Cum apar tranzițiile de fază. Ce se întâmplă exact cu substanța, să zicem, în timpul topirii. Se pare că întrebarea! - răspunsul este cunoscut oricărui student: a existat un cristal. căldura a fost adusă la el, sa încălzit, a ajuns la punctul de topire și sa topit, a devenit lichid. Răspunsul, desigur, este adevărat, dar este departe de obiectiv. Acesta este un răspuns descriptiv, explică modul în care arată tranziția de fază, dar nu explică deloc cum se întâmplă.
Bine. Facem al doilea apel. Cristal - o stare de materie strict ordonată; atomii (sau moleculele) sunt la nodurile rețelei obișnuite, nu se mișcă nicăieri, ci doar oscilează ușor în jurul poziției de echilibru. Fluidul, dimpotrivă, este o stare de materie complet dezordonată; atomii din el se mișcă haotic. Prin urmare, topirea are loc atunci când atomii solidului încep să oscileze atât de puternic încât ei se pot "sparge" din locurile lor și încep să meargă liber în jurul cristalului.
Este deja cald, dar nu este exact ceea ce ai nevoie. Ceea ce tocmai am descris, este ca începutul și sfârșitul „poveste“. Ca, asta pentru că la nivel atomic este la fel de cristal, și așa mai departe aici arată lichid. Cea mai interesanta parte - lipseste. Noi încă nu am răspuns la întrebarea cum apare tranziția de fază, cum începe de topire. Aici ne gândim: și totuși, de fapt, de la starea inițială și finală a materiei nu este clar modul în care are loc tranziția, atomii vor ști că deja ar trebui să înceapă să rătăcească în jurul valorii de cristal. Fie că atomii sunt rupte de la locurile lor în mod individual sau colectiv? Și poate, în perechi? Are distrugerea statului a ordonat din întregul cristal, sau numai în anumite locuri? Sau poate, această ordine este pierdut, nu o dată, și nu pe deplin? Și cât timp face transformarea? Este comparabil cu o perioadă de timp tipic de vibrație a atomilor din zăbrele, sau este mai mult? O întreagă grămadă de întrebări și cerându-le, știm deja că aruncat într-o cu totul altă zonă a fizicii. Zona, care studiază nu numai stări inițiale și finale stabile ale sistemului, dar, de asemenea, ca un proces de desfășurare în timp, ca o singură tranzitorie, stare instabilă înlocuiește un alt. Acest domeniu al fizicii se numește cinetică, în sensul cel mai larg al cuvântului. Deci, toate întrebările noastre referitoare la cinetica tranzițiilor de fază. cinetica de topire.
În această notă suntem interesați de caracteristicile de topire ale cristalelor bidimensionale. O astfel de afirmație a întrebării poate provoca cititorului unele neajunsuri: ce, există vreo diferență în comportamentul cristalelor 1-, 2- și 3-dimensionale? Și, în general, unde ați văzut cristale bidimensionale în natură?
Da, se pare, există o diferență, și, în plus, esențiale! Topirea cristalelor bidimensionale s-au dovedit a fi atât de interesant și neobișnuit proces, care cercetatorii au inceput sa creeze artificial o cristale bidimensionale (sau, mai degrabă, sisteme care se comporta ca si cristale bidimensionale), în scopul de a testa predictiile teoriei. Cu toate acestea, înainte de a descrie aceasta, să se familiarizeze cu terminologia de „plictisitor“ un exemplu de cristal convențional, tri-dimensională (De ce este acest exemplu plictisitor, va fi clar în curând).
Conform conceptelor moderne, topirea cristalului obișnuit, tri-dimensională este așa. Pe măsură ce temperatura crește amplitudinea vibrațiilor termice ale atomilor este crescută, și astfel mobilitatea crescută a atomilor individuali sau grupuri de atomi. Creșterea mobilității atomilor crește probabilitatea ca atom „salt“ de pe site-ul său zăbrele. Ca rezultat spontan începe să experimenteze diverse defecte zăbrele. Aceste defecte pot fi punctuale (posturile disponibile și intercalat care), care apar ca urmare a sari un atom, și pot fi prelungite (dislocații) datorită unui grup puternic partinire de atomi. Acest lucru - așa-numita etapa de pre-topire.
La o temperatură egală cu punctul de topire, concentrația defectului atinge o valoare critică - materialul pierde rezistență, cristalul se sparge în multe insule mici, care încep să "plutească". Când căldura suplimentară este furnizată, aceste insule dezintegra în atomi individuali - faza lichidă astfel obținută.
Aceasta este o imagine calitativă. Oamenii de stiinta, insa, au incercat mult timp sa construiasca o descriere cantitativa a procesului de topire, adica sa prezice punctul de topire teoretic. Una dintre cele mai de succes încercări a fost ideea prezentată de Lindemann încă din 1910. El a sugerat că topirea rețelei de cristal are loc atunci când vibrațiile termice încep să provoace coliziuni de atomi. Acum, desigur, știm că atomii nu sunt sfere solide, deci este incorect să vorbim despre coliziunea atomilor. Cu toate acestea, această idee era în mod inerent viabilă. În formula modernă, criteriul Lindemann sună astfel: topirea începe atunci când amplitudinea medie a vibrației atomilor atinge o valoare critică. Pentru a descrie acest lucru, este introdus parametrul Lindemann.
unde u (0) este vectorul de poziție al atomului ales în momentul inițial al timpului, u (t) este vectorul de poziție al acestui atom la momentul t. <.> înseamnă medierea pe întregul sistem (spun fizicienii, prin ansamblu) și a este distanța dintre siturile de zăbrele. În funcție de tipul specific de latură, valoarea critică a parametrului Lindemann este de 0,07-0,11. Tocmai acestea trebuie să fie vibrațiile atomilor, astfel încât rețeaua să se prăbușească. Nu este greu de înțeles că în faza lichidă parametrul Lindemann va începe să depindă de timp: adică atomul în cele din urmă merge mai departe și mai departe de poziția sa inițială.
Acum începe distracția. Pentru contrast, să considerăm un cristal unidimensional, care este doar un lanț infinit-dimensională de atomi legate între ele prin forțe interatomice. Fizică statistică a unui astfel de sistem conduce la un rezultat neașteptat: se pare, într-un astfel de cristal este energetic favorabil vibratii urs colectiv unde lungi (fononi). Deci, avantajos ca, la orice temperatură finită se vor samonarozhdatsya: energia termică a energiei de vibrație atomică intră oscilațiilor colective. Și dacă amplitudinea oscilațiilor colective ajunge la un moment dat o anumită valoare critică (și se va întâmpla mai devreme sau mai târziu), cristalul în acest moment este pur și simplu să se spargă! Observați aici cât de important-o dimensionalitate: faptul că, în trei dimensiuni ar duce doar la un defect punct, în acest caz, atrage după sine o ruptură a întregului cristal - este suficient pentru a rupe un singur link-ul, iar cristalul este distrus!
O concluzie izbitoare rezultă din această concluzie calitativă: în cazul unidimensional, la orice temperatură finită, nu există o stare cristalină stabilă a materiei!
Trimiteți-le prietenilor: