Гегузин Яков Евсеевич

Живой кристалл

ЖИВОЙ КРИСТАЛЛ

МОСКВА «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1981

Сетевое издание библиотеки VIVOS VOCO

Подготовлено учениками Московской гимназии №1543 Федором Волковым, Антоном Лапицким и Андреем Лунёвым

Июнь 2006 г.

Не то, что мните вы, природа.

Не слепок, не бездушный лик.

В ней есть душа, в ней есть свобода.

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф. И. Тютчев

ВВЕДЕНИЕ

О НАЗВАНИИ КНИГИ

Я великолепно отдаю себе отчет в том, что словосочетание «живой кристалл», вынесенное в заглавие книги, ни свежестью, ни неожиданностью не отличается. Не бог весть какая удача автора, придумавшего такое название. И все же оно, видимо, правильно передает замысел книги.

Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае говорят о нем, как о живом существе. Вспомните поэтическую прозу поэта камня академика А. Е. Ферсмана, разговаривающего с обломком минерала, как с живым существом, которое умеет прятаться от зоркого глаза искателя, а в ответ на обиду или несправедливость менять окраску — розовую на черную.

Послушайте разговор двух металловедов. Они говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжестью приложенной нагрузки. Или еще: послушайте разговор геологов. Они говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или разговор тех, кто в лаборатории или цехе искусственно создает кристаллы. Их кристаллы растут, захватывают примеси, нечто передают по наследству.

Сочетание слов «живой кристалл» многим покажется сродни той юношеской романтике, которую следует числить по департаменту молодых восторженных поэтов. Наука требует холодной рассудительности, бесстрастной строгости, независимости от эмоций, которые исподволь могут увести от правды, и никакой «голос кристалла» не направит заблудшего ученого на путь истинный. Они, эти «многие», конечно же, правы: для поисков правды необходим критически настроенный ум, способный трезво анализировать факты. И все же привкус романтики в научном исследовании иным оказывается необходимым, как атмосфера радостной приподнятости, сопутствующей поиску. Они, разумеется, не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного общения с природой придает поиску необходимую для них романтическую окраску. Для ученых такого склада потеря ощущения непосредственного общения с природой часто попросту означает потерю интереса и вкуса, а с ними и способности к исследовательской деятельности.

Реальный кристалл заселен множеством различных дефектов. Хорошо ли это, плохо ли — об этом разговор впереди. А здесь уместно сказать о том, что дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов кристалл обнаруживает «память» о событиях, участником которых он когда-то был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей его среде, определяют его «чувствительность» по отношению к внешним воздействиям...

В этой книге я хочу рассказать о живом кристалле, каким он видится физику, вложить физическое содержание в многочисленные антропоморфические образы, соседствующие со словом «кристалл».

Главным образом книга посвящена физике реального кристалла. Рассказывая о ней, я не буду стремиться занять какую-то избранную точку зрения — экспериментатора, теоретика, технолога или историка. Как и всякая иная, научная проблема «живой кристалл» многопланова и не терпит узкого взгляда. А если читатель обнаружит, что какой-то из аспектов проблемы в книге представлен хуже иных, он, надеюсь, правильно это истолкует особенностями личного опыта автора.

Работая над очерками этой книги, я старался не упустить удобный случай обратить внимание читателя на конфликтные ситуации, которые в развивающейся науке непременно возникают между теорией и экспериментом. Речь идет не о противоречиях между заведомо ошибочным экспериментом и теорией или о несоответствиях между очевидно нелепой теорией и экспериментом. Такие ситуации скорее следует относить к разряду скандальных историй, а не к тем истинным, плодотворным противоречиям, которые непременно и сопутствуют, и способствуют развитию настоящей науки.

Взаимодействие между экспериментатором и теоретиком часто несет на себе отпечаток конфликта. Одну из форм взаимоотношений между экспериментатором и теоретиком великолепно изобразил художник С. Тюнин. На его рисунке и по моей инициативе для пущей ясности написаны два слова: эксперимент и теория.

Итак, конфликт.

Не антагонистический, но конфликт. Теоретик предсказал, — экспериментатор убедился в том, что теоретик прав лишь частично, что теория нуждается в уточнении, что те упрощения реальной картины, которые предположил теоретик, строя теорию, заметно искажают явление. Или так: теоретик расчетом показал, что экспериментатор ищет явление не в тех условиях, где оно отчетливо может наблюдаться.

История исследований «живого кристалла» полна примеров таких противоречий между теоретиком и экспериментатором. О них я не забуду упомянуть.

СЛОВО О МОДЕЛИРОВАНИИ

Внутренне непротиворечивые построения строгой формальной логики в союзе с опытом обладают исключительным правом быть доказательствами. И все же на трудном пути к знанию почти все испытывают потребность в образе, в зримой картинке, в упрощенной модели. Быть может, я немного преувеличиваю, но мне кажется, что один из основных компонентов таланта и учащегося, и педагога, и ученого состоит в умении, применительно к случаю, придумывать модели, образы и аналогии, способные разъяснить явление, углубить его понимание.

Творчество физика-теоретика, как правило, начинается с сотворения умозрительной модели изучаемого явления. Ведомый предметным мировосприятием, интуицией, запасом накопленных образов и аналогий, знанием фундаментальных законов природы, теоретик, по мысли Я. И. Френкеля, одного из крупнейших советских теоретиков, подходит к явлению так же, как карикатурист к натуре, которую он должен изобразить. Если они, теоретик и карикатурист, талантливы, их творческие приемы оказываются подобными: надо отбросить неосновные признаки явления или натуры и безошибочно подчеркнуть те признаки, без которых и явление, и натура немыслимы. Не помню, где мне довелось прочесть (а быть может, услышать) фразу, фонетически напоминающую известную ходовую мудрость, в формулировке которой вместо слова «простить» употреблено «упростить»: понять — значит упростить! В ходе наших рассуждений уместно вспомнить эту фразу.

Подлинное понимание, как правило, приходит тогда, когда рушатся строительные леса, возведенные из сложных формул и многоступенчатых логических построений, и оголенная истина предстает в своей простоте. У Бориса Пастернака есть мудрое четверостишие:

В родстве со всем, что есть, уверясь

И знаясь с будущим в быту,

Нельзя не впасть к концу, как в ересь,

В неслыханную простоту.

Поэт явно имеет в виду не ту простоту — примитивность, которая предшествует горе́ сложных формул, трудных, прецизионных экспериментов, ошибочных заключений, случайных озарений, а простоту, находящуюся по ту сторону горы, освобожденную от нагромождений и второ-степенностей. Она дается в награду за преодоление горы.

Иной раз модель возникает по аналогии: в новом явлении обнаруживаются черты известного, и наступает ясность, или, точнее, делается шаг на пути к ней. Этот шаг может заключаться в удачно найденном «модельном» слове, роднящем неизвестное с давно известным, привычным, воспринимаемым предметно и образно: лес дислокаций, поле напряжений, упругая волна.

Пожалуй, речь современного ученого-физика не менее богата образами, чем речь поэта. Иной раз кажется, что, если бы из речи физика изъять профессиональные термины, она обернулась бы стихами... Впрочем, удивляться нечему, так как мышление и физика, и поэта питает один и тот же источник — природа.

Кроме умозрительных моделей, в науке место и осязаемым упрощенным аналогам реально существующих объектов. Вот примеры: модель кристалла в виде полоски бумаги, которая при растяжении рвется подобно тому, как рвется реальный кристалл..., или в виде резинового жгута, который упруг подобно тому, как упруг реальный кристалл.

Слишком разные субстанции — бумага, резиновый жгут и кристалл? Разные! Очень! И все же могут быть усмотрены роднящие их свойства — основания для создания модели.

Какой обязана быть модель? Что у нее можно просить и что от нее нужно требовать? Просить можно о помощи. Требовать нужно наличия хотя бы доли правды о явлении. В жизни к полуправде мы относимся презрительно, а по отношению к модели «полуправда» — высокая похвала.

Говоря о модели, мы воспользовались словом «обязана». Так вот она обязана быть наглядной, не оставляющей сомнений, понятной без утомительных комментариев, и лучше всего, если вообще комментарии излишни, если наглядность настолько очевидна, что почти обретает доказательную силу. Модель должна уметь помочь логике, стремящейся к тому истинному пониманию, которое достойно стать подлинным знанием. Физике известно много выразительных и красивых моделей, физике кристаллов — в частности.

Что нам предстоит моделировать? Реальный кристалл! Что значит «реальный кристалл»? Это значит — огромная совокупность одинаковых атомов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Только в некоторых местах реального кристалла строгий порядок различным образом нарушается, и эти нарушения означают наличие дефектов. И еще одна очень важная характеристика кристалла: образующие его атомы между собой взаимодействуют. О том, как и почему взаимодействуют, — позже, а здесь лишь бесспорное утверждение: взаимодействуют! Потому что, если бы не взаимодействовали, был бы не кристалл, а газ, состоящий из беспорядочно движущихся атомов. А речь идет о кристалле. Наличие в кристалле порядка — прямое следствие взаимодействия между образующими его атомами.

«Мертвая» модель кристалла может быть устроена так: деревянные или глиняные шарики, соединенные друг с другом ровными проволочками. Шарики — атомы, проволочки — символы связей, замороженного взаимодействия между атомами. Замораживание взаимодействия и делает модель мертвой. В такой модели атомы разного сорта — шарики различных размеров и цветов, атомы на различных расстояниях — проволочки различной длины. Это разумная и очень полезная модель, которая, рассказывая о кристалле далеко не всю правду, говорит о нем только правду, не фальшивит. В ней нет никаких видов движения атомов, зато очень четко отражены и порядок, и нарушение порядка в их расположении. Мертвая модель кристалла — великолепный помощник, когда надо зримо представить себе пространственное расположение атомов. Именно такое моделирование — шарики и проволочки — помогло сделать одно из самых крупных открытий XX века — установить структуру молекулы ДНК. Немалая заслуга «мертвого» моделирования, в котором взаимодействие между атомами в истинном смысле слова отсутствует: глиняные шарики безразличны друг к другу! И деревянные тоже!

При изучении многих процессов в реальных кристаллах важно уметь моделировать не только взаимное расположение атомов, но и их взаимодействие. Физики научились это делать, моделируя атом в кристалле не глиняным шариком, а... мыльным пузырьком. Этой очень красивой моделью мы будем часто пользоваться.

При создании осязаемых физических моделей годится все, способное облегчить путь к ясности: и глина хороша, и мыльный пузырек хорош. Годятся и листы бумаги, и металлические шарики, и резиновые трубки...

Модели — и осязаемые, и умозрительные, и словесные — будут сопутствовать нам во всей книге. Именно поэтому о них следовало специально поговорить.

ГЛАВА I

НЕПРЕМЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ КРИСТАЛЛА

Собственно, вся книга, названная «Живой кристалл», должна быть заполнена описаниями различных признаков жизни кристалла. Жизнь кристаллов многокрасочна, и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни, вообще говоря, могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существуют, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристалл находится при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы или молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Лучше скажем так: обязаны участвовать в коллективном колебательном движении всего ансамбля атомов, образующих кристалл. Интенсивность этого движения растет с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие еще и в иных колебаниях, интенсивность которых от температуры не зависит. Так непросто устроена природа: атомы в кристалле одновременно должны подчиняться двум различным законам, требующим, чтобы атомы колебались в угоду каждому из них. Собственно, участвуют они в одном колебательном движении, но в области высоких и низких температур о нем удобно рассказывать как о подчиняющемся различным законам. В-третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по решетке, иногда меняя временные позиции оседлости. Попросту говоря, они обязаны диффундировать. Есть еще в-четвертых: все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться. Есть и в-пятых, и в-шестых...

Люди разгадали те законы природы, которым подчиняются кристаллы, обнаруживая различные «признаки жизни». Здесь я хотел восхититься мудростью и проницательностью людей, разгадавших эти законы, и, пожалуй, вовремя вспомнил предостерегшую меня мысль выдающегося физика Ричарда Фейнмана. В одной из своих книг он пишет: «...мы не будем говорить о том, как мы умны, что открыли этот закон, но о том, как мудра природа, которая соблюдает его».

Упоминание о различных признаках жизни кристалла сопровождалось словом «непременные». Этим непременным признакам жизни, которые обязаны проявляться в кристалле, и посвящены очерки гл. I.

МОДЕЛЬ: АНСАМБЛЬ ПУЗЫРЬКОВ

Поговорим в начале главы об одной мудрой и красивой модели кристалла. По пути к концу книги она нам понадобится много раз.

О модели мертвого кристалла или, быть может, правильнее о мертвой модели кристалла мы недавно вспоминали: деревянные шарики — атомы, соединяющие их проволочки — символы связей, существующего взаимодействия. Здесь — о модели кристалла, в которой взаимодействие между атомами не заморожено. О ней, великолепно иллюстрирующей (другие причастия: передающей, отражающей) структуры реального кристалла и имеющиеся в нем дефекты, следует рассказать, а затем и воспользоваться ею. Модель эта не нова. Была она придумана выдающимся английским кристаллофизиком Л. Бреггом еще в начале 40-х годов нашего столетия, а затем осуществлена им и его сотрудниками Д. Наем и В. Ломером. Так мы ее и будем называть: модель БНЛ — Брегга — Ная — Ломера.

Пожалуй, самое важное следствие взаимодействия между атомами в кристалле непосредственно вытекает из простейшего факта, который состоит в том, что расстояние между двумя соседними атомами в кристалле при постоянной температуре имеет вполне определенную величину. Это — результат эксперимента, святая святых науки о кристалле. Речь, разумеется, идет о расстоянии между положениями, около которых атомы совершают колебания. Определенное расстояние — это означает, что, если мы попытаемся искусственно его увеличить, атомы, противясь этому, будут друг к другу притягиваться, а если попытаемся его уменьшить, атомы будут отталкиваться, стремясь восстановить определенное расстояние между собой. При некотором расстоянии (именно его мы и назвали определенным) между атомами силы притяжения и отталкивания оказываются равными по величине. На этом расстоянии и расположены атомы в решетке.

Итак, только из факта наличия определенного расстояния между атомами следует, что взаимодействие между ними носит черты и притяжения, и отталкивания. В основе этих двух противоборствующих тенденций во взаимодействии лежат силы электрического происхождения. В кристаллах различного типа они проявляют себя различно: по-одному в металлах, по-иному в диэлектриках и совсем по-иному в полупроводниковых кристаллах. Не стану, не договаривая, намекать на существо этих различий и тем более не стану рассказывать об этом подробно. Здесь нам достаточно знать, что взаимодействие между атомами в кристалле носит черты и притяжения, и отталкивания одновременно.

Хорошо бы придумать такой прием моделирования, который передавал бы конкуренцию сил притяжения и отталкивания, а это и значит — не омертвлял бы взаимодействие между атомами в кристалле. Именно это и сделали авторы модели БНЛ! В качестве строительных элементов модели они использовали не глиняные и не деревянные шарики, а маленькие, абсолютно одинаковые мыльные пузырьки, которые в один слой расположены на поверхности мыльной воды. Плавающий плот из пузырьков и есть модель кристалла. На площади 100 см^2 можно расположить плот из более десяти тысяч пузырьков диаметром 1 мм. Это вполне макроскопический двумерный «кристалл», им можно моделировать многое, происходящее в реальном кристалле.

Осуществить модель БНЛ просто. Для этого нужно совсем элементарное оборудование: тарелка, игла от медицинского шприца, волейбольная камера и зажим, которым можно было бы с различной силой сжимать резиновую трубку-отросток волейбольной камеры. Тарелку надо почти доверху заполнить мыльной водой и добавить в нее несколько капель глицерина, для того чтобы пузырьки, которые мы будем выдувать на поверхности мыльной воды, получились устойчивыми. Надуть волейбольную камеру, зажать ее отросток и вставить в него иглу от шприца. Разумеется, тупым концом. Если поместить иглу под поверхность воды и немного ослабить зажим, из иглы одна за другой начнут выходить строго одинаковые порции воздуха, которые будут превращаться в столь же одинаковые мыльные пузырьки. В этом очерке — рассказ о взаимодействии между пузырьками, моделирующими атомы. О взаимодействии между атомами, составляющими кристалл, — в следующем.

Мыльные пузырьки не безучастны друг к другу. Два разобщенных мыльных пузыря на поверхности воды друг к другу притягиваются, а соприкоснувшись — отталкиваются друг от друга.

Попытаемся понять происхождение силы притяжения. Бесспорно следующее утверждение: сила появляется вследствие того, что сближение пузырьков сопровождается уменьшением связанной с ними избыточной энергии.

Поначалу хочется предположить, что эта энергия связана с поверхностью пузырей. Логика это желание легко подавит, подсказав, что поверхностная энергия не уменьшается при сближении пузырьков, а значит, их сближение окажется неоправданным. Есть, однако, иное слагаемое избыточной энергии совокупности двух пузырьков, которое оказывается зависящим от расстояния между ними. Дело в том, что каждый из пузырьков окружен областью, где уровень воды поднят над ее средним уровнем в сосуде. И следовательно, потенциальная энергия системы увеличена тем больше, чем большая масса воды и на бо́льшую высоту поднята. Степень поднятия убывает по мере удаления от центра пузырька. Если пузырьки удалены друг от друга на расстояние не очень большое, при котором области поднятия жидкости вокруг каждого из пузырьков частично перекрываются, их сближение оказывается выгодным, так как при этом уменьшается масса поднятой жидкости и, следовательно, связанная с ней избыточная потенциальная энергия. Приводимые рисунки качественно это поясняют.

После того, как пузырьки соприкоснутся, прижимающая их сила увеличит давление заключенного в них газа и, следовательно, возникнет сила отталкивания. Обе силы — и притяжения, и отталкивания — нами найдены.

Итак, мы познакомились с моделью БНЛ: двумерный плот из огромного количества одинаковых мыльных пузырьков, взаимодействие между которыми не заморожено и отражает притяжение и отталкивание между атомами в реальных кристаллах.

В модели БНЛ нет пространственной периодичности реальных структур, двумерный плот может иметь только структуру плотной упаковки, подобную паркету, выложенному из шестигранных плит. Это — недостатки модели. Им противостоит огромное достоинство — в ней моделируется взаимодействие между элементами, составляющими кристалл.

Не будем упрекать модель в ее слабостях — и о которых упомянули, и о которых умолчали. Будем ей благодарны за ее сильные стороны.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ

По свежему следу предыдущего очерка воспользуемся моделью БНЛ для разговора о реальном взаимодействии между атомами, образующими кристалл.

