Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
132
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
20.12 Mб
Скачать

" A B "

X

S g(N,NA,NAB)

e

k T ,

(XII.99)

 

N

, В +

| _ ( « Л А - " В В )

 

где

AB

 

 

 

 

 

a=e

 

k T

.

(XII.100)

Расчет статистической суммы (XI1.98) или (XI1.99) оказывается весьма сложной задачей. Строгое решение получено лишь для одно­ мерной решетки и некоторых двумерных систем (Онзагер). Уже в двумерном случае математические трудности теории очень велики. Для случая трехмерных решеток развиты различные приближенные методы (Брегг и Вильяме, Бете, Гуггенгейм, Кирквуд др.).

§ 6. Теория упорядоченности бинарных сплавов.

Приближение Брегга — Вильямса

Рассмотрим кристаллическую систему, содержащую атомы двух

типов, А и В, для которой w < 0. При низких температурах

система

образует сверхструктуру,

так что узлы могут

быть разделены на две

 

 

 

 

 

 

 

 

группы: а-узлы — правиль­

 

 

 

 

 

 

 

 

ные

положения

атомов А;

 

 

 

 

 

 

ß-узлы — правильные

по­

 

 

 

 

 

 

ложения

атомов

В. При­

 

 

 

 

 

 

мером может служить сплав

 

 

 

 

 

 

 

 

CuZn, для которого на рис.

 

 

 

 

 

 

 

 

55

изображена

элементар­

 

 

 

 

 

 

 

 

ная

ячейка

полностью

 

a

m-г

 

 

S

 

упорядоченной

 

решетки.

 

 

 

 

Выбираем

ячейку

таким

 

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

образом, что вершины

ку­

 

Рис.

55.

Решетка

CuZn:

 

бов соответствуют правиль­

а — полностью упорядоченная структура; б — неупо­

ным

положениям

атомов

рядоченная структура

(все

узлы

равноценны);

/ —

Zn, а центры кубов — пра­

узел,

занятый атомом

Zn;

2 — узел,

занятый

ато­

мом

Си; 3 узел,

в котором с равной

вероятностью

вильным

положениям

ато­

 

может находиться атом Си ИЛИ атом Zn

 

 

 

мов Си. При полной

упо­

 

 

 

 

 

 

 

 

рядоченности = 0) во всех ячейках наблюдается расположение ато­ мов, указанное на рис. 55, а. При Т > 0 для любого узла имеется ненулевая вероятность быть занятым любым из атомов — атомом Zn или атомом Си. Однако до тех пор, пока вероятности нахождения ато­ мов Си в вершинах и центрах ячеек не одинаковы (вероятность нахож­ дения в центре больше Ѵ2) и соответственно не одинаковы вероятнос­ ти нахождения атома Zn в указанных узлах, вершины и центры кубов остаются неэквивалентными узлами. Точка перехода «порядок — бес­ порядок» отвечает температуре, при которой все узлы (вершины и центры ячеек) становятся эквивалентными, и для каждого узла име­ ется одинаковая вероятность быть занятым атомом Си ИЛИ атомом Zn (рис. 55, б). В точке перехода происходит скачкообразное изменение симметрии кристалла. При Г > Г с в силу того, что все узлы эквива-

380

лентны, симметрия кристалла является более высокой, чем при темпе­ ратурах ниже точки перехода; полностью разупорядоченная структура обладает дополнительными элементами симметрии.

Упорядоченность в распределении атомов А и В по а- и ß-узлам называют дальней упорядоченностью. Введем некоторые характерис­ тики дальней упорядоченности в системе. Будем считать для простоты, что

^А = ^ в = - у -

(XII.101)

Через р обозначим долю атомов

А,

находящихся

в правильных по­

ложениях;

 

 

 

число атомов А в а-узлах

(XII . 102)

р =

число

У

общее

атомов А

 

Очевидно, доля атомов В, находящихся в правильных (ß) положениях, также равна р. Можем записать:

р

1 при

полной

упорядоченности и

 

р — Ѵа при

полной

неупорядоченности.

