Критичні явища, характеризують поведінку речовин в околиці точок фазових переходів До типових До. я. відносяться: зростання стисливості речовини з наближенням до критичній точці рівноваги рідина — пара; зростання магнітної сприйнятливості і діелектричної проникності в околиці Кюрі точок феромагнетиків і сегнетоелектріков ( мал. 1 ); аномалія теплоємності в точці переходу гелію в надплинний стан ( мал. 2 ); уповільнення взаємної дифузії речовин поблизу критичних точок рідких сумішей, що розшаровуються; аномалії в поширенні ультразвука і ін.
До До. я. у вужчому сенсі відносять явища, зобов'язані своїм походженням зростанню флуктуацій термодинамічних величин (щільність і ін.) в околиці точок фазових переходів (див. Критичний стан ) .
Значне зростання флуктуацій приводить до того, що в критичній точці рівноваги рідина — пара щільність речовини від крапки до крапки помітно міняється. Що виникла флуктуаційна неоднорідність речовини істотно впливає на його фізичні властивості.
Помітно посилюється, наприклад, розсіяння і поглинання речовиною випромінювань. Поблизу критичної крапки рідина — пара розміри флуктуацій щільності доходять до тисяч Å і порівнюються з довжиною світлової хвилі. В результаті речовина стає абсолютно непрозорою, велика частина падаючого світу розсівається в сторони. Речовина набуває опалової (молочно-каламутну) забарвлення, спостерігається т.з. крітічеськая опалесценция речовини.
Зростання флуктуацій приводить також до дисперсії звуку і його сильному поглинанню ( мал. 3 ), уповільненню встановлення теплової рівноваги (у критичній крапці воно встановлюється годинами), зміні характеру броунівського рухи, аномаліям в'язкість, теплопровідності і ін. До. я. у чистій речовині.
Аналогічні явища спостерігаються в околиці критичних точок подвійних (бінарних) сумішей; тут вони обумовлені розвитком флуктуацій концентрації одного з компонентів в іншому. Так, в критичній точці розшарування рідких металів (наприклад, в системах Li—na, Ge—hg) спостерігається критичне розсіяння рентгенівських променів ( мал. 4 ). У околиці точок Кюрі феромагнетиків і сегнетоелектріков, де зростають флуктуації намагніченості і діелектричної поляризації, є різкі аномалії в розсіянні і поляризації проходящих пучків нейтронів ( мал. 5 ), в поширенні звуку і високочастотного електромагнітного поля. При впорядкуванні сплавів (наприклад, гідридів металів) і встановленні орієнтаційного далекого порядку в молекулярних кристалах (наприклад, в твердому метані, чотирихлористому вуглеці, галогенідах амонія) також спостерігаються типові До. я., пов'язані із зростанням флуктуацій відповідної фізичної величини (впорядкованості розташування атомів сплаву або середньої орієнтації молекул по кристалу) в околиці точки фазового переходу.
Внутрішня схожість До. я. при фазових переходах в об'єктах дуже різної природи дозволяє розглядати їх з єдиної точки зору. Встановлено, наприклад, що у всіх об'єктів існує однакова температурна залежність ряду фізичних величин поблизу точок фазових переходів II роду. Для здобуття такої залежності фізичні величини виражають у вигляді статечної функції від приведеної температури t=(T— Тк ) /t: (тут Тк — критична температура ) або ін. приведених величин (див. Приведене рівняння стану ) . Наприклад, стисливість газу ( дv/др ) Т , сприйнятливість феромагнетика ( дМ/дН ) р , Т або сегнетоелектріка ( дd/дЕ ) р , Т і аналогічна величина ( дх/дm ) р , Т для сумішей з критичною точкою рівноваги рідина — рідина або рідина — пара однаково залежать від температури поблизу критичної крапки і можуть бути виражені однотипною формулою:
(1)
Тут V, р, Т — об'єм, тиск і температура, М-код і D — намагніченість і поляризація речовини, Н і Е — напруженість магнітного і електричних полів, m — хімічний потенціал компонента суміші, що має концентрацію х. Критичний індекс g, можливо, має однакові або близькі значення для всіх систем. Експерименти дають значення g, лежачі між 1 і 4 / 3 , проте погрішності у визначенні в часто виявляються того ж порядку, що і відмінність результатів експериментів. Аналогічна залежність теплоємності з від температури для всіх перерахованих систем має вигляд:
c v , с н , c E , c p , x , ...~ t - а . (2)
Значення а лежать між нулем і ~ 0,2, у ряді експериментів а виявилося близьким до 1 / 8 . Для теплоємності гелію в точці переходу в надплинний стан (у l-крапці) формула (2) видозмінюється: С р ~ Int.
Подібним же чином (у вигляді статечного вираження) в околиці критичних крапок може бути виражена залежність питомого об'єму газу від тиску, магнітного або електричного моменту системи від напруженості поля, концентрації суміші від хімічного потенціалу компонентів. При постійній температурі рівною Тк, вони можуть бути записані таким чином:
, M ~ H 1/ d ,
. (3)
Експериментальні значення d лежать між 4 і 5.
