المرحلة الانتقالية (Phase transition)

في الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء، يشير انتقال الطور (أو تغير الطور) إلى التحول الفيزيائي من حالة وسط إلى أخرى. عادة، يصف هذا المصطلح التغيرات بين الحالات الأساسية للمادة: الصلبة والسائلة والغازية، وبشكل أقل البلازما. تتميز كل من مرحلة النظام الديناميكي الحراري وحالات المادة بخصائص فيزيائية موحدة. أثناء مرحلة انتقالية، تخضع خصائص محددة للوسط للتعديل استجابة للتحولات في المعلمات الخارجية، مثل درجة الحرارة أو الضغط. مثل هذه التحولات يمكن أن تكون متقطعة. على سبيل المثال، قد يتحول السائل الذي يتم تسخينه إلى نقطة الغليان فجأة إلى غاز، مما يؤدي إلى توسع مفاجئ في الحجم. إن الظروف الخارجية الدقيقة التي يظهر فيها مثل هذا التحول تحدد نقطة انتقال الطور.

في الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء، انتقال الطور (أو تغير الطور) هو العملية الفيزيائية للانتقال بين حالة وسط إلى أخرى. عادة ما يستخدم هذا المصطلح للإشارة إلى التغيرات بين الحالات الأساسية للمادة: الصلبة والسائلة والغازية، وفي حالات نادرة، البلازما. تتمتع مرحلة النظام الديناميكي الحراري وحالات المادة بخصائص فيزيائية موحدة. أثناء مرحلة انتقالية لوسط معين، تتغير خصائص معينة للوسط نتيجة لتغير الظروف الخارجية، مثل درجة الحرارة أو الضغط. يمكن أن يكون هذا تغييرًا متقطعًا؛ على سبيل المثال، قد يتحول السائل إلى غاز عند تسخينه إلى نقطة الغليان، مما يؤدي إلى تغير مفاجئ في الحجم. إن تحديد الظروف الخارجية التي يحدث عندها التحول يحدد نقطة انتقال الطور.

الأنواع

حالات المادة

تصف التحولات الطورية عادة تحول المادة من إحدى حالاتها الأساسية الأربع للمادة إلى أخرى. عند نقطة انتقال طور المادة، مثل نقطة الغليان، يمتلك المرحلتان المتجاورتان - على سبيل المثال، السائل والبخار - طاقات حرة متطابقة، مما يشير إلى احتمالية متساوية لوجودهما. تحت هذه النقطة، يكون الطور السائل أكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية، بينما فوقه، يسود الشكل الغازي.

يتم توضيح التحولات الشائعة التي تحدث بين المراحل الصلبة والسائلة والغازية لمكون واحد، والتي تتأثر بدرجة الحرارة و/أو الضغط، في الجدول التالي:

بالنسبة لنظام مكون واحد، يمكن تمثيل الطور الأكثر استقرارًا عبر درجات الحرارة والضغوط المتفاوتة بيانيًا على مخطط الطور. توضح هذه المخططات عادة حالات التوازن. يظهر انتقال الطور عمومًا عندما تؤدي التغيرات في الضغط أو درجة الحرارة إلى انتقال النظام من منطقة إلى أخرى، وهو ما يتجلى في تجمد الماء عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون نقطة التجمد. ومع ذلك، يوجد استثناء لهذه القاعدة العامة: يمكن أحيانًا تغيير حالة النظام بشكل ثابت (بدلاً من ثابت)، مما يسمح له بتجاوز نقطة انتقال الطور دون الخضوع للتحول المتوقع. وتكون الحالة الناتجة شبه مستقرة، مما يعني أنها أقل استقرارًا من المرحلة التي كانت ستتشكل، ومع ذلك فهي ليست غير مستقرة بطبيعتها. وتشمل الأمثلة التسخين الزائد والتبريد الفائق. لا تصور مخططات الطور التقليدية عادةً الحالات شبه المستقرة.

الهيكلية

قد تشتمل التحولات الطورية أيضًا على مادة صلبة تتبنى ترتيبًا هيكليًا مختلفًا دون تغيير تركيبها الكيميائي. بالنسبة للعناصر، تسمى هذه الظاهرة التآصل، بينما بالنسبة للمركبات، يشار إليها باسم تعدد الأشكال. تمثل التحولات من بنية بلورية إلى أخرى، من مادة صلبة بلورية إلى مادة صلبة غير متبلورة، أو بين هياكل غير متبلورة مختلفة (متعددة الأشكال) جميعها تحولات طورية من صلبة إلى صلبة.

إن التحول المارتنسيتي، وهو مثال بارز بين تحولات الطور العديدة في الفولاذ الكربوني، يعمل كنموذج لتحولات الطور الإزاحية. وتشمل الأمثلة الأخرى التحولات في اضطراب النظام، التي لوحظت في مواد مثل ألومينيدات ألفا تيتانيوم. كما هو الحال مع حالات المادة، يمكن أن تتضمن تحولات الطور الهيكلي أيضًا تحولًا من حالة شبه مستقرة إلى مرحلة التوازن. إن متعدد الأشكال شبه المستقر، الذي يتشكل بسرعة بسبب انخفاض طاقته السطحية، سوف يتحول في النهاية إلى مرحلة توازن بشرط توفير طاقة حرارية كافية للتغلب على حاجز الطاقة.

