Критическая опалесценция

Критическая опалесценция — явление, возникающее в области непрерывного фазового перехода второго рода . Первоначально о нем сообщил Шарль Каньяр де ла Тур в 1823 году о смесях спирта и воды, его важность была признана Томасом Эндрюсом в 1869 году после его экспериментов по переходу жидкость-газ в углекислом газе ; с тех пор было обнаружено много других примеров. В 1908 году польский физик Мариан Смолуховский стал первым, кто объяснил явление критической опалесценции большими флуктуациями плотности. В 1910 году Альберт Эйнштейн показал, что связь между критической опалесценцией и рэлеевским рассеянием носит количественный характер. ^[1]

Примеры

Бинарные смеси жидкостей

Это явление чаще всего демонстрируется в бинарных смесях жидкостей, таких как метанол и циклогексан . По мере приближения к критической точке размеры области газа и жидкости начинают колебаться на все более больших масштабах длины ( корреляционная длина жидкости расходится). Поскольку флуктуации плотности достигают размера, сравнимого с длиной волны света, свет рассеивается и заставляет обычно прозрачную жидкость казаться мутной. Характерно, что опалесценция не уменьшается по мере приближения к критической точке, где самые большие флуктуации могут достигать даже сантиметровых размеров, что подтверждает физическую значимость меньших флуктуаций.

При подходе к критической точке с противоположного направления при переходе жидкость-газ газовая фаза может содержать капли жидкости в виде тумана и брызг, а кипящая жидкая фаза — пузырьки газовой фазы в виде пены. Вдали от критической точки сила тяжести заставляет капли жидкости и пузырьки газа быстро оседать к границе раздела, а поверхностное натяжение заставляет капли и пузырьки быстро сливаться в более крупные, которые оседают еще быстрее. Но по мере приближения к критической точке разница плотностей между жидкостью и паром уменьшается, как и поверхностное натяжение. Эти эффекты будут замедлять оседание капель и пузырьков и их слияние, так что кипящая жидкость образует все более устойчивую к осаждению, а вокруг границы раздела фаз - мелкий туман и пену.

В случае критической точки жидкость-жидкость снова жидкости с ограниченной растворимостью выпадают в осадок в виде эмульсий, которые вдали от критической точки на несмешивающейся стороне легко оседают на границу раздела. По мере приближения к критической точке разница плотности уменьшается вместе с межфазным поверхностным натяжением, так что осаждение происходит во все более мелкой и устойчивой к осаждению эмульсии.

Поскольку критическая точка жидкость-газ возникает при давлении более 30 бар для всех веществ, за исключением некоторых криогенных газов, для ее демонстрации требуется прозрачный сосуд, безопасный при давлении ниже 30 бар, тогда как критическая точка жидкость-жидкость для многих систем может быть продемонстрирована при давлении окружающей среды и умеренных температурах. .

Другие примеры

Ферромагнитный материал имеет большие флуктуации магнитных доменов вблизи точки Кюри. А поскольку на рассеяние нейтронов влияют магнитные моменты атомов, это создает критическую опалесценцию. В частности, если пучок нейтронов обстрелять ферромагнитный материал, то по мере приближения к точке Кюри он начнет рассеивать нейтроны, как будто он становится непрозрачным для нейтронов. ^[2]

Ссылки

^ Эйнштейн, А. (январь 1910 г.). «Теория опалесценции однородных жидкостей и смесей жидкостей вблизи критического состояния» . Анналы физики . 338 (16): 1275–1298. дои : 10.1002/andp.19103381612 . ISSN 0003-3804 .
^ Ван Хов, Леон (15 сентября 1954 г.). «Зависящие от времени корреляции между спинами и рассеянием нейтронов в ферромагнитных кристаллах» . Физический обзор . 95 (6): 1374–1384. дои : 10.1103/PhysRev.95.1374 .

Внешние ссылки

Более подробные экспериментальные демонстрации критической опалесценции можно найти по адресу

[1] Эйнштейн, А. (январь 1910 г.). «Теория опалесценции однородных жидкостей и смесей жидкостей вблизи критического состояния» . Анналы физики . 338 (16): 1275–1298. дои : 10.1002/andp.19103381612 . ISSN 0003-3804 .

[2] Ван Хов, Леон (15 сентября 1954 г.). «Зависящие от времени корреляции между спинами и рассеянием нейтронов в ферромагнитных кристаллах» . Физический обзор . 95 (6): 1374–1384. дои : 10.1103/PhysRev.95.1374 .

[1]

[2]