соотношением:

Степень

дальней упорядоченности s

определим

так что

 

 

 

s = 2p—

1,

(XII . 103)

 

 

 

 

 

 

s —• при

полной

упорядоченности

и

 

s — при

полной

неупорядоченности.

 

Степень упорядоченности s имеет определенное значение для каж­ дой конфигурации системы. В теории упорядоченности ставится за­ дача нахождения среднего статистического (наиболее вероятного) значения этой величины, которое будет обнаруживаться на опыте. Требуется установить зависимость среднего значения s от температу­ ры и выявить связь этой величины с термодинамическими функциями. Точка перехода «порядок — беспорядок» определяется в соответствии с условием

1 > 0 при Т < Тс; s = 0 при Т > Тс,

где s — среднее (наблюдаемое на опыте) значение степени дальней упорядоченности. Особый интерес представляет нахождение связи между величиной Т с и энергетическими характеристиками взаимодей­ ствия частиц, а также определение свойств системы вблизи точки пе­ рехода.

При решении поставленных задач будем основываться на выраже­ нии (XI 1.98) для статистической суммы Zc . Запишем его в виде

"AB"

ZC(N, NA, Т)=А

(N, NA , T) S g (N, NA , NAB)e

kT , (XII.104)

AB

где в отсутствие внешнего поля

381

 

 

 

"'"вв

^А'(»АА-"ВВ>

 

A

(N, NA

, T) = e

2kT

e

 

2kT

'

(XII.105)

Вероятность различных конфигураций учитывается через

статисти­

ческую сумму

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

" А В Ю

 

 

 

Z; =

S S(N,

NA ,NAB)

e

k

T .

 

(XII.106>

 

 

" A B

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

путем

исследования

именно

этой

суммы

мы можем

определить наиболее вероятное распределение частиц в системе. За­ метим, что сумма (XI 1.106) включает лишь одну энергетическую характеристику взаимодействий между частицами — величину w, опре­ деляемую равенством (XII.97). Вероятность некоторого распределе­

ния частиц по фиксированным

узлам зависит,

как и следовало ожи­

дать, только от разности энергий взаимодействия

пар

различного

типа; каковы же

сами значения

«ДА, И В В И «AB

В

рассматриваемой

задаче не

играет

роли.

 

 

 

 

 

 

 

Переменной, по которой проводится суммирование в формуле

(XII.106),

является величина

УѴДВ число

пар А В

в системе.

Возникают

следующие вопросы:

 

 

 

 

 

 

1. Как рассчитать множитель g (N, /Ѵд, /ѴдВ )число

конфигу­

раций с заданным числом пар в системе?

 

 

 

 

 

2. Как связана величина /ѴдВ

с упорядоченностью

в распределе­

нии частиц? Несомненно, такая связь существует,

но поскольку речь

идет о числе пар ближайших соседей, величина /Ѵдв

непосредственно

связана с так называемой ближней упорядоченностью

(упорядочен­

ностью в распределении ближних соседей).

 

 

 

 

 

Введем параметры, которыми характеризуют ближнюю упорядо­

ченность в системе. Обозначим

через q вероятность

того,

что произ­

вольный соседний узел некоторого атома А занят

атомом В. При со­

ставе 1 : 1 (случай, который мы и рассматриваем) это в то же время вероятность того, что в произвольном узле, являющемся соседом атома В, находится атом А. Справедливы равенства:

q — = 1 при полном

порядке;

 

q—-=

Ѵ2 при полном

беспорядке.

соотношением

Степень

ближнего порядка а определяют

так что

 

 

а = 2 ? — 1 ,

(XII.107)

 

 

 

 

а = 1 при полном

порядке;

 

о = 0 при полном

беспорядке.

 

Так как число ближайших соседей каждого атома А равно z, а

доля атомов В среди

них составляет q, то

 

NAB

= NAzq =-^Nz(o + \).