توضح العديد من المواد الديناميكية أو الناعمة ذات المسام الصغيرة تحولات الطور الهيكلي بين تكويناتها المغلقة والمفتوحة. خضعت الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، على وجه الخصوص، لأبحاث مكثفة فيما يتعلق بهذا السلوك المميز. يمكن أن يكون مشهد الطور الناتج معقدًا، وغالبًا ما يكشف عن مراحل متوسطة. وتشير دراسات إضافية إلى أن الجزيئات الضيف قادرة على تثبيت مراحل معينة، مما يؤدي إلى تكوينات بلورية تعتمد على تكوين الغلاف الجوي المحيط.

مغناطيسي

يمكن أيضًا أن تميز انتقالات الطور التحولات بين أنواع مختلفة من الترتيب المغناطيسي. المثال الأكثر شهرة هو الانتقال بين المرحلتين المغناطيسية وشبه المغناطيسية للمواد المغناطيسية، والذي يظهر عند نقطة كوري. توضيح آخر يتضمن الانتقال بين مختلف الهياكل المغناطيسية المرتبة، سواء كانت متناسبة أو غير متناسبة، كما لوحظ في أنتيمونيد السيريوم. يقدم نموذج Ising إطارًا مبسطًا ولكنه فعال للغاية لفهم تحولات الطور المغناطيسي.

الخلطات

تمثل التحولات الطورية في المحاليل والمخاليط تعقيدًا أكبر مقارنة بتلك التي لوحظت في المركبات الفردية. في حين أن المواد النقية كيميائيًا تظهر عادةً نقطة انصهار مميزة بين مرحلتها الصلبة والسائلة، يمكن أن تظهر المخاليط إما نقطة انصهار مفردة، تسمى الانصهار المتطابق، أو تمتلك درجات حرارة سائلة وصلبة مميزة. يؤدي هذا السيناريو الأخير إلى نطاق درجة الحرارة حيث تتعايش كل من الطور الصلب والسائل في حالة توازن، وهي ظاهرة يتم ملاحظتها بشكل متكرر في المحاليل الصلبة حيث تكون المكونات المكونة لها ذات بنية متساوية.

تتضمن العديد من التحولات الطورية ثلاث مراحل متميزة. يحدث التحول سهل الانصهار عندما يبرد سائل أحادي الطور مكون من مكونين ويتحول إلى مرحلتين صلبتين. على العكس من ذلك، يصف التحول اليوتيكتويدي عملية مماثلة تبدأ من مادة صلبة بدلاً من سائلة. يتضمن التحول المحيطي تسخين مادة صلبة أحادية الطور مكونة من عنصرين، ثم تحويلها لاحقًا إلى طور صلب وطور سائل. التفاعل المحيطي يشبه التفاعل المحيطي ولكنه يتضمن أطوارًا صلبة حصريًا. أخيرًا، يستلزم التفاعل الأحادي تغييرًا من طور سائل واحد إلى مزيج من الطور الصلب والطور السائل الثاني، حيث تظهر المرحلتان السائلتان فجوة امتزاج.

يمكن أن يظهر الانفصال إلى أطوار متعددة أيضًا من خلال التحلل الشوكي، وهي عملية تخضع فيها مرحلة واحدة للتبريد ثم تنقسم بعد ذلك إلى تركيبتين متميزتين.

من الممكن أيضًا وجود مخاليط غير متوازنة، مثل تلك الموجودة في فرط التشبع.

أمثلة أخرى لانتقالات الطور

الانتقال إلى الطور المتوسط، وهي حالة وسيطة بين الحالة الصلبة والسائلة، والتي تتمثل في مختلف مراحل البلورة السائلة.

• الانتقال إلى الطور المتوسط بين الحالة الصلبة والسائلة، مثل إحدى مراحل "البلورة السائلة".
• اعتماد هندسة الامتزاز على كل من تغطية السطح ودرجة الحرارة، كما لوحظ مع الهيدروجين الممتز على سطح الحديد (110).
• بداية الموصلية الفائقة في معادن معينة ومواد خزفية عند تبريدها إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة.
• مظهر خصائص المواد الاصطناعية داخل الوسائط الضوئية الاصطناعية عند تعديل المعلمات المكونة لها.
• التكثيف الكمي للسوائل البوسونية، وتحديدًا تكثيف بوز-آينشتاين، مع انتقال السوائل الفائقة في الهيليوم السائل هو بمثابة توضيح رئيسي.
• كسر التناظر في القوانين الأساسية للفيزياء الذي حدث أثناء بداية الكون مع انخفاض درجة حرارته.
• تجزئة النظائر، وهي عملية تتغير فيها نسبة النظائر الخفيفة إلى النظائر الثقيلة في الجزيئات المكونة، تحدث أثناء مرحلة انتقالية. على سبيل المثال، أثناء تكثيف بخار الماء (تجزئة التوازن)، تصبح نظائر الماء الأثقل (¹⁸O و²H) مركزة في الطور السائل، بينما تبقى النظائر الأخف (¹⁶O و§67§H) بشكل تفضيلي في طور البخار.

