О возможности наблюдения когерентного состояния в жидкостях по деполяризованной компоненте молекулярного рассеяния света

Национальный университет имени Мирзо Улугбека

О возможности наблюдения когерентного состояния в жидкостях по деполяризованной компоненте молекулярного рассеяния света

Айвазова А.А., Хабибуллаев П.К.,

Отажонов Ш.О., Эшчанов Б., Исаматов А.С.

Одной из центральных задач физики является определение структуры вещества. Если газообразное состояние вещества рассматривается как хаотическое распределение частиц, кристаллическое состояние как состояние, характеризующееся трансляционной симметрией, то структуры жидкого состояния в общем неизвестна. Есть довольно много предложений, с помощью которых пытаются определить структуру жидкости, а именно, с помощью координационных чисел, путём введения функций распределения. Кроме того введены представления, характеризующие отдельные классы жидкостей - водородные связи, комплексные соединения и т.д. [1].

В настоящее время в теоретическом плане жидкость может описываться в основном статистически. Знание же молекулярной структуры жидкости весьма существенно особенно в связи с развитием нанотехнологий. Дело в том, что при тиражировании наноструктур большие надежды возлагаются на стеклообразное состояние вещества. Если будет развита молекулярная теория стеклообразного состояния, то это позволит разрабатывать разнообразные модели для информационного поведения многоатомных систем. Но стекло это застывшая жидкость. И если будет развита молекулярная теория жидкого состояния, то можно будет создавать различные модели стёкол.

Определить структуру вещества можно однозначно, зная потенциал взаимодействия частиц вещества. Потенциал взаимодействия определяет и все макроскопические параметры вещества. Однако потенциал взаимодействия в эксперименте определить нельзя. Потенциал взаимодействия формирует определенные структуры, которые проявляются в экспериментах по рассеянию нейтронов, рентгеновских лучей, света.

В своей работе мы, используя метод молекулярного рассеяния света в жидкостях, а именно, изучая в широком спектральном и температурном интервале деполяризованную компоненту молекулярного рассеяния света (ДКМРС), по температурным изменениям формы полосы ДКМРС моделируем характер теплового движения молекул жидкости, оцениваем вклад в ближнюю часть полосы (0-50см^-1) от вибрационного движения молекул и вращения (в модели заторможенного вращения).

Все наши экспериментальные данные и литературные говорят о том, что центральная часть полосы ДКМРС в жидкостях в области от 0 до - 50-60 см^-1представляет из себя суперпозицию двух дисперсионных контуров. Известно, что полоса ДКМРС в жидкостях простирается до 200 см^-1 и более.

Причём вклад в интенсивность на далёких участках крыла не подчиняется дисперсионному закону для всех жидкостей. Известно, что дисперсионный контур при больших отстройках от центра спадает как ω^-2. Отсюда в частности следует, что у спектра не существует второго момента. Следовательно, в реальных физических системах должен существовать механизм, обрезающий крыло дисперсионного контура.

Для объяснения механизма "обрезания" мы воспользовались идеей Фишера [2] о том, что дальние крылья молекулярного рассеяния света в любой поляризации в жидкостях несут на себе информацию о начальном бесстолкновительном этапе временной эволюции рассеивающей системы. Дело в том, что наблюдаемой величиной в наших экспериментах является интенсивность рассеянного света, которая получается как результат усреднения по макроскопическому числу квантовых систем (флуктуаций). Каждая флуктуация включает в себя порядка 10⁶ частиц - ансамбль частиц. Для описания ансамбля частиц вводится матрица плотности ρ_nm. ρ_nm отлично от нуля в тех случаях, когда между фазами разных частиц в ансамбле существует корреляция, то есть имеется когерентность. Корреляция со временем разрушается и следствием этого является дефазировка. Релаксация недиагонального элемента не связана с диссипативными процессами, но фазовая корреляция между частицами ансамбля нарушается.

В реальном физическом эксперименте причина дефазировки может быть связана с постоянным воздействием на ансамбль частиц возмущающего действия теплового поля исследуемого вещества.

молекулярное рассеяние свет жидкость

Молекулярное рассеяние связано с флуктуациями. Время жизни флуктуации в жидкостях порядка 10^-12 с. По истечении этого времени в модели Френкеля происходит переход из одной потенциальной ямы в другую. Ясно, что этот переход совершается при изменении конфигурации поля, в котором находится эта флуктуация, то есть изменяется структура ближнего порядка. Этот процесс можно рассматривать как своеобразный фазовый переход 2 ^го рода. При таких переходах свободная энергия не меняется, а происходит изменение энтропии. При таком рассмотрении переход из одного конфигурационного поля в другое ансамбля из ~ 10⁶ молекул происходит в когерентном состоянии, а затем реализуется равномерность распределения фаз (дефазировка) отдельных молекул.

Вопрос в том, как из 10⁶ молекул, составляющих флуктуацию, может образоваться когерентный ансамбль? Флуктуация - это неравновесное состояние. Раз есть неравновесность, то соответственно можно говорить о неустойчивости. "А неустойчивость - это фактор, направляющий глобальную эволюцию системы" [3,4]. В состоянии далёком от равновесия для перехода в равновесное состояние система может пройти через несколько зон неустойчивости, причём эти состояния когерентны.

Итак, переход флуктуации из одного состояния в другое происходит в когерентном состоянии, а дальше должна быть равномерность распределения фаз отдельных молекул. Действительно поле, в котором находится молекула в жидкости, есть функция времени Е (t). Так как ∆Е/Е<<1, то флуктуации этого поля не могут привести к флуктуациям ориентации, что даёт дисперсионный контур, а могут лишь покачивать молекулы, что приводит к флуктуациям фазы отдельных молекул в ансамбле. Отсюда следует уравнение Фоккера - Планка для флуктуации распределения f (t), определяющее вероятность реализации значения в момент t:

 (1)

Где К - скорость затухания, D-мера мощности случайной силы. Для предельных случаев решение этого уравнения, когда Kt <<1, получаемый преобразованием Фурье контур имеет Гауссову форму [5]

(ω) = ехр [-] (2)

Наши эксперименты на большом количестве жидкостей (бензол и его производные) показали, что спад интенсивности в крыльях ДКМР подчиняется (2). Причём для всех исследованных нами жидкостей время релаксации близко и составляет порядок 10^-13с.

Литература

1. Мартынов Г.А. - "Структура жидкости - что это такое?" ЖСХ 43, №3, 20002

. Фишер М.З. - "О законе убывания интенсивности в дальних крыльях молекулярного рассеяния света" ЖЭТФ 81, №2, 1981

. Пригожин И., Стенгерс И. - "Время, хаос, квант" М. 1994

. Николс Г., Пригожин И. - "Познание сложного" М., "Мир", 1990

. Стенхольм С. - "Основы лазерной спектроскопии" М., "Мир", 1987