婁彝忠,方榮青,顧春明

(上海交通大學(xué)物理系,上海200240)

相變與臨界乳光現(xiàn)象

婁彝忠,方榮青,顧春明

(上海交通大學(xué)物理系,上海200240)

分別采用白熾聚光燈和氦氖激光器照射,觀察六氟化硫在臨界點附近的臨界乳光現(xiàn)象.

臨界點;相變;臨界乳光

1 引 言

相變和臨界現(xiàn)象是普遍存在自然界的物理現(xiàn)象,同時又是物理學(xué)中充滿難題和意外發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域之一.在一定條件下,物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌?這就是相變.圖1是二氧化碳的三相圖.其中汽化曲線最有討論價值.它的始點是三相點O,并有一個引人注目的C.早在1869年,英國的安德魯斯發(fā)現(xiàn)了31℃附近的二氧化碳氣體和液體的差別消失了,氣液間的分界面也不見了.他把汽化曲線上對應(yīng)這一溫度的點C稱為臨界點.C點以后的各點都是氣液不分的狀態(tài),即此時再問物質(zhì)是處于氣態(tài)還是液態(tài)都是沒有意義的.

圖1 p-T相圖上的氣液相界線

雖然臨界點只是相圖上的一個孤立點,但在它附近發(fā)生的現(xiàn)象卻非常豐富,統(tǒng)稱之為臨界現(xiàn)象,樣品的許多物理特性,例如:比熱、壓縮率等都有一些奇特的發(fā)散現(xiàn)象.又如臨界點上的熱膨脹系數(shù)變得很大,密度分布對溫度的不均勻性非常敏感,其中最引人注目的就是臨界乳光現(xiàn)象,這一現(xiàn)象曾引起許多實驗物理學(xué)家極大的興趣.如果在透明的容器中裝入接近臨界密度ρt的氣體,溫度降到臨界點附近時散射光的強度和顏色會發(fā)生奇特的變化.由于臨界點附近,氣體密度漲落很大,使散射增強,原來清澈透明的氣體或液體變得混濁起來,呈現(xiàn)出乳白色,這就是“乳光”這一名詞的由來.

2 產(chǎn)生乳光現(xiàn)象的原因

相變是有序和無序兩種傾向矛盾斗爭的表現(xiàn).相互作用是有序的起因,熱運動是無序的來源.在緩慢降溫的過程中,每當(dāng)一種相互作用的特征能量足以和熱運動能量 k T相比時,物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生突變.換句話說,每當(dāng)溫度降低到一定程度,以致熱運動不再能破壞某種特定相互作用造成的秩序時,就可能出現(xiàn)新相.多種多樣的相互作用,導(dǎo)致形形色色的相變現(xiàn)象.愈是走向低溫,更為精細的相互作用就得以表現(xiàn)出來.然而,新相總是突然出現(xiàn)的,同時伴隨著許多物理性質(zhì)的急劇變化.

對于前面提到的臨界乳光現(xiàn)象,物理學(xué)家們對此現(xiàn)象提出了不同的解釋.一部分人認(rèn)為,光的折射率與氣體的密度有關(guān),在臨界點附近,密度漲落大,使散射增強.由于不均勻性對光的散射(“瑞利散射”)與波長λ的四次方成反比,散射光中短波部分比重大,顯出藍色.也有一些人提出了不同的看法,他們認(rèn)為,由于在臨界點附近漲落很大,并且空間不同位置上的漲落不是彼此獨立而是相互有關(guān)聯(lián)的.組成物質(zhì)的粒子之間的相互作用變得強力起來,本來互不相關(guān)的粒子開始相互關(guān)聯(lián)起來,而且這種關(guān)聯(lián)是長程的.關(guān)聯(lián)的程度用關(guān)聯(lián)長度來表征,當(dāng)臨界點附近的關(guān)聯(lián)長度趨向于無窮時,正是這種強烈的長程關(guān)聯(lián)造成了磁化率、比熱的發(fā)散導(dǎo)致了臨界乳光等現(xiàn)象的產(chǎn)生,因此,相變是一種大量微觀粒子同時被卷入的集體合作現(xiàn)象.這個重要的概念后來被越來越多的實驗所證實.氣液臨界點和二元液體混合相界點上都觀察到可見的臨界乳光.不透明介質(zhì)的臨界點(如合金的有序—無序相變、鐵磁轉(zhuǎn)換等)上發(fā)現(xiàn)X射線及中子散射的反常增大,其規(guī)律與臨界乳光一樣,因此導(dǎo)致臨界乳光的主要原因還是關(guān)聯(lián)長度的發(fā)散.