(XII.108)

382

При полном порядке Л^АВ

z>т - е -в с е

п а р ь і

в системе являются

парами

AB (величина

V2 Nz — общее

число

пар в системе). При

отсутствии ближней

упорядоченности

(о = 0) NAB = V4 Nz; NAA =

^вв =

NAB/2.

 

 

 

 

Между дальней и ближней упорядоченностью существует связь,

которая,

однако, не является

простой'и

взаимно однозначной, за ис­

ключением случаев полного порядка или полного беспорядка. Степень

дальнего

порядка не определяет

однозначно числа пар разного рода,

для иллюстрации чего на рис. 5 6 приведены две схемы

квадратной

решетки, в которой правильные узлы для атомов А и В

расположены

в шахматном порядке. В обоих случаях р = Ѵ2, (s = 0 ) ,

но в случае

a NAA =

4,

JVBB =

3, J V A B = 17;

в случае Ъ NAA = NBB

=

= Л^АВ/2

= 6.

Если

речь идет об усредненных статистических

харак-

Рис. 56. Система, в которой

дальняя

упоря­

доченность

отсутствует:

 

а — имеется ближняя упорядоченность ( У Ѵ д в = 17, а Ф 0);

б — ближняя упорядоченность отсутствует (Л^дв = 12, о =- 0);

/ — а-узлы; 2— ß-узлы

NA=NB

=8; NА

~4(S=0)

теристиках системы при заданной температуре, то наличие

ближнего

порядка при отсутствии дальнего возможно как следствие

локальных

корреляций в распределении

частиц. При w < 0 сохранение ближне­

го порядка (распределение,

аналогичное в среднем распределению на

рис. 56, а) наблюдается в некоторой области температур выше темпе­ ратуры Тс, когда дальний порядок отсутствует. Величина температур­

ной

области,

в которой ближние корреляции сохраняются, зависит

от

значения

w.

Строгая теория упорядоченности при оценке средних чисел пар разного рода должна учитывать наличие локальных корреляций. Однако качественная картина изменения степени упорядоченности в зависимости от температуры и энергии w хорошо передается даже в самом грубом (нулевом) приближении, которое не учитывает локаль­ ных корреляций. Нулевое приближение называют также приближе­ нием Брегга — Вильямса. Согласно этому приближению, число пар ^АВ (а следовательно, степень ближней упорядоченности) целиком определяется степенью дальней упорядоченности s. При подсчете чис-

383

ла пар учитывают, что число атомов А на а-местах равно

 

 

 

^ A a

 

N

1 + s

1

 

 

 

 

 

= ^ A P = T

- ^ - = T i V ( l + S ) ;

 

число

атомов

А

на

ß-местах:

 

 

 

 

 

 

 

^ A ß

= J V A - i V A a = i V A ( l - p ) = - ^ N ( 1 - s ) ;

 

число

атомов

В на ß-местах:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

 

1

 

 

 

 

"B?

= Y-N*?=T

р= тN

{1+s):

 

число

атомов

В

на

а-местах:

 

 

 

 

 

 

 

^ В * = ^ В - ^ B ß =

(1 - Р) =

N

 

Так как в решетке

все а-места

имеют

соседями ß-места и

наоборот,

пары А — В могут

быть образованы следующими двумя способами:

1) атом А на а-месте,

атом В на соседнем ß-месте (пары А а — Вр );

2)

атом А на ß-месте,

атом В на соседнем а-месте (пары

Ар—Ва ).

