无序体系 百科内容来自于: 百度百科

无序体系指的是原子、分子偏离周期性排列的体系。物质结构的有序和无序是一个很广泛、很基本的概念。常见物质的固、液、气三态的转变,就是构成它的原子、分子空间排列的有序-无序的变化。在气态,分子的空间位置完全是无规则的,可以在空间自由运动,这是一种高度无序的状态。

短程序

晶态物质的原子、分子在空间的排列是周期性的,整个晶体可以看作是一个小单位──元胞的周期性重复。这样一种原子、分子在整个空间(或者至少是在一个宏观的范围内)的有规则的排列称作空间排列的长程序。原子、分子偏离其平衡位置的微小热振动,只是微弱地破坏了这种长程有序的状态。随着温度逐渐升高,原子的无规热运动越来越激烈,到一定程度,原子、分子这种长程有序的排列状态被破坏,晶体熔化成液体。
在液体和非晶态固体中,从一个宠观的范围来看,原子、分子的有规则周期排列不再存在,但和气体一样,在每个局部,在几个或十几个原子间距的范围内,却常常还有一定程度的规则排列;例如,每个原子的近邻配位数、近邻原子间的相对位置以及形貌、组分等。这种在小区域内存在的一定程度规则性,称为短程序。

有缺陷的有序

早在1922年A.A.列别捷夫就已预言:非晶态材料的原子排列不可能是绝对混乱的。在凝聚态中的无序并不是单纯的“混乱”,而是破坏了有序体系的某些对称性,形成的一种有缺陷的、不完整的有序。具有短程序是液态和非晶态固体的基本特征之一。大量实验结果都已证实了上述论断的正确性。从衍射 (X射线、电子、中子)实验看,非晶态固体和液体的干涉函数 I( q)很相似,都具有明显的几个峰(图1),只是前者的第一个峰更强,表明两者的原子排列都具有短程序,而非晶态固体的短程序比液态更强。

体系分类

非晶固体中存在有不同类型的形貌短程序(微晶型短程序和混乱网络型短程序)以及化学组元短程序。例如在非晶态纯金属中,有四面体特征的形貌短程序,在非晶态锗和硅中,有四面体配位短程序。对应于不同类型的短程序,凝聚态物质具有各种不同形式的无序体系。
① 液态无序。存在于液体中,其结构细节至今尚不清楚(见液态金属)。
② 成分无序。完整晶体中某种原子A(如Ag),被另一种原子B(如Au)无规地替代(图2),又称替代式无序,这是在二元固溶体合金中常见的一种无序现象。
③ 位置无序。近邻原子间的几何排列呈无规分布,许多非晶态金属和合金就属此类(图3)。
④ 形貌无序(或称拓扑无序)。点阵的形貌发生改变,使最近邻原子间的配位数和键角、键长成无序状态(图4), 这是在非晶态锗和硅中常见的现象。

空间自由度

但是,组成物质的原子、分子,除去其质心的坐标外,还可能有其他的自由度──它们的分子取向、内禀自由度(如自旋取向)等等,所以除去前述的原子、分子的空间排列(严格说应是它们的质心的空间排列)的有序性之外,还有其他的有序性问题。例如,分子晶体在极低温下,其分子的空间排列和取向都形成有规则的周期排列;但很多分子晶体在低于熔点的某个特定温度下,它的分子取向会变得混乱。在这个分子晶体的新相中,分子质心位置的排列还是长程有序的,但其分子取向却成无序了。与此相反,某些液晶却呈现另一种情况;一个向列型液晶的分子质心位置和液体相似,是长程无序的;但它的分子取向却明显地保留着长程有序的特征,基本上取相同的方向。
铁磁性反铁磁性和亚铁磁性(见铁氧体)这类内禀自由度的有序性的另一种实例是:在居里点以下的铁磁体,它的原子空间排列和自旋取向都是长程有序的,在居里点以上,自旋取向的长程有序性被破坏了,但其原子空间排列的长程有序性还保留着。
此外,还有许多体系的有序是在一个低于三维空间中的,如正则型液晶分子相在二维平面区域内,分子排列具有周期性,但在第三个方向上就没有周期性。某些吸附在晶体表面上的原子、分子,在低温下会排列成有规则的二维点阵;在升高温度时,同样会呈现类似于液态的二维无序排列。低维体系和准低维体系的有序和无序是一个很重要的问题(见一维和二维固体)。

研究意义

从一定意义上说,物质结构的有序和无序是和它的状态的混乱程度相联系的,结构越无序,它的就越大,熵的增加也就是无序程度的增加。物质发生的各种相变,在一定意义上也就是它的有序程度的转变或者有序到无序的转变。因此,对无序体系的研究是非常重要的,20世纪60~70年代已获得很大的进展,但还是很初步的。在过去一个多世纪中,固体物理(或凝聚态物理)比较集中研究了物质结构中高度有序的晶态固体,发展了许多适用于这种长程有序的体系的概念和方法。另一方面,气体分子运动论和统计力学的发展又使人们对一个最无序的体系──气态有了比较深入的认识,发展了不少适用于这个体系的概念和方法。但是当人们进一步深入研究各种不同程度的无序体系时,就发现有许多需要解决的原则性或概念性的新问题。例如,晶体中任一体系的运动形式都可归结成在周期性点阵中传播的一支布洛赫波(见固体的能带)、自旋波等等,它们都是一些扩展态,都可以引入波长和频率。但在无序体系中的状态,是一些局域态(见非晶态半导体)。目前,像固体表面、界面低维导体、各种新型复合材料、非晶态固体等这样一些和有序(无序)体系密切相关的新兴领域,已逐渐成为固体物理研究的重要前沿,可以预期对无序体系的深入研究,必将使人们对物质状态的认识达到新的高度,有力地推进固体物理学的进一步发展。

参考书目

J.M.Ziman, мodels of Disorder, Cambridge Univ.Press,Cambridge,1979.
P.W.Anderson,Phys.Rev.,Vol.109,p.1492,1958.
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