تظهر انتقالات الطور عندما تُظهر الطاقة الديناميكية الحرارية الحرة للنظام سلوكًا غير تحليلي لمجموعة معينة من المتغيرات الديناميكية الحرارية (المراحل المرجعية). تنشأ هذه الظاهرة عادةً من التفاعلات الواسعة بين العديد من الجسيمات داخل النظام وهي غائبة في الأنظمة صغيرة الحجم. علاوة على ذلك، يمكن أن تحدث التحولات الطورية في الأنظمة غير الديناميكية الحرارية حيث لا تكون درجة الحرارة هي المعلمة الحاكمة. تشمل الأمثلة التوضيحية تحولات الطور الكمي، وانتقالات الطور الديناميكي، وانتقالات الطور الطوبولوجي (الهيكلي). في مثل هذه الأنظمة، تكون المعلمات البديلة، مثل احتمالية الاتصال في الشبكات المتسربة، بديلاً عن درجة الحرارة.

تصنيفات التحولات الطورية

تصنيف Ehrenfest

أنشأ بول إهرنفيست نظام تصنيف للانتقالات الطورية، يعتمد على سلوك الطاقة الحرة الديناميكية الحرارية كدالة للمتغيرات الديناميكية الحرارية الأخرى. يشمل تصنيف إهرنفيست كلاً من التحولات الطورية حيث يكون المشتق الأدنى للطاقة الحرة متقطعًا عند نقطة التحول، والتحولات الطورية المستمرة، التي تتميز بتغيير في خاصية ترابط المادة دون أي انقطاع في مشتقات الطاقة الحرة الخاصة بها.

ضمن مخطط تصنيف إهرنفست، يتم تصنيف التحولات الطورية المتقطعة حسب أدنى مشتق للطاقة الحرة التي تظهر انقطاعًا عند نقطة التحول؛ على سبيل المثال، تظهر انتقالات الطور من الدرجة الأولى انقطاعًا في المشتق الأول للطاقة الحرة فيما يتعلق بمتغير ديناميكي حراري محدد. تصنف التحولات الشائعة بين الغاز الصلب والسائل على أنها من الدرجة الأولى لأنها تنطوي على تغير مفاجئ في الكثافة، وهو ما يتوافق مع معكوس المشتق الأول للطاقة الحرة فيما يتعلق بالضغط. انتقالات الطور من الدرجة الثانية تحافظ على الاستمرارية في المشتق الأول (حيث تظل معلمة الترتيب، المعرفة على أنها المشتق الأول للطاقة الحرة فيما يتعلق بالمجال الخارجي، مستمرة عبر الانتقال) ولكنها تظهر انقطاعًا في المشتق الثاني من الطاقة الحرة. تشمل هذه التحولات انتقال الطور المغناطيسي الحديدي في مواد مثل الحديد، حيث تزداد المغنطة - المشتق الأول للطاقة الحرة فيما يتعلق بقوة المجال المغناطيسي المطبقة - باستمرار من الصفر مع انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة كوري؛ في الوقت نفسه، تخضع القابلية المغناطيسية، وهي المشتق الثاني للطاقة الحرة فيما يتعلق بالمجال، لتغيير متقطع.

يسمح مخطط إهرنفيست نظريًا بانتقالات الطور الثالث والرابع والأعلى ترتيبًا؛ ومع ذلك، فإن الملاحظات التجريبية تكشف في الغالب عن التحولات في المرحلة الأولى والثانية فقط. تشمل الاستثناءات الملحوظة انتقال طور Gross-Witten-Wadia في الديناميكا الكمومية الكمومية ثنائية الأبعاد، والتي تم تحديدها على أنها مرحلة انتقالية من الدرجة الثالثة، وتوزيع تريسي-ويدوم، والذي يمكن تفسيره على أنه انتقال من الدرجة الثالثة. تُعتبر نقاط كوري للعديد من المغناطيسيات الحديدية أيضًا تحولات من الدرجة الثالثة، ويتجلى ذلك في التغير المفاجئ في ميل سعتها الحرارية المحددة.

واجه مفهوم انتقال الطور من الدرجة الثانية جدلًا في البداية، حيث بدا أنه يستلزم "صفحتين" من طاقة جيبس ​​الحرة للتذبذب بدقة، وهي حالة اعتبرت غير محتملة إلى حد كونها مستحيلة عمليًا. تناول كورنيليس جورتر هذا النقد من خلال افتراض أن سطح الطاقة الحرة لغيبس قد يحتوي على صفحتين على جانب واحد ولكن ورقة واحدة فقط على الجانب الآخر، مما يؤدي إلى شكل متشعب.

تم تحديد المثال الأولي لانتقال الطور الذي انحرف عن تصنيف إهرنفست من خلال الحل الدقيق لنموذج إيسينج، الذي طوره لارس أونساجر في عام 1944. وقد انحرفت الحرارة المحددة الدقيقة عن تقريبات متوسط المجال السابقة، والتي تنبأت بـ انقطاع مباشر عند درجة الحرارة الحرجة. وعلى العكس من ذلك، أظهرت الحرارة النوعية الدقيقة اختلافًا لوغاريتميًا عند هذه النقطة الحرجة. وبعد ذلك، وعلى مدى عدة عقود، تم استبدال تصنيف إهرنفيست بإطار أكثر بساطة قادر على استيعاب هذه الأنواع من التحولات.