Нам уже известно, что взаимодействие, т. е. конкуренция сил притяжения и отталкивания между атомами, обусловливает существование определенного расстояния l_0 между ними. Уточним наше понимание «взаимодействия», проследив зависимость энергии этого взаимодействия W от расстояния l между атомами. Качественно ясно, что, если бы нам удалось атомы удалить друг от друга на бесконечное расстояние, энергия их взаимодействия стала бы равной нулю. Попросту говоря, бесконечно удаленные атомы друг о друге не осведомлены и поэтому между собой не взаимодействуют. Качественно ясно, что, как бы мы ни старались насильно сблизить соседние атомы, совместить их мы никогда не cможем, а это означает, что по мере уменьшения расстояния между атомами до нуля энергия отталкивания между ними должна стремиться к бесконечности. Собственно, при очень большом сжимающем давлении атомы могут «раздавливаться». Именно это и происходит, когда под давлением в миллионы атмосфер кристалл водорода металлизируется: раздавленные атомы водорода свой «личный» электрон отдают в коллективное пользование.

Качественно ясно также, что для того, чтобы исключить взаимодействие между соседними атомами, которые находятся на «равновесном» расстоянии l = l_0, т. е. развести их на бесконечное расстояние, необходимо затратить вполне определенную энергию. Это означает, что при l = l_0 энергия W = W_0 будет отрицательной: именно она характеризует прочность связей в кристалле. Чем больше отрицательное значение W_0, тем прочнее связи между атомами, тем большую энергию надо потратить для того, чтобы испарить кристалл. Так как испарить кристалл — это значит развести составляющие его атомы на бесконечность, то, очевидно, энергия W_0 и является мерой теплоты испарения.

Вот теперь мы можем нарисовать кривую зависимости W от l. Передаваемый рисунком характер зависимости энергии взаимодействия между атомами от расстояния между ними физики называют «потенциалом взаимодействия». Он является фундаментальной характеристикой кристалла.

Продолжим извлекать следствия из факта существования определенного расстояния между атомами. Так как l_0 и W_0 — вполне определенные, конечные величины, а при удалении атомов их энергия взаимодействия принимает нулевое значение при l = ∞, то кривая W (l) оказывается несимметричной относительно прямой, проходящей через точку l = l_0. Очень важное следствие! Ведь оно означает, что с повышением температуры, когда тепловая энергия атомов возрастает, увеличивается не только амплитуда их колебаний, но и смещается в сторону больших значений l центр, вокруг которого эти колебания происходят, т. е. увеличивается «равновесное» расстояние между атомами. Попросту говоря, происходит тепловое расширение кристалла! На рисунке это обстоятельство изображено линией, которая проведена через середины отрезков, равных амплитудам колебаний атомов.

Здесь необходимо обратить внимание читателя на то, что и приведенные рассуждения, и иллюстрирующий их рисунок относятся к случаю, когда взаимодействуют лишь два атома, из которых один намертво закреплен в начале координат. В реальном кристалле все много сложнее: там и ближайших соседей несколько, и нет ни одного «начала координат». И все же приведенные рассуждения правильно передают физику обсуждаемых явлений. Заметьте: от простого факта существования кристалла логика естественно привела нас к необходимости его расширения с повышением температуры.

Коэффициент теплового линейного расширения γ, очевидно, должен быть связан с величинами, которые определяют и иные свойства и характеристики кристалла. Можно, например, ожидать, что чем прочнее связаны атомы в кристалле, т. е. чем больше модуль упругости E, тем меньше будет величина γ. Последнюю фразу следует воспринимать, разумеется, не как доказательство существования закономерности, а лишь как формулировку догадки о ней. А теперь попытаемся построже убедиться в существовании такой закономерности. Наших знаний теперь уже достаточно для того, чтобы вычислить коэффициент линейного расширения γ. Определяется он так:

Относительное изменение расстояния между двумя атомами при нагреве кристалла подчиняется закону Гука, т. е. происходит под действием эффективного напряжения σ = εE. Именно модуль упругости характеризует прочность связи атомов в кристалле: прочнее связь — больше модуль. Наша задача, таким образом, сводится к тому, чтобы понять происхождение и оценить величину σ и, следовательно, ε, а затем и γ.

Программа ясна, выполнить ее несложно. Когда мы нагреваем кристалл на ∆Т градусов, каждый из его атомов получает дополнительную энергию теплового движения k ∆Т. Здесь k — известная со школьной скамьи постоянная Больцмана. Если эта энергия расходуется лишь на то, чтобы увеличить расстояние между соседними атомами, то, видимо, рассуждать можно так. С одной стороны, дополнительная энергия равна k ∆Т. С другой стороны, ее можно представить в виде произведения объема, приходящегося на один атом, ω, на то эффективное напряжение σ, действию которого атом подвержен. Строго я это доказывать здесь не стану, а только обращу внимание читателя на то, что если умножить объем, имеющий размерность см^3, на напряжение, имеющее размерность эрг/см^3, то получится эрг, т. е. действительно энергия. Итак, из условия k ∆Т ≈ σω следует, что σ ≈ k ∆Т/ω. Таким образом,

Дело сделано, действительно оказывается, что с ростом Е убывает γ. Так как для металлов Е ≈ 10^12 эрг/см^3, ω ≈ 3.10-23 см^3, а постоянная Больцмана k = 1,38• 10-16 эрг/К, то γ ≈ 4• 10-6 К-1. Эта величина близка к той, которую можно найти в справочных таблицах.

Можно примыслить мудрого теоретика, который развил бы изложенную логику до наблюдения теплового расширения твердых тел и таким образом предсказал бы его. В действительности, однако, события развивались в обратном порядке. Тепловое расширение не могли не наблюдать еще первобытные, а их «теоретики» заведомо не были изощрены в потенциалах взаимодействия.

Оставим рассуждения в стороне и попробуем промоделировать взаимодействие между атомами. Весь ход зависимости энергии взаимодействия от расстояния между атомами моделировать сложно, а вот ту ее часть, которая соответствует притяжению между атомами и на предыдущем рисунке изображена пунктиром, мы промоделируем легко и просто, воспользовавшись моделью БНЛ.

Для нашего моделирования надо ухитриться создать на некотором расстоянии друг от друга всего два одинаковых мыльных пузырька. Удобно проводить опыт с пузырьками, диаметр которых 1—2 мм.

Разобщенные пузырьки без нашего вмешательства вначале очень медленно, а затем, ускоряясь, будут двигаться навстречу друг другу, пока не столкнутся. Столкнувшись, они соприкоснутся не в точке, а как бы вдавятся один в другой. Это хорошо видно на рисунке на с. 15.

Оказывается (именно так: оказывается!), что с изменением расстояния между пузырьками энергия их взаимодействия изменяется по закону, очень близкому к тому, которому подчиняются атомы в металлах. Следя за тем, как изменяется скорость сближения двух одинаковых пузырьков с уменьшением расстояния между ними, можно установить свойственный им ход зависимости W(l). Так вот получается, что зависимость W(l) для пузырьков диаметром ≈ 1 мм почти такая же, как для атомов никеля. Речь, разумеется, идет не о количественном совпадении кривых, а об их ходе. По-моему, очень интересно!

ОТКРЫТИЕ ДЮЛОНГА И ПТИ

В истории физики 1819 г. отмечен свершением: французские ученые Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти опубликовали результаты своих опытов по измерению теплоемкости твердых тел. Обобщая эти результаты, они сформулировали фундаментальный закон, согласно которому произведение теплоемкости одного грамма вещества в твердом состоянии на его молярную массу есть величина почти одинаковая для всех веществ, не зависит от температуры и составляет около шести калорий. Или, по-иному, теплоемкость в расчете на моль для всех веществ одна и та же: 6 кал/(моль•К). Осторожные слова «почти» и «около» нисколько не умаляют значимости обобщения. Это будет ясно из дальнейшего.

Сейчас трудно надежно реконструировать психологическую канву, на фоне которой было сделано это открытие, но думается, что, найдя такое широкое обобщение, Дюлонг и Пти должны были быть потрясены его величием. Так как моль любого вещества содержит одно и то же количество атомов, то находка Дюлонга и Пти означает, что для повышения на один градус температуры твердого вещества каждый его атом поглощает одно и то же количество энергии. Ничего удивительного нет в том, что все атомы данного элемента равноправны: с чего бы, собственно, им отличаться? А вот что перед законом равны и атомы различных элементов — это должно было бы поразить и открывателей, и их современников.

Для нас, прослеживающих судьбы живого кристалла, закон Дюлонга и Пти может явиться источником сведений о том, как движутся атомы в кристалле, — именно поэтому и начат рассказ о теплоемкости. Ведь тепло, поглощаемое кристаллом при его нагреве, расходуется на увеличение интенсивности теплового движения атомов.

Сделаем конкретное предположение о характере этого движения и попытаемся теоретически оправдать закон Дюлонга и Пти. Можно было бы строить логику в обратном порядке: исходить из закона Дюлонга и Пти и пытаться понять, какому характеру движения атомов он соответствует. Воспользуемся первой возможностью.

Допустим, что каждый атом в узле кристаллической решетки колеблется подобно маятнику независимо от своих соседей, ближних и тем более дальних. Воспользуемся следующей моделью кристалла и происходящего в нем теплового движения. Представим себе атом в виде весомого шарика, укрепленного на трех парах взаимно перпендикулярных пружинок так, как это изображено на рисунке. Три пары пружинок символизируют то обстоятельство, что атом может колебаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Физики говорят так: атом имеет три независимые степени свободы. Итак, принимаем модель: кристалл — совокупность упорядоченно расположенных в пространстве «трехпружинных» маятников, каждый из которых по существу является совокупностью трех осцилляторов.

Прежде чем эту модель положить в основу расчета теплоемкости, необходимо определить энергию колеблющегося маятника. Безотносительно к значению этой энергии можно утверждать, что в течение одного периода колебаний маятника ее величина должна оставаться неизменной, к этому ее обязывает закон сохранения энергии. В предыдущей фразе упомянут «один период» лишь потому, что любой из периодов в равной мере подвластен закону сохранения энергии. В колеблющемся маятнике последовательно происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную и потенциальной в кинетическую, при этом в среднем за период каждая из этих энергий оказывается равной kT/2, и в сумме они составляют полную энергию осциллятора

Wo = kT, где k — уже встречавшаяся константа Больцмана.

В кристалле, масса которого равна молярной, имеется N атомов, т. е. 3N маятников, где N = 6 • 10^23 моль-1 — так называемое число Авогадро. Так как средняя тепловая энергия каждого из атомов Wo, то тепловая энергия, заключенная в кристалле, W = 3NkТ. Зная энергию W, мы легко определим теплоемкость кристалла:

С = W/Т = 3Nk. Если воспользоваться известными значениями N и k и учесть, что одна калория равна 4,2 •10^7 эрг, легко убедиться, что предыдущая формула означает: С ≈ 6 кал/(моль • К)!

Серьезный успех: мы придумали элементарную модель теплового движения в кристалле и получили закон Дюлонга и Пти. Прочтем наш результат немного по-иному: согласующийся с нашим расчетом и экспериментально подтвержденный закон Дюлонга и Пти свидетельствует о том, что мы, видимо, правильно понимаем характер теплового движения атомов в кристалле, воплощенный в нашей модели.

Все сказанное — правда, однако не вся правда. Хочется сказать так: только «высокотемпературная» часть правды. Дело в том, что прошло не более десяти лет после открытия Дюлонга и Пти, как было обнаружено, что некоторые тугоплавкие вещества, например алмаз, не подчиняются этому закону. А потом было установлено, что теплоемкость таких веществ не является постоянной, как это предсказывает закон Дюлонга и Пти, а увеличивается с ростом температуры, стремясь к тому значению, которое законом предусматривается.

Со временем, когда научились экспериментировать в области низких температур, выяснилось, что особенность поведения тугоплавких веществ — никакая не особенность, а, наоборот, является нормой для всех веществ.

Эта «особенность» впервые обнаружилась на тугоплавких веществах просто потому, что «комнатная» температура по сравнению с их температурой плавления низка. Закон Дюлонга и Пти, обнаружившись, выглядел откровением, а на поверку оказался лишь долей правды, ее «высокотемпературной» частью!

Отвлечемся от того чувства разочарования, которое, видимо, испытывал Дюлонг (Пти ушел из жизни вскоре после открытия закона). Закроем пока глаза на «низкотемпературную» правду и тщательнее вдумаемся в открытие французских физиков: «низкотемпературная» правда не отменяет справедливости закона Дюлонга и Пти в области высоких температур, где закон может быть использован для уточнения характеристик теплового движения атомов.

Из закона Дюлонга и Пти, разумеется применительно к той области температур, где он подтверждается экспериментально, следует, что, участвуя в тепловом движении, атомы в узлах решетки колеблются подобно обычным маятникам. До сих пор мы довольствовались лишь знанием энергии этих колебаний. А теперь построим элементарную теорию колебаний атома в кристалле и установим амплитуду А и период τ_0 этих колебаний.

Немного упростим модель кристалла. Пусть атомы, окружающие данный «одиночный» атом, колебаний не совершают, а лишь, взаимодействуя с колеблющимся, определяют силы притяжения и отталкивания, которые действуют на него в соответствии с потенциалом взаимодействия между ним и окружающими атомами. И еще больше упростим реальную ситуацию, допустив, что атом совершает колебания лишь вдоль определенной прямой, а не во всех трех направлениях в пространстве. В рамках такой модели естественно атом, колеблющийся в узле решетки, мысленно заменить грузиком, колеблющимся на пружинке: грузик — атом, пружинка — упругое окружение. К помощи пружинки мы недавно уже прибегали.

Не увели ли нас предположения и упрощения далеко в сторону от тех реальных условий, в которых колеблется реальный атом в узле реальной кристаллической решетки? Кажется, не увели. Пружинка удачно моделирует наличие силы притяжения (когда она растянута) и силы отталкивания (когда она сжата). Грузик хорошо моделирует атом, так как в нашей задаче, если силы заданы, от атома требуется лишь иметь определенную массу, а грузик ее имеет. А то, что в избранной модели колебания происходят вдоль прямой, существа дела практически не искажает, так как более сложное колебание можно представить в виде суммы прямолинейных, — этой возможностью мы уже пользовались, когда, объясняя открытие Дюлонга и Пти, предполагали, что каждый из атомов участвует в трех прямолинейных колебаниях.

Определим вначале амплитуду колебаний атома. Потенциальная энергия Wп колеблющегося грузика, очевидно, не должна зависеть от того, смещается он влево или вправо от своего среднего положения, когда пружина и не сжата, и не растянута. А это означает, что

где φ — постоянная величина, характеризующая упругие свойства пружины. Эта величина определяет силу, действующую на грузик со стороны пружины: F = — φх.

При максимальном отклонении колеблющегося атома от положения равновесия, т. е. при отклонении на величину амплитуды колебаний А, как мы уже знаем, вся энергия атома kТ будет запасена в виде потенциальной энергии. Это означает, что

φA^2/ 2 = kT

и, следовательно,

A = (2kT / φ)1/2

Полученная формула неприятна тем, что в нее входит неизвестная нам величина φ. Впрочем, ее нетрудно связать с известными характеристиками кристалла. Для этого левую и правую части формулы, которая определяет силу F, поделим на а^2, где а — межатомное расстояние:

F/а^2 = -φ/а . x/а

Легко усмотреть, что F/a^2 — напряжение, действующее на атом, х/а — относительное смещение атома. Если оно невелико, последняя формула просто является записью закона Гука, а отношение φ/а имеет смысл модуля упругости Е. Итак, φ = Еа , а амплитуда

A = (2kT/Ea)1/2 ≈ T1/2

Из нашего расчета следует, что амплитуда колебаний атома с температурой возрастает по закону T1/2. У металлов, для которых Е ≈ 10^12 дин/см^2, а ≈ 3• 10-8 см, в области предплавильных температур амплитуда А ≈ 2.10-9 см и, следовательно, составляет несколько процентов от величины межатомного расстояния. Много это или мало? Конечно же, немного, если иметь в виду сохранение решетки как таковой, если заботиться о том, чтобы тепловые колебания не расшатали кристалл, лишив его порядка в расположении атомов. При найденной нами амплитуде колебаний атомов кристалл сохраняет свою индивидуальность, еще не теряет «черты кристалла».

Определим теперь период колебаний атома. Если иметь в виду лишь приближенную оценку, то сделать это совсем несложно. Когда вся тепловая энергия колеблющегося атома преобразована в его кинетическую энергию, атом движется с максимальной скоростью, которая следует из условия

Мы сделали грубое предположение, сочтя, что на протяжении всего периода колебаний атом движется с максимальной скоростью. Как выясняется, оно привело нас к потере численного множителя 2π. Точная формула выглядит так:

Мы получили результат, противоречащий интуиции: кажется странным, что период колебаний атома в решетке практически не зависит от температуры, разве что лишь в меру очень слабой температурной зависимости модуля упругости. Здесь следует подчеркнуть: не при всех температурах, а лишь при высоких температурах, когда вообще справедливо все то, что рассказано в очерке. Так как масса атома

m ≈ 10-22 грамм, то τ_0 = 10-13 - 10-12 с

Итак, мы оценили две фундаментальные характеристики движения атома в кристалле: амплитуду и период колебаний. Их значения свидетельствуют об очень активной жизнедеятельности атома: он за секунду, не меняя положения оседлости, совершает п = 1/τ_0 = 10^12 — 10^13 колебаний, проходя при этом путь протяженностью L = па = (10^12 — 10^13)• 10-9 см = 10^3 — 10^4 см!

История закона Дюлонга и Пти — отличная иллюстрация к одной из общих закономерностей развития науки: в ее ткань входят не только завершенные «глыбы» правды, но и те «крупицы» знаний, которые оказываются лишь долей правды.

ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА И ДЕБАЯ

Открытие Дюлонга и Пти оказалось первым этапом почти вековой истории выяснения природы теплоемкости кристалла. Два последующих этапа связаны с именами великих физиков XX века — Альберта Эйнштейна и Петера Дебая. Их достижения относятся к теории. Экспериментальным же изучением теплоемкости в XX веке занимались в великом множестве лабораторий.

Модель маятников, зарекомендовавшую себя при объяснении закона Дюлонга и Пти, Эйнштейн не отверг, предположение об их независимости сохранил, число маятников оставил тем же: 3N. В модель он внес, однако, принципиально важное уточнение: маятники не «классические», а «квантовые». Это значит вот что: в отличие от «классических», они могут менять свою энергию лишь определенными порциями, «квантами». Классическая закономерность «чем — тем», передающая непрерывность связи между величинами, в данном случае несостоятельна.

