臨界乳白色

物理学では、臨界乳光とは、連続的または二次的な相転移の領域で光の散乱が劇的に増加することを意味します。臨界点の近くでは、液体と気体の相の特性が区別できなくなります。結果として生じる密度の変動は非常に大きいため、可視光を散乱させ、物質が曇った、または乳白色に見えます。この現象は、流体の臨界現象の指標であり、適切な条件下ではさまざまな材料で観察できます。

もともとは1823年にフランスの物理学者 シャルル・カニャール・ド・ラ・トゥールがアルコールと水の混合物で報告したもので、その重要性は1869年にアイルランドの化学者トーマス・アンドリュースが二酸化炭素の液体から気体への遷移に関する実験の後に認識され、それ以来多くの他の例が発見されています。1908年にポーランドの物理学者マリアン・スモルホフスキーは、臨界乳光現象が大きな密度変動に起因すると初めて主張しました。1910年にアルバート・アインシュタインは、臨界乳光とレイリー散乱の関係が定量的であることを示しました。^[1]

この現象は、メタノールやシクロヘキサンなどの二成分流体混合物で最もよく見られます。臨界点に近づくにつれて、ガスと液体の領域のサイズが、ますます大きな長さスケールで変動し始めます (液体の相関長が発散します)。密度の変動が光の波長に匹敵するサイズになると、光が散乱し、通常は透明な液体が濁って見えます。注目すべきことに、臨界点に近づいても乳白色の輝きは減少せず、最大の変動はセンチメートルの大きさにさえ達することがあり、より小さな変動の物理的関連性を裏付けています。

臨界点に反対方向から近づくと、液体から気体への転移の場合、気相にはミストやスプレーとして液滴が含まれ、気相の沸騰液相の泡は泡になります。臨界点から遠いと、重力によって液滴と気泡は界面に向かって急速に沈降し、表面張力によって液滴と泡は急速に大きなものに融合してさらに速く沈降します。しかし、臨界点に近づくと、液体と蒸気の密度差が小さくなり、表面張力も小さくなります。これらの効果によって液滴と泡の沈降と融合が遅くなり、沸騰した液体はますます沈降しにくくなり、界面の周囲に微細なミストと泡が形成されます。

液体-液体臨界点の場合、溶解度が制限された液体は、臨界点から離れた非混和側で界面に容易に沈降するエマルジョンとして再び沈殿します。臨界点に近づくにつれて、界面の表面張力とともに密度差が減少するため、沈殿はますます細かくなり、エマルジョンが沈降しにくくなります。

液体-気体臨界点は、一部の極低温ガスを除くすべての物質で 30 bar を超える圧力で発生するため、それを実証するには 30 bar 以上でも安全な透明容器が必要です。一方、多くのシステムの液体-液体臨界点は、常圧と適度な温度で実証できます。

強磁性体はキュリー点付近で磁区が大きく変動します。中性子散乱は原子の磁気モーメントの影響を受けるため、臨界乳白色が発生します。具体的には、強磁性体に中性子ビームを照射すると、キュリー点に近づくにつれて中性子に対して不透明になるかのように中性子が散乱し始めます。^[2]

• 二成分混合物における臨界乳白色のタイムラプスビデオ
• アインシュタインの日光と臨界乳白光に関する研究の記述と参考文献

臨界乳白色現象のより詳細な実験的実証については、

• https://web.archive.org/web/20071121073241/http://www.physicsofmatter.com/NotTheBook/CriticalOpal/説明.html
• https://web.archive.org/web/20041119135015/http://www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/solid-solutions/demo.php