相あい転移てんい

それぞれの相そうと相あい転移てんいの名前なまえ。

相あい転移てんい（そうてんい、英語えいご: phase transition）とは、ある系けいの相そう（phase）が別べつの相そうへ変かわることを指さす。しばしば相あい変態へんたい（そうへんたい、英語えいご: phase transformation）とも呼よばれる。熱ねつ力学りきがくまたは統計とうけい力学りきがくにおいて、相そうはある特徴とくちょうを持もった系けいの安定あんていな状態じょうたいの集合しゅうごうとして定義ていぎされる。一般いっぱんには物質ぶっしつの状態じょうたい（固体こたい、液体えきたい、気体きたい）の相互そうご変化へんかとして理解りかいされるが、同相どうしょうの物質ぶっしつ中ちゅうの物性ぶっせい変化へんか（結晶けっしょう構造こうぞうや密度みつど、磁性じせいなど）や基底きてい状態じょうたいの変化へんかに対たいしても用もちいられる。相あい転移てんいに現あらわれる現象げんしょうも単たんに「相あい転移てんい」と呼よぶことがある。

「物質ぶっしつの状態じょうたい」も参照さんしょう

概要がいよう

何なにを持もって「相そう」と定義ていぎするかは分野ぶんやによって異ことなる。例たとえば平衡へいこう熱ねつ力学りきがくの範疇はんちゅうでは、準じゅん安定あんてい状態じょうたいを熱ねつ力学りきがく的てき状態じょうたいとして定義ていぎできないため、準じゅん安定あんてい状態じょうたいの組くみを相そうとして定義ていぎすることもできない。準じゅん安定あんてい状態じょうたいを扱あつかうためには、準じゅん安定あんてい状態じょうたいにおいても平衡へいこう状態じょうたいと同様どうように温度おんどや圧力あつりょくなどが定義ていぎでき、平衡へいこう熱ねつ力学りきがくの枠組わくぐみで扱あつかえることを仮定かていするなどの工夫くふうが必要ひつようになる。

系けいの相そうが多種たしゅ多様たように考かんがえられるのと同様どうように、相あい転移てんいの機構きこうもまた、対象たいしょうとする系けいとその相そうによって様々さまざまだが、相あい転移てんいが起おこる理由りゆうはその系けいにとってより安定あんていな系けいの状態じょうたいが現あらわれたためである。その状態じょうたいが安定あんていかどうかは、例たとえば熱ねつ力学りきがくでは温度おんどや圧力あつりょく、磁場じば、電場でんじょうなどの組くみ合あわせによって決定けっていされるが、微視的びしてきには原子げんしや分子ぶんし、あるいは核かく子こや電子でんし間あいだの相互そうご作用さようや、それらと場ばとの相互そうご作用さようなどが寄与きよしている。

相あい転移てんいの顕著けんちょな例れいとして、氷こおりが水みずになったり水みずが水蒸気すいじょうきになったりする、固かた相しょうや液えき相しょう、気き相しょうの間あいだの転移てんいの他ほかに、異ことなる多た形かたちや同素体どうそたいへの転移てんいが挙あげられる。炭酸たんさんカルシウムがヴァテライトからカルサイトやアラゴナイトへと変化へんかしたり、炭素たんそがダイヤモンドからグラファイトへ変化へんかしたりするのがその例れいである。

他ほかにも様々さまざまな相あい転移てんいがあり、その代表だいひょう的てきな例れいとして以下いかのものがある。

• 構造こうぞう相しょう転移てんい（気き相しょう、液えき相しょう、固かた相しょう間あいだの転移てんいなど）
• 磁気じき相しょう転移てんい（常つね磁性じせい、強つよ磁性じせい、反はん強つよし磁性じせいなどの間あいだでの転移てんい）
• 金属きんぞく-絶縁ぜつえん体たい転移てんい（モット転移てんいなど）
• 常つね伝導でんどう-超ちょう伝導でんどう転移てんい（超ちょう伝導でんどう）
• 常つね誘電ゆうでん体たい-強つよし誘電ゆうでん体たい転移てんい
• 真空しんくうの相あい転移てんい（宇宙うちゅう論ろん）

相あい転移てんいを検出けんしゅつする技術ぎじゅつとしては、示しめせ差さ熱ねつ分析ぶんせき (DTA) などがあり、例たとえば合金ごうきんの構造こうぞう相しょう転移てんいなどに対たいして用もちいられる。

転移てんい点てん

相あい転移てんいを起おこす温度おんどや圧力あつりょくなどの状態じょうたい量りょうの値ねの組くみを転移てんい点てん（変態へんたい点てん）と呼よび、特とくに転移てんい点てん上じょうの温度おんどを転移てんい温度おんどという。特定とくていの物質ぶっしつにおいて転移てんい点てんは熱ねつ力学りきがく的てき状態じょうたいにより決定けっていされる値ねであり、たとえば特定とくていの成分せいぶん系けいの液えき相しょう-気き相しょう転移てんい点てんでは圧力あつりょくなどの状態じょうたい量りょうが指定していされれば、残のこりの状態じょうたい量りょうである温度おんど、すなわち沸点ふってんは一意いちいに決定けっていされる。このように相あい転移てんいの状態じょうたい値ちを温度おんど-圧力あつりょくの相そう図ず上うえでは転移てんい点てんは連続れんぞくした線分せんぶんを形成けいせいする。

転移てんい点てんの例れいを次つぎに示しめす。

• 沸点ふってん、融点ゆうてん、昇華しょうか点てん、（凝固ぎょうこ点てん）
• キューリー温度おんど、ネール温度おんど
• ガラス転移てんい点てん
• マルテンサイト変態へんたい点てん

相あい転移てんいの種類しゅるい

相あい転移てんいは大別たいべつすると準じゅん安定あんてい状態じょうたいを持もつ第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいと、それを持もたない第だい二に種しゅ相しょう転移てんい に分類ぶんるいされる。

これとは別べつにポール・エーレンフェストの分類ぶんるい法ほうでは自由じゆうエネルギーの温度おんどあるいは圧力あつりょくの n 階かい微分びぶんが不連続ふれんぞく点てんを有ゆうする場合ばあいを n 次つぎ相しょう転移てんいと呼よぶ。例たとえば、 1 階かい微分びぶんが不連続ふれんぞく点てんを有ゆうする場合ばあいを一いち次じ相しょう転移てんい、2 階かい微分びぶんが不連続ふれんぞく点てんを有ゆうする場合ばあいを二に次じ相しょう転移てんいと呼よぶ。転移てんい点てんが一いち次じ相しょう転移てんいか二に次じ相しょう転移てんいかの別べつにより「一いち次じ相しょう転移てんい点てん」、「二に次じ相しょう転移てんい点てん」と呼よび分わける場合ばあいもある。

一いち次じ相しょう転移てんいと第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいとは一致いっちするが、エーレンフェストの二に次じ相しょう転移てんいの定義ていぎに該当がいとうしない高次こうじ相しょう転移てんいも第だい二に種しゅ相しょう転移てんいには含ふくまれる。なお、実験じっけん的てきには誤差ごさの存在そんざいにより自由じゆうエネルギーの高次こうじの微分びぶんが連続れんぞくなのか不連続ふれんぞくなのかを見分みわけることが難むずかしい場合ばあいが多おおいため、二に次じ以上いじょうの高次こうじの相あい転移てんいを区別くべつせずに「高次こうじ相しょう転移てんい」などと呼よぶこともある。

相あい転移てんいは自発じはつ的てきに生しょうじる場合ばあいもあるが、一いち次じ相しょう転移てんいのように準じゅん安定あんてい状態じょうたいを持もちうる場合ばあいは、過熱かねつ状態じょうたいや過か冷却れいきゃく状態じょうたいのように転移てんい点てんを越こえても相あい転移てんいを生しょうじない場合ばあいがある。このような準じゅん安定あんてい状態じょうたいでは何なんらかの外的がいてき要因よういんで核かくとなる新あたらしい相そうが発生はっせいし、それが引ひき金がねとなって系けい全体ぜんたいに相あい転移てんいが波及はきゅうする。

