固体相变(phase transition of solid)是指在一定的
温度、
压强(有时也在一定的
电场或
磁场)作用下,
固体由一个相到另一个相的转变。固体可因某个
物理量的不同而处于不同的相,也可由于原子排列方式即
晶体结构的不同而处于不同的相。前者如
超导体的正常相与超导相。后者如
冰 在
常压下可有三种不同的
晶体结构,因而有三个不同的相:在0—-80℃时,
分子以六角形形式
排列,称为Ih相;在-80—-130℃左右,
水蒸气 可在
基板上形成分子以
立方体形式排列的
结构,称为Ic相;当基板温度下降至-140℃时,水蒸气在其上形成分子排列杂乱的非晶相。在
高压下,冰可以有更多的相。由几种不同化学组分构成的固体(如
合金),可因结构的不同而具有许多相。如由
锌(Zn)、及
铜(Cu)构成的黄铜合金,当Zn原子百分比小于38%时,
原子按面心立方体形式排列,称α相;当Zn原子百分比达50%左右时,原子按体心立方体形式排列,称β相;当Zn原子百分比分别是62%及75%时,原子分别以复杂立方体及六角形排列,分别称为γ相及ε相。
过渡元素原子因其电子内壳层未满而具有一定的
原子(
离子)
磁矩。由于原子(离子)间的
量子相互作用,常使它们的原子(离子)磁矩方向排列一致,使固体呈现
宏观的
自发磁化强度,即处于铁磁相。
温度上升时,原子(离子)磁矩的方向受到
热扰动,自发磁化强度减小。温度上升至某定值时,热扰动可使原子(离子)磁矩的方向变得杂乱无章,固体的宏观自发磁化强度变为零,这一磁性状态称为顺磁相。相变是可逆的,原来处于顺磁相的
铁磁体,温度下降至某一定值时转变成铁磁相。
相变温度常称为
居里温度。顺磁–铁磁相变前后晶格结构基本上不发生变化。
处于正常相的
超导体与一般的金属相同,体内的
自由电子在外电场驱动下运动时,常与晶格热振动
相互作用形成
阻力,因而存在有
电阻。温度降至某一定值后,超导体中
自旋相反和
动量相等的二个
电子可通过
晶格热振动的媒介作用结合成
库珀电子对。它们在外电场作用下运动时不再受到晶格热振动的阻力,使电阻趋近于零,即转变成超导相。超导相变时的
相变温度称为
临界温度。外磁场对超导相变有很大的影响。温度低于临界温度时,物体应处于超导相,但若对它施加外磁场,当外磁场的
磁场强度增大到某一定值Hc时,可使超导相转变成正常相。常称Hc为临界
磁场强度。
由
正负离子组成的固体,通常情况下周围的负(正)离子的分布都是
对称的,总的
电偶极矩为零,不存在宏观的
自发极化强度,相应于顺电相。温度降低至某一定值时,固体中正(或负)离子会发生稍微的
位移,使它们周围异性离子的
分布不再
对称,产生
电偶极矩,在宏观上出现自发极化强度,相应于铁电相。原子间化学价键中的电子
位置的偏移也可引起电偶极矩。较高温度下
电子位置偏移的方向杂乱无章,由此引起的电偶极矩的方向也杂乱无章,结果它们相互抵消,不形成宏观的自发极化强度。温度下降至某一定值时电子位置偏移变得有一定次序,形成
宏观的自发极化强度,使固体由顺电相转变成铁电相。对于前者相变的
铁电体常称为位移型铁电体,对于后者相变的铁电体常称为无序–有序型铁电体。在顺电–铁电相变中,某些铁电体的晶格结构发生变化。铁电体的
相变温度又称
居里温度。
此相变中除温度、压强外,
合金的化学组分是一个重要的
参量。不同的
合金相相应于不同的晶格结构。在一定的温度及压强下,合金的化学组分不同,合金可有不同的
晶体结构,亦即有不同的相。在一定的化学组分下,合金可随着温度或压强的变化,由一个相(相应某一晶格结构)转变成另一个相(相应另一种晶格结构)。
相变前后
物体的许多
物理性质会发生突变,据此常把相变分成好多类,但最常见的是
一级相变与
二级相变(见
相和相变)。一级相变时,物体的广延量(与
粒子数成正比的物理量,如
内能、
熵、
体积等)在相变前后发生突变。它的最显著特征是相变前后伴有
放热或
吸热(
潜热)。二级相变时物体的广延量不发生突变,但它们对温度或压强的
导数在相变前后发生突变,如
比热、
热膨胀系数、
压缩系数等会发生突变。二级相变时不伴随有潜热。
固体相变中的顺磁–铁磁相变属二级相变,没有潜热发生。没有外磁场存在时的超导相变亦为二级相变,但外磁场下的超导相变属一级相变。对于顺电–铁电相变,部分属一级
相变,部分属二级相变。常见的位移型铁电体BaTiO3的相变属一级相变,而无序–有序型铁电体KH2PO4的相变属二级相变。