Баллистическая


Фазовые переходы первого и второго рода



жүктеу 8.2 Mb.
бет78/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   74   75   76   77   78   79   80   81   ...   99

Фазовые переходы первого и второго рода

Я полагаю, что следует ввести в физику понятия симметрии, столь привычные для кристаллографов.



П. Кюри, "О симметрии физических явлений", 1894 г.
Эти исследования, если бы они были продолжены П. Кюри, могли бы, вероятно, иметь для развития естествознания в целом немногим меньшее значение, чем работы по радиоактивности для развития физики и химии.

А.В. Шубников [164]
В качестве одного из свидетельств в пользу квантовой физики приводят порой экзотические фазовые переходы второго рода. Напомним, что фазовыми переходами первого рода называют агрегатные превращения вещества, идущие с выделением энергии. В них скачком меняется в точке перехода плотность, теплоёмкость и другие параметры физического тела. Другое дело фазовые переходы второго рода - они происходят без выделения скрытой теплоты, а характеристики вещества в точке перехода меняются плавно, непрерывно. К фазовым переходам второго рода относят переходы ферромагнетик-парамагнетик, проводник-сверхпроводник, гелий-сверхтекучий гелий и другие кажущиеся сверхъестественными с позиций классической физики превращения. Поэтому и объяснить их якобы можно лишь с позиций квантовой физики. Но на самом деле, как покажем далее, фазовые переходы второго рода не отличаются особо от первого и объясняются целиком в рамках классической физики и представляют собой лишь более сложные превращения вещества, которые в действительности тоже сопровождаются выделением и поглощением тепла.

Более того, выделение и поглощение тепла в этих переходах обязательно. Совершенно так же, как для переходов первого рода, такое тепловыделение следует из законов термодинамики. Ведь любой фазовый переход подразумевает перестройку вещества. При понижении температуры вещество переходит в энергетически более выгодное состояние, уменьшает свою внутреннюю энергию. Вот почему эта избыточная энергия выделяется и её необходимо отводить, чтобы перевести вещество из одного состояния в другое. Так, при кристаллизации атомы выстраиваются в правильном порядке, что уменьшает энтропию соединения и потенциальную энергию взаимодействия атомов. Эта энергия и выделяется в форме скрытой теплоты кристаллизации. То же самое происходит в действительности и в фазовых переходах второго рода, скажем, в переходе парамагнетик-ферромагнетик. Там переход происходит без перестройки взаимного положения частиц, именно поэтому фазовые переходы второго рода не сопровождаются изменением плотности и объёмы. Однако этот переход сопровождается глубокими внутренними перестройками структуры вещества.

Так, при образовании ферромагнетика магнитные моменты электронов выстраиваются параллельно друг другу. То есть происходит упорядочивание, но не по положениям частиц, а по их ориентации в пространстве. Такое упорядочивание неизбежно сопровождается уменьшением энтропии, энергии взаимодействия, опять же выделяемой в форме тепла. И хотя считают, что фазовые переходы происходят без выделения тепла (в этом, как считают, их существенное отличие от фазовых переходов первого рода), реально они, как покажем далее, выделяют скрытое тепло ничуть не хуже. Тем самым исчезает различие между фазовыми переходами первого и второго рода, а значит, рушатся все представления о какой-то исключительности таких переходов 2-го рода и вся их феноменологическая теория, построенная Л. Ландау и В. Гинзбурга во многом на базе квантового подхода. В действительности фазовые переходы первого и второго рода совершенно симметричны, подобны и одинаково объясняются классическими процессами. Разница у них не принципиальная, а количественная, и состоит она в ширине температурного интервала, в пределах которого происходит фазовый переход.

Правильную теорию фазовых переходов второго рода и их связи со степенью симметрии начал развивать П. Кюри, первым основательно исследовавший кристаллы, переход парамагнетик-ферромагнетик, и вообще бывший специалистом в физической химии. Однако ранняя трагическая смерть помешала Кюри закончить эту грандиозную классическую работу. Далее рассмотрим подробнее некоторые из таких переходов.



    1. Магнетизм и ферромагнетизм

Мне остаётся сказать, по какому закону природы

Может железо к себе притягивать камень, который

Греки "магнитом" зовут по названию месторожденья…

Прежде всего из магнита должны семена выделяться

Множеством или же ток истекать, разбивая толчками

Воздух, который везде между камнем лежит и железом.

Только что станет пустым пространство меж ними, и много

Места очистится там, как тотчас же, общею кучей,

Первоначала туда стремглав устремятся железа…

Дело ведь в том, что к тому побуждают извне их удары…

Будто бы сзади толкает кольцо и уносит, и гонит.

Ведь ударяет всегда окружающий воздух предметы.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н.э. [77]
Природа магнетизма уже была раскрыта ранее (§ 1.7.). Магниты и ферромагнитные материалы притягиваются за счёт существующих в них элементарных круговых молекулярных токов, взаимодействие которых по гипотезе Ампера и вызывает притяжение или отталкивание. Что самое удивительное, такую гипотезу магнитного взаимодействия ещё за две тысячи лет выдвигали Демокрит и Лукреций, говорившие, что его осуществляют элементарные частицы магнитов и железа, посредством источаемых ими токов, пронизывающих ткань магнита и железа. По их гипотезе те же мельчайшие семена, частицы (реоны), что постоянно источаются телами и переносят свет, оказывают и магнитное воздействие, имеющее электрическое происхождение в полном согласии с гипотезой Ритца. Казалось бы, эти истечения способны лишь отталкивать предметы. Но Лукреций удивительным образом смог объяснить притяжение тем, что атомы железа, постоянно ударяемые частицами окружающего воздуха, при поднесении магнита испытывают больше таких ударов с внешней стороны, поскольку частицы, источаемые магнитом, расчищают своими ударами пространство до железного тела. Именно так по реонной гипотезе осуществляется притяжение: ареоны, выбрасываемые позитроном, расчищают пространство до электрона, и потому удары внешнего сходящегося реонного потока подталкивают электрон навстречу позитрону (§ 3.20.). Лукреций же первым произвёл классификацию тел по магнитным свойствам аналогичную современному разделению на диа-, пара- и ферромагнетики. Лукреций догадался, что нет принципиальной разницы между магнитными и немагнитными телами, просто одни реагируют на магнитные токи в большей степени, а другие в меньшей: тела обладают разной магнитной восприимчивостью и проницаемостью [77]. Удивительное прозрение!