3 實 驗

實驗裝置如圖2所示,其中加熱系統(tǒng)由加熱器、水泵、水浴槽、溫控器等組成;冷媒槽內(nèi)罐裝的是六氟化硫(SF6)氣體,臨界壓力為3.75 M Pa,臨界溫度為45.55℃.

圖2 實驗裝置示意圖

分別采用白熾聚光燈和氦氖激光器2種光源對六氟化硫在臨界點附近的奇特現(xiàn)象進行觀察.

3.1 白熾聚光燈照射

冷媒槽中的六氟化硫在常溫下可從投影到墻上的畫面看到其清晰液氣分界面[圖3(a)],當(dāng)液體在固定體積的容器中被逐漸加熱時,液面不斷下降[圖3(b)].當(dāng)接近臨界點時(45.5℃)液相部分和氣相部分顯得非?；靵y[圖3(c)],當(dāng)溫度到達臨界點時界面消失了[圖3(d)].然后繼續(xù)加溫至臨界溫度以上后停止加溫并讓其自然冷卻,當(dāng)溫度再次逼近臨界點時,投影到墻上的圖像變得很模糊,此時發(fā)現(xiàn)冷媒槽中的樣品發(fā)亮呈藍色.當(dāng)溫度自然冷卻至臨界點時并未立刻出現(xiàn)氣液分界面(過冷現(xiàn)象),而是隨著溫度跌破臨界點后,墻上的圖像變暗呈深橙色[見圖3(f)],當(dāng)溫度降至44.1℃附近時,投影在墻上的圖像突然消失[見圖3(g)].30 W的聚光燈打在無色透明的樣品上竟然會不透光了,數(shù)秒鐘后模糊混亂的圖像又慢慢呈現(xiàn)(不透光的時間與加熱的速度有關(guān)),隨著溫度進一步下降,大約在43.5℃,氣液分界面又清晰可見了.可見在臨界點附近的物理現(xiàn)象非常豐富.在此過程中用照度計測量樣品的光強,可發(fā)現(xiàn)在臨界點附近光的散射増強.30 W白熾聚光燈照射樣品所拍攝的照片如圖3所示,光強 I隨溫度θ的變化數(shù)據(jù)如表1所示.

圖3 白熾聚光燈照射圖

表1 白熾聚光燈照射下測得的數(shù)據(jù)

3.2 氦氖激光器照射

用一束激光射入樣品,使光束設(shè)置在氣液界面的中央,此時投射到屏幕上圖像是一小亮斑,隨著加熱溫度逐漸逼近臨界點,此時觀察到屏幕上的光斑像一燃燒的火球,然后繼續(xù)加溫至臨界溫度以上(46.0℃)后停止加溫并讓其自然冷卻,當(dāng)溫度降至臨界溫度時光斑變化并不明顯(過冷現(xiàn)象),繼續(xù)冷卻至 44.2℃時光斑消失了[圖 4(c)],數(shù)秒鐘后屏幕上出現(xiàn)顏色分布非常均勻的大圓斑[圖4(d)].在此過程中用照度計測量樣品的光強,也可發(fā)現(xiàn)臨界點附近光的散射増強.氦氖激光器照射樣品所拍攝的照片如圖4所示,測量到數(shù)據(jù)如表2所示.

圖4 氦氖激光照射圖

表2 氦氖激光器照射下測得的數(shù)據(jù)

實驗技術(shù)與要求:溫控器的溫度控制設(shè)置在50℃左右為宜(加熱速度的快慢是實驗與否成功的關(guān)鍵),冷媒槽的環(huán)境溫度控制在45℃(將冷媒槽放在水浴套內(nèi)).

[1]于祿,郝柏林,陳曉松.邊緣奇跡——相變和臨界現(xiàn)象[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Phase transition and critical opalescence

LOU Li-zhong,FANG Rong-qing,GU Chun-ming
(Physics Department,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

U sing incandescent lamp and He-Ne laser respectively,the criticalopalescence phenomena of SF6 in critical point were observed.

critical point;phase transition;critical opalescence

O491.4

A

1005-4642(2011)04-0015-03

“第6屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-08;修改日期:2010-09-06

婁彝忠(1951-),男,上海人,上海交通大學(xué)物理系高級工程師,從事物理實驗儀器的研制與開發(fā).