第だい一種いっしゅ相しょう転移てんい

物質ぶっしつの三さん態たいの間あいだの状態じょうたい変化へんかはいずれも代表だいひょう的てきな第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいであり、次つぎのように呼よび分わけられる。

転移てんい前まえの相そう	転移てんい後ごの相そう	現象げんしょうの呼称こしょう	転移てんい点てんの呼称こしょう	転移てんい熱ねつの呼称こしょう
固かた相しょう （固体こたい）	液えき相しょう （液体えきたい）	融解ゆうかい（ゆうかい）	融点ゆうてん（ゆうてん）	融解ゆうかい熱ねつ（ゆうかいねつ）
	気き相しょう （気体きたい）	昇華しょうか（しょうか） 気化きか（きか）	昇華しょうか点てん（しょうかてん）	昇華しょうか熱ねつ（しょうかねつ）
液えき相しょう （液体えきたい）	固かた相しょう （固体こたい）	凝固ぎょうこ（ぎょうこ） 固化こか（こか）	凝固ぎょうこ点てん（ぎょうこてん）	凝固ぎょうこ熱ねつ（ぎょうこねつ）
	気き相しょう （気体きたい）	蒸発じょうはつ（じょうはつ） 気化きか（きか）	沸点ふってん（ふってん）	蒸発じょうはつ熱ねつ（じょうはつねつ） 気化きか熱ねつ（きかねつ）とも呼よぶ。
気き相しょう （気体きたい）	液えき相しょう （液体えきたい）	凝縮ぎょうしゅく（ぎょうしゅく） 液化えきか（えきか）	（特とくになし）	凝縮ぎょうしゅく熱ねつ（ぎょうしゅくねつ）
	固かた相しょう （固体こたい）	凝しこり華はな旧名きゅうめい：昇華しょうか（逆ぎゃくの転移てんいと同名どうめい。凝固ぎょうこ、凝結ぎょうけつ、と呼よばれることもある）	（特とくになし）	（特とくになし）

第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいの転移てんい点てんは圧力あつりょくにより変化へんかする。物質ぶっしつ固有こゆうの三重みえ点てん以下いかの圧力あつりょくでは液えき相しょうが存在そんざいしないため、蒸発じょうはつや凝縮ぎょうしゅく、融解ゆうかいや狭義きょうぎの凝固ぎょうこは起おこらない。また、臨界りんかい点てん以上いじょうの圧力あつりょくでは気き相しょうと液えき相しょうの相違そういがなくなり、単一たんいつの相そうしか存在そんざいしない。

物理ぶつり学がく的てき性質せいしつ

一いち次じ相しょう転移てんい点てんの前後ぜんごでは、エントロピーやモル熱容量ねつようりょう(モル比熱ひねつ)などが不連続ふれんぞくである。そして、前後ぜんごの化学かがくポテンシャル μみゅー₁, μみゅー₂ とは一致いっちし、相あい転移てんいの状態じょうたいにある2つの相そうにはクラウジウス-クラペイロンの式しきが成立せいりつする。

第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいは準じゅん安定あんてい状態じょうたいを持もつので固体こたい表面ひょうめんや空間くうかんに浮遊ふゆうする吸湿きゅうしつ性せいの微小びしょう粒子りゅうしやイオンなどの刺激しげきするものが存在そんざいしないことが原因げんいんで過熱かねつ状態じょうたいや過か冷却れいきゃく状態じょうたいのように転移てんい点てんを越こえても相あい転移てんいを生しょうじない場合ばあいがある。すなわち電子でんしレンジで過熱かねつした水みずの突沸や、放射線ほうしゃせん検出けんしゅつ器きの霧きり箱ばこ・泡あわ箱ばこの原理げんりはこの第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいの準じゅん安定あんてい状態じょうたいに由来ゆらいする。