С чем же связано наличие магнитных свойств у одних тел и отсутствие у других? В настоящее время магнетизм и ферромагнетизм причисляют к квантовым явлениям, хотя в действительности это рядовые классические феномены. Не зря первое объяснение ферромагнетизма было дано ещё век назад Пьером Кюри целиком в рамках классической науки. Он объяснил ферромагнетизм спонтанной намагниченностью. Магнитные моменты атомов, взаимно влияя друг на друга, одинаково выстраиваются вдоль одного направления. В итоге их магнитные моменты складываются, тем самым создавая заметные магнитные поля вещества. С увеличением температуры от беспорядочного движения атомов магнитные моменты рассогласуются и спонтанная намагниченность выше некоторой температуры (точки Кюри) исчезает. Имеет место переход ферромагнетик-парамагнетик. Этот фазовый переход не содержит ничего сверхъестественного и его ни к чему считать переходом второго рода - этой лишней сущности, введённой Ландау, вопреки принципу Оккама. Реально в процессе перехода парамагнетик-ферромагнетик выделяется тепло, как во всех переходах первого рода. Однако этот переход происходит не резко, а растянут в некотором температурном интервале, поэтому выделение и поглощение тепла воспринимается как рост теплоёмкости ферромагнетика. Теплоёмкость стремится к бесконечности с приближением к точке перехода (точке Кюри). Поэтому скрытую теплоту таких переходов можно найти как площадь, заключённую под кривой теплоёмкости. Этот вопрос будет подробней рассмотрен в следующих разделах (§ 4.20., § 4.21.).

В таком переходе тепло не может не выделяться, поскольку образование ферромагнетика связано с большей степенью упорядоченности - атомы и электроны в них расположены упорядоченно не только по своим координатам, но и по направлениям, образуя кристалл более высокой степени симметрии. По отдельности с упорядочением по координатам и направлениям моментов атомов и молекул мы встречаемся в обычных и в жидких кристаллах, а в ферромагнетиках эти свойства совмещены. Именно это упорядочение неизбежно ведёт к снижению энтропии с выделением соответствующей энергии в некотором температурном интервале. И лишь из-за того, что это тепловыделение растянуто его интерпретируют как рост теплоёмкости. Для охлаждения на один градус необходимо не только отнимать тепло, связанное с кинетической энергией беспорядочного движения атомов, но и внутренне тепло, постепенно выделяющееся в переходе. Существование скрытой теплоты перехода подтверждает и магнитокалорический эффект.

В том, что ферромагнетизм не имеет отношения к квантовой теории, а объясняется чисто механически с помощью классических теорий, следует уже из существования пьезомагнитного и обратного пьезомагнитного эффекта - то есть намагничивания ферромагнитных материалов под действием давления, деформации. Именно за счёт этого эффекта намагничиваются со временем острия ножниц, отвёртки, ножи мясорубки. Связано это с тем, что пластическая деформация приводит к перестройке внутренней структуры металла и чисто механическому упорядочиванию в расположении его атомов и зёрен, что хорошо заметно на протравленных срезах металла. Механическое упорядочивание в расположении атомов и приводит к сонаправленному расположению их магнитных моментов, прежде ориентированных случайным образом. Пластические деформации вызывают постоянные перестройки атомной структуры в энергетически более выгодную, снижающую энергию взаимодействия, что достигается при сонаправленном расположении магнитных моментов атомов. Не составит большого труда объяснить с классических позиций и все другие особенности ферромагнетизма, в том числе кривую намагничивания, а также явления пара-, диа- и антиферромагнетизма.

Стоит отметить, что классическая теория переходов ферромагнетик-парамагнетик была построена Пьером Вейссом и Пьером Кюри [50], чему предшествовало создание Кюри теории кристаллов и кристаллизации (фазового перехода первого рода), а также важной для этих процессов теории симметрии [156, 164]. Однако Кюри умер в 1906 г. и теперь теорию такого рода фазовых переходов, основанной на теории симметрии, чаще связывают с именем Л.Д. Ландау, по сути укравшего и извратившего на кванторелятивистской основе идеи Кюри. Такое уже не раз происходило и с идеями Ритца. Сейчас можно только пожалеть о ранней кончине В. Ритца и П. Кюри. Оба исследовали с разных сторон один и тот же вопрос и были близки к разгадке тайн строения вещества. Если Ритц построил магнитокристаллическую модель атома, то Кюри установил связь кристаллов и магнетизма. Проживи они оба чуть подольше и объедини свои усилия, люди ещё сто лет назад могли бы получить в руки адекватную теорию атома и ядра, а вместе с ними и полностью классическую картину мироздания. Итак, магнетизм в целом и ферромагнетизм в частности вполне объяснимы в рамках классических законов. Более того, именно классическая теория атома, основанная на модели Ритца, позволяет понять, почему одни материалы и элементы обладают свойствами ферромагнетиков и антиферромагнетиков, а другие нет (§ 3.19., § 3.3.).



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   74   75   76   77   78   79   80   81   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет