Полиморфные переходы в однокомпонентных жидкостях. Часть 1: Экспериментальные данные

ВЕСТНИК
УДМУРТСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА

ФИЗИКА
2005. №4

УДК 669.0:532.74:541.7

М. Г. Васин, В. И. Ладьянов

ПОЛИМОРФНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ
ЖИДКОСТЯХ: ЧАСТЬ I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ДАННЫЕ

Цель работы — познакомить читателей с новой темой, которая вызывает значительный интерес как экспериментаторов, так и теоретиков, работающих в
области физики фазовых переходов и жидкофазных систем. Проведён обзор
результатов экспериментальных исследований однокомпонентных жидкостей,
в которых были обнаружены структурные переходы.

Ключевые слова: структура жидкости, полиморфизм.

Введение

Значительный интерес как экспериментаторов, так и теоретиков вызывает новый класс фазовых переходов в жидкостях. Большое количество
результатов экспериментальных исследований, в том числе непосредственно структурных исследований, и компьютерного моделирования структуры, полученных в последнее время, дали положительный ответ на вопрос
о возможности таких переходов. Так, например, уже хорошо известно о
наличии переходов типа жидкость–жидкость в сложных “сетчатых” (netforming) жидкостях, например в H2O и SiO 2 . Полиморфные превращения наблюдались и в одноатомных системах: в фосфоре, углероде и даже
в металлических расплавах. Значительный прогресс в исследовании данного явления наблюдается в последние годы. Но несмотря на это, одним
из наиболее дискуссионных вопросов остаётся вопрос о природе таких переходов.
Следует отметить, что в разных жидкостях структурные переходы проявляются по-разному: часто в виде особых точек и изломов на политермах
различных свойств, а также перегибов, скачков и т.п. Во многих случаях
существование этих переходов удаётся подтвердить методами рентгеноструктурного анализа и нейтронографии. В данной работе приведён краткий обзор известных авторам экспериментальных результатов, полученных по этой теме.

Экспериментальное наблюдение структурных изменений
в однокомпонентных жидкостях

Элементы 13-й группы
Уже достаточно давно на политерме вязкости жидкого алюминия были обнаружены [1] ступенчатые изменения при 775 и 855
◦ C, сопровож

М. Г. Васин, В. И. Ладьянов

даемые тепловыми эффектами. Такое поведение вязкости объясняется полиморфными превращениями в Al ж типа твердофазных со скачкообразным изменением координационного числа. С другой стороны, на политермах вязкости [2] отмечаются перегибы при 740–780 ◦ C и аномалии вблизи
точки плавления.
В более поздней работе [3] было показано, что при нагреве наиболее
чистых образцов марки А 9999 в достаточно узком интервале температур вблизи 900
◦ C наблюдается скачкообразное уменьшение вязкости,
обусловленное, по мнению авторов, структурной перестройкой. В режиме
охлаждения обратное превращение происходит при более низкой температуре.
В работе [4] было показано, что на температурной зависимости структурных параметров можно выделить три области: Tпл — 960; 960–1450;
1450–1600
◦ C (рис. 1), на границах которых структурные характеристики значительно изменяются. Изменение структуры ближнего порядка в
жидком алюминии было подтверждено также и рентгенографическими
исследованиями [3], в которых вблизи 960 и 1450
◦ C было обнаружено
аномальное поведение некоторых структурных параметров.

Рис. 1. si и a(si) — положение и высота максимумов структурного фактора,
R1 — наиболеее вероятное межатомное расстояние, G(R1) — высота первого
максимума ФРР, zc и zn — площадь симметричной части первого пика ФРР и
полная площадь [3]
Однако исследование структуры жидкого алюминия дифракционными методами не дает однозначного ответа об эволюции ближнего порядка.
В частности, Б. И. Хрущев [5], учитывая уменьшение координационного
числа Al ж при нагреве и небольшую разность между вторым и третьим
ионизационными потенциалами, не исключает возможности перестройки
структуры жидкого алюминия с отделением третьего валентного электрона и изменением ближнего порядка от ГЦК-подобного к ОЦК-подобному.
Это предположение было затем подтверждено при исследовании строения
Al ж рентгеноструктурным методом [6]: при 800 ◦ C в жидком алюминии
меняется ближний порядок предположительно с образованием ОЦК- или