التصنيفات الحديثة

ضمن أطر التصنيف المعاصرة، يتم تصنيف انتقالات الطور إلى نوعين رئيسيين، يحملان تسميات مشابهة لمخطط إهرنفيست:

تتميز انتقالات الطور من الدرجة الأولى بمشاركة الحرارة الكامنة. خلال هذا التحول، يمتص النظام أو يطلق كمية محددة (وعادة كبيرة) من الطاقة لكل وحدة حجم. طوال هذه العملية، تظل درجة حرارة النظام ثابتة على الرغم من استمرار إدخال الحرارة. يشير هذا إلى "نظام مختلط المراحل"، حيث خضعت أجزاء معينة من النظام للمرحلة الانتقالية بينما لم تمر أجزاء أخرى. تشمل الرسوم التوضيحية الشائعة ذوبان الجليد وغليان الماء. على سبيل المثال، لا يتحول الماء على الفور إلى بخار ولكنه يشكل خليطًا مضطربًا من الطور السائل والغازي.

تشير الأبحاث الأولية إلى أن الاضطراب المخمد قد يوسع نطاق درجة الحرارة للانتقال من الدرجة الأولى. على وجه التحديد، بينما يحدث التحول عبر فترة زمنية محددة لدرجة الحرارة، فإن ظواهر مثل التبريد الفائق والسخونة الزائدة تستمر، ويكون التباطؤ واضحًا أثناء التدوير الحراري.

انتقال الطور من الدرجة الثانيةs، والذي يشار إليه أيضًا باسم "انتقالات الطور المستمر"، يتم تعريفه بواسطة قابلية متباينة (تمثل التغيير في خاصية واسعة النطاق بسبب اختلاف خاصية مكثفة)، طول الارتباط اللانهائي، واضمحلال قانون القوة للارتباطات في محيط الحرجية. تتضمن الأمثلة التوضيحية التحول المغناطيسي الحديدي، والانتقال فائق التوصيل، وانتقال السوائل الفائقة. طور ليف لانداو نظرية ظاهرية لوصف التحولات الطورية من الدرجة الثانية.

على عكس اللزوجة، يظهر التمدد الحراري والسعة الحرارية للمواد غير المتبلورة تغييرًا مفاجئًا في درجة حرارة التزجج، وهي خاصية تسهل الاكتشاف الدقيق من خلال قياس سعرات المسح التفاضلي.

يتم تحديد فئة من التحولات على أنها تحولات طورية لا نهائية. تحافظ هذه التحولات على الاستمرارية دون الإخلال بأي تماثلات. يعد انتقال Kosterlitz-Thouless ضمن نموذج XY ثنائي الأبعاد بمثابة توضيح بارز. تندرج العديد من انتقالات الطور الكمي، مثل تلك التي لوحظت في غازات الإلكترون ثنائية الأبعاد، ضمن هذا التصنيف.

بعيدًا عن تحولات الطور الأولية المنفصلة، يمكن للأنظمة أيضًا أن تظهر خطوط انتقال ونقاط متعددة الحرجة عندما تتنوع المعلمات الخارجية، مثل المجال المغناطيسي أو تركيب المواد.

الانتقال من السائل إلى الزجاج

يظهر التحول السائل-الزجاجي في العديد من البوليمرات والسوائل الأخرى القادرة على التبريد الفائق بشكل كبير تحت نقطة انصهار الطور البلوري. وهذه الظاهرة مميزة في عدة جوانب. وهي لا تمثل انتقالًا بين الحالات الأرضية الديناميكية الحرارية، حيث تعتبر الحالة البلورية عمومًا الحالة الأرضية الحقيقية. يشكل الزجاج حالة اضطراب مروي، حيث تتوقف إنتروبيا وكثافته وخصائص أخرى على تاريخه الحراري. وبالتالي، فإن التزجج هو في الأساس عملية ديناميكية، حيث عند تبريد السائل، تنحرف درجات الحرية الداخلية تدريجيًا عن التوازن. في حين أن بعض الأطر النظرية تفترض وجود مرحلة انتقالية أساسية في السيناريو النظري لأوقات الاسترخاء الممتدة بشكل لا نهائي، إلا أنه لا توجد بيانات تجريبية مباشرة تؤكد وجود مثل هذه التحولات.