Кстати, о закономерности «чем — тем», которую мы назвали «классической». Речь идет о том, что различные величины, характеризующие свойства вещества и зависящие одна от другой, в классической, в смысле «не квантовой», физике связаны так, что любое сколь угодно малое изменение одной из величин влечет за собой малое изменение другой величины. Нет скачков, нет ступенек, а есть непрерывное изменение: «чем — тем».

Энергия квантового маятника (в нашем случае это атом, колеблющийся в узле кристаллической решетки) квантуется на порции, величина которых равна ∆W = hν, где h = 6,62• 10-27 эрг•с — так называемая постоянная Планка, а ν — частота, с которой маятник колеблется. Так как атомный маятник колеблется с огромной частотой ν ≈ 10^13 с-1, то ∆W ≈ 6•10-14 эрг. Величина ∆W оказывается очень малой, она, однако, при комнатной температуре (Т = 300 К) близка к kТ — полной энергии колеблющегося атома (kТ ≈ 4• 10-14 эрг), и поэтому квантовость поглощения энергии атомом не может не сказаться и на его «личных» характеристиках, и на характеристиках твердого тела, состоящего из совокупности атомов — квантовых маятников.

Последовательность значений энергии, которую может иметь атом, колеблющийся в узле кристаллической решетки, согласно Эйнштейну, образует «энергетическую лесенку». Ее ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии ∆W. Энергия обычного маятника (грузик на нитке!), разумеется, тоже обязана квантоваться. Однако, так как частота колебаний грузика на пружине исчезающе мала по сравнению с частотой квантового маятника, величина ∆W в первом случае оказывается очень малой. Вот конкретный пример: маятник с длиной нити l = 100 см и массой груза т = 10 г колеблется с амплитудой А ≈ 10 см. Его энергия оказывается W ≈ 5•10^4 эрг, а частота ν ≈ 5 • 10-1 с-1. Такой частоте соответствует энергия поглощаемого и испускаемого кванта

hν = 3•10-27 эрг. По сравнению с полной энергией маятника эта величина практически равна нулю, и, следовательно, можно считать, что классическая закономерность «чем — тем» между энергией и частотой практически не искажается.

Сказка о классическом и квантовом маятниках рассказывалась легко и быстро. Думаю только, что многие читатели не удовлетворились ею. У них обязательно должны возникнуть приблизительно следующие вопросы: почему вообще надо заводить разговор о квантовых маятниках, которые так необычно (быть может, лучше «непривычно») себя ведут, поглощая энергию порциями? Почему такие маятники должны существовать? Я понимаю потребность добросовестного читателя задать эти вопросы. К сожалению, однако, ответы на них не последуют, так как они — вопросы эти — из числа тех, которые не следует задавать! Так устроена природа, таковы ее законы, которым она — мудрая! — неукоснительно подчиняется. Здесь я огражу себя от возможных нареканий и перед словами «не следует» поставлю слово «пока»: пока не следует. Сегодня наука развивается, предполагая, что квантовость поглощения и излучения энергии — первооснова природы вещей.

В то время, когда Эйнштейн привнес в науку мысль о том, что твердое тело может поглощать энергию лишь определенными порциями, квантовая физика только рождалась, ее идеи были еще «вещью в себе», в них не очень верил даже М. Планк, предложивший идею квантования энергии. Шаг Эйнштейна был шагом революционным.

Физический смысл идеи Эйнштейна заключается вот в чем. При низкой температуре тепловая энергия, которая, как известно, пропорциональна температуре, может оказаться меньше той минимальной «квантовой» порции энергии, которую атому, колеблющемуся с частотой V, разрешено поглощать. Складывается ситуация, противоречащая здравому смыслу, воспитанному на классических закономерностях: мы добросовестно греем кристалл в обычной «классической» печи, а он, следуя квантовым законам, не должен поглощать тепло. Если бы все атомы имели абсолютно одинаковые судьбы, кристалл обнаружил бы нулевую теплоемкость до температуры T*, при которой kT* = ∆W. Это совсем не малая температура. Так как ∆W ≈ 6. 10-14 эрг, а

k = 1,38. 10-16 эрг/К, то оказывается, что Т* ≈ 400 К.

В действительности, однако, когда средняя тепловая энергия kT меньше квантовой порции энергии hν, некоторое малое количество атомов, вследствие случайного стечения обстоятельств, может иметь энергию, равную энергии одного кванта. С повышением температуры число таких атомов будет возрастать. Могут даже появиться атомы, энергия которых равна энергии двух и большего числа квантов. А это означает, что они (а с ними и кристалл) будут поглощать энергию и кристалл обнаружит ненулевую теплоемкость.

Здесь можно было бы привести расчет теплоемкости кристалла, основанный на описанной идее Эйнштейна. Не станем этого делать, обратим лишь внимание на физическое содержание результата расчета, естественно следующее из этой идеи. При низкой температуре (Т << Т*) с ее понижением теплоемкость падает по причине, нам уже известной: между величиной и нулевым значением энергии нет ступеней энергетической лестницы, а число атомов, имеющих энергию hν, убывает. А в области высоких температур (Т >> Т*) кристалл уже «забывает» об энергетической лестнице, так как ее шаг мал по сравнению с kT и она воспринимается не как лестница, а как гладкая наклонная плоскость. В силу вступает классическая закономерность «чем — тем», а с ней и закон Дюлонга и Пти.

Заслугу Эйнштейна переоценить трудно: он не только устранил кричащее противоречие между классическим представлением о теплоемкости твердых тел и результатами ее экспериментального исследования, не только внес очень существенную коррективу в классические представления о непременных признаках жизни кристалла. Он совершил нечто несравненно более значимое: привнес квантовые представления в теорию твердых тел.

Все сказанное Эйнштейном о теплоемкости твердых тел оказалось правдой, однако не вся правда была им сказана. Полученные Эйнштейном формулы, как выяснилось, качественно правильно отражали экспериментально найденные зависимости теплоемкости от температуры. А количественное совпадение теории с результатом эксперимента не достигалось. Его добился Петер Дебай через несколько лет после опубликования работы Эйнштейна.

Основную идею Эйнштейна Дебай сохранил. Он лишь дополнил ее предположением о том, что эйнштейновские «квантовые» маятники колеблются не независимо, они как бы связаны между собой, как, например, связаны отдельные пружины в матрасе: толкнешь любую из них, а колебаться начинают все.

Колебания сильно взаимодействующих атомов можно представить как совокупность слабо взаимодействующих волн, распространяющихся во всем объеме кристалла. «Волны» — в рассуждениях теоретиков шаг вперед по сравнению с представлением об отдельных атомах. Следующий шаг — переход от волн к частицам, точнее, к «квазичастицам». В основе этого перехода лежит идея (еще в середине 20-х годов сформулированная великим французским физиком Луи де Бройлем) о том, что каждой волне можно сопоставить частицу, энергия которой равна ε = hv = hυ/λ, где υ — скорость распространения волны, а λ — ее длина. Подчеркнем, что в интересующем нас случае речь, разумеется, идет не об истинной частице, а о некоторой фиктивной частице, которой предписана способность быть носительницей теплового возбуждения в кристалле.

В такой совокупности связанных маятников в процессе их колебаний будет распространяться множество волн различной длины. Дебай рассудил так: вместо того, чтобы описывать судьбу каждого из связанных маятников, проще проследить за распространяющимися волнами. А это можно сделать, сопоставив каждой волне, для которой характерна частота ν, некоторую фиктивную частицу, энергия которой hv. Эту не реальную, а «квазичастицу» физики называют фонон. Фотон — сгусток световой, а фонон — звуковой энергии, так как в твердом теле волна распространяется со скоростью звука. Фонон — квази, а не настоящая частица. Настоящую материализованную частицу можно было бы изъять из кристалла и поселить где-нибудь в ином месте, например в ином кристалле. А квазичастица существует лишь как возбуждение в твердом теле, а значит, удалить ее из кристалла нельзя. Она ведь не частица, она — придуманная теоретиком квазичастица. Она как бы не частица, а способ выражаться. Квазичастица — одно из фундаментальных представлений, лежащее в основе современной квантовой теории твердого тела. К образу квазичастицы физики-теоретики прибегают при описании практически всех свойств твердых тел: и тепловых, и электрических, и магнитных [1].

Вернемся, однако, к фононам. Так как в логике теоретиков фононы пришли на смену слабо взаимодействующим волнам, тепловую энергию кристалла можно считать суммой энергий отдельных фононов. Итак, у истока рассуждений — реальный кристалл, в конце рассуждений — газ свободных «квазичастиц». Это особый газ, существенно отличающийся от обычного классического газа. Дебай, создавая теорию газа, состоящего из фононов, учел температурную зависимость их свойств.

Задачу о теплоемкости твердого тела Дебай свел, таким образом, к задаче о теплоемкости совокупности квазичастиц — фононов.

Изложенные рассуждения от конечной формулы, определяющей теплоемкость кристалла, которую получит теоретик, отделены его вычислительным мастерством, умением пользоваться математикой для точной и строгой формулировки идей.

Филигранно выполнив вычислительную работу, Дебай, в согласии с опытом, показал, что если кристалл составлен из одинаковых атомов, то в области низких температур его теплоемкость с температурой изменяется по закону С ~ T^3. Заметьте: в согласии с опытом! А это значит, что картину теплового движения атомов в твердом теле, которая восходит еще к находке Дюлонга и Пти, он дорисовал правильно: атомы колеблются, каждый из них является квантовым маятником, маятники между собой связаны.

Здесь после слов «в согласии с опытом» можно бы поставить точку. Но рассказы о развивающейся науке обрывать точкой нужно очень осторожно. И поэтому в конце очерка обращу внимание читателя на следующее. Я рассказал о теплоемкости кристалла, состоящего из атомов, которые можно моделировать весомым шариком. Это — простейший случай. В металлах есть еще и свободные электроны — у них своя теплоемкость, подчиняющаяся иным, не «решеточным» законам, а в органических кристаллах в узлах сидят не атомы-шарики, а молекулы сложной формы, — у них свое отношение к теплу, заставляющему их не только колебаться вокруг положения равновесия, но и вибрировать, периодически меняя свою форму. Этот тип теплового движения, естественно, влияет на теплоемкость. А еще есть слоистые кристаллы, структура которых похожа на структуру колоды карт. В таких кристаллах атомы по-разному колеблются в плоскости слоя и в направлении, перпендикулярном ему. И это влияет на теплоемкость. О многом в очерке не рассказано. И все же рассказано, пожалуй, о самом главном, что составляет основу наших знаний, — о теплоемкости твердых тел. Или по-иному: о тепловом движении атомов в кристалле, об одном из основных признаков его жизни. В тексте очерка читатель не мог не ощутить подчеркнутой почтительности, обращенной к квантовой механике, которой оказалось под силу раскусить такой твердый орешек, как проблема теплоемкости твердого тела. Эта почтительность, конечно же, оправдана. Здесь, однако, есть место и почтительности, и, пожалуй, удивлению, обращенному к классической механике, той самой, которая с равным успехом описывает и движение планет во Вселенной, и движение атомов з кристалле. Пусть не во всем интервале температур, а только там, где справедливым оказывается закон Дюлонга и Пти. Все равно, удивительна и мощь, и общность классической механики.

Несколько фраз, завершающих очерк. Они были написаны после того, когда мой товарищ, заведомо доброжелательный читатель рукописи, сказал мне:

— Две теории, конечно, существуют, это ты заметил тонко, но только Эйнштейн и Дебай велики по-разному. Я бы на твоем месте это подчеркнул.

Правильный совет, подчеркиваю: Дебай, один из выдающихся физиков XX века, существенно уточнил теорию теплоемкости, созданную Эйнштейном, оказав этим огромную услугу физике твердого тела. А Эйнштейн — это Эйнштейн. Он не «один из», он гений, оказавший существенное влияние на развитие мировой цивилизации. Теплоемкостью твердого тела он тоже занимался...

НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Вначале о термине «нулевые колебания». Речь идет о тех колебаниях атомов кристаллической решетки, которые происходят и тогда, когда температура кристалла становится равной нулю. Они происходят и при иной, более высокой температуре, одновременно с обычными, классическими колебаниями, которые при нулевой температуре должны замереть. Классические замирают, а нулевые, или квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре! Они неуничтожаемы! Они — непременный признак жизни кристалла.

Если читателю совершенно неизвестны элементарные квантовые представления, буду его просить на начальном этапе наших рассуждений просто поверить мне, а я буду добросовестным и злоупотреблять доверием не стану. Впрочем, в очерке о теории Эйнштейна и Дебая я уже молчаливо пользовался доверием читателя, обсуждая свойства квантового маятника.

Здесь мне надо воспользоваться законом, который в конце 20-х годов сформулировал один из создателей квантовой механики немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот закон часто называют «принципом неопределенности». Речь идет вот о чем. Согласно принципу неопределенности для какой-либо частицы нельзя одновременно абсолютно точно определить координату х и импульс рх , направленный вдоль оси х. И та, и другая величины могут быть найдены с некоторой неточностью, при этом произведение этих неточностей обязательно превосходит величину постоянной Планка h, деленную на 2π:

∆x . ∆рх ≥ h/2π = ђ

Откуда следует это утверждение? Оно — изначальный, фундаментальный закон природы, которая устроена так, а не иначе. Оно, говоря философскими терминами, отражение объективной реальности. Вопрос «откуда» в данном случае задавать не следует, как не следовало спрашивать, почему энергия маятника квантуется. Впрочем, и принцип неопределенности, и квантование энергии маятника — это две стороны одного и того же закона природы. И Планк, и Эйнштейн, и Гейзенберг потому и велики, что сумели, наблюдая природу, подсмотреть или выпытать у нее фундаментальные законы, которые природа соблюдает. Или, быть может, догадаться о них, почувствовать, что они должны существовать.

То обстоятельство, что импульс атома в узле кристаллической решетки, т. е. в той позиции, где в соответствии со структурой кристалла атом расположен, не может быть равен нулю (потому что нуль — величина точная, а импульс может определяться с некоторой неточностью!), означает, что атом должен двигаться, а так как факт существования кристалла означает, что атом должен находиться неподалеку от узла решетки и, следовательно, ему не позволено смещаться на неограниченные расстояния, то его движение должно быть колебательным.

Итак, один из непременных признаков жизни кристалла — нулевые колебания составляющих его атомов. Нам, живущим в мире «нормальных условий» и «классических» проявлений законов природы, легко воспринять факт существования тепловых колебаний: более высокая температура — колебания активнее, при определенной температуре колебания могут стать настолько активными, что кристалл будет вынужден расплавиться. Тепловые колебания — еще со школьных лет явление настолько привычное, что кажется понятным и тогда, когда истинного понимания нет. Привычное, как правило, не вызывает вопросов, а, следовательно, молчаливо предполагается понятным. А вот нулевые колебания — за пределами привычного. Приблизимся к ним, попытаемся освоиться с ними, оценить величины, которые характеризуют этот вид колебаний.

Вначале о частоте нулевых колебаний. Здесь все ясно: она та же, что и при тепловых колебаниях. Иной она быть не может, так как вне зависимости от причины, вызывающей колебания, атом колеблется в определенной среде, обладающей определенными свойствами. Характеристики среды и атома и определяют частоту его колебаний. Эту частоту легко вычислить, так как ранее мы уже находили τ_0:

ν_0= 1/τ_0 ≈ (аЕ/т)1/2.

Теперь об энергии нулевых колебаний Wн. Как следует из квантовой механики (поверьте!),

Wн = hν_0/2.

Видимо, читатель хочет спросить: где источник этой энергии нулевых колебаний, которые существуют всегда, пока кристалл есть кристалл, за счет какого горючего она сохраняется? Сегодня не следует этого спрашивать! Нет такого горючего! Эта энергия — необходимое условие существования вещества, ее нельзя позаимствовать у данного вещества и перенести в другое. Философ, со свойственной ему склонностью к трудным словам, сказал бы так: она — непременный атрибут материи, она — форма существования материи, она существует, поскольку существует материя. Мы уже не первый раз встречаемся с тем, что не любая фраза, завершающаяся вопросительным знаком, формулирует вопрос, на который можно и нужно отвечать. Вот так! А вот вопрос о том, велика или мала величина энергии Wн (разумеется, по сравнению с какой-либо иной характерной энергией кристалла), — это вопрос! Его следует задать, и на него следует ответить.

Для различных кристаллов величина энергии нулевых колебаний, естественно, оказывается различной в меру отличия величины ν_0. Изменяется она, однако, в не очень широком интервале значений. Например, для кристалла водорода, который плавится при Т = 14 К, энергия Wн ≈ 10-14 эрг, а для кристалла золота, который плавится при температуре почти в сто раз более высокой (Т = 1336 К), энергия

Wн ≈ 3,5• 10-14 эрг. Обладая близкими энергиями нулевых колебаний, эти кристаллы очень существенно отличаются своими характеристиками, например энергиями связи между атомами. Эти энергии известны: Wн_2 ≈ 10-14 эрг, WAu ≈ 10-12 эрг. Если сравнить энергии нулевых колебаний с энергиями связи, то окажется, что в случае золота энергия нулевых колебаний составляет всего около трех процентов от энергии связи, а в случае водорода они очень близки. Так как энергия нулевых колебаний от температуры не зависит, а энергия тепловых колебаний с температурой возрастает, то должна существовать некоторая граничная температура ТГ, ниже которой главенствуют нулевые, а выше — тепловые колебания. Величина этой температуры может быть определена из условия

Wн = kТГ, т. е. ТГ = Wн /k. Легко вычислить, что ТГн_2 = 73 К, а ТГAu = 255 К. Кристалл водорода раньше расплавится, чем перейдет в область температур, где главенствуют тепловые колебания, а кристалл золота уже при комнатной температуре, которая ниже температуры его плавления больше, чем на тысячу градусов, окажется во власти главным образом тепловых колебаний.

Если руководствоваться самыми общими соображениями, естественно предположить, что свойства кристалла должны существенно зависеть от соотношения между двумя его характерными энергиями: нулевой и энергией связи. Верное предположение, мы будем иметь случай убедиться в этом.

Об амплитуде нулевых колебаний. Ее легко можно оценить, воспользовавшись уже известным нам соотношением, которое описывает принцип неопределенности. Неопределенности в координате ∆х придадим смысл амплитуды нулевых колебаний Aн, а неопределенность в импульсе ∆рх близка к среднему значению импульса частицы рх, который связан с кинетической энергией нулевых колебаний: Wн = рх^2/2т. Таким образом,

рх = (2тWн )1/2

Вот теперь соотношение неопределенностей можно переписать в виде

Aн =ђ / (2тWн )1/2

Из полученной формулы следует, что чем легче атомы, из которых состоит кристалл, тем больше амплитуда их нулевых колебаний. Масса атома водорода mн_2 = 1,6 •10-24 г. При такой массе и известной нам энергии нулевых колебаний их амплитуда оказывается близкой к межатомному расстоянию в кристалле водорода. А вот масса атома золота велика, mAu = 3 •10-22 г, и амплитуда нулевых колебаний в кристалле золота составляет всего около двух процентов от межатомного расстояния.

Рассуждая о нулевых колебаниях, физики часто пользуются величиной так называемого параметра де Бура. Им определяется отношение амплитуды нулевых колебаний к межатомному расстоянию:

Для подавляющего большинства веществ параметр де Бура мал, значительно меньше единицы. Существуют, однако, и такие, для которых он близок к единице и даже превосходит ее. К примеру, у изотопов гелия, атомы которых очень легки (≈ 5 • 10-24 г), оказывается Λ ≈ 3!

Когда параметр де Бура существенно превосходит единицу, это означает, что вещество ни при какой температуре не может существовать в кристаллической фазе, если искусственно (приложением внешнего давления) не уменьшить амплитуду нулевых колебаний и таким образом уменьшить Λ до значений порядка единицы и менее. Таким веществом, как известно, является гелий, который в обычных условиях остается жидким при сколь угодно низких температурах. Закристаллизовать его можно, лишь приложив давление. Небольшое, около 25 атмосфер. Естественно, может возникнуть вопрос, почему этим свойством не обладает водород, который, как известно, легче гелия. Дело в том, что параметр де Бура определяется не только массой атомов, но и энергией взаимодействия между ними. В случае водорода эта энергия больше, чем в случае гелия, и в этом причина того, что водород отвердевает, а гелий нет!

Мой рассказ об одном из непременных признаков жизни кристалла — о нулевых колебаниях — с самого начала основан на доверии читателя.

Доверием я не злоупотребил. Нулевые колебания себя обнаруживают во многих физических явлениях, главным образом в так называемых «квантовых кристаллах», у которых амплитуда нулевых колебаний велика, параметр Λ достигает значений, превосходящих единицу. Это — кристаллы, для которых характерна малая энергия связи, и существуют они в области низких температур (ожиженные и закристаллизованные идеальные газы и др.). Благодаря активным нулевым колебаниям, эти кристаллы обладают аномальными механическими свойствами. А недавно физики обнаружили, что в кристаллах изотопов гелия вблизи 0 К происходит так называемая «квантовая диффузия», при которой коэффициент диффузии растет с понижением температуры. Удивительно? Удивительно, но факт!

ЕСТЬ ЛИ ПРОК В БЕСПОРЯДКЕ?

В шуточных стихах поэт четко выразил общепринятое отношение к интересующей нас проблеме «порядок — беспорядок»:

Порядок стихотворных строк

Люблю в своей тетрадке.

Я лишь в порядке вижу прок,

Не вижу — в беспорядке.

Так вот, с точки зрения кристалла поэт не прав, кристалл «видит» прок в беспорядке. Ему необходимы и порядок, и беспорядок одновременно. Утверждение немного курьезно, оно, однако, ничуть не искажает реальную ситуацию. Быть может, его следует лишь немного уточнить: кристаллу, который является воплощением и торжеством порядка, необходима некоторая доля беспорядка в расположении атомов. Беспорядок может проявлять себя в различных признаках, быть представленным в различной степени, — но обязан быть! — и, как выясняется, степень беспорядка с ростом температуры должна увеличиваться. Беспорядок — непременный признак жизни кристалла, а следовательно, прок в нем есть!

Вначале о происхождении порядка в кристалле, которое проще осмыслить, если предположить температуру кристалла равной нулю и мысленно избавиться от всяких признаков беспорядка. Упорядоченное расположение атомов в кристалле есть непосредственное следствие фундаментального закона природы: устойчивыми оказываются такие состояния, при которых энергия системы минимальна. В нашем случае «система» — это кристалл, а энергия — это сумма энергий взаимодействия между всеми парами атомов, составляющих кристалл. Среди прочих значений минимальная энергия выделена своей величиной, и среди прочих возможных расположений атомов ей должно соответствовать некоторое выделенное, т. е. упорядоченное, расположение атомов. Среди необозримого числа неупорядоченных расположений оно тем-то и выделено, что отличается порядком в расположении атомов. Какому расположению будет соответствовать порядок — неважно, а важно лишь то, что порядок! Не хаос, а порядок!

Изложенное немного туманное рассуждение можно прояснить, обсудив элементарную задачу о расположении атомов в кристалле, состоящем всего из трех одиночных атомов, находящихся на одной прямой и скрепленных одинаковыми пружинками. Этакая предельно упрощенная модель одномерного кристалла. Оказывается, что если первый и третий атомы закрепить, то пружинки, с помощью которых эти атомы взаимодействуют со вторым, будут обладать минимальной энергией в случае, когда второй атом расположен посредине между первым и третьим. Избранная упорядоченная структура, когда расстояние l1,2 равно расстоянию l2,3, оказывается выгоднее любой «неупорядоченной», когда l1,2 и l2,3 не равны.

Решение этой задачи почти самоочевидно: сместить в одном и другом направлении второй атом из среднего положения, когда l1,2 = l2,3 — это значит растянуть одну пружинку и сжать другую. При этом энергия, запасенная в каждой из пружинок, возрастает, а это и означает, что расположение, соответствующее минимуму энергии, должно быть упорядоченным (l1,2 = l2,3!).

Теперь о происхождении беспорядка.

Вначале, не уточняя структуру очага беспорядка, можно утверждать: его появление обусловлено тем, что с повышением температуры увеличивается энергия теплового движения атомов, оно становится более активным и в разных участках кристалла нарушается идеальный порядок в расположении атомов. Казалось бы, ну и пусть себе движение становится более активным, а центры, вокруг которых происходят тепловые колебания атомов или ионов, могли бы оставаться на месте и порядок оставался бы порядком. Такое пожелание вроде бы ничему не противоречит, а, исполнись оно, порядок, как в стихотворных строках, на радость поэту, сохранился бы.

Наше интуитивное желание видеть в кристалле идеальный порядок, оказывается, противоречит законам природы. Не уверен, надо ли говорить «к сожалению», но противоречит. Дело здесь вот в чем. Для возникновения очага беспорядка — например, атом покинул свое законное место, которое он занимал в узле решетки, и перескочил в зазор между узлами, в междоузлие, — необходима некоторая энергия. В области будущего очага беспорядка она, заимствованная из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения, может появиться случайно. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайное стечение обстоятельств может привести к такому перераспределению энергии их тепловых колебаний, при котором в области будущего очага беспорядка появится энергия, достаточная для рождения очага. Говорят так: появилась необходимая энергетическая флуктуация. С ростом температуры, когда активность теплового движения возрастает, должна возрастать и частота флуктуаций энергии, достаточной для возникновения очагов беспорядка, и, следовательно, концентрация очагов также должна расти.

Здесь необходимо подчеркнуть, что флуктуация в кристалле — эффект, как говорят, коллективный, в нем участвует группа атомов, а не только тот единственный, который, например, оказался выброшенным из узла в междоузлие. Просто именно он попал в область пика флуктуаций, а мог бы попасть и любой иной из коллектива атомов, оказавшихся в очаге флуктуаций.

Итак, и флуктуации энергии, и очаги беспорядка возникают самопроизвольно. Это, однако, не означает, что появление очагов беспорядка в кристалле сопровождается увеличением его энергии, ее удалением от требующегося термодинамикой минимума. Дело здесь вот в чем. Для того чтобы при повышенной температуре поддерживать в кристалле идеальный порядок (все атомы в узлах, все узлы заняты атомами!), надо было бы энергию тратить на то, чтобы гасить самопроизвольно возникающие энергетические флуктуации. Так вот, эта энергия, привнесенная в кристалл извне, делала бы его энергию заведомо неминимальной. А это и значит, что очаги беспорядка возникать будут просто потому, что не возникать они не могут. Они — условие существования кристалла при температуре, отличной от нуля. Они — непременный признак жизни кристалла.

Прочел написанное о термодинамической оправданности беспорядка и почувствовал, что, видимо, читателю нужны дополнительные разъяснения и примеры.

Примеры в научных доказательствах — вещь очень деликатная. Как известно, пример, согласующийся с утверждением, имеет силу лишь иллюстрации, а доказательной силы — никакой, а пример, противоречащий утверждению, имеет доказательную силу: он свидетельствует о том, что утверждение неверно. Скажем, полная корзина красных помидоров фактом своего существования не противоречит утверждению, «все помидоры красные», но и не доказывает его. А один зеленый помидор это утверждение начисто опровергает. И все же я приведу пример в надежде, что он поможет (!) читателю освоиться с мыслью о термодинамической оправданности беспорядка. Если средняя кинетическая энергия одной молекулы в идеальном газе kT/2, то п молекул имеют энергию пkT/2. Эта энергия не изменится, если объем газа увеличится, и, казалось бы, нет оправдания стремлению газа расширяться в пустоту. А между тем газ это самопроизвольно делает при первой же возможности. А оправдание есть и состоит оно в том, что, заняв большой объем, газ окажется в состоянии с большей степенью беспорядка, чем в малом объеме. И самопроизвольное возникновение беспорядка в кристалле, и самопроизвольное расширение газа в пустоту — следствия одной и той же термодинамически оправданной тенденции. Напомню: рассказанное — не доказательство, а всего лишь пример!

Коротко о структуре очагов беспорядка. Главным образом с точки зрения «прока» от них. В этом случае лучше вообще говорить не о структуре, а о величине энергетической флуктуации, необходимой для появления очага данного типа. Очевидно следующее: чем больше нарушение идеальной структуры кристалла в очаге, тем большая нужна флуктуация энергии и тем меньше таких очагов появится при данной температуре. Поэтому очаги значительного беспорядка (поры, трещины, границы) в кристалле самопроизвольно появляться не будут. В энергетических единицах они стоят дорог о и кристаллу противопоказаны, прока от них нет, одни расходы. А вот мелкие очаги беспорядка (лишний атом в междоузлии или вакантная позиция в узле решетки) в кристалле будут: стоят они недорого, а без очагов беспорядка, как мы выяснили, кристалл существовать не может.

Итак, в беспорядке есть прок! Однако прок проком, но должен все-таки существовать естественный предел этому беспорядку, иначе кристалл — образование упорядоченное — потеряет смысл, а с ним и право на существование.

Обсудим меру необходимого кристаллу беспорядка, избрав в качестве примера очага беспорядка в кристалле узел, не замещенный атомом, т. е. вакансию. Обсудим — значит попытаемся выяснить, сколько вакансий должно быть в кристалле при данной температуре, чтобы удовлетворить его потребность в «вакансионном беспорядке».

Вопрос надо уточнить, так как и крупинка в солонке — кристалл, и глыба каменной соли — кристалл. И поэтому следует говорить не о количестве вакансий; а об их концентрации, т. е. об отношении числа вакантных узлов nυ к числу всех узлов кристаллической решетки N_0:

сυ = nυ /N_0

Так как вакансия возникает вслед за появлением достаточной флуктуации энергии, у читателя может возникнуть опасение, что число вакансий все время будет возрастать — благо источники пустоты неисчерпаемы! Этого не произойдет, так как все те вакансии, без которых кристалл может обойтись, родившись, исчезнут! Сочтем,

что на вопросы «как?» и «куда исчезнут!׳» здесь отвечать не обязательно. Здесь важно лишь, что в сложное переплетении процессов рождения и исчезновения вакансий при данной температуре в кристалле автоматически поддерживается строго определенная, необходимая ему их концентрация. Именуют ее равновесной. С ростом температуры равновесная концентрация вакансий будет возрастать. Это совершенно подобно тому, что происходит в объеме под колпаком, где стоит открытый сосуд с водой. С поверхности воды некоторые молекулы испаряются, а иные конденсируются на нее, но при каждой данной температуре давление водяного пара под колпаком вполне определенное. Если считать, что образование одной вакансии предполагает необходимость во флуктуации энергии величины Uυ и если воспользоваться известным в физике законом (он называется экспоненциальным), который утверждает, что вероятность флуктуации энергии определенной величины U равна е-U/kT, то концентрация вакансий определится формулой

cυ= е-Uυ/kT.

Для примера оценим значения cυ в золоте при двух температурах: комнатной (Т = 300 К) и температуре плавления (Т = 1336 К). Энергия образования вакансии в золоте Uυ = 1,6• 1 0-12 эрг. Помня, что константа Больцмана к = 1,38•10-16 эрг/К, легко получить интересующие нас величины: при комнатной температуре одна вакансия приходится на 10^15 атомов, а при температуре плавления одна вакансия — на 10^4 атомов. Кристалл, как выясняется, довольствуется малым числом вакансий, но отказаться от них и не может, и не имеет нрава!

С температурой нарастающей по экспоненциальному закону беспорядок в кристалле приводит к тому, что многие его характеристики изменяются, подчиняясь этому же закону. Это относится к коэффициенту диффузии, определяющему подвижность атомов в кристаллах, к упругости пара, которая зависит от вероятности отрыва атома от поверхности кристалла, а в ионных кристаллах и к коэффициенту электропроводности, которая, как известно, осуществляется диффузионным механизмом, и ко многому другому. Мне кажется, что происходящее с кристаллом при повышении температуры можно определить так: он экспоненциально оживает. Определение, разумеется, не строгое, но правильно передающее существо происходящего.

ПАРА ФРЕНКЕЛЯ

Знаменитый английский физик-теоретик, шестой из славной плеяды кавендишских профессоров и Нобелевский лауреат Невилл Мотт в своих сердечных воспоминаниях о Якове Ильиче Френкеле говорит о том, что любой английский студент-физик знает о «паре Френкеля» и что так будет всегда, до тех пор, пока люди будут интересоваться физикой.

Я хочу проследить историю возникновения идеи о «паре», проследить судьбу этой идеи от ее рождения до того времени, когда она овладела сознанием всех, изучающих реальный кристалл, и вместе с читателем подумать над тем, как через четверть века после рождения она обрела вторую молодость. Пользуясь терминологией спортсменов — обрела второе дыхание. История «пары Френкеля» — поучительная история, она заслуживает пристального внимания.

В конце 10-х годов нынешнего века Абрам Федорович Иоффе изучал процессы в ионном кристалле, к которому извне приложена разность потенциалов. Обнаруженные им явления выглядели неожиданно. Во-первых, оказалось, что сквозь кристаллы течет ток. Точнее говоря, не ток, а два тока: ток положительных зарядов к катоду и ток отрицательных зарядов к аноду. Во-вторых, выяснилось, что при неизменной разности потенциалов с повышением температуры величины обоих токов растут.

Следовало удивляться и одному, и другому результату. К тому времени, когда Иоффе экспериментировал, уже было известно, что ионный кристалл состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов, из катионов и анионов, которые образуют две сосуществующие подрешетки. В этих подрешетках каждый из ионов приписан к определенному узлу. Молчаливо предполагалось, что приписан навечно: анион, окруженный катионами, катион — анионами.

А если так, то как могут возникнуть токи? Кто переносит заряды? Ионы? Но им двигаться запрещено. И не словесно, а структурой кристалла. Фактом приписки навечно к определенному узлу решетки. В такой ситуации, когда непонятно, как и кем переносятся заряды, вряд ли стоит обсуждать, почему ток увеличивается с температурой.

Для объяснения результатов опытов возникла рабочая гипотеза, которой суждено было стать одной из фундаментальных идей физики реального кристалла. Я. И. Френкель эту гипотезу теоретически развил. В те годы Френкель был совсем молодым человеком и ему были свойственны независимость и революционность мышления, которые приличествуют талантливой молодости. Впрочем, свой огромный творческий потенциал Я. И. Френкель сохранил до конца своей, к несчастью, короткой жизни.

Рассуждал он примерно так. Ион, находящийся на поверхности кристалла, может, случайно оторвавшись от него, покинув узел, в котором находился, уйти в паровую фазу. Для этого случайного события нужно, чтобы тот ион, которому надлежит совершить героический поступок — оторваться от соседей и покинуть узел, — обрел необходимую для этого энергию. Почему, собственно, рассуждал Френкель, атом может испаряться лишь с поверхности кристалла в окружающую пустоту? Вообще говоря, не существует никаких принципиальных запретов, в силу которых атом не может из объема кристалла испариться... в объем кристалла. Точнее говоря, покинуть узел в объеме кристалла и перейти в межузельное пространство. Быть может, этот поступок требует даже меньшего героизма, количественной мерой которого является необходимая для этого энергия, чем испарение с поверхности в пустоту? Если атом покинет узел, перейдя в межузельное пространство, а затем, совершив несколько случайных скачков из междоузлия в междоузлие, уйдет прочь от своего узла, то в результате возникнут одновременно два дефекта: вакантный узел и атом в междоузлии, где ему быть не положено. Эти два дефекта, родившиеся одновременно в одном акте «испарения атома в кристалл», и обрели название «пары Френкеля».

Вот теперь качественно объяснить результаты опытов Иоффе — сущий пустяк. Обе компоненты «пары Френкеля» — и межузельный ион, и вакансия — заряжены и под действием электрического поля направленно могут перемещаться по решетке, а значит, и переносить заряд.

Ион, несущий заряд, — это не вызывает вопросов. А вот «заряженная вакансия» — это следует пояснить! Если иметь в виду величину и знак заряда, то речь идет о том, что уход иона из узла вместе со своим зарядом можно представить как приход в опустевший узел заряда, равного по величине и обратного по знаку заряду ушедшего иона. Ушел катион — осталась отрицательно заряженная вакансия, ушел анион — осталась положительно заряженная вакансия.

Межузельный атом перемещается легко, так как рядом с тем междоузлием, в котором он находится в данный момент, всегда имеются иные междоузлия, в которые он может перепрыгнуть. А вакансия может перемещаться потому, что находящийся вблизи нее ион может «впрыгнуть» в нее, а это значит, что вакантной окажется та позиция, где раньше находился этот ион. В этом процессе вакансия перемещается на одно межатомное расстояние.

Итак, благодаря представлению о «паре Френкеля» можно понять, почему под влиянием внешнего поля в ионном кристалле текут токи. Очень естественно объясняется и рост тока с температурой. Как и упругость пара, концентрация «пар Френкеля» с температурой растет по экспоненциальному закону, по этому же закону растет концентрация носителей тока, а значит, и его величина.