Однаково залежать від приведеної температури також: різниця питомих об'ємів рідини ( V же ) і пари ( V п ), що знаходяться в рівновазі нижче за критичну крапку; магнітний або електричний момент речовини у феромагнітному або сегнетоелектрічеськом стані у відсутність зовнішнього поля; різниця концентрацій двох фаз ( x 1 і x 2 ) суміші, що розшаровується; корінь квадратний з щільності r s надплинної компоненти в гелії II (див. Надтекучість ) :
М-код, D, x 2 -x 1 @ x 1 -x 2 ~ t b (4)
Знайдені значення b близькі до однієї третини (від 5 / 16 до 3 / 8 ). Константи a, b, g, d і ін., що характеризують поведінку фізичних величин поблизу точок переходу II роду, називаються критичними індексами.
В деяких об'єктах, наприклад в звичайних надпровідниках і багато сегнетоелектріках, майже у всьому діапазоні температур поблизу критичної крапки До. я. не виявляються. З ін. сторони, властивості звичайних рідин в значному діапазоні температур в околиці критичної крапки або властивості гелію поблизу l-крапки майже цілком визначаються До. я. Це пов'язано з характером дії міжмолекулярних сил. Якщо ці сили досить швидкий убувають з відстанню, то в речовині значну роль грають флуктуації і К. я. виникають задовго до підходу до критичної крапки. Якщо ж, навпаки, міжмолекулярні сили мають порівняно далекий радіус дії, як, наприклад, кулонівська і діполь-діпольноє взаємодія в сегнетоелектріках, то стале в речовині середнє силове поле майже не спотворюватиметься флуктуаціями і К. я. можуть виявитися лише гранично близько до точки Кюрі.
До. я. — це кооперативні явища, тобто явища, обумовлені властивостями всієї сукупності часток, а не індивідуальними властивостями кожної частки. Проблема кооперативних явищ повністю ще не вирішена, тому немає і вичерпній теорії До. я.
Всі реальні підходи до теорії До. я, виходять з емпіричного факту зростання неоднорідності речовини з наближенням до критичної крапки і вводять поняття радіусу кореляції флуктуацій r з , близьке по сенсу до середнього розміру флуктуації. Радіус кореляції характеризує відстань, на якій флуктуації впливають один на одного і, т. о., виявляються залежними, «ськоррелірованнимі». Цей радіус для всіх об'єктів залежить від температури по статечному закону:
r з ~t - n . (5)
Передбачувані значення n лежать між 1 / 2 і 1 / 3 .
Залежності (1), (2) і (5) означають, що значення відповідних величин стають безконечними в крапках, де t перетворюється на нуль (ср. мал.(малюнок) 1 , 2 , 3 ). Т. о., радіус кореляції необмежено зростає з наближенням до точці фазового переходу. Це означає, що будь-яка частина даної системи в точці фазового переходу відчуває зміни, події з останніми частинами. Навпаки, далеко від точки переходу флуктуації статистично незалежні і випадкові зміни стану речовини в даній крапці зразка ніяк не позначаються на останній речовині. Наочним прикладом служить розсіяння світла речовиною.
В разі розсіяння світла на незалежних флуктуаціях (т.з. релєєвськоє розсіяння) інтенсивність розсіяного світла назад пропорційна 4-ій мірі довжини хвилі і приблизно однакова по різних напрямах ( мал. 6 , а). Розсіяння ж на ськоррелірованних флуктуаціях — критичне розсіяння — відрізняється тим, що інтенсивність розсіяного світла пропорційна квадрату довжини хвилі і володіє особливою діаграмою спрямованості ( мал. 6 , би).
Серед теорій До. я. великого поширення набула теорія, що розглядає речовину в околиці точки фазового переходу як систему флуктуїрующих областей розміру ~ r з . Вона називається теорією масштабних перетворень (ськейлінг-теорією). Ськейлінг-теорія не дозволяє з властивостей молекул, складових речовина, обчислити критичні індекси, але дає співвідношення між індексами, які дозволяють обчислити їх всіх, якщо відомі які-небудь два з них. Співвідношення між критичними індексами дозволяють визначити рівняння стану і обчислювати потім різні термодинамічні величини за порівняно невеликим обсягом експериментального матеріалу. На аналогічному принципі побудована теорія, що зв'язує декількома співвідношеннями критичні індекси кінетичних властивостей (в'язкість теплопровідності, коефіцієнт дифузії, поглинання звуку і ін., що також мають аномалії в точках фазових переходів) з індексами термодинамічних величин. Ця теорія називається динамічним ськейлінгом на відміну від статичного ськейлінга, який відноситься лише до термодинамічних властивостей матерії.
Літ.: Фішер М., Природа критичного стану, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Покровський Ст Л., Гіпотеза подібності в теорії фазових переходів, «Успіхи фізичних наук», 1968, т. 94, ст 1, с. 127; Critical phenomena. Wash., 1966.
