Fazoviy o`tishlar
Reja:
Qattiq holatga o`tish
Holat diagrammasi. Uchlanma nuqta
Birinchi va ikkinchi tur fazaviy o`tishlar
Qattiq geliy
Xulosa
Biz suyuq gazsimon holatlarning qattiq holatga o`tishi, ya`ni kristallanish va aksincha o`tish –erish va qaynashni ko`rdik. Avval VII bobda suyuqlikning bug`ga o`tishini- bug`lanishni va aksincha o`tish- kondensatsiyani ko`rdik. Bu barcha fazaviy o`tishlarda jism yoki tegishli o`tishning yashirin issiqligi (Erish isiqqligi, bug`lanish issiqligi va h.k) sifatida energiya ajratadi yoki energiya yutadi. Energiyaning yoki energiya bilan bog`lik bo`lgan boshqa kattaliklar, masalan, zichlikning sakrashsimon o`zgarishi bilan bo`ladigan fazaviy o`tishlar birinchi tur fazaviy o`tishlar deb ataladi.
Birinchi tur fazaviy o`tishlar uchun modda xossalarining sakrashsimon, ya`ni juda qisqa temperaturalar intervalida o`zgarishi xarakterlidir. Binobarin, aniq o`tish temperaturasi yoki o`tish nuqtasi haqida , masalan, qaynash nuqtasi, erish nuqtasi va xokazo haqida gapirish mumkin.
Fazaviy o`tishlar temperaturalari tashqi parametr - p bosimga bog`liq; berilgan temperaturada o`tish sodir buladi. Fazaviy muvozanat chizig`i bizga ma`lum bulgan Klapeyron-Klauzius tenglamasi bilan ifodalanadi:
,
bu yerda L-o`tish molyar issiqligi, V1 va V2 har ikkala fazaning molyar hajmlari.
Birinchi tur fazaviy o`tishlarda yangi faza birato`la butun hajmda paydo bo`lmaydi. Dastlab yangi fazaning markazlari hosil bo`lib so`ngra ular o`sib butun hajmga tarqaladi.
Markazlarning hosil bo`lish protsessi bilan suyuqlikning kondensatsiyasida duch kelgan edik. Kondensatsiya uchun chang zarralari, ionlar va hokazo ko`rinishida kondensatsiya markazlari bulishi zarur. Xuddi shuningdek, suyuqlikning qotishi uchun kristallanish markazlari bo`lishi zarur.Bunday markazlar bo`lmaganida bug` va suyuqlik o`ta sovigan holatda bo`lishi mumkin. Masalan, -100 S temperaturada ham, agar suv toza bo`lsa, uzoq muddat muzlamasligini kuzatish mumkin.
Biroq shunday fazaviy o`tishlar ham bo`ladiki, ularda aylanish butun hajmda kristall panjaranining uzluksiz o`zgarishi, ya`ni panjarada zarralarning o`zaro qayta joylashishi natijasida darhol ro`y beradi. Bu ma`lum temperaturada panjara simmetriyasining o`zgarishi, masalan, past simmetriyali panjaraning yuqori simmetriyali panjaraga aylanishiga olib kelishi mumkin. Bu temperaturada fazaviy o`tish ikkinchi tur fazaviy o`tish deb ataladi. Ikkinchi tur fazaviy o`tish sodir buladigan bu temperatura Kyuri nuktasi deb ataladi. Bu birinchi marta ferromagnetiklarda ikkinchi tur fazaviy o`tishlarini kashf qilgan olim Per Kyuri sharafiga shunday deb atalgan.
Holat bunday uzluksiz o`zgarganida o`tish nuktasida ikki turli fazaning muvozanati bulmaydi, chunki o`tish butun hajmda birdaniga sodir buladi. Shuning uchun o`tish nuktasida U ichki energiyaning sakrashi xam ro`y bermaydi. Demak, bunday o`tishda o`tish yashirin issikligining ajralishi xam, ro`y bermaydi. Birok o`tish nuqtasidan yuqori va past temperaturada modda turli kristall modifikatsiyali bo`lgani uchun ularning issiklik sig`imi turlicha bo`ladi. Demak, fazaviy o`tish nuktasida issiklik sig`imi, ya`ni ichki energiyadan vaqt bo`yicha olingan hosilasi sakrashsimon o`zgaradi.