Представления о «парах» Яков Ильич облек в математическую форму, вычислив концентрацию «пар». Его расчет не сложен. Результат расчета прост, физически ясен, его можно понять, минуя математику. Как мы уже знаем, какое-то количество «пар» обязательно должно в кристалле присутствовать, так как их появление есть следствие флуктуаций энергии, а флуктуации — это то, что не происходить не может. В этом смысле «пары» будто и не дефект, так как существовать без них кристалл не может. Термодинамика, требующая появления флуктуаций, делает «пары» жизненно необходимыми кристаллу.

До сих пор мой рассказ похож на сказку со счастливым концом: есть загадочное явление, есть счастливая догадка, объясняющая явление. Экспериментатор открыл, теоретик предложил качественное объяснение — конец счастливый! Все было бы так, если бы не одно обстоятельство, если бы не малая малость: в тех кристаллах, с которыми экспериментировал Иоффе, ...«пары Френкеля» практически не могут возникать потому, что переход из узла в междоузлие требует непомерно большой энергетической флуктуации: ион велик, а междоузлие мало, и «втиснуться» в междоузлие — это значит сильно потеснить атомы, находящиеся в непосредственном соседстве с данным междоузлием. А для этого нужна большая энергия. Во всяком случае именно так дело обстоит в таких кристаллах, как NaCl, КCl и др. Разве только в кристаллах AgCl дело обстоит по-иному, так как ион серебра значительно меньше иона хлора и ему в междоузлии, образованном ионами хлора, будет не тесно.

Сделанным замечанием, разумеется, идея Френкеля не порочится, потому что замечание носит характер не принципиальный, а только количественный: потребная флуктуация энергии велика, и поэтому образование «пары» маловероятно.

В те годы, когда френкелевская идея только появилась, ясного понимания ее неприменимости к объяснению опытов Иоффе не было. Конец рассказанной мной истории тогда казался истинно счастливым. Иллюзорность согласия теории и эксперимента выяснилась позже, но большое событие в истории науки произошло, «пары Френкеля» родились, идея дефектов, существование которых предсказывает термодинамика, появилась и прочно вошла в ткань науки о кристаллах, повлияв на развитие многих ее разделов.

Опыты Иоффе количественно были объяснены немного позже. Для этого была использована идея, лишь чуть-чуть отличающаяся от той, из которой следуют «пары». О ней я рассказывать не стану. Здесь мне, однако, хочется высказать почти самоочевидную сентенцию: внутренне непротиворечивая, глубоко физическая идея может оказаться жизнеспособной и значащей и тогда, когда она оказывается бессильной объяснить факты, для объяснения которых была рождена.

В заключение очерка несколько фраз о «втором дыхании идеи». Когда физики и инженеры начали активно заниматься исследованиями последствий взаимодействия ядерных излучений с веществом — это было в конце 40-х — начале 50-х годов, — идея «пары» привлекла их пристальное внимание. Как выяснилось, под влиянием облучения атом может покинуть узел принудительно, не ожидая необходимой для этого энергии, которая ему может быть доставлена волей случая. Атом выбивается из узла и застревает в одном из ближайших междоузлий — образуется «пара».

В этом радиационном варианте «пара Френкеля» — один из основных типов дефектов, которые возникают в кристаллах при их облучении протонами, нейтронами, γ-квантами и др. Именно в радиационном варианте «пара Френкеля» обрела второе дыхание.

ЗАМОРОЖЕННАЯ ПУСТОТА

Идея заморозить пустоту возникла задолго до того, как о ней стали писать в научных журналах и докладывать на научных конференциях.

Ссылки на «частное сообщение» особой доказательностью не отличаются. Но в данном случае иной ссылки быть не может, и, рассказывая о том, как родилась идея «заморозить пустоту», я могу сослаться лишь на «частное сообщение».

Борис Георгиевич Лазарев — крупный специалист в области физики низких температур, один из поколения физиков, начинавших свою деятельность в «школе Иоффе», — мне рассказывал о том, что Яков Ильич Френкель советовал ему «заморозить пустоту» еще в середине 30-х годов, т. е. почти за двадцать лет до того, как Б. Г. Лазарев одним из первых эту идею осуществил.

Речь идет вот о чем. При высокой температуре в кристаллической решетке концентрация вакансий — «атомов пустоты» — велика. Впрочем, лучше выразиться точнее: «велика» — значит всего около сотой процента

позиций в решетке вакантны. Если температуру понижать, то и концентрация вакансий должна понизиться. Важно, с какой скоростью будет происходить понижение температуры и уменьшение концентрации вакансий. Если температуру понижать медленно, вопрос не возникает: концентрация вакансий будет в точности соответствовать равновесной при данной температуре образца.

В принципе мыслимо (видимо, так рассуждал Я. И. Френкель) температуру понижать с такой скоростью, что вакансии, которые при понижении температуры оказываются лишними и которым надлежит как-то уходить из кристаллической решетки, не будут успевать это делать. У вакансий есть много способов исчезнуть, уйти из кристаллической решетки. Не будем их обсуждать, нам вполне достаточно знать, что как-то вакансии могут уйти. А при низких температурах, когда диффузионная подвижность вакансий пренебрежимо мала, они практически вообще этого делать не будут. Это значит, что вакансии, т. е. атомы пустоты, окажутся замороженными. Именно это и имеется в виду, когда говорят «замороженная пустота». Так можно заморозить песчинки в быстро охлаждаемой воде, в которой взмучен песок. Если бы вода остывала медленно, песок успел бы осесть на дно.

Замороженные вакансии должны увеличить омическое сопротивление металлического кристалла на некоторую величину ∆R. Так как каждая из них является центром, рассеивающим электроны, то

∆R ≈ cv = e-UvlkT.

Измеряя сопротивление в образцах, закаленных от разных температур, точнее — величину прироста сопротивления, можно получить сведения о равновесной концентрации вакансий при этих температурах. Очень заманчивая возможность!

Логика теоретика как будто внутренне непротиворечива, пустоту заморозить можно. В этом, однако, очень многие сомневались и тогда, когда идея жила как таковая, и даже тогда, когда появились результаты первых опытов, свидетельствовавшие о ее состоятельности.

Возражавшие против принципиальной возможности заморозить пустоту говорили, что, как бы скоро экспериментатор ни охлаждал образец (а делать это с бесконечной скоростью он принципиально не может), вакансии все равно будут успевать уходить из решетки. Куда? Куда-нибудь, где найдется для них пристанище: в пору, в трещину, в дислокацию, на поверхность образца. Именно куда-нибудь, только бы не оставаться в растворе, где она лишняя, «избыточная». Не закалится! Уйдет!

Вначале расскажу о том, как были поставлены опыты по закалке вакансий, а потом попробуем построить элементарную теорию «замораживания пустоты».

Опыты были поставлены очень просто. Я имею в виду замысел опытов, а не их осуществление. Предварительно тщательно отожженные током проволочки металлов — золото, платина и др. — помещали в ванну с холодной жидкостью, током нагревали проволочку до определенной температуры, после чего выключали ток. Проволочка с большой скоростью охлаждалась. О том, что в ней сохранились замороженные вакансии, судили на основании измерения омического сопротивления. Оно оказывалось тем более высоким, чем до более высокой температуры была током нагрета проволочка, т. е. чем большее число вакансий было заморожено.

Такие опыты были поставлены в нескольких лабораториях мира, и результат опытов оказался одним и тем же, никак не зависящим от географического положения лаборатории: пустота везде замораживалась.

Теперь попытаемся построить элементарную теорию явления. Настолько элементарную, что даже и теорией ее называть не следует. Так, приближенные оценки, годные лишь для того, чтобы почувствовать величины, которые определяют явление.

Допустим, что стоки вакансий в образце в среднем отстоят друг от друга на расстоянии ≈ 10-4 см. Почему 10-4 см? Просто потому, что для реальных кристаллов это разумная величина. Здесь пусть читатель автору поверит. Допустим также, что металлическая проволока, нагретая до предплавильной температуры, охлаждается со скоростью υ = 10^3 °С/с. Скорость разумная, приблизительно такие скорости экспериментаторами осуществлялись в опытах по замораживанию вакансий. Вот теперь обсудим, какой путь успевают пройти вакансии за время остывания образца на ∆Т градусов при предплавильной температуре и при температуре, существенно более низкой. Так как остывание на ∆Т градусов происходит за время τ = ∆Т/υ , то, очевидно, за это время вакансия успеет пройти путь, определяемый формулой

l ≈ (Dυτ)1/2 = (Dυ.∆T/υ)1/2

Пусть и здесь читатель мне поверит, что я пользуюсь правильной формулой. На с. 56 (всего через 5 страниц) я эту формулу докажу и оправдаю доверие читателя.

Предположим, что в интервале в один градус коэффициент диффузии вакансий остается неизменным. Для определенности будем считать, что эксперимент ставится с проволоками золота, у которого при температуре плавления Т = 1063 °С Dυ= 10-5 см^2/с, а при Т = 700 °С Dυ= 10-9 см^2/с. Предположим также, что ∆Т ≈ 1 °С. Так вот, если охлаждать, начиная с температуры плавления, то за время остывания на 1 °С вакансии пройдут путь ≈ 10-4 см, а это значит, что некоторая их часть, и, быть может, немалая часть, успеет достичь стоков и исчезнуть в них. Часть, но не все! Оппоненты идеи торжествуют: вакансии исчезают прежде, чем экспериментатор успевает их заморозить. А вот за время остывания на 1 °С, начиная с температуры 700 °С, вакансии успевают пройти путь в 10-6 см. По сравнению с расстоянием между стоками 10-4 cм прохождение такого малого пути равносильно стоянию на месте. Читателю теперь легко понять, что при данной скорости охлаждения «замораживание» пустоты будет происходить, начиная с некоторой температуры, до которой образец успел остыть. И чем более высока скорость охлаждения, тем меньше та высокотемпературная область, где оппоненты идеи оказываются частично правы, так как некоторые вакансии действительно успевают достигать стоков.

Обо всех описанных явлениях можно судить, измеряя ∆R в зависимости от той температуры, начиная с которой была произведена закалка проволоки.

Для чего физикам понадобились эти трудные опыты по замораживанию вакансий и борьба за признание их результатов? Для многого! О возможности определить концентрацию вакансий я уже упоминал. Но, кроме того, опыты по замораживанию вакансий — великолепный источник сведений о том, с какой скоростью при различных температурах они перемещаются. И о том, как густо в кристалле расположены стоки вакансий, и о том, как различные стоки поглощают вакансии, и о том, как разбухает металл под влиянием замороженной пустоты, и о том, как ведут себя вакансии в механизме электропроводности металла, как электрон рассеивается на вакансии... Цели, вполне достойные того, чтобы трудоемкие опыты по замораживанию пустоты проводились и совершенствовались.

ОБЫЧНАЯ КЛАССИЧЕСКАЯ САМОДИФФУЗИЯ

Я хочу рассказать о том непременном признаке жизни кристалла, который можно охарактеризовать так: «охота к перемене мест». Поэт считает, что применительно к людям это «весьма мучительное свойство». Кристалл мук не испытывает, но составляющие его атомы все же периодически меняют места временной оседлости, попросту говоря, блуждают по решетке. Не только колеблются вокруг положений равновесия, но и меняют эти положения.

Такое блуждание — самодиффузия — происходит и тогда, когда оно не приводит ни к каким видимым последствиям — свойства и структура кристалла остаются неизменными. Если, как в известной детской игре, дать атомам команду «замри!», а затем тщательно изучить строение кристалла, то ни по каким признакам нельзя будет определить, что в нем до подачи команды происходило самодиффузионное перемещение атомов. Такой процесс осуществляется в «равновесном» кристалле, свободном от любых неоднородностей, разумеется кроме вакансий. Происходит он лишь вследствие флуктуаций энергии: флуктуации — причина и образования вакансий, и перескока атома в соседнюю вакансию или в соседнюю межузельную ячейку. Такой перескок и является элементарным актом самодиффузии.

Хаотичность — точное определение закона (или, точнее, «беззакония»), которому подчиняется атом, блуждающий при «бесцельной» самодиффузии. Действительно, вакансия может подойти к атому с любой из возможных сторон и таким образом определить направление очередного шага атома. Произвольность направления очередного шага и подчеркивается словом «хаос». При этом путь любого атома, который мысленно отмечен укрепленным на нем флажком или реально отмечен его способностью излучать, не может быть ни предопределен, ни угадан. Казалось бы, на этом рассказ можно и окончить, поскольку хаос есть хаос. Вроде бы и говорить не о чем. Однако именно благодаря тому, что направление очередного прыжка данного атома в вакансию может быть произвольным и все возможные в кристалле направления скачка равновероятны, можно установить закономерности, которым подчиняется перемещение большого количества атомов. Полная неопределенность судьбы одного атома дает возможность определить судьбу ансамбля многих атомов. Или, быть может, лучше так: среднюю судьбу атома.

При обсуждении вакансионного механизма самодиффузии естественно возникает вопрос: что, собственно, движется — атом или вакансия?

Вот два способа рассказать о том, что может произойти в партере, когда погаснет свет в зале, если крайнее место первого ряда окажется свободным.

Способ первый. Зритель, сидящий во втором ряду, за свободным креслом, пересядет в первый ряд, оставив свое кресло пустым. Зритель, сидящий в третьем ряду, пересядет в освободившееся кресло второго ряда, освободив при этом свое кресло. Зритель, сидящий в кресле четвертого ряда, пересядет в освободившееся кресло третьего ряда, освободив при этом свое кресло. Далее надо рассказывать о том, как будут себя вести зрители пятого, шестого, седьмого и следующих рядов. В конце рассказа следует обратить внимание на то, что зритель из последнего ряда пересядет в освободившееся кресло в предпоследнем ряду, освободив при этом кресло в последнем ряду. Главный герой этого рассказа — зритель, точнее говоря — зрители. Мы все время следим за их поведением. И хотя зритель безлик, в последовательном повествовании должны быть упомянуты зрители всех рядов — от второго до последнего.

Способ второй. Пустое кресло переместилось из первого ряда в последний.

Вторым способом повествования описано то же событие, что и первым. При этом краткость описания достигнута благодаря тому, что неодушевленному креслу присвоена способность перемещаться. Конечно же, перемещались зрители, а не пустое кресло, но оказалось удобнее (и не более того!) описать сложное событие, прибегнув к образу движущегося кресла.

Обсудим подробнее диффузионное блуждание атомов с помощью так называемого «вакансионного механизма». Происходит оно следующим образом. Если в непосредственном соседстве окажутся атом и вакансия, то при необходимой флуктуации энергии атом сможет перескочить в соседнюю вакансию. В результате этого акта соседство не нарушится, произойдет лишь обмен местами между реальным атомом и «атомом пустоты». Соседство нарушится тогда, когда какой-нибудь другой атом из числа окружающих вакансию поменяется с ней позициями. В последовательности актов обмена позициями между атомами и вакансиями вакансия будет удаляться от атома, с которым вначале была в соседстве, а атом сможет сделать очередной шаг лишь после того, как рядом с ним окажется другая вакансия. Здесь, пожалуй, лучше сказать не «другая вакансия», а «опять вакансия», так как вакансии неразличимы.

Два способа рассказать о событии в партере, где одно кресло оказалось свободным, свидетельствуют о том, что описание сложных судеб множества атомов можно заменить описанием движения вакансий. Это во многих случаях оказывается удобным и полезным. Еще раз подчеркну, что речь, разумеется, идет лишь о способе выражаться и не более того.

Обсудим теперь задачу о смещении атома, участвующего в бесцельном хаотическом блуждании. Интуиция может подсказать, что хаотическое блуждание и топтание на месте — понятия идентичные и, следовательно, блуждающий атом «в среднем» должен оставаться на месте. Это обманная подсказка. Убедиться в этом можно на следующем простом примере.

Пусть в обычный трудовой день из таксомоторного парка одновременно выезжает большое количество такси. Каждое из них движется, выполняя просьбу очередного случайного пассажира, и, значит, направление очередного рейса совершенно произвольно и никак не зависит от направления предыдущего рейса. Такси должно себя вести подобно хаотически блуждающему атому. Так будет, если в этот день нет события, которое привлечет к себе внимание многих, например, нет футбольного матча. Для простоты предположим, что в каждый из рейсов такси проходят по прямой одинаковые расстояния. Надо определить то среднее расстояние от таксомоторного парка, на котором будут находиться такси через некоторое время. Заметьте, речь идет о всех такси, а не об одном из них. Судьба одного может быть совсем исключительной: скажем, заглохнет мотор и длительное время, в течение которого иные такси обслужат множество пассажиров, испортившийся автомобиль простоит на месте. Или иной случай: очередному пассажиру требуется подряд сделать много однотипных рейсов, например таких: дом — вокзал, дом — вокзал... Или так: очередной пассажир окажется опаздывающим на работу сотрудником таксомоторного парка и попросит отвезти его в парк... Но чрезвычайно маловероятно, чтобы такая исключительная судьба постигла все такси, равно как маловероятно, чтобы все они устремились далеко за город, —день ведь трудовой, а не праздничный. Именно потому, что исключительная судьба атома (или такси) очень маловероятна, задача о среднем расстоянии группы атомов (или такси) от исходной позиции приобретает смысл. Решение этой задачи не настолько просто, чтобы его следовало излагать в популярной книге, и поэтому мы поступим так: опустив ход решения, запишем результат, а затем экспериментально убедимся в его правильности. Результат предельно прост:

X^2n = па^2.

Он означает, что если величину смещения X каждого из атомов после п скачков на одинаковое расстояние а возвести в квадрат, а затем вычислить среднюю величину этих квадратов X^2n, то окажется, что она пропорциональна числу скачков.

Слово «скачок» появилось потому, что от такси мы уже перешли к атомам. Так как время ожидания очередного скачка τ (или время «оседлой жизни») в среднем постоянно и за время t атом совершит п = t/τ скачков, приведенное уравнение можно переписать в другом виде:

Если теперь опять от атомов перейти к такси, то полученный результат означает, что среднее расстояние между многими такси и таксомоторным парком, из которого они вышли одновременно, со временем изменяется по закону ≈ t1/2 . Последнюю формулу удобно переписать в другом виде:

X^2n=Dt

Величина D = а^2/τ называется коэффициентом самодиффузии.

При строгом расчете, когда учитываются все шесть возможных перемещений атома (вперед и назад вдоль каждого из трех направлений в пространстве), оказывается, что D = а^2/6τ.