При отсутствии ближних корреляций вероятность того, что про­

извольно выбранный узел первой

координационной сферы

атома

ка (ß-узел) занят атомом В, следует

приравнять величине р =

-—- ,

'т. е. доле атомов В на ß-местах. Так как число ближайших соседей

атома равно z, то атом А а

будет иметь в

среднем zp =

г/2

(1+s) со­

седей Bß. Для общего числа пар типа А а — B ß в системе получаем

^ А а - В ? = ^ А * ZP = - J

N U + S ) 2

- J

(1 + *) = ~

 

(1 +

 

Аналогичным способом можно

 

показать,

что

 

 

 

^ А З - в . = / Ѵ А З г ( 1 - р ) =

-J"

N

(l-s)

z

- j

( l - s ) = jft

( l - s ) « .

В нулевом

приближении,

следовательно,

 

 

 

^ А В

= ^ А « - В ? + ^ A ß - B a

=

\

Nz

(1

+

s)« + -j-

Nz (1

- s)*

=

 

 

=

- ^ -

tfz ( 1 + s 2 ) .

 

 

(XII.109)

Сопоставление формул (XII.108) и (XII.109) дает

равенство

 

 

a = s 2 .

 

 

 

 

 

 

 

(XII.110)

Связь между степенью ближней упорядоченности о и степенью даль­ ней упорядоченности s оказывается в рассматриваемом приближении очень простой и не зависящей от энергетического параметра w.

Запишем статистическую сумму (XII.104) для случая УѴд = NB

384

=ТѴ/2 использовав выражение (XII.109) для числа пар А/дВ:

 

 

 

 

Nzw

 

 

 

Nzw s2

 

 

Zc (N,T)=A(N,T)

e

4

k T

£

g

(N,

s) ê

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nzwsu

 

 

 

 

•B

{N, T)Yi

g

(W. s)

e

4kT

 

(XII .111)

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

Nzw

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В (N,

T) =

A

(N,

T)

e

 

 

 

 

g (N, s) — число способов размещения N/2

атомов А и N/2

атомов В

по N узлам при заданном

значении

s; суммирование в правой

части

(XII.111) проводится

по всем

значениям параметра s. Этот

параметр

в соответствии

с

определениями

(XII.102) и

(XII.103)

равен

2ІѴА<І /ТѴд—1 и может принимать только дискретные значения

(в ин­

тервале от 0 до 1). Задачу расчета статистической

суммы Zc свели к

задаче расчета

суммы:

 

 

 

 

 

 

Nzw s2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zc

(N, Т)=

S

g

(N, s) e"

4ftT

 

(XII.112)

 

 

 

s

Раскрыть значение множителя g (N, s) не составляет труда. Ве­ личина g (N, s) равна числу способов, которыми можно разместить ТѴд = N/2 атомов А по TV местам таким образом, чтобы в подрешетке

узлов а находилось ТѴАа = - j - (1+s) атомов А, а в подрешетке узлов ß

было /уА р = -^- (1s) атомов А (после того, как атомы А распреде­ лены по узлам решетки, в оставшиеся узлы однозначным способом

можно поместить атомы В). Так как имеется (^А 2

а )

способов раз­

местить ТѴАа атомов

А по ТѴ/2

пронумерованным

а-узлам* и (jvj^)

способов разместить TVAß атомов А по ТѴ/2 пронумерованным ß-узлам,

причем каждый способ размещения по а-узлам может

комбинировать­

ся с каждым способом размещения

по ß-узлам, получаем

 

 

N_

 

 

 

 

g (N, s)

 

2

 

2

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1 +

s)

( 1 - s )

 

 

 

4

 

 

 

 

 

T(1+5)

г[т(I~S)

T ( 1

+S )

Г N

1 Г1Ѵ

 

 

JV

 

(ХПЛ13)

* Используем принятое обозначение

 

 

 

 

n

\

 

ni

 

 

 

m

 

ml

(n m)l

 

 

13—119

 

 

 

 

 

385

Из общего выражения (XII.ИЗ) вытекают следующие частные равен­ ства:

g(N, s = l) = l ;

 

 

л.