物性ぶっせいとしての蒸発じょうはつのし易やすさ、し難なんさを「揮発きはつ性せい」・「不揮発ふきはつ性せい」という。液体えきたいの表面張力ひょうめんちょうりょくに打うち勝かつ熱ねつ運動うんどうエネルギーを持もつ分子ぶんしは蒸発じょうはつすることができる。い換いかえると、蒸発じょうはつする分子ぶんしは液体えきたい表面ひょうめんへの付着ふちゃくについての仕事しごと関数かんすうを超こえる力学りきがくエネルギーをもっている。したがって蒸発じょうはつは液体えきたいの温度おんどが高たかかったり、表面張力ひょうめんちょうりょくが低ひくかったりするほど早はやく進行しんこうする。

また、理想りそう気体きたいあるいは理想りそう液体えきたいでは圧力あつりょくに依存いぞんしてその振ふる舞まいを変かえることはないが、実際じっさいの物質ぶっしつの場合ばあいには高こう圧あつになると気き相しょうと液えき相しょうの振ふる舞まいに相違そういがなくなる。その限界げんかいの転移てんい点てんを「臨界りんかい点てん」と呼よぶ。その臨界りんかい点てんを超こえた相そうの状態じょうたいを超ちょう臨界りんかい状態じょうたいと呼よぶ。

転移てんい熱ねつ

熱ねつ的てき現象げんしょうとしては第だい一種いっしゅ相しょう転移てんいが進行しんこう中ちゅうの一いち成分せいぶん系けいは圧力あつりょくが一定いっていの場合ばあい、系けいの温度おんどが一定いっていのままでの系けい外がいへの熱ねつの放出ほうしゅつあるいは吸収きゅうしゅうが見みられる。このような機構きこうで生しょうじる熱ねつを転移てんい熱ねつ（てんいねつ）または潜熱せんねつ（せんねつ）とよぶ。そもそも熱ねつの定義ていぎは物体ぶったいに作用さようすることで温度おんど変化へんかをもたらす物理ぶつり量りょうであり、一いち次じ相しょう転移てんい点てん以外いがいの状態じょうたいでは熱ねつの作用さようは温度おんど変化へんかをもたらすのでこの場合ばあいを顕あらわ熱ねつとよび、一いち次じ相しょう転移てんい点てんにおいて作用さようにより温度おんど変化へんかを生しょうじない場合ばあいを潜熱せんねつと呼よび分わけたことに由来ゆらいするので、顕あらわ熱ねつと潜熱せんねつとで物理ぶつり量りょうである熱ねつとして違ちがいがあるわけではない。

相あい転移てんい前後ぜんこうを状態じょうたい₁、状態じょうたい₂とした場合ばあい、それぞれの相そうの生成せいせいエンタルピー H₁, H₂の総量そうりょうの差分さぶんだけ、転移てんい熱ねつが発生はっせいする。

転移てんい熱ねつの単位たんいは質量しつりょうあたりの熱量ねつりょう (J/g) または物質ぶっしつ量りょうあたりの熱量ねつりょう (J/mol) で示しめされる。例たとえば、水みずの融解ゆうかい熱ねつは 333.5 J/g、気化きか熱ねつは 2256.7 J/g である。

次つぎに転移てんい熱ねつに該当がいとうする熱ねつ現象げんしょうを次つぎに示しめす。

• 蒸発じょうはつ熱ねつ（気化きか熱ねつ、凝縮ぎょうしゅく熱ねつ） - 気き相しょう・液えき相しょう間あいだの第だい一種いっしゅ相しょう転移てんい
• 融解ゆうかい熱ねつ（凝固ぎょうこ熱ねつ）- 液えき相しょう・固かた相あい間あいだの第だい一種いっしゅ相しょう転移てんい