А теперь модельный эксперимент «блуждающие точки». Заставьте хаотически блуждать 10 точек, потребовав, чтобы каждая из них двигалась вдоль прямой: когда брошенная монета падает «орлом» — шаг вправо (например, сантиметровый), «решеткой» — такой же шаг влево. После того как все точки сделают одинаковое число шагов, надо величину смещения (в сантиметрах) каждой из них возвести в квадрат, эти квадраты просуммировать и разделить на число точек, т. е. на 10. Так будет найдена величина X^2n. Затем такой подсчет надо повторить при нескольких других значениях числа шагов, вплоть до п = 100. Построив график зависимости X^2n от п, мы убедимся, что, как это и предсказывает формула, которую мы записали, поверив в ее справедливость, X^2n линейно увеличивается с ростом п. Такой эксперимент мы сделали, и его результаты изобразили на рисунках. Ушло на это два часа, трудились вдвоем, я бросал монету, товарищ вел записи, затем мы построили график зависимости X^2n от п.

Хотелось бы в координатах X^2n и п получить прямую, согласно формуле именно прямая и должна быть. На нашем графике точки, не ложась точно на прямую, рассыпаны вблизи нее. Это естественно, так как слишком мало точек и шагов, слишком мала статистика для того, чтобы вероятностные законы обрели точность. Однако и в нашем опыте (всего 10 точек, каждая по 100 шагов) закон X^2n ~ п себя проявил.

Итак, оказывается хаос — не хаос! В нем скрыты строгие закономерности, которые себя отчетливо проявляют в процессе хаотических блужданий атомов в кристалле — тем отчетливее, чем больше атомов и чем большее число неупорядоченных скачков совершает каждый из них.

Нам, вглядывающимся в непременные признаки жизни кристалла, конечно же, следует познакомиться с количественными характеристиками того процесса, который мы называем «обычная классическая самодиффузия» или «бесцельное блуждание атомов в кристалле». Будем говорить главным образом о вакансиях, твердо помня при этом, как взаимообусловлены перемещения вакансий и атомов.

Совокупность вакансий в кристалле может быть уподоблена идеальному газу. Аналогия между газом реальных молекул или атомов и газом «атомов пустоты» имеет вполне разумные основания. Подобно молекулам идеального газа, вакансии в кристаллической решетке находятся друг от друга на значительных расстояниях и поэтому практически между собой не взаимодействуют. Иногда они сталкиваются, после чего уходят в разные стороны.

Для того чтобы пользоваться этой аналогией, следует убедиться, что, подобно идеальному газу, газ вакансий разрежен. Это основное условие, которому должен удовлетворять идеальный газ. Оценим среднее расстояние между вакансиями lυ . Если в единице объема находится пυ вакансий, то

т. е. вакансии в среднем удалены друг от друга на двадцать межатомных расстояний. Приблизительно на таком же расстоянии друг от друга находятся молекулы в воздухе при атмосферном давлении. С понижением температуры концентрация вакансий сυ быстро уменьшается, среднее расстояние между ними lυ увеличивается, газ вакансий становится еще более разреженным, а это означает, что основное условие идеальности оказывается выполненным.

Итак, совокупность вакансий — разреженный газ. Однако частицы этого газа движутся не в свободном пространстве, а в кристаллической решетке, и это определяет характер их движения. Между двумя столкновениями они движутся не по прямой, а по очень запутанной ломаной линии, состоящей из прямолинейных отрезков — они определяются расстояниями между соседними позициями в кристаллической решетке, которые зависят от ее структуры.

Обсудим характеристики газа вакансий в каком-нибудь определенном кристалле, например в золоте, имеющем следующие характеристики: решетка кубическая, расстояние между двумя позициями, где могут находиться атомы, а ≈ 3 • 10-8 см, температура плавления 1336 К. Период тепловых колебаний атома в узле решетки τ_0 ≈ 10-13 с. Допустим, что температура кристалла Т = 1330 К, т. е. на 6 К ниже точки плавления, и проследим при этой температуре судьбу вакансии. Ее состояние характеризуется следующими цифрами:

Природе почему-то понадобилось, чтобы вакансия отличалась беспримерной суетливостью!

Можно бы вычислить еще некоторые характеристики вакансий. Например, установить, что, пройдя по прямой в среднем 3 мкм, вакансия столкнется с себе подобной, что такие столкновения вакансия испытывает приблизительно сто раз в секунду, что две столкнувшиеся вакансии совершат совместно приблизительно десять периодов колебаний и лишь после этого порознь будут продолжать свой путь.

Атомы ведут себя спокойнее вакансий. Но и они миллион раз в секунду меняют место оседлости и движутся со скоростью ≈ 1 м/ч.

С понижением температуры коэффициент диффузии будет уменьшаться, а время «оседлой жизни» увеличиваться. И то, и другое будет происходить быстро — но экспоненциальному закону, и степень удивительности приведенных цифр будет уменьшаться. И все равно они — эти цифры — достаточное основание, чтобы слова «кристалл» и «мертвое тело» не употреблялись как синонимы.

МИГАЮЩИЕ ВАКАНСИИ

Исповедующие традиционную убежденность в том, что популяризовать можно лишь прочно укрепившиеся в науке идеи и надежно установленные факты, сочтут этот очерк преждевременным, так как он посвящен идее, пребывающей в младенческом возрасте, еще не испытанной временем. Она не успела себя широко зарекомендовать, не оказала заметного влияния на развитие физики кристаллов. Получила косвенную апробацию лишь в нескольких экспериментах. И все же мне она представляется настолько жизнеспособной, что, не очень рискуя ошибиться, хочу предсказать ей успехи в будущем. А это мне, не придерживающемуся традиционного взгляда на область популяризации, кажется вполне достаточным основанием, чтобы о новорожденной идее рассказать в популярной книге.

Речь идет о «мигающей вакансии», образе, который родился в представлении физика, исследовавшего влияние электронного облучения на изменение некоторых физических свойств рыхлых кристаллов. «Рыхлых» — это значит таких, в решетке которых очень много незамещенных позиций. «Рыхлых» — это значит обладающих такой решеткой, при которой в структуре много пустоты в виде межузельных пространств.

Впрочем, пожалуй, о том, что было вначале, удобнее будет рассказать в конце очерка, а сейчас расскажу о том, что такое мигающая вакансия.

Обсуждая «пару Френкеля», мы обратили внимание на то, что пока атом, перешедший из узла в междоузлие, не ушел от этого узла на расстояние более атомного, он может с большей вероятностью возвратиться в покинутый им узел. «Родственная связь» между атомом и узлом окончательно не прервана, и дефект «по Френкелю» еще не возник. Мыслимы, однако, ситуации или, точнее говоря, мыслимы такие кристаллы, в которых родственная связь между узлом и атомом, покинувшим узел, сохраняется и тогда, когда атом ушел на значительное расстояние от узла. Сохранив родственную связь, он охотно в этот узел возвращается. Представим себе такую ситуацию. Допустим, что, покинув узел, атом превратился в ион с зарядом е+, а узел при этом оказался имеющим заряд е- . Допустим, что атом, покинув узел, ушел от него на расстояние r_0. Покинул — это значит выпрыгнул вследствие тепловой флуктуации или оказался вышибленным какой-либо частицей, которая влетела в кристалл, имея большую энергию. Неважно, как покинул, а важно, что покинул! Оказавшись на расстоянии r_0 , ион испытывает кулоновское притяжение к оставленной им позиции с силой, определяемой законом Кулона: F_1 = е^2/εr_0^2 (ε — диэлектрическая проницаемость кристалла). Под влиянием этой силы ион мог бы возвратиться в покинутую им позицию, этому, однако, препятствует необходимость преодолеть энергетический барьер, который обусловлен наличием новых соседей данного иона в решетке. Если высота этого энергетического барьера (U_0, а расстояние между соседями в решетке a, то силу, удерживающую ион в его новом положении, легко вычислить, учтя, что произведение силы на путь равно выполненной работе (или затраченной энергии): F_2а = U_0 , т. е. F_2 = U_0 /а. Если окажется, что сила F_2 < F_1 , то, невзирая на тормозящее влияние новых соседей, ион все-таки возвратится в покинутую им позицию. Сравнивая величины F_1 и F_2 , легко убедиться, что родственная связь между ионом и вакантной позицией не будет нарушена, если величина r_0 удовлетворяет условию

Сферическая область, радиус которой r* и в центре которой расположена вакантная позиция, является «зоной неустойчивости»; не выйдя за пределы этой зоны, ион возвратится в свою вакансию, как если бы он был связан с ней растянувшейся, но не лопнувшей резинкой. Выход иона за пределы «зоны неустойчивости» означает потерю им родственной связи с той позицией, в которой он прежде находился. В нашей модели эта ситуация означает, что резинка лопается. Радиус этой зоны неустойчивости может оказаться совсем не маленьким, если кристалл достаточно рыхлый, т. е. если высота энергетического барьера U_0 достаточно мала. Например, если U_0 ≈ 10-1 эВ = 1,6• 10-13 эрг, то при е = 4,8•10-10 г^1/2•см^3/2/с и а = 3• 10-8 см величина r* = 2,5• 10-7 см, т. е. почти в 10 раз превосходит межатомное расстояние. Как видите, r* не мало, родственная связь может оказаться реальной и на большом расстоянии.

Возвратимся к модели растянутой резинки, связывающей ион в зоне неустойчивости с вакансией. Для того чтобы резинка сработала, совсем не надо ожидать энергетической флуктуации для преодоления барьера U_0 . Кулоновская сила (а в нашей модели растянутая резинка) возвратит атом в покинутый им узел, как говорят физики, «безактивационно»: атом перейдет из узла в междоузлие и сразу же возвратится в ранее им покинутый узел. При этом вакансия успеет лишь «мигнуть».

Для того чтобы оправдать образное название «мигающая вакансия», оценим время τυ , необходимое для возврата иона в вакансию. Очевидно,

τυ ≤ r*/υ

где υ — скорость движения возвращающегося атома. Так как его энергия, приобретенная под действием силы F_1

Легко убедиться, что при разумных значениях величин, определяющих время τυ его значение ≈ 10-12 с, т. е., появившись, вакансия проживет 10-12 сек. без покинувшего ее иона, а затем ион возвратится восвояси, а вакансия при этом перестанет существовать. Она «мигнула» и исчезла. Она — мигнувшая вакансия. Они — мигающие вакансии. Так по праву первооткрывателя их назвал профессор В. М. Кошкин. По-моему, отлично назвал, предложил термин-модель, свободный от двусмысленности, подсказывающий очевидную, всем доступную и понятную аналогию. Мне приходил в голову и иной термин — «мерцающие вакансии». Он более поэтичен (ночное небо, звезды!), но значительно менее точен. А физический термин обретает ясность и привлекательность, если с привычными жизненными наблюдениями его удается связать легко, без натяжки.

В. М. Кошкин как-то рассказывал мне о том, что мысль о мигающих вакансиях появилась во время наблюдения за спокойной поверхностью реки, на которую падают капли дождя. Капля дождя оставляет след на водяной глади, который, мигнув, исчезает. Если поток дождя установившийся и однородный, следы от удара капель о воду распределяются по поверхности реки равномерно, подчиняясь законам случая. Оба признака мигающей вакансии проявляются: следы от капель возникают случайно и, мигнув, исчезают. Здесь, пожалуй, следует заметить, что созерцание дождя над рекой — любимое занятие очень-очень многих, а образ мигающей вакансии оно могло подсказать лишь тому, кто задолго до памятного ему дождя думал о точечных дефектах в кристаллах, о механизме их появления и исчезновения. Можно было бы здесь рассказать о том, какова концентрация «мигающих вакансий», и убедиться в том, что во многих рыхлых структурах их должно быть даже больше, чем обычных, стабильных, «немигающих». Оставим эти рассуждения за текстом. А здесь поговорим о физических эффектах и явлениях, в которых «мигающие вакансии» себя проявляют. Здесь, почти в конце очерка, как раз и уместно рассказать о том, что было у истоков рождения идеи.

Экспериментально было установлено, что кристаллы In_2Те_3 (они рыхлые!) обладают огромной радиационной стойкостью. Это значит, что, сколько бы их ни облучали потоком электронов или нейтронов, их свойства не меняются, дефекты в них не накапливаются. И их структура, и их омическое сопротивление, и многие другие свойства не сохраняют воспоминаний о том, что кристалл подвергался облучению, как не помнит поверхность реки о некогда упавшей на нее дождевой капле. Для физика — результат очень странный, повод для раздумий, для технолога-материаловеда — результат изумительный, так как он означает, что имеется радиационно-устойчивый материал, из которого можно изготавливать изделия, не боящиеся облучения.

Исключительность такого материала легко объясняется представлениями о «мигающих вакансиях». Нейтроны (допустим, мы облучали именно ими) выбивают атомы из узлов, покинув узлы, атомы остаются в соответствующих «зонах неустойчивости» и, следовательно, почти мгновенно возвращаются в покинутые узлы, а «мигнувшие вакансии» столь же мгновенно исчезают. Именно в этом, видимо, секрет радиационной стойкости кристаллов типа In_2Те_3.

Еще один пример. Экспериментально установлено, что многие различные чужеродные (примесные) ионы в кристаллах In_2Те_3 диффундируют так, что энергия активации процесса не зависит от сорта диффундирующего атома. Явление можно объяснить вот как. Примесный ион, оказавшись вблизи «мигнувшей вакансии», может вскочить в нее, опередив тот, которому ранее вакансия принадлежала. Те 10-12 с, которые необходимы атому для возврата из междоузлия в собственную вакансию, для мира атомов не такое уж малое время, и «расторопный» атом примеси, находясь поближе к вакансии, может успеть занять ее раньше. Эта агрессия, как и возврат собственно иона, происходит безактивационно, и, следовательно, энергия активации процесса диффузии любого примесного иона будет определяться лишь энергией, необходимой для «рождения» мигающей вакансии. А эта величина — характеристика кристалла и от сорта примеси не зависит.

Кстати, независимость энергии активации процесса диффузии примесного атома в кристалле In_2Те_3, когда диффузия обслуживается «мигающими вакансиями», ранее была предсказана теоретически и уж затем подтверждена экспериментально. Это обстоятельство придаёт убедительность и жизненную силу образу «мигающей вакансии». Диффузия — это первое явление, где «мигающие вакансии», придуманные для объяснения высокой радиационной стойкости «рыхлых» кристаллов, себя независимо проявили. Пусть это будет добрым началом!

И повышенная радиационная стойкость, и особенности процесса диффузии свидетельствуют в пользу представления о «мигающих вакансиях», конечно же, лишь косвенно. Хорошо бы с помощью каких-либо методов «увидеть», или «услышать», или как-нибудь по-иному зарегистрировать «мигающую вакансию». Будем надеяться, что это сделает кто-нибудь из будущих ученых, кто-нибудь из нынешних наших студентов. Ведь и обычные вакансии почти два десятка лет существовали в качестве гипотетического образа, и лишь с помощью ионного проектора в 40-х годах сфотографировали и увидели их скопления. Сегодня же есть право рассказывать о «мигающих вакансиях» как об очень интересной выдумке теоретика, которая, хочется верить, сохранится в теории реального кристалла.

Кстати, «мигающая вакансия» — это ли не признак жизни кристалла!

ЭЛЕКТРОНЫ — КВАНТОВЫЙ ГАЗ

В истории изучения кристаллов в начале нашего века был период, когда среди прочих проблема «электроны в металле» была весьма загадочной, интригующей, казалось — тупиковой. Посудите сами. Экспериментаторы, изучающие электрические свойства металлов, доказывают, что в металле имеются свободно движущиеся электроны. Вот два очень существенных факта, которые они установили. Первый факт: если быстро движущийся проводник, подключенный к амперметру, мгновенно остановить, по проводнику потечет ток и амперметр это обнаружит. Ясно, в чем дело: и остановленном проводнике электроны продолжают поступательно двигаться подобно тому, как движутся пассажиры, стоя едущие в трамвайном вагоне, который мгновенно затормозили. Движущиеся электроны и обусловят обнаруживаемый ток. Основываясь на описанной модели механизма возбуждения тока в заторможенном проводнике, можно вычислить величину тока. Вычислили! Результат расчета совпал с экспериментом! Убедились в том, что для носителей заряда характерно отношение величины заряда е к массе т такое же, как для свободного электрона. Кажется, убедительно! Второй факт: к проводнику подключают источник напряжения, и по проводнику течет ток. Всем это известно, и всем ясно, в чем дело: в металле имеются свободные электроны, которые под влиянием напряжения движутся. Имея в виду именно эту причину тока, его величину можно вычислить. Вычислили! Результаты расчета и эксперимента совпали отлично! Тоже убедительно!

Другие экспериментаторы, изучающие теплоемкость металлов, с другими фактами, утверждают, что в металлах вообще никаких свободных электронов нет. Они измерили теплоемкость металлического образца и в согласии с законом Дюлонга и Пти получили цифру, близкую к 6 кал/(моль•К). Но ведь это теплоемкость только решетки. А где же вклад свободных электронов? Ведь если бы они существовали и в совокупности образовывали «газ свободных электронов», то каждый из них имел бы кинетическую энергию 3/2kT . Если же пренебречь потенциальной энергией их взаимодействия (а это можно, электроны свободны!) и если счесть, что на каждый ион в решетке приходится один электрон в газе свободных электронов, то тепловая энергия электронов в моле вещества будет 3/2NkT , а следовательно, их теплоемкость должна была бы равняться 3/2Nk = 3 кал/ (моль • К). Как доподлинно известно, 6 + 3 = 9, а экспериментатор обнаруживает лишь 6!

Ситуация по меньшей мере удивительная: амперметр чувствует электроны, а калориметр — нет! И тот, и другой прибор имеют большие заслуги перед естествознанием и безусловно достойны и уважения, и доверия! Доверять надо и тому, который говорит «да», и тому, который говорит «нет». Явно дело не в приборах, в умелых руках приборы говорят правду! Дело, видимо, в том, что, вслед за корифеями физики начала века, произнеся слова «свободные электроны», мы усмотрели лишь половину правды об электронах в металле. Нас, интересующихся непременными признаками жизни кристалла, не может не интересовать, почему старые добрые представления о тепловом движении частиц, когда их энергия пропорциональна температуре, применительно к электронам оказываются явно недостаточными. Электроны «живут» по каким-то иным законам, обнаруживая при этом не обычные признаки жизни, во всяком случае не свойственные ионам.

Первая половина правды об электронах состоит в том, что они свободны, что под влиянием приложенной к ним силы они могут направленно перемещаться и быть при этом носителями тока.