الخصائص المميزة

تعايش المرحلة

يظهر التحول من الدرجة الأولى، الذي يوسعه الاضطراب، عبر فترة زمنية محددة لدرجة الحرارة حيث تزداد نسبة مرحلة توازن درجة الحرارة المنخفضة من صفر إلى مائة بالمائة مع انخفاض درجة الحرارة. وقد أدى هذا التغيير المستمر في الكسور المتعايشة مع درجة الحرارة إلى ظهور فرضيات مثيرة للاهتمام. عند التبريد، تتزجج بعض السوائل إلى زجاج بدلاً من التحول إلى الطور البلوري المتوازن. تحدث هذه الظاهرة عندما يتجاوز معدل التبريد عتبة حرجة، ويعزى ذلك إلى تباطؤ الحركات الجزيئية إلى درجة تمنع الجزيئات من إعادة التشكيل في مواقع الشبكة البلورية. يحدث هذا التباطؤ عند درجة حرارة تكون الزجاج T_g، والتي يمكن أن تعتمد على الضغط. إذا امتد انتقال التجميد من الدرجة الأولى إلى نطاق من درجات الحرارة، وكان T_g يقع ضمن هذا النطاق، فإنه يمثل احتمالًا مقنعًا بأن يتم إيقاف التحول بينما لا يزال جزئيًا وغير مكتمل. أدى تطبيق هذه المفاهيم على التحولات المغناطيسية من الدرجة الأولى التي تم إيقافها عند درجات حرارة منخفضة إلى ملاحظة التحولات المغناطيسية غير المكتملة، والتي تتميز بالتعايش بين مرحلتين مغناطيسيتين حتى في أدنى درجات الحرارة. تم توثيقه في البداية للانتقال من المغناطيسية الحديدية إلى المغناطيسية المضادة، وقد تم منذ ذلك الحين الإبلاغ عن هذا التعايش الدائم في الطور عبر تحولات مغناطيسية متنوعة من الدرجة الأولى، تشمل مواد المنغنيت ذات المقاومة المغناطيسية الهائلة، والمواد ذات السعرات الحرارية المغناطيسية، ومواد ذاكرة الشكل المغناطيسي، ومواد أخرى. أحد الجوانب البارزة في هذه الملاحظات، حيث يقع T_g ضمن نطاق درجة حرارة التحول، هو أن التحول المغناطيسي من الدرجة الأولى يكون عرضة للمجالات المغناطيسية، مما يعكس كيفية تأثر التحولات الهيكلية بالضغط. تشير البساطة النسبية لمعالجة المجالات المغناطيسية، بدلاً من الضغط، إلى فرصة لإجراء تحقيق شامل في التفاعل بين T_g وT_c. وبالتالي، فإن تعايش الطور الذي لوحظ في التحولات المغناطيسية من الدرجة الأولى يمكن أن يسهل حل الأسئلة التي لم يتم حلها فيما يتعلق بطبيعة النظارات.

النقاط الحرجة

في أي نظام يتكون من مراحل سائلة وغازية، يوجد مزيج محدد من الضغط ودرجة الحرارة، يسمى النقطة الحرجة، حيث يتحول الانتقال بين السائل والغاز إلى انتقال من الدرجة الثانية. بالقرب من النقطة الحرجة، يتم تسخين السائل وضغطه بشكل مناسب بحيث يصبح التمييز بين حالته السائلة والغازية غير قابل للتمييز فعليًا. ترتبط هذه الحالة بالبريق الحرج، وهو تعكر حليبي يُلاحظ في السائل، ناتج عن تقلبات الكثافة عبر جميع الأطوال الموجية الممكنة، بما في ذلك تلك الموجودة ضمن طيف الضوء المرئي.

التماثل

تستلزم التحولات الطورية في كثير من الأحيان عملية كسر التماثل. على سبيل المثال، يؤدي تصلب السائل إلى بنية بلورية إلى تعطيل التماثل الانتقالي المستمر: في حين أن كل نقطة داخل السائل تظهر خصائص متطابقة، فإن هذا التماثل غائب في البلورة، ما لم تتوافق النقاط مع مواقع الشبكة البلورية. بشكل عام، تمتلك مرحلة درجة الحرارة المرتفعة درجة أكبر من التماثل مقارنة بمرحلة درجة الحرارة المنخفضة، وهي ظاهرة تعزى إلى كسر التناظر التلقائي، مع استثناء نادر لتماثلات عرضية محددة، مثل تكوين جسيمات افتراضية ثقيلة في درجة حرارة منخفضة.

معلمات الطلب

تحدد معلمة الطلب مدى الترتيب داخل نظام انتقال الطور، بافتراض قيمة صفر في إحدى الطور (عادة فوق النقطة الحرجة) وقيمة غير صفرية في المرحلة الأخرى. عند النقطة الحرجة، يُلاحظ بشكل عام أن حساسية معلمة الترتيب - التي يتم تعريفها على أنها التغيير في خاصية واسعة النطاق الناتجة عن الاختلاف في خاصية مكثفة - تتباعد.

على سبيل المثال، يعمل صافي المغنطة في نظام مغناطيسي حديدي يمر بمرحلة انتقالية كمعلمة ترتيب. في سياق التحولات السائلة والغازية، يتم تمثيل معلمة الترتيب بفارق الكثافة بين المرحلتين.

من الناحية النظرية، تنشأ معلمات الترتيب من عملية كسر التماثل. عند حدوث كسر التماثل، تصبح المتغيرات الإضافية ضرورية لتوصيف حالة النظام بشكل مناسب. على سبيل المثال، في المرحلة المغناطيسية الحديدية، يجب تحديد صافي المغنطة، حيث يتم تحديد اتجاهها تلقائيًا عندما يتم تبريد النظام تحت نقطة كوري. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أنه يمكن أيضًا صياغة معلمات الترتيب للتحولات التي لا تتضمن كسر التماثل.

يمكن لبعض التحولات الطورية، بما في ذلك ظواهر التوصيل الفائق والمغناطيسية الحديدية، أن تظهر معلمات ترتيب مرتبطة بدرجات متعددة من الحرية. في هذه المراحل، قد تظهر معلمة الترتيب كرقم مركب، أو متجه، أو حتى موتر، مع اقتراب حجمه من الصفر عند نقطة انتقال الطور.

بالإضافة إلى ذلك، توجد أوصاف مزدوجة لانتقالات الطور، مؤطرة من حيث معلمات الاضطراب. تشير هذه المعلمات إلى وجود إثارات خطية، مثل الدوامة أو خطوط العيوب.

