相變與臨界乳光現象

婁彝忠,方榮青,顧春明

(上海交通大學物理系,上海200240)

相變與臨界乳光現象

婁彝忠,方榮青,顧春明

(上海交通大學物理系,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象.

臨界點;相變;臨界乳光

1 引 言

相變和臨界現象是普遍存在自然界的物理現象,同時又是物理學中充滿難題和意外發現的領域之一.在一定條件下,物質從一相轉變為另一相,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,英國的安德魯斯發現了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,即此時再問物質是處于氣態還是液態都是沒有意義的.

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,但在它附近發生的現象卻非常豐富,統稱之為臨界現象,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散現象.又如臨界點上的熱膨脹系數變得很大,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象,這一現象曾引起許多實驗物理學家極大的興趣.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,呈現出乳白色,這就是“乳光”這一名詞的由來.

2 產生乳光現象的原因

相變是有序和無序兩種傾向矛盾斗爭的表現.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,物質的宏觀狀態就可能發生突變.換句話說,每當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,就可能出現新相.多種多樣的相互作用,導致形形色色的相變現象.愈是走向低溫,更為精細的相互作用就得以表現出來.然而,新相總是突然出現的,同時伴隨著許多物理性質的急劇變化.

對于前面提到的臨界乳光現象,物理學家們對此現象提出了不同的解釋.一部分人認為,光的折射率與氣體的密度有關,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聯的.組成物質的粒子之間的相互作用變得強力起來,本來互不相關的粒子開始相互關聯起來,而且這種關聯是長程的.關聯的程度用關聯長度來表征,當臨界點附近的關聯長度趨向于無窮時,正是這種強烈的長程關聯造成了磁化率、比熱的發散導致了臨界乳光等現象的產生,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.不透明介質的臨界點(如合金的有序—無序相變、鐵磁轉換等)上發現X射線及中子散射的反常增大,其規律與臨界乳光一樣,因此導致臨界乳光的主要原因還是關聯長度的發散.

3 實 驗

實驗裝置如圖2所示,其中加熱系統由加熱器、水泵、水浴槽、溫控器等組成;冷媒槽內罐裝的是六氟化硫(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)].當接近臨界點時(45.5℃)液相部分和氣相部分顯得非常混亂[圖3(c)],當溫度到達臨界點時界面消失了[圖3(d)].然后繼續加溫至臨界溫度以上后停止加溫并讓其自然冷卻,當溫度再次逼近臨界點時,投影到墻上的圖像變得很模糊,此時發現冷媒槽中的樣品發亮呈藍色.當溫度自然冷卻至臨界點時并未立刻出現氣液分界面(過冷現象),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,數秒鐘后模糊混亂的圖像又慢慢呈現(不透光的時間與加熱的速度有關),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象非常豐富.在此過程中用照度計測量樣品的光強,可發現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的變化數據如表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據

3.2 氦氖激光器照射

用一束激光射入樣品,使光束設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,然后繼續加溫至臨界溫度以上(46.0℃)后停止加溫并讓其自然冷卻,當溫度降至臨界溫度時光斑變化并不明顯(過冷現象),繼續冷卻至 44.2℃時光斑消失了[圖 4(c)],數秒鐘后屏幕上出現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,也可發現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,測量到數據如表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據

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

[1]于祿,郝柏林,陳曉松.邊緣奇跡——相變和臨界現象[M].北京:科學出版社,2005.

[責任編輯: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屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-08;修改日期:2010-09-06

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