Дальний и ближний порядок. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Дальний и ближний порядок - наличие пространств. корреляции микроструктуры вещества либо в пределах всего макроскопич. образца (дальний порядок), либо в области с конечным радиусом корреляции (ближний порядок). Состояние вещества, характеризуемое наличием дальнего порядка, наз. упорядоченной фазой, а состояние, в к-ром дальний порядок отсутствует,- неупорядоченной фазой. Фазовый переход из неупорядоченной фазы в упорядоченную может быть переходом первого или второго рода. Если упорядочение происходит в результате фазового перехода второго рода, то в неупорядоченной фазе есть ближний порядок, причём при приближении к точке перехода корреляц. радиус

Различаются след. виды упорядочения: координационное (в расположении частиц вещества); ориентационное (в ориентации частиц); магнитное (упорядочение в ориентации магн. моментов).

Координационное упорядочение. В жидкости вероятность пребывания атома в точке с пространств. координатой

или её удельная плотность в среднем одинаковы, т. е. ср. удельная плотность

не зависит от

. Однако в жидкости существуют корреляции в расположении соседних атомов. Корреляционная функция, описывающая отклонения от в разных точках жидкости:

отлична от 0 при

. T. о., атомы жидкости на расстояниях, меньших R_c, образуют ближний координац. порядок. Отклонение

от

наз. параметром порядка.

При кристаллизации возникает периодич. пространств. модуляция

, т. к. атомы в кристаллах занимают положения, отвечающие узлам кристаллич. решётки. В результате отклонение плотности от средней

становится периодич. функцией координат. Это означает, что в кристаллах имеет место дальний координац. порядок.

Другой пример координац. упорядочения дают сплавы. Напр., сплав, содержащий равные количества Cu и Zn, имеет простую кубич. решётку. При высоких темп-pax в результате диффузии её узлы заняты с равной вероятностью атомами Cu или Zn (рис. а) и ср. удельная плотность атомов Cu однородна, т. е. r_Си не зависит от координат узла (неупорядоченная фаза). При понижении температуры атомы Cu и Zn образуют правильное расположение (упорядоченная фаза, рис. б).

Если ввести параметр порядка

, то при высокой температуре h(r)=0 , а при низкой температуре

Переход из неупорядоченной фазы в упорядоченную в сплавах часто происходит в результате фазового перехода 2-го рода. При этом упорядочение происходит постепенно, т. е. параметр порядка

=0 для температур Т>Т_С (T_C - темп-pa фазового перехода), а при Т<Т_С

постепенно возрастает с понижением температуры. При Т>Т_С дальнего порядка нет, но ближний порядок есть. Это означает, что, хотя для двух узлов, удалённых друг от друга на расстояния R>R_C, вероятности занять их атомами Cu одинаковы, на расстояниях R<R_C эти вероятности коррелируют друг с другом, как в упорядоченной фазе. При приближении к Т_C радиус корреляции

и ближний порядок превращается в дальний.

И в кристаллах, и в сплавах высокотемпературная фаза является неупорядоченной. Такая ситуация, как правило, типична для всех видов упорядочения. При повышении температуры разупорядочивающее тепловое движение становится более интенсивным, что приводит при достаточно высоких темп-pax к разрушению корреляций, т. е. к отсутствию дальнего порядка и ослаблению ближнего порядка (к уменьшению R₀).

Ориентационное и магнитное упорядочения. В изотропной жидкости, состоящей из анизотропных, но случайно ориентированных молекул, может происходить фазовый переход в анизотропную жидкость, в к-рой молекулы имеют преимуществ. ориентацию (см. Жидкие кристаллы ).Параметром порядка при таком ориентационном упорядочении является спонтанная поляризация или константа анизотропии диэлектрич. проницаемости

, равные 0 в изотропной жидкости и отличные от 0 в жидком кристалле.

Магн. упорядочение состоит в том, что магн. моменты атомов, ориентированные при высокой температуре в разных точках независимо (парамагнетик ),при понижении температуры ниже точек Кюри или Нееля упорядочиваются и либо имеют одинаковое направление и ориентацию (ферромагнетик), либо одинаковое направление, но разные ориентации. В последнем случае они образуют магн. подрешётки, причём ориентации магн. моментов для атомов каждой подрешётки одинаковы, а для атомов разных подрешёток - противоположны (антиферромагнетик). Параметром порядка в ферромагнетиках является намагниченность.

Упорядочение в квантовых жидкостях. Все перечисленные виды упорядочения имели в качестве параметра порядка классич. величины. Имеется важная группа упорядочивающихся систем, в к-рых параметром порядка является макроскопич. волновая функция всего образца. Такое квантовое упорядочение есть в сверхтекучем состоянии изотопов гелия HeII, ³He- A, ³He-B (см. Гелий жидкий, Сверхтекучесть)и в сверхпроводящей фазе металлов (см. Сверхпроводимость). В этих случаях при температуре T выше температуры фазового перехода

волновые функции всех частиц, относящиеся к удалённым друг от друга точкам пространства, скоррелированы. Упорядоченное состояние характеризуется скоррелированной фазой волновых функций частиц, к-рая может измениться во всём образце в целом, но не может измениться независимо в разных точках.