أهميتها في علم الكونيات

تعتبر التحولات الطورية التي تكسر التماثل ذات أهمية كونية كبيرة. مع توسع الكون وتبريده، شهد الفراغ سلسلة من التحولات الطورية التي تكسر التناظر. على سبيل المثال، أدى التحول الكهروضعيف إلى تحويل تناظر SU(2)×U(1) للمجال الكهروضعيف إلى تناظر U(1) المميز للمجال الكهرومغناطيسي المعاصر. يعد هذا التحول بالتحديد أمرًا بالغ الأهمية لتوضيح عدم التماثل الملحوظ بين كميات المادة والمادة المضادة في الكون الحالي، كما تفترض نظرية تكوين الباريونات الكهربائية الضعيفة.

تتضمن التحولات الطورية التقدمية داخل الكون المتوسع ظهور النظام الكوني، وهو مفهوم يتجسد في بحث إريك تشيسون وديفيد لايزر.

الأسس الحرجة وفئات العالمية

الأسس الحرجة والفئات العالمية

تمثل التحولات الطورية المستمرة تحديات تحليلية أقل من التحولات من الدرجة الأولى، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى غياب الحرارة الكامنة، وقد وجد أنها تمتلك العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام. تُسمى الظواهر المرتبطة بتحولات الطور المستمر بالظواهر الحرجة، نظرًا لارتباطها الجوهري بالنقاط الحرجة.

يمكن قياس التحولات الطورية المستمرة كميًا من خلال معلمات يشار إليها بالأسس الحرجة. ولعل أهمها هو الأس الذي يصف اختلاف طول الارتباط الحراري مع اقتراب التحول. على سبيل المثال، بالنظر إلى سلوك السعة الحرارية في محيط مثل هذا التحول، إذا قمنا بتغيير درجة حرارة النظام T مع الحفاظ على ثبات جميع المتغيرات الديناميكية الحرارية الأخرى، فإننا نلاحظ أن التحول يحدث عند درجة حرارة حرجة محددة T_c. عندما تكون T قريبة من T_c، فإن السعة الحرارية C تظهر عادةً اعتماداً على قانون القوى.

${\displaystyle C\propto |T_{\text{c}}-T|^{-\alpha }.}$

تُظهر المواد غير المتبلورة هذا السلوك المميز للسعة الحرارية بالقرب من درجة حرارة التزجج، حيث يتم تحديد الأس الحرج العالمي α على 0.59. لوحظت ظاهرة مماثلة، تتضمن الأس ν بدلاً من α، بالنسبة لطول الارتباط.

لا تحتفظ الأسس الحرجة دائمًا بقيم متطابقة سواء فوق أو تحت درجة الحرارة الحرجة. عندما يتم اختزال التماثل المستمر بشكل صريح إلى تماثل منفصل من خلال تباين الخواص الذي يعتبر غير ذي صلة في إطار مجموعة إعادة التطبيع، فإن بعض الأسس، مثل ${\displaystyle \gamma }$، الذي يمثل أس القابلية للتأثر، يختلف عن الهوية.

عندما 15§ {\displaystyle \alpha <-1} ، تحافظ السعة الحرارية على قابلية التفاضل عند درجة الحرارة الانتقالية؛ ومع ذلك، تظهر الانقطاعات في مشتقاتها ذات الترتيب الأعلى.

في الحالات التي 10§ ≥ α <مو>< §1920§ {\displaystyle -1\leq \alpha <0} ، تُظهر السعة الحرارية "التواء" مميزًا عند درجة الحرارة الانتقالية. لوحظت هذه الخاصية في الهيليوم السائل أثناء انتقال لامدا من الحالة الطبيعية إلى حالة السوائل الفائقة، حيث أسفرت القياسات التجريبية عن α = −0.013 ± 0.003. وللتخفيف من فروق الضغط داخل العينة، أجريت تجربة واحدة على الأقل في ظل ظروف انعدام الجاذبية على متن قمر صناعي يدور حوله. تتوافق هذه القيمة المشتقة تجريبيًا لـ α مع التوقعات النظرية المستمدة من نظرية الاضطراب المتغير.

عندما تكون 0 < α < 1، تتباعد السعة الحرارية عند درجة حرارة التحول؛ ومع ذلك، يظل المحتوى الحراري محدودًا لأن α < 1. أحد الأمثلة البارزة على هذه الظاهرة هو انتقال المرحلة المغناطيسية ثلاثية الأبعاد. بالنسبة لنموذج Ising ثلاثي الأبعاد المطبق على المغناطيسات أحادية المحور، فقد حددت التحقيقات النظرية الشاملة الأس α بحوالي +0.110.

تختلف بعض أنظمة النماذج عن سلوك قانون القوى. على سبيل المثال، تتنبأ نظرية المجال المتوسط ​​بوجود انقطاع محدود في السعة الحرارية عند درجة الحرارة الانتقالية، في حين يوضح نموذج إيسينج ثنائي الأبعاد وجود اختلاف لوغاريتمي. ومع ذلك، فإن هذه الحالات تمثل حالات مقيدة وتشكل استثناءات للمبدأ العام. عادةً ما تُظهر انتقالات الطور التجريبي سلوك قانون القوى.

تم إنشاء الأسس الحرجة الإضافية، على وجه التحديد β، γ، δ، ν، وη، لتوصيف سلوك قانون القوى للخصائص الفيزيائية القابلة للقياس الكمي في المنطقة المجاورة لمرحلة انتقالية. وتترابط هذه الأسس من خلال علاقات قياس مختلفة، بما في ذلك:

27§ ) <مو>، ν <مو>= γ <مو>/ ( §48 {\displaystyle \beta =\gamma /(\delta -1),\quad \nu =\gamma /(2-\eta ).}

من الواضح أن هناك أساسين فقط مستقلين؛ على سبيل المثال، ν وη.

