Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Чтобы понять это, нам необходимо рассмотреть модель магнетизма, предложенную в 1920-х годах, уже после работ Вейса, немецким физиком Вильгельмоіѵ Ленцем. Кусок железа проявляет магнитные свойства потому, что каждый и: составляющих его атомов железа ведет себя подобно крошечному магниту. Читатель может представить себе атомы в виде маленьких намагниченных иголок которые обладают свойством выстраиваться в линию друг за другом. Физике называют такую «атомную иголку» спином, хотя ни о каком реальном вращение «иголки» речи при этом не идет (английское spin означает вращение). В куске железа направление каждого такого спина определяется совместным магнитньпѵ полем, создаваемым окружающими его спинами или атомами. При этом, однако каждый из спинов и сам воздействует на ближайшее окружение, т.е. на атомы і ближайших узлах кристаллической решетки. Обычно магнитное взаимодействие заставляет «иголки» выстраиваться в соответствии с окружением. Наиболее стабильным состоянием атомной решетки при этом является ситуация, когд< все «иголки» направлены в одну сторону. В этой конфигурации очень малые магнитные поля отдельных атомов складываются и создают совместное, довольно мощное магнитное поле, проявления которого мы и замечаем.

Но любой нагрев такого образца нарушает упорядоченность атомов в полной аналогии с нарушением равновесия сил притяжения в жидкости. Тепловое воздействие как бы встряхивает решетку магнитных иголок, нарушая согласованность их взаимной направленности. При этом сами атомы еще сохраняют порядок в решетке, но направления их спинов разупорядочива- ются, в результате намагниченность образца в целом резко уменьшается.

Является ли предлагаемая модель размагничивания аналогом испарения жидкости? Не очевидно. С одной стороны, описываемый магнитный переход тоже происходит при строго определенной температуре (точке Кюри), однако с другой — он не является столь резким, т. е. уменьшение намагниченности в окрестности этой точке происходит постепенно. Поэтому представляется более правдоподобным, что точка Кюри скорее соответствует критической точке в системе «жидкость—газ», где различия между этими состояниями вещества становятся незаметными.

Это превращение и есть настоящий фазовый переход, так как свойства вещества четко изменяются: ниже точки Кюри — магнит, выше — не магнит. Но это другой тип фазовых переходов, отличный от испарения, конденсации, плавления и замерзания вещества, поскольку при нем не происходит скачкообразного изменения наблюдаемых характеристик объекта. Поэтому фазовые переходы, происходящие в критических точках, физики, вполне естественно, называют критическими фазовыми переходами, а иногда, по их физическим резонам, фазовыми переходами второго рода. Те же фазовые переходы, в которых макроскопические характеристики образца, например, плотность, изменяются скачком, называются фазовыми переходами первого рода (рис.4.1).

Рис. 4.1. Два разных типа фазовых переходов: а) при критических фазовых переходах (переходах второго рода) некоторые характеристики системы, например, намагниченность, постепенно уменьшаются до нуля при изменении некоторого «контрольного параметра», например, температуры; б) при фазовых переходах первого рода (типа замерзания или кипения жидкости) в точке перехода скачком изменяются некоторые характеристики вещества, например, плотность. Оба типа фазовых переходов нашли отражение в социальной физике.

Ленц придумал для описания магнитных фазовых переходов очень простую обобщающую модель, в рамках которой ориентация атомных магнитов менялась не непрерывно, а скачком, так что они могли принимать лишь два противоположных положения (условно: вверх или вниз). Таким образом, два соседних спина моіуг быть направлены только одинаково или противоположно, без всяких промежуточных состояний. Некоторые магнитные материалы действительно ведут себя в соответствии с предложенной моделью, забавно, но к этим материалам не относится железо, на основе изучения которого и возникла модель. Кроме этого, Ленц предположил, что любой атом в регулярной решетке способен воздействовать своим магнитным полем только на ближайших соседей.