Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
поле, отклонения от прямолинейности за счет многократного рассеяния ионизующей частицы, количества капель на единице длины трека и т. д.) дает возможность делать заключения о природе и свойствах пролетающих частиц.
4. Явление перегревания жидкости также используется для наблюдения следов ионизующих частиц. На нем основано устройство пузырьковой камеры, сконструированной Д. А. Глезером в 1952 г. Жидкость в пузырьковой камере сначала находится при температуре, превышающей температуру кипения. От закипания она удерживается высоким давлением, передаваемым на поршень или упругую мембрану, соприкасающуюся с жидкостью. Для приведения камеры в рабочее состояние внезапно понижают давление. Тогда жидкость оказывается перегретой и в течение короткого времени может находиться в этом метастабильном состоянии. Если в это время через камеру пролетит ионизующая частица, то она вызовет резкое вскипание жидкости в узкой области вдоль траектории частицы. В результате путь частицы будет отмечен цепочкой пузырьков пара. Явление можно объяснить тем, что ионизующая частица теряет на своем пути энергию, переходящую главным образом в тепло. А так как жидкость перегрета, то этого добавочного тепла достаточно для интенсивного образования пузырьков пара на пути частицы. Одним из важнейших преимуществ пузырьковой камеры является высокая плотность рабочего вещества. Это дает возможность получать большое количество взаимодействий частицы с ядрами рабочего вещества. В качестве жидкостей в пузырьковой камере применяются жидкий водород, жидкий пропан, фреоны, жидкий гелий, СОг и т. д.
5. Перегретой жидкостью и пересыщенным паром не исчерпывается многообразие метастабильных состояний вещества. Другими примерами являются переохлажденные жидкости и различные кристаллические модификации твердых тел. Возьмем, например, воду, очищенную от посторонних вкраплений, и будем охлаждать ее при постоянном давлении и без сотрясений. Вода останется жидкой, если даже ее температура достигнет —10 °С и ниже. Если, однако, в такую воду бросить кристаллики льда (играющие роль зародышей кристаллической фазы) или встряхнуть сосуд, в котором она находится, то происходит быстрое затвердевание, причем температура резко поднимается до 0 °С. Жидкость, охлажденная до температуры ниже температуры затвердевания, называется переохлажденной жидкостью. Она является менее устойчивой фазой, чем кристаллическая фаза при той же температуре и давлении. Поэтому, если жидкость не очищена от посторонних вкраплений, способных выполнять функции зародышей кристаллической фазы, то переохлаждения не наблюдается. При охлаждении жидкости кристаллизация начинается при температуре плавления, соответствующей тому давлению, под которым находится жид-
S 119]
МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ
475
кость. (Это не совсем точно, так как температура кристаллизации зависит от размеров и вида зародышей.)
Скорость кристаллизации переохлажденной жидкости при наличии в ней зародышей сильно зависит от температуры. При понижении температуры за точку кристаллизации скорость кристаллизации сначала растет, достигает максимума, а затем падает. При очень больших переохлаждениях скорость кристаллизации делается практически равной нулю. При достаточно больших переохлаждениях начинается самопроизвольное образование зародышей. Скорость этого процесса также сначала растет с понижением температуры, достигает максимума и стремится к нулю при дальнейшем понижении температуры. Обычно максимум скорости самопроизвольного образования зародышей находится при более низкой температуре, чем максимум скорости кристаллизации.
Переохлажденными жидкостями являются расплавленный сахар и мед. Здесь скорость кристаллизации очень мала. Однако процесс кристаллизации происходит, хотя и медленно. Мед и варенье с течением времени «засахариваются», т. е. переходят в кристаллическую модификацию. Многие тела, которые в обиходе называются твердыми, не обладают внутренней кристаллической структурой. Их лучше рассматривать как сильно переохлажденные жидкости. Таковы асфальт, сапожный вар, стекло, различные пластмассы и пр. Истинно твердыми телами являются только кристаллы. В стекле переохлаждение настолько сильное, что практически нет ни образования зародышей, ни кристаллизации на существующих зародышах. Однако даже и здесь процесс кристаллизации идет, хотя и очень медленно. Он приводит к тому, что по истечении десятков лет стекло может стать мутным («расстекловы-вание» стекла).
Ярким примером, иллюстрирующим роль зародышей в полиморфных превращениях, может служить явление, известное под названием «оловянной чумы». Существуют две модификации твердого олова — обычное, или белое, олово и порошкообразное, или серое, олово. При атмосферном давлении эти модификации находятся в равновесии при температуре 18 °С. Выше 18 °С более устойчиво белое олово, ниже 18 °С — серое. После сильного мороза при потеплении оловянные предметы, если в них есть подходящий зародыш, могут рассыпаться в порошок. Это явление и называется «оловянной чумой». Оно очень редкое, так как обычно таких зародышей нет, самопроизвольно они образуются только при очень низких температурах. Зародыши недейственны, пока стоит сильный мороз, ввиду ничтожной скорости превращения. Но при потеплении скорость превращения сильно возрастает, и оловянный предмет рассыпается в порошок. Скорость превращения белого олова в серое (при наличии зародыша последнего) максимальна около О °С и быстро спадает при более низких температурах.