Garchi o`tish nuqtasida hajmning o`zi o`zgarmasa-da, hajmiy kengayish koeffitsenti sakrash bilan o`zgaradi.
S`Hunday ikkinchi tur fazaviy o`tishlar xam borki, ularda holatning uzluksiz o`zgarishi kristall strukturasining o`zgarishini bildirmaydi, birok bu o`tishlarda holat birdaniga butun hajmida uzgaradi. Bunday tur o`tishlarning eng mashhuri moddalarning ferromagnit holatdan ferromagnit bo`lmagan holatga o`tishidir, bunday o`tish Kyuri nuktasi deb atalgan temperaturada sodir bo`ladi; ba`zi metallarning normal holatda o`ta o`tkazuvchan elektr karshiligi yo`qoladi. Ikkala holda ham o`tish uzluksiz va birdaniga butun hajmda o`zgaradi. Suyuk geliyning Ne I holatdan Ne II holatga o`tishi ham ikkinchi tur o`tishga misol bo`ladi. Bu barcha hollarda o`tish nuqtasida issiqlik sig`imining sakrashi kuzatiladi. (S`Hu munosabat bilan ikkinchi tur fazaviy o`tish temperaturasi ikkinchi nomga ega- uni - nuqta deb ataladi; bu nom shu nuqtadagi issiqlik sig`imi egri chizig`ining o`zgarish xarakteriga qarab berilgan; bu to`g`rida 118- da suyuq geliyga tegishli tekstda bayon qilingan edi.)
Fazaviy o`tishlarning qanday bo`lishini endi batafsilroq ko`raylik. Fazaviy aylanishlarda asosiy rolni fizikaviy kattaliklarning fluktuatsiyalari o`ynaydi. Biz fluktuatsiyalar bilan suyuqliklardagi muallak qattiq zarralarning Broun harakati to`g`risida gapirganimizda duch kelgan edik.
Fluktatsiyalar- energiyaning, zichlikning va u bilan bog`lik bo`lgan boshqa kattaliklarning tasodifiy o`zgarishlari – hamma vaqt mavjud bo`ladi. Biroq fazaviy o`tishda uzoqroqda ular juda kichik hajmlarda yuzaga keladi va shu zahotiyoq yo`qolib ketadi. Moddaning bosimi va temperaturasi kritik qiymatlarga yaqin bo`lganida esa fluktuatsiya bilan qamrab olingan hajmida yangi faza hosil bo`lishi mumkin. Birinchi va ikkinchi tur fazaviy o`tishlar orasidagi farq shundan iboratki, o`tish nuqtasi yaqinida fluktuatsiyalar turlicha rivojlanishi mumkin.
Birinchi tur o`tishda yangi fazaning eski faza ichida markazlar tarzida yuzaga kelishini yuqorida gapirib o`tdik. Ularning paydo bulishiga sabab energiya va zichlikning tasodifiy fluktuatsiyalaridir. O`tish nuqtasiga yaqinlashgan sari yangi fazaga sabab bo`ladigan fluktuatsiyalar tez-tez bo`lib turadi, garchi har bir fluktuatsiya juda kichik hajmda ro`y bersa ham, ularning hammasi bir bo`lib, agar ularning hosil bo`lishi joylarida kondensatsiya markazi bo`lsa, yangi fazaning makroskopiya markazi paydo bo`lishiga sabab bo`lishi mumkin.
Ikkinchi tur fazaviy o`tishlar holida vaziyat ancha murakkabroq bo`ladi. Yangi faza birdaniga butun hajmda paydo bo`lgani sababli odatda mikroskopik fluktuatsiyalar o`z-o`zicha fazaviy o`tishga olib kela olmaydi. Ularning xarakteri ancha o`zgaradi. Kritik temperaturaga yaqinlashgani sari yangi fazaga o`tishni «tayyorlayotgan» fluktuatsiyalar tobora moddaning katta qismini qamrab oladi va nihoyat, o`tish nuqtasida cheksiz bo`lib qoladi, ya`ni butun hajmda ro`y beradi. O`tish nuqtasidan pastda, yangi faza qaror topganidan so`ng ular yana qaytadan so`na boshlaydi va yana asta-sekin qiska ta`sirli hamda qisqa muddatli bo`lib qoladi.