Поищем теперь вторую половину правды об электронах. В ее поисках нам могут помочь законы квантовой механики. Среди ее фундаментальных законов есть закон (или принцип), впервые сформулированный великим швейцарским физиком Вольфгангом Паули. Согласно Паули, в состоянии с одной и той же энергией могут находиться не более двух электронов. Вывести закон Паули сегодня нельзя ниоткуда, можно, однако, убедиться в том, что, если бы природа перестала ему подчиняться, для природы это окончилось бы плачевно, гибельно. Все электроны в атоме стремились бы запять положения с минимальной энергией и дружно сгруппироваться у самого ядра атома, и нынешний атом — основа мироздания — перестал бы существовать. Остальное читатель пусть домыслит сам! Как уже упоминалось, природа мудра и великие законы соблюдает, видимо, догадываясь о последствиях нарушения этих законов.

Вернемся, однако, к электронам в металле. При Т = 0 К, когда электроны не возбуждены тепловым движением, на энергетической «квантовой» лесенке они должны занять самые низкие ступеньки — по два на каждой. Уровень самой высокой ступеньки — он называется уровнем Ферми, и ему соответствует энергия Ферми WF — зависит от плотности электронного тока, т. е. от числа электронов в единице объема. Если мы начнем нагревать этот газ, электроны, которые расположены на глубинных ступеньках, не смогут воспринимать тепловую энергию, так как для этого надо перейти на следующие по высоте ступеньки, а они заняты! Поэтому «нагреваться» смогут лишь те электроны, которые расположены вблизи самой высокой ступеньки; они, восприняв тепловую энергию, смогут переселиться на более высокие свободные ступеньки. Итак, выясняется парадоксальная ситуация: нагревается металл со всеми принадлежащими ему электронами, а тепловую энергию воспринимают лишь немногие из них, и именно они и определяют теплоемкость электронного газа.

Последняя фраза, пожалуй, самая главная во всем очерке. Она дает право утверждать, что теплоемкость электронного газа является не нулевой, но заведомо меньшей чем 3 кал/ (моль•К), так как все те электроны, которые на энергетической лесенке расположены ниже уровня Ферми, не принимают участия в том тепловом движении, которое обусловливает теплоемкость электронов. Точный расчет свидетельствует о том, что электронный вклад в теплоемкость металла, возрастающую по закону Сэ ~ T при высокой температуре мал, порядка 1 %. Эта величина близка к погрешности измерений теплоемкости. Именно поэтому экспериментатор и получает величину, близкую к 6 кал/(моль•К).

Здесь, продолжив логику изложения, иной читатель обратит внимание на то, что по мере освобождения ступенек вблизи уровня Ферми на них могут переходить электроны с нижних ступенек и в конце концов все электроны начнут принимать участие в тепловом движении. Все станет на свои «классические» места, и шестерка превратится в девятку. «Иной» читатель прав. Точнее, качественно прав, так, вообще говоря, может быть, но ... реально не будет! Дело в том, что из совсем несложных расчетов следует, что электронный газ потеряет воспоминание о своей квантовой природе и превратится в классический газ около так называемой «температуры вырождения», которая для металлов оказывается весьма высокой, порядка 10б К. При такой высокой температуре любой металл испарится, а с ним исчезнет и предмет наших забот — электронный газ. Таким образом, вплоть до температуры плавления электронный газ в металле оказывается, как говорят физики, «сильно вырожденным», заведомо квантовым. И поэтому теплоемкость электронного газа остается пренебрежимо малой по сравнению с теплоемкостью решетки. Разумеется, в области высоких температур, где справедлив закон Дюлонга и Пти.

Подумаем над тем, что должно быть в области низких температур, там, где закон Дюлонга и Пти оказывается несостоятельным. Решеточная теплоемкость Ср ~ Т^3, а электронная Сэ ~ Т.

Это означает, что должна существовать такая температура Т*, ниже которой электронная теплоемкость будет больше решеточной. Эта температура оказывается очень низкой, для металлов около 10 К. Экспериментально она отчетливо обнаруживается, свидетельствуя о разумности наших представлений о теплоемкости электронов — квантового газа.

Переведем здесь дыхание, вспомним рассказанное и попытаемся представить себе общую картину движения частиц-ионов и частиц-электронов, составляющих металл. Вначале об области высоких температур. Решетка, состоящая из ионов, ведет себя «классически»: атомы колеблются около положений равновесия, модель «атом-шарик» на пружинке отражает этот процесс. А электроны ведут себя «квантово» и воспринимают лишь малую долю той тепловой энергии, которую они могли бы получить от горячей решетки. Существуют два ансамбля частиц: «классические» ионы и «квантовые» электроны. Частицы каждого из ансамблей движутся, подчиняясь своим законам, проявляя свои признаки жизни.

А теперь об области низких температур. Судьба электронного газа остается той же, так как и «низкая» и «высокая» температуры очень удалены от «температуры вырождения» электронного газа. А вот ионная подсистема при переходе в область низких температур отражает уже известные нам черты квантовости.

В конце очерка, почти вне связи с предыдущим изложением, я хочу обратить внимание на одну важную особенность электронного газа. Так как каждый атом, входя в состав решетки металла, отдает в среднем около одного электрона в газ, то плотность этого газа оказывается огромной, равной 1/ω ≈ 10^23 см-3 (ω — объем, приходящийся на атом). Это в 10^4 раз больше, чем число частиц в обычном газе при нормальном давлении. Таким образом, плотность электронного газа такая, какой была бы плотность (число частиц в единице объема) обычного газа под давлением 10 000 атмосфер. При этом оказывается, что такая высокая плотность не мешает электронному газу сохранять свойства идеального!

Электронный газ обладает еще одной особенностью, которая резко отличает его от обычного «классического» идеального газа, с представлениями о котором мы сроднились еще со школьных времен, когда впервые познакомились с законом Бойля — Мариотта. Тогда мы прочно усвоили, что кинетическая энергия частиц идеального газа настолько превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, что, вычисляя полную энергию газа, потенциальной энергией можно пренебречь. Делать это можно с тем большим основанием, чем более разрежен газ. Таким образом, степень «идеальности» классического газа увеличивается с уменьшением его плотности. А у квантового (в частности, электронного) газа ситуация диаметрально противоположная: чем плотнее газ, тем он идеальнее. Странно? Действительно странно, но так! Дело в том, что, как оказывается, кинетическая энергия εk электронов в ансамбле зависит от числа электронов в единице объема пе по закону εk ~ ne2/3 , а потенциальная энергия εр их взаимодействия, которое подчиняется закону Кулона, изменяется с расстоянием lе между электронами по закону εр ~ 1/lе . Так как пе = 1/lе^3, то εр ~ пе1/3.

Очевидно, что с ростом пе , т. е. с увеличением плотности электронного газа, εk возрастает быстрее, чем εр, а это означает, что газ дает больше оснований пренебрегать εр по сравнению с εk , то есть становится более идеальным.

Итак, металлический кристалл «пропитан» электронным газом огромной плотности. Легко понять, что наличие такого газа — необходимое условие существования металлического кристалла. Ведь если бы мы могли удалить свободные электроны из металла, «выдуть» их из решетки, ионы, оставшиеся в узлах, имея одинаковые заряды, под влиянием кулоновского отталкивания разлетались бы прочь друг от друга, решетка «взорвалась» бы и перестала существовать. Электронный газ как бы скрепляет решетку, состоящую из взаимно отталкивающихся ионов.

ЭЛЕКТРОНЫ ДВИЖУТСЯ В МЕТАЛЛЕ

В школьные годы я не испытывал благоговения перед законом Ома. Напротив, мне казалось, что совершенно нет оснований почти самоочевидное утверждение превращать в памятник ученому. Ток пропорционален напряжению! А чему бы ему еще быть пропорциональным? Конечно же, напряжению!

Закон Ома, однако, явно заслуживает большей почтительности. Его видимая простота отражает сложные процессы, которые происходят в кристалле, когда по нему течет электрический ток. Закон Ома был экспериментально установлен в 1826 г. и со временем явился источником важной информации о свойствах живого кристалла. Об этом и рассказ.

Если отвлечься от гипноза школьного учебника, то не так уж очевидно, что ток должен быть пропорционален напряжению. Легко построить вполне логичную последовательность шагов, которая приведет к утверждению, отличному от закона Ома. Логика эта будет основана на совершенной правде. Разве только не вся необходимая правда будет ею учтена. Построим эту последовательность шагов, имея в виду металл, т. е. кристалл, состоящий, как известно, из ионов, которые размещены в узлах решетки, и обобществленных электронов, о которых говорят: «электронный газ».

Первый шаг: ток, т. е. количество электронов, которое проходит через площадь 1 см^2 за единицу времени, при прочих равных условиях должен быть пропорционален скорости электронов. Шаг верный, сомнений он не вызывает.

Второй шаг: если к кристаллу приложено постоянное напряжение, то электрон испытывает на себе действие определенной силы. В этом случае, согласно закону Ньютона (а электрон не имеет права не подчиняться этому закону), электрон должен двигаться с постоянным ускорением, т. е. со временем его скорость должна увеличиться. Это означает, что со временем будет увеличиваться и ток. Кажется, и в этом шаге нет ошибки.

А если так, то мы пришли к заключению, отличному от закона Ома: напряжение постоянно, а ток со временем возрастает, так как возрастает скорость электронов. Наши дисциплинированные шаги привели нас к поразительному следствию: приложим к металлическому кристаллу малое напряжение, а ток в нем будет со временем увеличиваться беспредельно, до бесконечности. Логика кажется непорочной, а следующее из нее предсказание резко противоречит фактам. Попросту нелепо!

Конечно же, порочны не факты, а наши рассуждения. Для того чтобы согласовать их с фактами, надо понять, почему электроны, испытывая на себе действие извне приложенной постоянной силы и не приходя при этом в конфликт с законом Ньютона, движутся все же с постоянной скоростью, а не с постоянным ускорением. Под влиянием постоянной внешней силы тело может двигаться с постоянной скоростью лишь при условии, что кроме этой силы на него действует еще и сила трения. Ну, скажем, шарик в жидкости падает с постоянной скоростью, испытывая на себе две силы: силу тяжести и противоположно направленную силу трения шарика о жидкость. По величине эти две силы равны, их разность равна нулю, и закон Ньютона оказывается удовлетворенным: в отсутствие действующей силы тело должно либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно. Происходит второе.

Вернемся к электронам. Итак, для того чтобы соблюдался закон Ома, электроны в металле должны двигаться, испытывая силу трения. Мы явно на правильном пути, так как, видимо, благодаря именно этой особенности движения электронов в металлическом кристалле, он нагревается проходящим током, обнаруживая «омическое сопротивление». Тепло является следствием потерь электронами энергии, расходуемой на преодоление трения.

Теперь наша логика согласуется с законом Ома: так как устанавливающаяся скорость тем больше, чем большая сила действует на электрон, и так как эта сила пропорциональна приложенному напряжению, то и ток пропорционален напряжению. Оба закона соблюдены: и Ома, и Ньютона.

Неистолкованным остается физическое содержание, которое следует вложить в слово «трение». Вообще говоря, «трение» — это то, что порождает силу, которая в процессе движения препятствует нарастанию скорости тела, движущегося под влиянием извне приложенной силы. Это, как уже упомянуто, лишь «вообще говоря». А если говорить конкретно, имея в виду электрон, движущийся в кристалле, то под влиянием силы, рожденной приложенным напряжением, электрон прогрессивно не наращивает скорость из-за того, что встречает на своем пути различные препятствия, о которые электрон как бы спотыкается. Наращивает скорость, а затем теряет ее, наращивает и опять теряет и т. д. В этом скачкообразном процессе он перемещается с некоторой средней «дрейфовой» скоростью υд. Именно она и определяет ток.

Естествен вопрос: обо что «спотыкается» электрон? Практически о любую неоднородность структуры металла. Во-первых — о примесные, чужеродные атомы, которые в решетке вокруг себя создают напряжения. Так как число примесных атомов от температуры не зависит, их вклад в омическое сопротивление металла с температурой не изменяется. Говорят: температурно независимый вклад. Во-вторых — о те меняющиеся со временем неоднородности структуры кристалла, которые обусловлены тепловым движением составляющих его атомов. Мы, уже знающие, что совокупность тепловых возбуждений в решетке можно представить как газ квазичастиц-фононов, об этой второй причине сопротивления, оказываемого решеткой электронам, можем сказать так: рассеяние электронов на фононах. Так как плотность газа фононов с температурой растет, растет и обусловленный им «температурно зависимый вклад» в сопротивление решетки движущимся электронам.

Два вклада в электросопротивление металлов можно разделить, воспользовавшись их различным отношением к температуре: если охладить металлический кристалл до температуры, очень близкой к абсолютному нулю, то фононы практически исчезнут (говорят «вымерзнут»), и тогда роль примесей обнаружится в чистом виде: чем меньше примесей, тем меньше окажется «остаточное» сопротивление. Этой возможностью определить степень чистоты металла физики пользуются очень широко.

Итак, закон Ома заслуживает почтительного к себе отношения, в школьные годы я явно заблуждался.

ВЕТРЫ В КРИСТАЛЛЕ

В этом очерке рассказ о двух различных ветрах, дующих в кристалле: электронном и вакансионном. То, о чем будет идти речь, назвать ветрами можно с достаточным основанием, так как аналогия с обычным ветром, который, как известно, поддерживается разностью давлений воздуха, оказывается далеко идущей.

Вначале об электронном ветре. Имеется в виду тот направленный поток электронов в металле, который поддерживается разностью потенциалов. О нем мы уже говорили, когда обсуждали закон Ома. Мы, однако, интересовались лишь способностью потока переносить заряд, а образ «электронный поток — ветер» в том разговоре об электрическом токе мы оставили в стороне. Здесь разговор именно об этом образе.

Современным уровнем понимания явлений, сопутствующих электронному ветру, мы обязаны главным образом известному физику-теоретику В. Б. Фиксу.

Итак — электронный ветер, которому, как и всякому истинному ветру, положено сдувать препятствия на своем пути. В металле при высокой температуре на пути электрона среди прочих препятствий может оказаться ион, который, получив случайно нужную порцию энергии, совершает элементарный диффузионный скачок, т. е. находится в состоянии перескока. Такой «возбужденный» ион, сидящий не в потенциальной яме, а оказавшийся на вершине потенциального барьера, очень подвержен действию ветра. Движущийся электрон, подгоняемый полем, этому иону может передать часть своего импульса, «дунуть» на него и увлечь за собой. Обсудим этот процесс подробнее.

Если мысленно, сохранив разность потенциалов, исключить движение электронов, то окажется, что положительно заряженный ион со стороны поля будет испытывать действие силы, направленной к катоду, и, следовательно, к катоду должно быть направлено и преимущественное перемещение ионов,

Совершающих диффузионный скачок. Эта сила равна произведению истинного заряда иона q на величину напряженности электрического поля:

F← = qЕ.

В действительности, однако, ион испытывает действие двух сил: силы поля, которая определяет перемещение к катоду положительно заряженного иона, и противоположно направленной силы электронного ветра, который «сдувает» ионы по направлению к аноду. Теоретики вычислили, что в истинных металлах, где число свободных электронов близко к числу ионов, образующих решетку, сила электронного ветра значительно, в десять и более раз, превосходит силу, обусловленную полем. Упрощая их расчет, можно оценить силу ветра F→. Она оказывает на ион некоторое давление

P→ = F→ / S ,

где S — площадь, занимаемая ионом. Физики говорят «поперечник рассеяния», подчеркивая этим, что электрон, столкнувшийся с этой площадью, испытывает рассеяние. Приблизительно эта величина равна квадрату расстояния между ионами в решетке: S ≈ а^2 ≈ 10-15 см^2. Давление есть произведение плотности движущихся электронов п на величину энергии ε, которой каждый из них обладает:

P→ = пε.

Так как электрон запасает энергию на пути между двумя актами рассеяния, т. е. пройдя путь, равный длине свободного пробега l, и так как приобретенная энергия есть произведение силы на путь, то

ε = qlЕ.

Вот теперь можно

записать, что F→ = nqlSЕ. Результирующая сила, которую при наличии поля Е испытывает ион, оказавшийся на вершине потенциального барьера, очевидно равна разности сил F← и F→ :

F = F← — F→ = (1 — nlS)qE

Эффективная сила ветра F→ , как правило, в металлах оказывается существенно большей, чем сила, зависящая от истинного заряда иона. Сравним эти силы:

χ = F→ / F← = nlS

Так как п ≈ 3•10^22 см -3, S ≈ 10-15 см^2, l « 5•10-7 см, то χ ≈ 15! Сила ветра может оказаться отнюдь не пренебрежимо малой, более того — существенной. Это означает, что если в отсутствие электрического поля ионы хаотически блуждают по решетке (самодиффузия), то при наличии поля должно обнаружиться их преимущественное перемещение по направлению к аноду со скоростью, пропорциональной разности двух сил: ветра и поля.

Подведем попутный итог: под влиянием электронного ветра диффузионное перемещение атомов в металле становится направленным. Это значит, что электронный ветер должен обусловить перенос вещества. Говорят так: электроперенос. Здесь, пожалуй, следует количественно представить условия опыта, в котором обнаруживается перенос вещества под действием электронного ветра.

Вот некоторые цифры, характеризующие опыты по электропереносу в металлах. Они заимствованы из исследования, в котором изучалось влияние электрического поля на самодиффузию серебра при температуре 800 °С. Плотность тока, текущего через образец, 2• 10^4 А/см^2, скорость, с которой двигались атомы серебра к аноду, 10-4 см/ч, перенос одного атома серебра к аноду сопровождался прохождением через образец 10^10 электронов. Цифры 1 атом и 10^10 электронов характеризуют, разумеется, не силу электронного ветра, а то, насколько электроны подвижнее атомов, перемещающихся диффузионно.

Экспериментально действие ветра можно обнаружить, используя меченые атомы: в отсутствие тока полоска меченых атомов будет диффузионно расползаться симметрично, а при наличии тока — асимметрично, смещаясь по направлению ветра. Можно, однако, обнаружить действие ветра и не прибегая к помощи меченых атомов. Расскажу об одной из таких возможностей.

При переносе вещества к аноду происходит следующее. Вблизи катода, откуда атомы уходят, атомные плоскости должны разбираться, поатомно перемещаться к аноду, и там организовывать новые плоскости, «встраивающиеся» в решетку. Сделать зримыми следствия этого переноса можно с помощью очень остроумного приема. Идея приема крайне проста. На полированную поверхность образца напыляется равномерный тонкий слой сажи. После отжига оказывается, что вблизи анода, где сформировались новые атомные плоскости, образец расширялся и в слое сажи появилась отчетливо видимая трещина. Несколько курьезно об этом можно сказать так: дует электронный ветер и вынуждает лопаться тонкий поверхностный слой сажи.

