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臨界現(xiàn)象
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項(xiàng)
臨界現(xiàn)象（critical phenomenon）是指物質(zhì)處在臨界狀態(tài)及其附近具有的特殊的物理性質(zhì)和現(xiàn)象。1869年T.安德魯斯研究二氧化碳?xì)狻⒁簝上?密度差時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度在31.04℃時(shí)氣、液密度趨同，兩相界限消失，取名為臨界狀態(tài)。
基本信息
| 外文名 | critical phenomenon |
基本內(nèi)容
臨界參數(shù)
臨界指數(shù)
1907年P(guān).外斯提出用分子場理論解釋鐵磁性，這是一種描述特殊相變的平均場理論。1937年L.朗道提出用序參量描述相變形式的理論，特別是他與V.京茨堡建立的超導(dǎo)唯象波函數(shù)理論。1945—1965年大量精確的實(shí)驗(yàn)測量證實(shí)，在臨界點(diǎn)附近物質(zhì)特性的物理量與溫度 之間的關(guān)系均可寫成
，
稱為臨界指數(shù)。這些指數(shù)與平均場理論不符。1966年L.卡達(dá)諾夫指出標(biāo)度概念的重要性，在臨界點(diǎn)附近粒子之間的關(guān)聯(lián)、漲落起重要作用。1971年K.威耳孫用量子場論中重正化群方法，對卡達(dá)諾夫的物理概念進(jìn)行了數(shù)學(xué)表述，論證了實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出的臨界現(xiàn)象的標(biāo)度律和普適性，計(jì)算出符合實(shí)驗(yàn)的臨界指數(shù)。威耳孫為此獲得了1982年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
朗道理論
冰化為水，水變成水蒸氣都需要吸熱，相反的過程伴隨放出熱量，這是一級相變。在相變點(diǎn)兩相的化學(xué)勢相等，但化學(xué)勢的一級偏導(dǎo)數(shù)代表的物性有突變。二級相變又稱連續(xù)相變，物質(zhì)兩相的化學(xué)勢及其一級偏導(dǎo)數(shù)相等，但二級偏導(dǎo)數(shù)有突變。固體中居里點(diǎn)的鐵磁－順磁相變、在沒有外磁場時(shí)金屬正常態(tài)－超導(dǎo)態(tài)相變都是二級相變。
連續(xù)相變時(shí)體系的對稱性往往發(fā)生改變，處在高溫相的對稱性高，處在低溫相的對稱性低。朗道用序參量描述這兩相的差異，高溫相的序參量
，低溫相的序參量
。在氣－液臨界點(diǎn)的相變中序參量ψ可選為兩相密度差ρ－ρ，或比容差v－v，式中l(wèi)、g分別代表液相和氣相，ψ為實(shí)數(shù)。對于金屬正常態(tài)－超導(dǎo)態(tài)的相變，序參量
為超導(dǎo)電子有效波函數(shù)，
代表超導(dǎo)電子密度，是復(fù)數(shù)。朗道認(rèn)為系統(tǒng)的自由能F
在相變點(diǎn)附近可用序參量展開成冪函數(shù)：
〈 〉表示統(tǒng)計(jì)平均值。當(dāng) 
較大時(shí)
漸近于
，
稱為關(guān)聯(lián)長度，的臨界行為是：
而關(guān)聯(lián)函數(shù)本身的行為漸近于：
其中 是系統(tǒng)的空間維數(shù)。另外，序參量 隨壓力 的變化也有它的臨界行為，當(dāng)
時(shí)，
。一共有九個(gè)臨界指數(shù)。平均場理論給出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在微小差異，可見平均場理論還有不足之處。
標(biāo)度律和重正化群
卡達(dá)諾夫強(qiáng)調(diào)標(biāo)度變換的重要性，他用標(biāo)度變換，導(dǎo)出九個(gè)臨界指數(shù)間有七個(gè)相互滿足的關(guān)系式。所以，九個(gè)臨界指數(shù)中只有兩獨(dú)立指數(shù)，其他七個(gè)可由這些關(guān)系式導(dǎo)出。但為什么可用標(biāo)度變換的物理思想還沒有弄清。
1971年威耳孫認(rèn)識到標(biāo)度變換體現(xiàn)了重正化群的基本思想，它可不必通過復(fù)雜的配分函數(shù)解決統(tǒng)計(jì)物理中的相變，而是探索能使配分函數(shù)保持不變的變換性質(zhì)，抓住相變的主要特征。具體做法分兩個(gè)步驟：①由于T趨于T時(shí)，關(guān)聯(lián)長度ξ趨于無限大，元胞可用一定尺度的集團(tuán)代替，集團(tuán)中序參量平均值替代元胞的序參量。集團(tuán)之間相互作用以有效作用代替。②進(jìn)行標(biāo)度變換使其與原來模型一致。這兩個(gè)步驟合起來用變換R表示。R一般是非線性變換。如此相繼進(jìn)行R'=RR'變換。這些變換組稱為重正化群。最后在變換中的不動(dòng)點(diǎn)同連續(xù)相變聯(lián)系起來，給出臨界點(diǎn)相變的特征。
理論說明
從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，液氣共存對應(yīng)于液相和氣相的化學(xué)勢相等，兩相的比容不等；關(guān)于相變的理論中，臨界現(xiàn)象是在連續(xù)相變點(diǎn)鄰近的現(xiàn)象（見相和相變、固體中的相變）。固體中有許多連續(xù)相變現(xiàn)象。連續(xù)相變往往是由于體系的對稱性改變，如位移型結(jié)構(gòu)相變中是點(diǎn)陣的空間群改變；磁相變是晶體磁群改變；超導(dǎo)相變是規(guī)范對稱性改變（見超導(dǎo)微觀理論）。通常可以定義一個(gè)或幾個(gè)序參量來描述連續(xù)相變。它們在一個(gè)相（通常是對稱性高的相）為零，在另一個(gè)相（通常是對稱性低的相）不為零，而在相變點(diǎn)為零。相變時(shí)序參量連續(xù)變化。在氣－液臨界點(diǎn)的相變中，序參量可選為兩相的密度差或比容差；在鐵磁－順磁相變中可選固體的磁化強(qiáng)度，等等。借助于重正化群理論，可以比較好地分析臨界現(xiàn)象，說明了空間維數(shù)與臨界指數(shù)的普適關(guān)系。從研究臨界現(xiàn)象發(fā)展起來的一系列新的概念與理論方法不僅對連續(xù)相變理論，而且對凝聚態(tài)物理與統(tǒng)計(jì)物理的許多分支，以及量子場論和粒子物理學(xué)都有深刻的影響。
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