Ikkinchi tur fazaviy o`tishi hamma vaqt sistemaning simmetriyasi o`zgarishi bilan bog`liq bo`ladi: yangi fazada yo dastlab bo`lmagan tartib yuzaga keladi (masalan, ferromagnit holatga o`tishda alohida zarralarning magnit momenti tartibga tushadi), yo avval mavjud bo`lgan tartib o`zgaradi (kristall strukturaning o`zgarishi tufayli bo`ladigan o`tishlarda). Bunday yangi tartib fazaviy o`tish yaqinidagi fluktuatsiyalarda mavjud bo`ladi.
O`tishning bayon qilingan mexanizmini hammaga ma`lum bo`lgan «baqrayib qolgan bir tuda odamlar effekti» yordamida ayoniy tushuntirish mumkin. Trotuardan o`tib ketayotgan va turli tasodifiy yo`nalishlarga ko`z tikib ketayotgan odamlarni ko`z oldimizga keltiraylik. Bu ko`chada ketayotgan odamlar tudasini «normal» holati bulib, unda tartiblashish yo`q. Endi shu odamlardan biri ikkinchi kavatdagi kimsasiz derazaga hech qanday jalb etuvchi sababsiz tikilib qoladi deylik («tasodifiy fluktatsiya») . Shundan so`ng tobora ko`proq odamlar shu derazaga qaray boshlaydi va oxir nihoyasiga hammaning nigohi bir nuqtaga yo`nalgan bo`ladi. Garchi tartibning qaror topishiga yordam beruvchi hech qanday tashqi kuch bo`lmasada ( chunki ikkinchi qavatdagi deraza orqasida hech narsa bo`layotgan yo`q!), «tartiblashgan» faza yuzaga keladi.
Ikkinchi tur fazaviy o`tishlar juda murakkab va qiziq hodisa. Bevosita o`tish nuqtasi atrofida bo`layotgan hodisalar, jarayonlar hali oxirigacha o`rganilgan emas va cheksiz fluktuatsiyalar sharoitida fizikaviy kattaliklarning tabiati haqidagi to`la manzara endigina yaratilmoqda.
Qattiq geliy.
Barcha moddalar ichida geliyning mustasnoligi shundaki, u absolyut nolda xam qotmaydigan yagona moddadir.
Biz suyuq geliyning ikki modifikatsiyada ma`lum ekanini va bu modifikatsiyalar o`zlarining to`yingan bug`lari bosimi ostida bulganida 219 К da ( -nuqta) bir-biriga o`tib turishini bilamiz. Bunday o`tish ikkinchi tur fazaviy o`tishdir. Xususan, Не I - Не II o`tishda o`tish yashirin issiqligi bo`lmaydi.
Geliyning holat diagrammasi uning suyuq holatining yuqorida eslatib o`tilgan xususiyatlari munosabati bilan o`ziga xos ko`rinishga ega bo`lib, xiliga ko`ra yagonadir. Bu diagramma 25.1-rasmda tasvirlangan (bu rasmda masshtabga aniq rioya qilingan emas) I egri chiziq bug` hosil bo`lish egri chizig`idir. 2 egri chizig` esa -nuqtalar chizig`idir. Bu chiziq Не I-Не II o`tishda bosim ortganida temperaturaning qanday o`zgarishini kursatadi. Nihoyat 3 egri chiziq- erish egri chizig`idir. Bu barcha egri chiziqlar diagrammani to`rt qismga : gazsimon geliyning mavjudlik sohasi, suyuq Не I sohasi, suyuq Не II va nihoyat geliy sohalariga bo`ladi. Diagrammadan suyuq Не II ning sohasi absolyut nolgacha borishi ko`rinib turibdi. Bu absolyut nolda geliyning barqaror holati suyuq holat ekanini kursatadi. Kattik geliy esa, diagrammadan ko`rinib turganidek , faqat katta bosim ostida hosil qilinishi mumkin, hatto absolyut nolda ham bu bosim 25 atm dan kam bo`lmasligi kerak. Bunda temperatura qancha yuqori bo`lsa, geliyning kristallanish uchun shuncha katta bosim kerak bo`ladi. Masalan, 50 K da geliy 7000 atm da.
