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(diǎn)附近的臨界乳光現(xiàn)象.

臨界點(diǎn);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(shí)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(jià)值.它的始點(diǎn)是三相點(diǎn)O,并有一個(gè)引人注目的C.早在1869年,英國(guó)的安德魯斯發(fā)現(xiàn)了31℃附近的二氧化碳?xì)怏w和液體的差別消失了,氣液間的分界面也不見(jiàn)了.他把汽化曲線上對(duì)應(yīng)這一溫度的點(diǎn)C稱(chēng)為臨界點(diǎn).C點(diǎn)以后的各點(diǎn)都是氣液不分的狀態(tài),即此時(shí)再問(wèn)物質(zhì)是處于氣態(tài)還是液態(tài)都是沒(méi)有意義的.

圖1 p-T相圖上的氣液相界線

雖然臨界點(diǎn)只是相圖上的一個(gè)孤立點(diǎn),但在它附近發(fā)生的現(xiàn)象卻非常豐富,統(tǒng)稱(chēng)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(diǎn)上的熱膨脹系數(shù)變得很大,密度分布對(duì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)附近時(shí)散射光的強(qiáng)度和顏色會(huì)發(fā)生奇特的變化.由于臨界點(diǎn)附近,氣體密度漲落很大,使散射增強(qiáng),原來(lái)清澈透明的氣體或液體變得混濁起來(lái),呈現(xiàn)出乳白色,這就是“乳光”這一名詞的由來(lái).

2 產(chǎn)生乳光現(xiàn)象的原因

相變是有序和無(wú)序兩種傾向矛盾斗爭(zhēng)的表現(xiàn).相互作用是有序的起因,熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的來(lái)源.在緩慢降溫的過(guò)程中,每當(dāng)一種相互作用的特征能量足以和熱運(yùn)動(dòng)能量 k T相比時(shí),物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生突變.換句話說(shuō),每當(dāng)溫度降低到一定程度,以致熱運(yùn)動(dòng)不再能破壞某種特定相互作用造成的秩序時(shí),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(xì)的相互作用就得以表現(xiàn)出來(lái).然而,新相總是突然出現(xiàn)的,同時(shí)伴隨著許多物理性質(zhì)的急劇變化.

對(duì)于前面提到的臨界乳光現(xiàn)象,物理學(xué)家們對(duì)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(diǎn)附近,密度漲落大,使散射增強(qiáng).由于不均勻性對(duì)光的散射(“瑞利散射”)與波長(zhǎng)λ的四次方成反比,散射光中短波部分比重大,顯出藍(lán)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(diǎn)附近漲落很大,并且空間不同位置上的漲落不是彼此獨(dú)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(qiáng)力起來(lái),本來(lái)互不相關(guān)的粒子開(kāi)始相互關(guān)聯(lián)起來(lái),而且這種關(guān)聯(lián)是長(zhǎng)程的.關(guān)聯(lián)的程度用關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度來(lái)表征,當(dāng)臨界點(diǎn)附近的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度趨向于無(wú)窮時(shí),正是這種強(qiáng)烈的長(zhǎng)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(shí)被卷入的集體合作現(xiàn)象.這個(gè)重要的概念后來(lái)被越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)所證實(shí).氣液臨界點(diǎn)和二元液體混合相界點(diǎn)上都觀察到可見(jiàn)的臨界乳光.不透明介質(zhì)的臨界點(diǎn)(如合金的有序—無(wú)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(zhǎng)度的發(fā)散.

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)六氟化硫在臨界點(diǎn)附近的奇特現(xiàn)象進(jìn)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(huà)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(shí),液面不斷下降[圖3(b)].當(dāng)接近臨界點(diǎn)時(shí)(45.5℃)液相部分和氣相部分顯得非常混亂[圖3(c)],當(dāng)溫度到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)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(diǎn)時(shí),投影到墻上的圖像變得很模糊,此時(shí)發(fā)現(xiàn)冷媒槽中的樣品發(fā)亮呈藍(lán)色.當(dāng)溫度自然冷卻至臨界點(diǎn)時(shí)并未立刻出現(xiàn)氣液分界面(過(guò)冷現(xiàn)象),而是隨著溫度跌破臨界點(diǎn)后,墻上的圖像變暗呈深橙色[見(jiàn)圖3(f)],當(dāng)溫度降至44.1℃附近時(shí),投影在墻上的圖像突然消失[見(jiàn)圖3(g)].30 W的聚光燈打在無(wú)色透明的樣品上竟然會(huì)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(shí)間與加熱的速度有關(guān)),隨著溫度進(jìn)一步下降,大約在43.5℃,氣液分界面又清晰可見(jiàn)了.可見(jiàn)在臨界點(diǎn)附近的物理現(xiàn)象非常豐富.在此過(guò)程中用照度計(jì)測(cè)量樣品的光強(qiáng),可發(fā)現(xiàn)在臨界點(diǎn)附近光的散射増強(qiáng).30 W白熾聚光燈照射樣品所拍攝的照片如圖3所示,光強(qiáng) 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(cè)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(shí)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(diǎn),此時(shí)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(shí)光斑變化并不明顯(過(guò)冷現(xiàn)象),繼續(xù)冷卻至 44.2℃時(shí)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(guò)程中用照度計(jì)測(cè)量樣品的光強(qiáng),也可發(fā)現(xiàn)臨界點(diǎn)附近光的散射増強(qiáng).氦氖激光器照射樣品所拍攝的照片如圖4所示,測(cè)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(cè)得的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”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(jí)工程師,從事物理實(shí)驗(yàn)儀器的研制與開(kāi)發(fā).