.

Значение темп-ры, давления
или к.-л. другой физ. величины, при к-ром происходит Ф. п., называют точкой
перехода.

Различают Ф. п. двух родов.
При Ф. п. первого рода скачком меняются такие термодинамич. характеристики
вещества, как плотность, концентрация компонент; в единице массы выделяется
или поглощается вполне определённое количество теплоты, носящее назв. теплоты
перехода. При Ф. п. второго рода нек-рая физ. величина, равная нулю с одной
стороны от точки перехода, постепенно растёт (от нуля) при удалении от
точки перехода в другую сторону. При этом плотность и концентрации изменяются
непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается.

Ф. п.- широко распространённое
в природе явление. К Ф. п. I рода относятся: испарение и конденсация, плавление
и затвердевание, сублимация и конденсация в твёрдую фазу, нек-рые структурные
переходы в твёрдых телах, напр. образование мартенсита в сплаве
железо-углерод. В антиферромагнетиках с одной осью намагничивания
магнитных подрешёток Ф. п. I рода происходит во внешнем магнитном поле,
направленном вдоль оси. При определённом значении поля моменты магнитных
подрешёток поворачиваются перпендикулярно направлению поля (происходит
"опрокидывание" подрешёток). В чистых сверхпроводниках магнитное поле вызывает
Ф. п. I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние (см. Сверхпроводимость).

При абсолютном нуле темп-ры
и фиксированном объёме термодинамически равновесной является фаза с наинизшим
значением энергии. Ф. п. I рода в этом случае происходит при тех значениях
давления и внешних полей, при к-рых энергии двух разных фаз сравниваются.
Если зафиксировать не объём тела V, а давление р, то в состоянии
термодинамич. равновесия минимальной является энергия Гиббса Ф (или G),
а в точке перехода в фазовом равновесии находятся фазы с одинаковыми значениями
Ф (см. Гиббсо-ва энергия).

Многие вещества при малых
давлениях кристаллизуются в неплотноупакованные структуры. Напр., кристаллич.
водород
состоит
из молекул, находящихся на сравнительно больших расстояниях друг от друга;
структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих слоев
атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам
соответствуют большие значения энергии Гиббса. Меньшим значениям Ф в этих
условиях отвечают равновесные плотно-упакованные фазы. Поэтому при больших
давлениях графит переходит в алмаз, а молекулярный кристаллич. водород
должен перейти в атомарный (металлический).
Квантовые жидкости ³Не
и ⁴Не при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых
низких из достигнутых темп-р (Т0,001 К). Причина этого - в слабом взаимодействии
частиц и большой амплитуде их колебаний при темп-pax, близких к абс. нулю
(т. н. нулевых колебаний, см. Неопределённостей соотношение). Однако
повышение давления (до 20 атм при Т=О К) приводит к затвердеванию
жидкого гелия. При отличных от нуля темп-pax и заданных давлении и темп-ре
равновесной по-прежнему является фаза с минимальной энергией Гиббса (минимальная
энергия, из к-рой вычтена работа сил давления и сообщённое системе количество
теплоты).

Для Ф. п. I рода характерно
существование области метастабильного равновесия вблизи кривой Ф. п. I
рода (напр., жидкость можно нагреть до темп-ры выше точки кипения или переохладить
ниже точки замерзания). Метастабилъные состояния существуют достаточно
долго по той причине, что образование новой фазы с меньшим значением Ф
(термодинамически более выгодной) начинается с возникновения зародышей
этой фазы. Выигрыш в величине Ф при образовании зародыша пропорционален
его объёму, а проигрыш - площади поверхности (значению поверхностной
энергии). Возникшие маленькие зародыши увеличивают Ф, и поэтому
с подавляющей вероятностью они будут уменьшаться и исчезнут. Однако зародыши,
достигшие нек-рого критического размера, растут, и всё вещество переходит
в новую фазу. Образование зародыша критич. размера - очень маловероятный
процесс и происходит достаточно редко. Вероятность образования зародышей
критич. размера увеличивается, если в веществе имеются чужеродные включения
макроскопич. размеров (напр., пылинки в жидкости). Вблизи критической
точки разница между равновесными фазами и поверхностная энергия уменьшаются,
легко образуются зародыши больших размеров и причудливой формы, что отражается
на свойствах вещества (см. Критические явления).

Примеры Ф. п. II рода - появление
(ниже определённой в каждом случае темп-ры) магнитного момента у магнетика
при переходе парамагнетик - ферромагнетик, антиферромагнитного упорядочения
при переходе парамагнетик - антиферромагнетик, возникновение сверхпроводимости
в металлах и сплавах, возникновение сверхтекучести в ⁴Не и ³Не,
упорядочение сплавов, появление самопроизвольной (спонтанной) поляризации
вещества при переходе параэлектрик- сегнетоэлектрик и т. д.

Л. Д. Ландау (1937)
предложил общую трактовку всех Ф. п. II рода, как точек изменения симметрии:
выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже
точки перехода. Напр., в магнетике выше точки перехода направления элементарных
магнитных моментов (спинов) частиц распределены хаотически. Поэтому
одновременный поворот всех спинов не меняет физ. свойств системы . Ниже
точки перехода спины имеют преимущественную ориентацию. Одновременный их
поворот изменяет направление магнитного момента системы. Другой пример:
в двухкомпонентном сплаве, атомы к-рого А и В расположены в узлах
простой кубической кристаллической решётки, неупорядоченное состояние
характеризуется хаотическим распределением атомов Л и В по узлам решётки,
так что сдвиг решётки на один период не меняет её свойств. Ниже точки перехода
атомы сплава располагаются упорядочение: ...АВАВ... Сдвиг такой
решётки на период приводит к замене всех атомов Л на В или наоборот. В
результате установления порядка в расположении атомов симметрия решётки
уменьшается.