Erish egri chizig`i qattik geliyning suyuk Не I ( -nuqtalar chizig`idan o`ngda) va suyuk Не II ( chiziqdan chapda) bilan muvozanat egri chizig`idir. Bug` hosil bo`lish egri chizig`i ham gazsimon geliyning bu chiziqdan chap va o`ng tomondagi suyuq geliyning mos fazalari bilan muvozanat egri chizig`idir. Biroq -nuqtalar egri chizig`i har ikkala suyuk faza uchun muvozanat egri chizig`i bo`la olmaydi.
Geliy holat diagrammasining eng qiziq xususiyati qattik va gazsimon fazalar orasida muvozanat chizig`ini yo`kligidir. Bundan har qanday sharoitda ham qattiq geliy o`zining bug`lari bilan muvozanat bo`la olmaydi degan ma`no kelib chiqadi. Qattik geliy ustida faqat suyuq Не I va Не II bo`lishi kerak, biroq gazsimon geliy bo`la olmaydi. Demak geliy haydash mumkin bo`lmagan modda ekan.
Geliyning bu barcha xususiyatlari, jumladan uning absolyut nolda ham suyuq holda qolishi, faqat kvant nazariyasi asosida tushuntirilishi mumkin; geliy kvant mexanikasi nazariyasidan kelib chiqadigan effektlar makroskopik xossalarda namoyon bo`ladigan tabiatdagi yagona moddadir.
Gap shundaki, kvant nazariyasiga ko`ra absolyut nolda zarralarning energiyasi nolga teng emas, xolbuki moddaning klassik kinetik nazariyasiga ko`ra u nolga teng. Absolyut nolda zarralar nolinchi energiyaga ega bo`ladi, bu energiya atomlarning massasi qancha kichik bulsa, shuncha kichik buladi. Shuning uchun nolinchi energiyaga ega buladi. Ikkinchi tomondan, geliy atomlarining tuzilish xususiyatlariga ko`ra geliy atomlari orasidagi o`zaro ta`sir kuchlari (boshka inert gazlardagi singari) juda kichik. Shuning uchun atomlar orasidagi kichik o`zaro ta`sir kuchlarida nolinchi energiya geliy atomlarining muntazam tartibda joylashishiga, ya`ni kristall panjara hosil qilishiga to`sqinlik qilish uchun yetarli bo`ladi. Faqat tashqi bosim ta`siridagina atomlarni ular kristall hosil qiladigan darajada yaqinlashtirish mumkin bo`ladi.
Geliyning o`ziga xos xususiyati shundaki, past temperaturalarda uning tabiatini issiqlik harakatlari energiyasi emas, balki nolinchi energiya belgilaydi.
Erish va eritmadan kristallanish.
Vodorod atomining massasi yana ham kichik bo`lgani uchun unda nolinchi energiya yana ham katta rol uynashi kerak. Haqiqatdan ham, vodorod atomlarining nolinchi energiyasi geliynikidan katta. Biroq hozirgina ko`rganimizdek, nolinchi energiya bilan zarralarning o`zaro ta`sir energiyasi orasidagi nisbat hal qiluvchi rol uynaydi. Zarralarning o`zaro ta`sir energiyasi esa vodorod atomlarida geliy atomlaridan ko`ra ko`prok bo`ladi. Mikdoriy baholash shuni ko`rsatadiki, qattik vodorodda nolinchi energiya to`la energiyaning yarmiga teng, geliyda esa uning ulushi 80 % ga yetadi. Geliyning suyulish temperaturasining past bo`lishi va odatdagi sharoitlarda uning kristallanmasligining sababi shu hol bilan tushuntiriladi. Nolinchi energiya geliyning yengil Не3 izotopida yana ham katta rol uynaydi. Unda nolinchi energiya tula energiyaning 95 % ini tashkil qiladi. Shuning uchun Не3 нинг suyulish temperaturasi (normal bosimda) yana past bo`ladi (u 3,2 K ga teng, odatdagi geliyda esa 4,2 K ga teng zid). Не3 ning kristallanishi uchun Не4 ga qaraganda yana ham katta bosim kerak bo`ladi, absolyut nolda bu bosim 29 atm dan ortiq bo`ladi.
|