 

N

\ 2

(N, s = 0 ) =

 

N

 

 

U

N

\T

V 4

 

Найдем с помощью формулы (XII.112) равновесное значение сте­

пени дальнего порядка при произвольной температуре Т. Вероятность

w (S)N,T

некоторого значения s при заданных N и Т пропорциональ­

на значению соответствующего слагаемого в статистической сумме (XII.112):

 

g (N,

s) e

Nzws*

w (s)Nr т

4kT

=

T)

( X I I . 114)

 

Z'c (N,

 

Равновесное значение параметра s системы представляет наиболее вероятное значение s*, т. е. такое значение, которому отвечает макси­ мум вероятности w (s) или, иначе говоря, максимальный член стати­ стической суммы Zc. Так как величина s является макроскопическим параметром, максимум функции w (s) при s = s* будет очень резким (вероятности измеримых флуктуации макропараметра пренебрежимо малы). Практически в статистической сумме (XI 1.113) можно ограни­ читься учетом лишь максимального члена и записать:

 

 

 

Nzws*2

 

Z c

(N, T)-g

(N,s*) e

' 4kT

(XII.115)

 

В силу того, что максимум вероятности

w (s) является

очень резким,

наиболее вероятное и среднее

каноническое значение

s совпадают, и

в формуле ( X I I . 115)

вместо параметра

s* можно использовать пара­

метр s.

 

 

 

 

Равновесное значение степени упорядоченности s* найдем из усло­ вия: при s = s*

д

ln g (N, s).

Nzws2 '

= 0

(XI 1.116)

 

 

4kT .

 

 

[ищем максимум логарифма 'функции, стоящей под знаком суммы (XII.112)]. Для преобразования выражения (XII.ИЗ) применим фор-

386

мулу

Стерлинга:

 

 

 

 

 

 

 

ln g (N,

s) = 2

In

 

 

\

2

_ 2

{ — ln — —

ГN

 

 

 

 

 

 

!

!

 

 

 

 

 

 

[ T ( l + . )

 

 

 

 

N

(1 + s) !r

Г N

 

1

N

N

 

 

 

-—

[ T ( l + S )

 

+ T ( l + - ) - ( 1

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

N

 

} = Y

[2 l n 2 - ( l + s ) ln (1 + s ) - ( l - s ) l n

( l - s ) J .

 

 

 

Дифференцируя по s,

получаем

 

 

 

 

ding

N

[ _ i n ( l + s ) - l

+

ln ( i _ s )

N

1 + s

 

(XII.117)

— ^

= —

+ i ] = _ - i r i n - i - t i - .

os

2

 

 

 

 

 

2

1 — s

 

 

Подстановка

выражения (XII.117) в условие (XII.116)

дает

 

 

 

 

 

N

ln

1+8

Nzw

 

 

(XII.118)

 

 

 

 

1 —s

:0.

 

 

 

 

 

 

2

 

2^Г

 

 

 

Наиболее вероятное значение степени упорядоченности при заданных параметрах w, z, Т является решением этого уравнения (если решений несколько, то одним из решений). Индекс # при величине s в урав­ нении (XII.118) и далее опущен, поскольку теперь все время будут иметься в виду значения s, которым отвечает экстремум функции под знаком суммы ( X I I . 112).

Запишем уравнение (XII.118)

в

виде

 

1 +

s

гср

 

1 —s

. i Yi .

(XII.119)

kT

 

где

cp = — w; <p > 0.

 

Дальнейшая задача будет

состоять в

исследовании

( X I I . 119). Преобразуем это

уравнение.

Обозначим

zcp

kT

(XII.120)

уравнения

( X I I . 121)

и запишем следующие

равенства, вытекающие из ( X I I . 120):

 

 

 

1 — s

 

 

 

 

 

 

1 + s = еа

— sea

;

 

s

=

e ' - l

 

 

= th

(XI 1.122)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ea + 1

 

2 +

e

 

 

 

 

 

 

 

Возвращаясь

к старой

переменной

согласно ( X I I . 121), получаем

 

 

 

s - t h ( ^

s ) .