Изменение симметрии при упорядочении. В классификации упорядоченных и неупорядоченных фаз важную роль играет симметрия. Напр., в случае сплава в высокотемпературной фазе все узлы решётки эквивалентны, поэтому здесь имеет место инвариантность относительно трансляции на любое число периодов кристаллич. решётки, т. е. непрерывная симметрия. В упорядоченной фазе сплава эквивалентны только узлы, занятые, напр., атомами Cu. Ей отвечает инвариантность относительно таких трансляций, к-рые переводят один из узлов, занятых атомом Cu, в другой (дискретная симметрия). T. о., упорядоченной фазе отвечает более низкая симметрия.

В момент фазового перехода симметрия меняется скачком. Однако параметр порядка, к-рый является количеств. мерой нарушения симметрии, может возникать как скачком, так и непрерывно. Математич. теорией, классифицирующей симметрии разл. фаз, является теория групп. Изучение симметрии упорядоченной и неупорядоченной фаз позволяет, в частности, выяснить тип фазового перехода.

Если при упорядочении нарушается непрерывная симметрия, то говорят, что упорядоченная фаза обладает дополнительной по сравнению с неупорядоченной фазой "жёсткостью". Это означает, что малая деформация требует дополнит. затраты энергии. Напр., при переходе жидкости в кристаллич. состояние нарушается инвариантность относительно трансляции частиц на произвольный вектор а. Следствием этого является появление в твёрдом теле дополнит. жёсткости по отношению к деформации сдвига, к-рая отсутствует в жидкости. В HeII при согласованных изменениях фазы

волновой функции возникает дополнит. свободная энергия

, где

- удельная плотность сверхтекучей компоненты-играет роль коэф. жёсткости. Если переход в упорядоченное состояние является переходом 2-го рода, то в точке перехода

Примером, когда при упорядочении не возникает дополнит. жёсткости, является упорядочивание сплава. В этом случае в результате упорядочения нарушается не непрерывная, а дискретная симметрия относительно трансляций на периоды исходной решётки.

Упорядочение в одномерных (цепочки) и двумерных (плёнки) системах имеет ряд особенностей: как правило, дальний порядок при любой конечной температуре в них отсутствует, но при низких темп-pax есть ближний порядок с большим радиусом корреляции R_С. Если при упорядочении нарушается дискретная симметрия, то в двумерном случае возможен дальний порядок. В одномерном же случае дальнего порядка нет, но

, где J - "выигрыш" в энергии при упорядочении. Если при упорядочении нарушается непрерывная симметрия, то дальнего порядка нет и в двумерных и в одномерных системах;

в двумерном или

в одномерном случае.

Если между цепочками или плёнками есть слабое взаимодействие, то при высокой температуре отсутствуют и дальний и ближний порядок, при понижении температуры возникает область ближнего порядка с большим R_C, и при самых низких темп-pax возникает дальний порядок (см. Квазиодномерные соединения, Квазидвумерные соединения).

Многократное упорядочение. Вещество, в к-ром уже произошло кристаллич. упорядочение, может при понижении Т испытать вторичное упорядочение, приводящее к дальнейшему понижению симметрии как в координац. расположении атомов (сегнетоэлектрики ,сплавы), так и в ориентации магн. моментов (магнетики). Если отношение периодов новой структуры и кристаллич. решётки является рациональным числом, то возникшую дополнит. структуру наз. соизмеримой и говорят, напр., о магн. элементарной ячейке. Примером несоизмеримой структуры является решётка вихрей Абрикосова в сверхпроводниках, периоды к-рой определяются напряжённостью внешнего ноля.

С дополнит. жёсткостями часто оказываются связанными дополнит. ветви коллективных возбуждений. Так, в кристаллах наблюдается поперечный звук, отсутствующий в жидкостях, в ферромагнетиках - спиновые волны ,в сверхтекучем HeII - второй звук,

Экспериментальные методы. В нек-рых случаях удаётся непосредственно измерить параметр порядка, напр. намагниченность или спонтанную поляризацию. Др. способ дают дифракц. методы - нейтронографич. или рентгенографич. исследования корреляц. функций удельной плотности или магн. момента (см. Нейтронография, Рентгеновский структурный анализ). В случае дальнего порядка нейтроно- или рентгенограммы обнаруживают узкие брэгговские пики, интенсивность к-рых пропорциональна квадрату объёма F образца. В случае же ближнего порядка эти пики "размываются" на ширину, обратно пропорциональную корреляц. радиусу R_C, а их интенсивность пропорциональна R_CV. B тех же случаях, когда R_C велико, различить ближний и дальний порядок становится трудно (см. Нейтронография структурная, Магнитная нейтронография).

Ряд методов, напр. рассеяние света на звуковых и других длинноволновых колебаниях, позволяет обнаружить коллективные колебания и, следовательно, дополнит. жёсткости (см. Комбинационное рассеяние света). С помощью этих методов можно различить дальний и ближний порядок, если есть возможность исследовать коллективные колебания достаточно низких частот, т. к. высокочастотные колебания существуют и в случае ближнего порядка (напр., сдвиговые волны в жидкости).

Литература по дальнему и ближнему порядкам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.