第だい二に種しゅ相しょう転移てんい

代表だいひょう的てきな第だい二に種しゅ相しょう転移てんいである物理ぶつり現象げんしょうとしては、一部いちぶの構造こうぞう相しょう転移てんい、磁気じき相しょう転移てんい、常つね伝導でんどうから超ちょう伝導でんどう状態じょうたいへの転移てんい、液体えきたいヘリウムの超ちょう流動りゅうどう状態じょうたいなどが挙あげられる。一般いっぱんに第だい二に種しゅ相しょう転移てんいはある秩序ちつじょ変数へんすうが秩序ちつじょ‐無秩序むちつじょへと転移てんいする現象げんしょうである。秩序ちつじょ変数へんすうとしては結晶けっしょう内ないの原子げんし配列はいれつの規則きそく化かや磁性じせい体たいの磁気じき的てき秩序ちつじょ等とう、多岐たきに渡わたる。

二に次じあるいは高次こうじの相あい転移てんいでは化学かがくポテンシャルの一いち次じ導しるべ関数かんすうも連続れんぞくである為ため、転移てんい熱ねつは発生はっせいせず、比ひ体積たいせきの不連続ふれんぞく点てんも発生はっせいしない。

一方いっぽう、二に次じ相しょう転移てんいでは、化学かがくポテンシャルの二に次じ導しるべ関数かんすう等とうは不連続ふれんぞくで比熱ひねつや磁化じか率りつが転移てんい点てんで不連続ふれんぞく性せいを示しめす。そのほかにも第だい二に種しゅ相しょう転移てんい点てん付近ふきんでは物理ぶつり量りょうの異常いじょう性せいが現あらわれ、それらは臨界りんかい現象げんしょうと総称そうしょうされる。たとえば、比熱ひねつが第だい二に種しゅ相しょう転移てんい点てん付近ふきんでギリシャ文字もじの λらむだ の形かたちのグラフを示しめして発散はっさんするケースはラムダ転移てんいと呼よばれる。

関連かんれん図書としょ

• レフ・ランダウ、エフゲニー・リフシッツ『統計とうけい物理ぶつり学がく』 上じょう（第だい 3 版はん）、岩波書店いわなみしょてん〈理論りろん物理ぶつり学がく教程きょうてい〉。ISBN 978-4000057202。 
• レフ・ランダウ、エフゲニー・リフシッツ『統計とうけい物理ぶつり学がく』 下か（第だい 3 版はん）、岩波書店いわなみしょてん〈理論りろん物理ぶつり学がく教程きょうてい〉。ISBN 978-4000057219。 
• ヴォルフガング・ゲプハルト、ウヴェ・クライ『相あい転移てんいと臨界りんかい現象げんしょう』吉岡よしおか書店しょてん〈物理ぶつり学がく叢書そうしょ〉。ISBN 978-4842702421。 
• ユージン・スタンレー『相あい転移てんいと臨界りんかい現象げんしょう』（新装しんそう版ばん）東京とうきょう図書としょ。ISBN 978-4489002410。 
• P.W.アンダーソン『凝縮ぎょうしゅく系けい物理ぶつり学がくの基本きほん概念がいねん』吉岡よしおか書店しょてん〈物理ぶつり学がく叢書そうしょ〉。ISBN 978-4842702124。 
• author: Franz Schwabl, translator: William Brewer (2006) (English). Statistical Mechanics (Second ed.). Springer. ISBN 978-3-540-32343-3. http://www.springer.com/materials/book/978-3-540-32343-3 
• 西森にしもり秀しげる稔みのる:「相あい転移てんい・臨界りんかい現象げんしょうの統計とうけい物理ぶつり学がく」、培風館ばいふうかん、ISBN 978-4563024352（2005年ねん11月）。
• 田崎たさき晴はれ明あきら, 原はら隆たかし, 岡本おかもと和夫かずお (編へん)：「相あい転移てんいと臨界りんかい現象げんしょうの数理すうり」、共立きょうりつ出版しゅっぱん、ISBN 978-4320111080（2015年ねん6月がつ9日にち）。

関連かんれん項目こうもく

• 熱ねつ力学りきがく
• 統計とうけい力学りきがく
• 物性ぶっせい物理ぶつり学がく
• 物質ぶっしつ科学かがく
• 連続れんぞく、不連続ふれんぞく
• 境界きょうかい、臨界りんかい
• 物理ぶつり変化へんか
• 相あい変化へんか材料ざいりょう (PCM)