من الملاحظات الجديرة بالذكر أن التحولات الطورية التي تحدث عبر أنظمة متنوعة تظهر في كثير من الأحيان مجموعة متطابقة من الأسس الحرجة. وتسمى هذه الظاهرة العالمية. على سبيل المثال، تم تحديد الأسس الحرجة عند النقطة الحرجة للغاز السائل على أنها لا تتأثر بالتركيب الكيميائي للسائل.

تتوافق الأسس الحرجة التي لوحظت في هذه الأنظمة بدقة مع تحولات الطور المغناطيسي الحديدي في المغناطيس أحادي المحور، وهو تطابق ملحوظ ولكنه قابل للتفسير. يتم تصنيف الأنظمة التي تعرض مثل هذه الأسس الحرجة المتطابقة ضمن نفس فئة العالمية. العالمية، وهي مبدأ أساسي لنظرية مجموعة إعادة التطبيع لانتقالات الطور، تفترض أن الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام بالقرب من مرحلة انتقالية يتم تحديدها من خلال مجموعة محدودة من السمات العيانية، بما في ذلك الأبعاد والتماثل، بدلاً من تركيبها المجهري المحدد. ويظل الاختلاف في طول الارتباط جانبًا محوريًا في هذا السياق.

الظواهر الحرجة

بعيدًا عن الوظائف الثابتة، تتضمن الظواهر الحرجة الأخرى الديناميكيات الحرجة. وبالتالي، يمكن أن تظهر التحولات الطورية إما على شكل تباطؤ خطير أو تسريع. قبل المرحلة الانتقالية، لوحظت أيضًا تقلبات معززة، ناجمة عن انخفاض استقرار المرحلة الأولية للنظام. تنقسم فئات العالمية الثابتة الواسعة المرتبطة بانتقالات الطور المستمر إلى فئات عالمية ديناميكية أكثر تحديدًا. علاوة على ذلك، لا توجد علاقات عالمية للأسس الحرجة فحسب، بل أيضًا لوظائف ثابتة أو ديناميكية محددة تتعلق بالمجالات المغناطيسية وانحرافات درجة الحرارة عن النقطة الحرجة.

المنهجيات التجريبية

يتم استخدام منهجيات متنوعة للتحقيق في هذه الظواهر. تتضمن الأمثلة التوضيحية ما يلي:

• تأثير هول (يستخدم لقياس التحولات المغناطيسية)
• منظار موسباور الطيفي (يتيح القياس المتزامن لكل من التحولات المغناطيسية وغير المغناطيسية، مع حد تشغيلي يبلغ حوالي 800-1000 درجة مئوية)
• حيود النيوترونات
• الارتباط الزاوي المضطرب (يسهل القياس المتزامن للتحولات المغناطيسية وغير المغناطيسية، دون قيود درجة الحرارة المتأصلة. وقد أجريت تجارب فوق 2000 درجة مئوية، مع إمكانية التطبيق النظري تمتد إلى أعلى المواد البلورية نقطة انصهار، مثل كربيد التنتالوم الهافنيوم عند 4215 درجة مئوية.)
• مطياف رامان
• SQUID (جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل) (يستخدم لقياس التحولات المغناطيسية)
• قياس الوزن الحراري (تقنية معتمدة على نطاق واسع)
• حيود الأشعة السينية

التطبيقات في الأنظمة الأخرى

انتقالات المرحلة البيولوجية

تعد التحولات الطورية جزءًا لا يتجزأ من العديد من العمليات البيولوجية. تشمل الأمثلة التوضيحية تكوين الطبقات الدهنية الثنائية، والانتقال بين الكريات اللولبية الحاسم لطي البروتين وتمسخ الحمض النووي، والتحولات الشبيهة بالبلور السائل أثناء تكثيف الحمض النووي، والارتباط التعاوني بالحمض النووي والبروتينات التي تظهر خصائص انتقال الطور، والتغيرات في التعبير الجيني عند ظهور حقيقيات النوى، والتي تتميز بانتقال طور خوارزمي.

داخل الأغشية البيولوجية، المرحلة البلورية من هلام إلى سائل التحولات حاسمة بالنسبة للوظيفة الفسيولوجية للغشاء الحيوي. في مرحلة الجل، تعمل السيولة المحدودة لسلاسل الأسيل الدهنية الدهنية الغشائية على تقييد حركة بروتينات الغشاء، مما يعيق أدوارها الفسيولوجية. تعتمد النباتات بشكل كبير على عملية التمثيل الضوئي، والتي تحدث في أغشية الثايلاكويد من البلاستيدات الخضراء التي غالبًا ما تتعرض للظروف البيئية الباردة. تحافظ أغشية الثايلاكويد على السيولة الكامنة حتى في درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا بسبب اضطراب الأسيل الدهني الكبير الذي يسهله محتواها العالي من حمض اللينولينيك - وهي سلسلة مكونة من 18 كربون تمتلك ثلاث روابط مزدوجة. يمكن التحقق من درجة حرارة انتقال الطور البلوري من الجل إلى السائل للأغشية البيولوجية باستخدام تقنيات مختلفة، مثل قياس السعرات الحرارية، والتحليل الطيفي الفلوري، والرنين المغنطيسي الإلكتروني المغزلي، والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، عن طريق قياس المعلمات ذات الصلة بشكل منهجي عبر مجموعة من درجات حرارة العينة. تم أيضًا اقتراح طريقة مباشرة لهذا التحديد، استنادًا إلى شدة خط الرنين المغناطيسي النووي 13-C.