Сама симметрия появляется
и исчезает скачком. Однако величина, характеризующая асимметрию (параметр
порядка), может изменяться непрерывно. При Ф. п. II рода параметр порядка
равен нулю выше точки перехода и в самой точке перехода. Подобным образом
ведёт себя, напр., магнитный момент ферромагнетика, электрич. поляризация
сег-нетоэлектрика, плотность сверхтекучей компоненты в жидком ⁴Не,
вероятность обнаружения атома А в соответствующем узле кристаллич.
решётки двухкомпонент-ного сплава и т. д.

Для Ф. п. II рода характерно
отсутствие скачков плотности, концентрации, теплоты перехода. Но точно
такая же картина наблюдается и в критич. точке на кривой Ф. п. I рода (см.
Критические
явления). Сходство оказывается очень глубоким. Вблизи критич. точки
состояние вещества можно характеризовать величиной, играющей роль параметра
порядка. Напр., в случае критич. точки на кривой равновесия жидкость -
пар это - отклонение плотности от среднего значения. При движения по критич.
изохоре
со стороны высоких темп-р газ однороден, и эта величина равна нулю.
Ниже критической температуры вещество расслаивается на две фазы,
в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю. Поскольку
вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно
образование зародышей большого размера одной фазы в другой
(флуктуации),
точно
так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны многие критич. явления
при Ф. п. II рода: бесконечный рост магнитной восприимчивости ферромагнетиков
и диэлектрической постоянной сегнетоэлектриков (аналогом является рост
сжимаемости вблизи критич. точка жидкость-пар), бесконечный рост теплоёмкости,
аномальное рассеяние электромагнитных волн [световых в жидкости и паре
(см. Опалесценция критическая), рентгеновских в твёрдых телах],
нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамические явления,
что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуации.
Напр., вблизи критич. точки жидкость-пар сужается линия рэлеевского рассеяния
света, вблизи Кюри точки ферромагнетиков и Нееля точки анти
ферромагнетиков замедляется спиновая диффузия (см. Спиновые волны) и
т. д. Ср. размер флуктуации (радиус корреляции) R растёт по мере
приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке бесконечно
большим.

Современные достижения теории
Ф. п. II рода и критических явлений основаны на гипотезе подобия. Предполагается,
что если принять R за единицу измерения длины, а ср. величину параметра
порядка ячейки с ребром R - за единицу измерения параметра порядка,
то вся картина флуктуации не будет зависеть ни от близости к точке перехода,
ни от конкретного вещества. Все термодинамич. величины являются степенными
функциями R. Показатели степеней называют критическими размерностями
(индексами). Они не зависят от конкретного вещества и определяются лишь
характером параметра порядка. Напр., размерности в точке Кюри изотропного
материала, параметром порядка к-рого является вектор намагниченности, отличаются
от размерностей в критич. точке жидкость - пар или в точке Кюри одноосного
магнетика, где параметр порядка - скалярная величина.

Вблизи точки перехода уравнение
состояния имеет характерный вид закона соответственных состояний.
Напр.,
вблизи критич. точки жидкость-пар отношение (р-рзависит только от (р-рК(здесь
р - плотность, ржидкости, рг - плотность газа, р - давле-ние, р -
критическое
давление, Кизотермическая сжимаемость),
причём
вид зависимости при подходящем выборе масштаба один и тот же для всех жидкостей
(см. Критические явления).

Достигнуты большие успехи
в теоретич. вычислении критич. размерностей и уравнений состояния в хорошем
согласии с экспериментальными данными. Приближённые значения критич. размерностей
приведены в таблице.

Дальнейшее развитие теории
Ф. п. II рода связано с применением методов квантовой теории поля, в особенности
метода ренормалиэационной группы. Этот метод позволяет, в принципе, найти
критические индексы с любой требуемой точностью.

Деление Ф. п. на два рода
несколько условно, т. к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками теплоёмкости
и др. величин и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях.
Ф. п.- коллективное явление, происходящее при строго определённых значениях
темп-ры и др. величин только в системе, имеющей в пределе сколь угодно
большое число частиц.

Лит.: Ландау Л. Д.,
Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая
физика, т. 5); Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики.
Механика и молекулярная физика, 2 изд., М., 1969; Бpayт Р., Фазовые
переходы, пер. с англ., М., 1967;

Фишер М., Природа критического
состояния, пер. с англ., М., 1968; Стенли Г., Фазовые переходы и критические
явления, пер. с англ., М., 1973; Анисимов М. А., Исследования критических
явлений в жидкостях, "Успехи физических наук", 1974, т. 114, в. 2; Паташинский
А. 3., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, М., 1975;
Квантовая теория поля и физика фазовых переходов, пер. с англ., М., 1975
(Новости фундаментальной физики, вып. 6); Вильсон К., Когут Д ж., Ренормализационная
группа и s-разложение, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной
физики, в. 5).

В. Л. Покровский.