 

(XII.123)

13*

 

 

 

 

 

387

Данное трансцендентное уравнение удобно представить в параметри­ ческой форме:

s =

th X

 

 

s =

2kT

г

(XI 1.124)

z?

 

Искомое значение

s =

s* должно одновременно удовлетворять

обоим

уравнениям.

 

 

 

 

 

 

Решение

системы

параметрических уравнений

( X I I . 124)

можно

найти

графическим методом: надо построить кривые

s = thx*

и

s =

2kT

X и

найти

их точку пересечения (рис. 57).

Кривая s =

tht,

Z<f

 

 

 

 

 

 

 

как показано на рисунке, проходит через начало координат; при т -»>оо она асимптотически приближается к прямой s — 1. Прямая s = ^ •%

О

0,5

1,0

1,5

2,0

V

0

0,5

1,0

1,5

X

 

 

a

 

 

 

 

 

ff

 

 

Рис. 57.

Зависимости s =

üvc

(/) и

ІкТ

t

(2):

 

 

 

s = —

 

 

 

 

 

 

 

 

г<р

 

 

 

 

 

 

 

а Г < Ц- {s > 0 ) ; б Г > Ц - (s = 0)

 

 

 

также проходит через начало координат и имеет угол наклона у, за­ висящий от температуры:

2kT zcp

Поскольку мы рассматриваем область неотрицательных значений s, системе параметрических уравнений (XII.124), а следовательно,

уравнению (XII.123),

может удовлетворять

либо

одно значение s =

= 0 (рис. 57, б), либо

два, одно из которых

s = 0,

другое — положи­

тельное (рис. 57, а). Можно показать, что при наличии двух решений максимальному числу суммы ( X I I . 112) отвечает значение s > 0, т. е. равновесное значение степени упорядоченности ненулевое; кристалл

образует

сверхструктуру.

 

 

* По

определению, th -с =

е

— е

е*

+ е'

 

 

388

Так как угол наклона прямой s

2kTz<?

х зависит от температуры,

то положение точки пересечения для х >

0, а следовательно, и равно­

весное значение s >

О меняются с температурой. Меньшим температу­

рам (при заданных

значениях z и w) отвечает большее значение s; при

Г-»-0 s->l. С ростом температуры точка пересечения, соответствующая

значению s > О, приближается к

началу координат. При

некоторой

 

 

 

 

 

 

2kT

 

 

 

 

температуре

T — Tz

прямая

s =

^ х

касается в начале

коорди­

нат кривой

s =

thx; при Т >

Тс имеется лишь одна точка

пересече­

ния

прямой

и

кривой: х = 0; s =

0. Следовательно,

при

температу­

рах

Т >- Тс

дальний

порядок

в системе

отсутствует;

при Г < Тс

он

существует. Температура Тс есть точка

перехода «порядок — беспо­

рядок». Значение Тс

сможем

найти, определив наклон кривой

s =

= thx в начале координат. Разложим функцию thx в ряд по

степеням

X вблизи точки

X = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

: Ш X = •

 

 

 

 

( X I I .

125)

 

 

 

 

е* + е~

 

 

 

 

 

Следовательно, вблизи начала

координат

 

 

 

 

ds

= 1

di

ds

= 1;

dx

 

тангенс угла наклона касательной к кри­ вой s = thx в начале координат равен еди- s

нице. Прямая s — х касается в нача

ле координат кривой s = thx при условии, что

 

»87 =

1

 

угол наклона прямой), т. е.

справед

ливо

равенство

 

 

 

 

2kTc

=

1.

 

 

 

 

Следовательно, точка перехода Тс

связана

с величиной ф = ад соотношением

 

 

 

Т е ~

2k-

(XII.126)

( X I I . 127)

Рис. 58. Зависимость сте­ пени дальней упорядочен­ ности от температуры

(XI 1.128)

Уравнение (XII.123) можем записать в обобщенной форме

s = th ( Y S )

(XII.129)

389

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