من المفترض أن تعمل بعض الأنظمة البيولوجية بالقرب من النقاط الحرجة. تشمل الأمثلة التوضيحية الشبكات العصبية داخل شبكية عين السمندل، وسلوكيات قطيع الطيور، وشبكات التعبير الجيني في ذبابة الفاكهة، وعمليات طي البروتين. ومع ذلك، فإن المدى الذي قد تصل إليه التفسيرات البديلة في تفسير الظواهر التي غالبًا ما يُستشهد بها كدليل على الأهمية الحرجة يظل غير مؤكد. علاوة على ذلك، من المفترض أن تظهر الكائنات البيولوجية خاصيتين أساسيتين للتحولات الطورية: التغيرات في السلوك العياني والتماسك النظامي عند منعطف حرج. تمثل التحولات الطورية سمة بارزة للسلوك الحركي في الأنظمة البيولوجية. على سبيل المثال، تُظهِر انتقالات المشية التلقائية وفك الارتباط بين المهام الحركية الناجم عن الإرهاق سلوكًا نقديًا مميزًا، مما يشير إلى تحول نوعي مفاجئ من نمط سلوكي حركي كان مستقرًا سابقًا.

ومن السمات المميزة لانتقالات الطور من الدرجة الثانية ظهور الفركتلات ضمن خصائص معينة خالية من المقاييس. لقد ثبت منذ فترة طويلة أن كريات البروتين تستمد شكلها من التفاعلات مع الماء. تُظهر الأحماض الأمينية العشرين التي تشتمل على المجموعات الجانبية لسلاسل الببتيد البروتينية طيفًا يتراوح من محبة للماء إلى كارهة للماء، مما يؤدي إلى بقاء البقايا المحبة للماء بالقرب من السطح الكروي والبقايا الكارهة للماء للانجذاب نحو النواة الكروية. كشفت التحقيقات عن عشرين فركتلًا متميزًا داخل المساحات السطحية التي يمكن الوصول إليها بالمذيبات لأكثر من 5000 قطعة بروتين. يوفر وجود هذه الفركتلات دليلاً على أن البروتينات تعمل بالقرب من النقاط الحرجة لانتقالات المرحلة الثانية.

في مجموعات الكائنات الحية المجهدة، خاصة عند الاقتراب من التحولات الحرجة، هناك ظاهرة يمكن ملاحظتها وهي الزيادة المتزامنة في كل من الارتباطات والتقلبات. وتؤكد العديد من التجارب والملاحظات عبر مجموعات متنوعة، بما في ذلك البشر والفئران والأشجار والنباتات العشبية، هذا التأثير.

انتقالات المرحلة داخل الأنظمة الاجتماعية

تم افتراض حدوث التحولات الطورية ضمن الأنظمة الاجتماعية التي تم تصورها على أنها أنظمة ديناميكية. على وجه التحديد، تفترض فرضية تم طرحها خلال التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين فيما يتعلق بالسلام والصراع المسلح أن تحويل الصراع غير العنيف إلى صراع مسلح يشكل مرحلة انتقالية من حالة كامنة إلى حالة واضحة داخل النظام الديناميكي.

المراجع

المراجع

أندرسون، P.W.، المفاهيم الأساسية لفيزياء المواد المكثفة، دار نشر بيرسيوس (1997).

• أندرسون، بي دبليو، المفاهيم الأساسية لفيزياء المواد المكثفة، دار نشر بيرسيوس (1997).
• فاغري، أ.، وتشانغ، ي.، أساسيات نقل الحرارة والتدفق متعدد المراحل، Springer Nature Switzerland AG، 2020.
• فيشر، إم إي (1974). "مجموعة إعادة التطبيع في نظرية السلوك النقدي". <ط> القس. وزارة الدفاع. فيز. 46 (4): 597–616. بيب كود:1974RvMP...46..597F. دوى:10.1103/revmodphys.46.597.إيفانسيفيتش، فلاديمير جي؛ إيفانسيفيتش، تيجانا تي (2008)، الفوضى، التحولات الطورية، تغيير الطوبولوجيا وتكاملات المسار، برلين: سبرينغر، ISBN 978-3-540-79356-49971-5-0210-0
• كلينرت، هاغن؛ فيرينا شولت فروهليند (2001). الخصائص الحرجة لـ φ⁴-نظريات. العلمية العالمية. رقم ISBN 981-02-4659-5.
• Kogut, J.; ويلسون، ك (1974). “مجموعة إعادة التطبيع وتوسعة إبسيلون”. <ط> فيز. مندوب. 12 (2): 75–199. بيب كود:1974PhR....12...75W. دوى:10.1016/0370-1573(74)90023-4.

  الوسائط المتعلقة بتغيرات المرحلة في ويكيميديا كومنز

  • انتقالات الطور التفاعلية على الشبكات، والتي تتضمن تطبيقات Java الصغيرة.
  • فئات العالمية، مصدرها Sklogwiki.