相变

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相变

2024-05-30 09:17| 来源: 网络整理| 查看: 265

3.1 相位共存

在有限的温度范围内会发生由于无序而变宽的一阶相变,当温度降低时,低温平衡相的比例从0增加到1(100%)。共存组分随温度的这种连续变化带来了有趣的可能性。冷却时,一些液体玻璃化成玻璃,而不是转变成平衡晶相。如果冷却速度快于临界冷却速度,就会发生这种情况,这是由于分子运动变得非常慢,分子无法重新排列到晶体位置。[9] 这种减慢发生在玻璃形成温度Tg以下,这可能取决于所施加的压力。[10][10] 如果一级凝固相变发生在一个温度范围内,并且Tg落在这个范围内,会有一个有趣的可能性,即相变会处在部分的和不完全的状态。推广这种想法到低温下的一阶磁相变,可以观察到类似的现象,即低于一个最低温度时,两种磁相共存。首次报道是在铁磁到反铁磁相变的情况下,[11] 这种持续的相位共存现在已经在各种一阶磁相变中得到验证。这些材料包括巨磁阻锰氧化物材料,[12][13] 磁致热材料,[14] 磁性形状记忆材料,[15] 和其他材料。[16] Tg落在转变发生的温度范围内的这些观察结果的有趣特征是,一阶磁转变受到磁场的影响,就像结构转变受到压力的影响一样。与压力相反,磁场相对容易控制,这就增加了我们可以详尽研究Tg和Tc之间相互作用的可能性。一阶磁跃迁的相位共存将有助于解决理解玻璃时出现的尖锐问题。

3.2 临界点

在任何包含液相和气相的系统中,都存在压力和温度的特殊组合,称为 临界点,此时液体和气体之间的转变成为二阶相变。在临界点附近,流体足够热并被压缩,以至于几乎不存在液相和气相之间的区别。这可以与临界乳光现象联系起来。由于密度涨落,液体在所有可能波长(包括可见光波长)下呈现乳白色。

3.3 对称

相变通常包括 对称性破缺 过程。例如,流体凝固成 晶体 破坏了连续的 平移对称性:流体中的每个点具有相同的性质,但是晶体则不然(除非这些点是从晶格的晶格点中选择的)。通常,由于 自发对称性破缺,高温相比低温相包含更多的对称性,除了某些 偶然对称性 (例如形成重的 虚粒子,这仅在低温下发生)。[17]

3.4 序参量

序参量 是相变系统中跨越边界的有序程度的量度;它通常在一个相(通常高于临界点)中为零而在另一个相中非零。[18] 在临界点,序参量通常会发散。

序参量的一个例子是铁磁系统相变过程中的磁场 。对于液体/气体相变,序参量是密度差。

从理论角度来看,序参量是由对称性破缺引起的。当这种情况发生时,需要引入一个或多个额外的变量来描述系统的状态。例如,在 铁磁相变中,必须提供磁场,当系统冷却到低于 居里点时,磁场方向趋同。但是,请注意,对于非对称性破缺相变,也可以定义序参量。一些相变,如超导和铁磁,可以有不止一个自由度的序参量。在这样的相中,序参量可以是复数、向量、甚至张量的形式,其值在相变时变为零。

在非序参量方面也存在对相变对偶的描述。这表明存在类似于线性的激发,例如 涡旋-或者 缺陷 线。

3.5 宇宙学中的相关性

对称性破缺相变在 宇宙学中扮演了重要的角色。李·斯摩林和 杰里米·伯恩斯坦 推测,在 高温的早期宇宙,真空(即空间中的各种 量子场 )存在大量的对称性。随着宇宙的膨胀和冷却,真空经历了一系列对称性破缺的相变。例如,电弱相变破缺了 电弱场 的SU(2)×U(1)对称性,其变成了现在 电磁场的U(1)对称性。这种相变对于理解当今宇宙中物质和反物质数量的不对称非常重要。

膨胀宇宙中的逐渐相变牵涉到宇宙中序的演变,正如 埃里克·蔡森(Eric Chaisson)[19] 和 大卫·雷泽(David Layzer)的工作所示[20] 。

3.6 临界指数和普适类

连续相变比一阶相变更容易研究,因为没有 相变潜热,它们被发现有许多有趣的特性。与连续相变相关的现象被称为临界现象,因为它们与临界点相关。

事实证明,连续相变可以用以下参数来表征 临界指数。最重要的指数可能是接近相变时描述发散的热力学 关联长度 。例如,让我们检查相变附近的 热容 。我们改变温度 T 同时保持所有其他热力学变量不变,会发现某个临界温度 Tc 时会相变。当T 接近 Tc 时,热容量 C 通常有 幂律 性质,

  

非晶材料的热容在玻璃化相变温度附近具有类似的行为,一般临界指数α = 0.59[21] 。关联长度也具有类似的性质,但用指数 ν 代替 α。

指数 ν 是正定的。这与 α不同。它的实际值取决于我们正在考虑的相变类型。

人们普遍认为 临界指数在临界温度上下是相同的。现在已经证明这不一定是对的:当连续对称被无关的(重正化群意义上的)各向异性显式分解成离散对称时,那么一些指数(例如   磁化率的指数)不同。[22]

对于-1 < α < 0时,热容在相变温度下有“扭结”。在液氦的 λ相变 ,即从正常状态到 超流体 相变中有此性质,实验发现这里α = -0.013 0.003。 至少有一项实验是在轨道卫星的零重力条件下进行的,目的是将样品中的压力差降至最低。[23] α的实验值与理论预测一致,理论预测基于 变分扰动理论。[24]

对于0 < α < 1,热容在相变温度下发散(尽管当α



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