Теперь о ветре вакансионном. Его возникновение удобно объяснить на следующем простом примере. Представим себе, что кристалл, состоящий из атомов сорта A, плотно прижат к кристаллу, который состоит из атомов сорта В. При высокой температуре начнется диффузионное перемещение атомов обоих сортов. Двигаться они будут навстречу друг другу, чтобы в конце концов произошло их полное перемешивание и образовался однородный раствор. Мы предполагаем, что в принципе образование такого раствора энергетически оправдано и, следовательно, он должен образовываться. И еще одно предположение: атомы обоих сортов перемещаются по вакансиям. И, наконец, последнее предположение, точнее, не предположение, а констатация почти всегда осуществляющегося обстоятельства: атомы сорта А и сорта В перемещаются с разными скоростями. Слова «почти всегда» оправдываются элементарной логикой: у двух величин есть всего один способ совпадать, который заключается в том, чтобы оказаться совпадающими, а способам различаться — нет числа!

Итак, два встречных потока атомов обусловливают наличие двух встречных потоков вакансий. Так как потоки атомов различны, различными оказываются и встречные потоки вакансий. А это означает, что существует направленный поток вакансий, который является разностью двух встречных вакансионных потоков. Вот он-то и обусловливает «вакансионный ветер», дующий по направлению к тому кристаллу, чьи атомы диффундируют быстрее.

Что он может, этот ветер? «Сдувать» диффундирующие атомы! Но делает он это очень своеобразно. Поток вакансий, направленный, скажем, к источнику атомов сорта А, будет подавать им транспортное средство в виде вакансий, и те, таким образом, помогут этим атомам двигаться... против ветра. Направленный поток вакансий оказывается как бы отрицательным ветром, так как «сдувает» атомы не от себя, а на себя. Немного курьезно, но убедительно: ведь ветер создают не материальные атомы, а «атомы пустоты»!

В специально поставленных опытах оказалось, что отрицательный ветер вакансий — вполне реальный ветер, который заметно вмешивается в процесс диффузионного перемешивания атомов разных сортов.

Здесь хочется сделать замечание, карающееся модельного термина «вакансионный ветер». Этот термин существенно менее оправдан, чем термин «электронный ветер». Дело в том, что «дующая» вакансия атому не передает импульс, как это делает «дующий» электрон. А для истинного ветра передача импульса — главный признак. Именно поэтому «вакансионный ветер» — термин менее оправданный, лежащая в его основе модель используется лишь в меру чисто внешнего признака: подобно частицам в истинном ветре, в «вакансионном» вакансии перемещаются направленно. И только!

Г Л А В А II

ЗАСЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛА ДЕФЕКТАМИ

По поводу двух слов, фигурирующих в названии главы, — «дефекты» и «заселение» — с читателем следует объясниться.

Вначале о слове дефект. В будничном понимании слова, «дефект» — это плохо! Это то, чего надо не допускать, с чем надо бороться, что надо исправлять или, в иных случаях, вуалировать. В качестве синонима часто употребляют слово «брак», а это уж вне сомнения плохо! В гамме красок слову «дефект», как правило, принадлежит черная краска! Однако употребляемое применительно к кристаллу, оно выглядит существенно многокрасочнее. Иногда «дефект» — не позор, а доблесть кристалла!

Будем считать, что дефектом является любое отклонение от идеальной правильности в строении кристалла, когда каждый атом находится в узле кристаллической решетки и каждый узел замещен одним атомом. Так вот, такая бездефектная идеальность — фикция, в кристалле имеются и те дефекты, которые ему предписаны законами физики и, следовательно, которые кристалл обязан в себе поселить в качестве непременных признаков жизни, и те дефекты, которые в нем поселены насильно при росте кристалла или в процессе его службы.

Издавна слово «кристалл» употребляется с эпитетами «чистый», «совершенный», «прозрачный», «сияющий». В кристалле, однако, обнаружилось множество дефектов, и иной раз кажется, что в нем не остается места совершенству. Серьезно говоря, это опасение не имеет оснований, так как в формировании дефектов в кристаллах, даже далеких от совершенства, принимает участие сравнительно малая доля всех атомов. И все-таки добросовестный реестр дефектов длинен и со временем удлиняется.

Каждый из дефектов — достойный объект и исследования, и популярного рассказа о нем. Кристалл жив своими дефектами, они и его сила, и слабость, и цепкая память, и транспортные магистрали, и органы приспособления к окружающей среде, и нервная система, реагирующая на внешние воздействия. Разумеется, дефекты остаются дефектами, но черной краской их изображать не следует, надо пользоваться тонами посветлее.

Теперь несколько фраз о слове заселение.

Однажды, после публичной лекции, которую я прочел в юношеской аудитории, один из слушателей, вдумчиво подбирая слова, спросил меня:

— А кто впервые изобрел..., нет, поселил вакансии в кристаллах?

Этот вопрос, заданный серьезно, мне понравился и словом «поселил», и своей курьезностью, напомнившей шуточный вопрос: «Кто изобрел болезнь Боткина?»

Ну, разумеется же, никто вакансии в кристаллах не поселял, они испокон веков «там жили», неувиденные, неопознанные, в открытую о себе не заявлявшие, как, впрочем, и многие другие дефекты. До поры до времени кристаллофизики были не подготовлены для того, чтобы заняться поисками вакансий в кристаллах, — и запас идей для этого был недостаточен, и экспериментальные методы были не развиты. Там, где вакансии должны были обнаружиться, внося ясность в изучаемое явление, бытовала полуясность, иллюзия понимания, знание, близкое к правде, но с правдой не совпадавшее. И когда в естественном ходе развития науки представление о вакансиях созрело — их начали обнаруживать в десятках лабораторий сотни исследователей. Раньше вакансий вроде и не было, а вот появились! Поселились в кристаллах!

У каждого типа дефектов свои истории «поселения». Одни, прежде чем обнаружиться в исследованиях экспериментаторов, заявляли о себе в формальных построениях теоретиков. Так, в частности, было с вакансиями и дислокациями. Другие, благодаря своей очевидности, обнаружили себя, минуя формулы и уравнения. Таких дефектов множество: и поры, и трещины, и царапины, и многие другие. И в первом, и во втором случае эти истории интересны и красочны, каждая из них, безусловно, достойна специального рассказа.

Применительно к дефектам в кристалле у слова «заселение» есть еще один смысл, более близкий к его бытовому значению. Дефекты действительно можно поселить в кристалле, подвергая его различным воздействиям — деформированию, облучению потоком частиц или квантов различной плотности. Можно поселить, поместив кристалл в электрическое поле или в какую-нибудь агрессивную среду. Много есть способов вынудить кристалл поселить в себе дефект. Их исследование — одна из основных задач кристаллофизики — науки, изучающей реальный живой кристалл.

В этой главе я расскажу о многих дефектах кристалла, полагая при этом, что о вакансии—дефекте, без которого кристалл не может обойтись, уже рассказано, как об одном из непременных признаков жизни кристалла.

У ИСТОКОВ ИДЕИ

Стала уже тривиальной мысль о том, что различные поколения ученых воспринимают новые идеи с различной степенью легкости. Наиболее легко новые идеи усваиваются юным поколением ученых, которые свою жизнь в науке начали тогда, когда «новая» идея была уже не очень нова. Ими она воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Ее усвоение не вызывает ни внутреннего протеста, ни необходимости преодолевать множество барьеров, среди которых есть и барьер под названием «традиция», и барьер под названием «косность». Иной раз эти барьеры не могут «взять» даже светлые и независимые умы. Семилетний сынок моего друга, стоя рядом с отцом и глядя в ночное небо, по которому быстро двигалась светящаяся точка, сказал взволнованному отцу: «Ничего особенного, обыкновенный спутник!» Для мальчика — обыкновенность, для отца — чудо.

Для зрелого ученого появление новой идеи означает необходимость заново истолковывать многое из того, что ранее казалось ясным и решенным. А эта необходимость исподволь рождает внутреннее сопротивление новой идее. Преодолевать это сопротивление нелегко, переучиваться всегда труднее, чем учиться.

Некогда Макс Планк, размышляя о становлении и развитии новых идей в связи с тем приемом, который им оказывают различные поколения, высказал грустную мысль о том, что счастье развивающейся науки состоит в том, что старшие поколения уходят...

Вспоминаются годы, когда представление о дислокациях — уже отчетливо сформулированное и подтвержденное вполне убедительными экспериментами — с большим трудом усваивалось поколением моих учителей. Вакансия — это было вне сомнений, это то, чем оперировали многие годы, с чем сроднились, что оправдало себя во многих научных баталиях, к чему были проникнуты доверием и чувством благодарности. Это поколение отнеслось к дислокациям не скажу враждебно, но с некоторой предвзятостью, с настороженным недоверием, которое с годами, с появлением новых фактов, убывало.

Моему поколению кристаллофизиков было легче, мы усваивали науку о дислокациях тогда, когда внутренние барьеры на пути к усвоению новой идеи были невысоки. Дислокации родились — мы были детьми, дислокации заявили о себе во всеуслышание — мы были начинающими в науке.

А моим учителям и учителям моих читателей было трудно. Вторым труднее, чем первым! Я вспоминаю, когда в журнале «Успехи физических наук» в начале 50־х годов появился обстоятельный обзор сформировавшихся к тому времени теоретических представлений о дислокациях. Обзор был написан выдающимся физиком А. Н. Коттреллом. Научная молодежь встретила обзор с искренним интересом к новому кругу идей и, к счастью, со сбывшейся надеждой на то, что многие туманные места в физике реального кристалла будут прояснены.

Представители старшего поколения кристаллофизиков были взволнованы. Они не находили в себе готовности стать приверженцами и пропагандистами новой теории. В этой теории, после добросовестных сомнений и поисков, они не находили ответа на множество вопросов, которые, впрочем, оставались без ответа и в кругу привычных им идей. Вот примеры их сомнений. Если дислокации — носители пластичности кристалла, то почему кристалл тем более пластичен, чем он совершеннее, т. е., видимо, чем меньше в нем дислокаций? Непонятно, как появляются дислокации. Флуктуационно, как вакансии, они возникнуть не могут, что признает и Коттрелл. На границах между зернами они тоже возникать не должны, так как поликристалл менее пластичен, чем монокристалл. Видимо, дислокации не имеют непосредственного отношения к возникновению пластического сдвига, а их наличие может лишь помешать распространению пластической деформации. Объяснение пластичности следует искать, исходя из представлений о правильной решетке, а «дислокационная гипотеза» может оказаться помехой в развитии иных теорий, которым, быть может, суждено решить проблему пластичности... В их заблуждении была доля недальновидности, но главным образом — тот добросовестный консерватизм честных ученых, которые, прежде чем признать новые идеи, упорно пытаются обойтись зарекомендовавшими себя старыми. Вспомним, что так поступали и самые великие до тех пор, пока не убеждались, что в рамках старых идей новое необъяснимо. В этом, собственно, и заключались истоки их величия.

К счастью, дислокационные представления были настолько плодотворными, что скоро завоевали себе безоговорочное право на жизнь. А сомнения старших — они психологически оправданы. Без таких сомнений развивающаяся наука не может обойтись, и не обходится.

Если бы автором этой книги был физик лет на 10— 15 младше меня, он, видимо, начал бы с изложения основ, не очень оглядываясь на то время, когда новое направление в физике реального кристалла завоевывало себе право на признание. Об основах и я кое-что скажу. Но вначале мне хотелось вспомнить о том времени, когда дислокация с трудом завоевывала себе право «поселиться» в кристалле. Я жил и работал тогда и на такое воспоминание имею право.

СДВИГ ОСУЩЕСТВИТЬ ТРУДНО

Пожалуй, одна из важнейших услуг, которая может быть оказана ученым какой-либо проблеме (кроме, разумеется, ее полного решения), состоит в том, чтобы указать границы применимости господствующих в ней идей и представлений. Очень важно обнаружить противоречие между идеями в области теории и известными экспериментальными фактами. Речь идет об истинных противоречиях, а не тех иллюзорных, которые могут явиться следствием, например, ошибки в эксперименте, когда иной раз экспериментатор принимает желаемое за действительное, или когда теоретик исходит из ошибочных посылок или попросту неверно вычисляет. Оба примера очень реальны!

В 1924 г. выдающийся советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель, размышляя о прочности твердых тел, решил вычислить усилие, необходимое для того, чтобы одну часть кристалла сдвинуть вдоль кристаллографической плоскости относительно другой.

Казалось бы, задача простейшая из простых. Ею, однако, до Френкеля никто не занимался, и ему в очередной раз довелось выполнить расчет, который стал классическим, обнаруживший глубокое противоречие между принятыми тогда представлениями о процессе сдвига в кристалле и огромной совокупностью экспериментальных фактов.

Яков Ильич основывался на почти самоочевидной, практически единственно разумной по тому времени модели процесса: для того чтобы сдвинуть часть кристалла относительно другой, нужно в плоскости сдвига одновременно перемещать все атомы сдвигаемой части относительно той, которая остается неподвижной. Попросту говоря, для того чтобы сдвинуть, надо сдвинуть! Очень естественное предположение!

Следуя за Френкелем, оценим напряжение, необходимое для этого. Френкель предположил, что по мере перемещения одной части кристалла относительно другой надо преодолевать сопротивление, величина которого со смещением изменяется периодически, повторяясь после каждого смещения на межатомное расстояние. Предположение абсолютно естественное, если только модель, положенная в основу расчета, справедлива. И еще: Френкель предположил, что взаимное смещение частей кристалла сопровождается их упругой деформацией. В этих предположениях он получил оценку того максимального сдвигового напряжения сгт, которое необходимо приложить, чтобы сдвиг начался. А начавшись, он будет продолжаться: в начале процесса, когда атомы сдвигающихся частей кристалла расположены друг над другом, сопротивление сдвигу максимально, а следовательно, лиха беда начало!

Вот френкелевская оценка:

где G — модуль сдвига. Так как G ≈ 10^12 дин/см^2, то στ= 10^11 дин/см^2. В действительности оказывается, что для осуществления сдвига, скажем, кристалла меди достаточно приложить напряжение около 10^8 дин/см^2, т. е. в тысячу раз меньшее, чем предсказывает теория, основанная на представлении о сдвиге, который происходит одновременно по всей «плоскости сдвига».

После Френкеля многие теоретики уточняли эту оценку, но их уточнения лишь незначительно изменяли главный результат. Предположение о том, что сдвиг происходит одновременно вдоль всей плоскости, приводит к непомерно большим напряжениям, в тысячи раз превосходящим те, которые обнаруживаются в эксперименте. Френкель оказал огромную услугу проблеме прочности кристалла, вскрыв кричащее противоречие между теорией процесса скольжения и результатами эксперимента.

Теоретик, как правило, более подозреваем в ошибках, чем экспериментатор, который, в отличие от теоретика, свою правоту аргументирует фактами, а не такой зыбкой материей, как рассуждения. Рассуждения обычно считают вещью менее упрямой, чем факт. В случае френкелевской оценки дело обстоит особенно сложно, потому что, казалось бы, невозможно поставить такой опыт, в котором принятая им модель сдвига осуществлялась бы и сделанная оценка была бы экспериментально подтверждена или опровергнута. Действительно, экспериментировать с обычными реальными кристаллами и данном случае нельзя, так как в них практически всегда имеются различные дефекты, а и модель, и расчет Френкеля предполагают кристалл бездефектным, идеальным. И все же возможность осуществить такой эксперимент отыскалась. Он был поставлен почти через 20 лет после френкелевского расчета. В этом опыте экспериментировали не с кристаллами, а с моделью кристалла, построенной из мыльных пузырей.

С пузырьковой моделью БНЛ кристалла мы уже знакомы. Здесь немного скажем только о том, как ею воспользовались для проверки расчета Френкеля. В данном случае модель хороша тем, что она может быть бездефектной, а именно это главным образом и необходимо для проверки правильности расчета.

Моделируя сдвиг в совокупности идеально упорядоченных мыльных пузырьков, экспериментаторы измерили две величины: во-первых, по данным о деформации на самом раннем этапе, когда взаимное соскальзывание пузырьков еще не произошло, они определили модуль сдвига двумерного плота из пузырьков и, во-вторых, по этим же данным определили величину максимального усилия, необходимого для начала собственно сдвига. Оказалось: στ = G/20. В знаменателе формулы Френкеля стоит 2π, а у экспериментаторов получилось 20. Расхождению в 3 раза можно не придавать особого значения, тогда как теория с результатами опытов над реальными кристаллами не согласуется в тысячи раз.

Следует обратить внимание на то, что в рассказанной истории модельный опыт сыграл не совсем свойственную ему роль. Он оказался источником информации, которую в опытах с кристаллами ранее получить не смогли. Оказывается, хорошая модель может и это.

Подведем итог. Модельный эксперимент подтверждает справедливость теории, в основе которой лежит представление о том, что сдвиг осуществляется одновременно по всей плоскости. Теория кричаще не согласуется с результатами опытов над реальными кристаллами. Естественно прийти к заключению, что представления, положенные в основу теории, не соответствуют процессам, происходящим в кристаллах, где скольжение происходит как-то не так, как это представлял себе Френкель в 1924 г. Теория явно нуждается в учете реальной структуры кристалла, т. е. факта наличия в кристаллах дефектов. Каких? В каком количестве?

С какими свойствами? До получения ответов на эти вопросы после работы Френкеля прошло 6 лет, в нашей книге все разъяснится в следующем очерке.

МОДЕЛИ: ДВИЖЕНИЕ ГУСЕНИЦЫ, ПЕРЕДВИЖЕНИЕ КОВРА

В этом очерке должно разъясниться то, что оставалось загадочным в предыдущем. Начнем издалека, с рас-суждений, которые покажутся очень удаленными от интересующего нас кристалла. И для рассуждений изберем модель, к кристаллу не имеющую пи малейшего отношения. Стараясь понять, как происходит скольжение в кристалле, мы будем обсуждать режим движения... гусеницы.

Для начала сделаем с этой «моделью» недобрый эксперимент: попытаемся протащить гусеницу по земле. Сделать это, оказывается, не просто, для этого нужны значительные усилия. Они обусловлены тем, что мы пытаемся одновременно оторвать от земли все пары лапок гусеницы. Вообще говоря, гусеница могла бы перемещаться в таком режиме: одновременно всеми лапками отталкиваться от земли и при этом «проскользнуть» на некоторое расстояние. Каждый такой шаг-скачок требовал бы от гусеницы усилий. На такие усилия она, заведомо, не способна и поэтому пользуется иным режимом движения: от поверхности земли отрывает только пару лапок, переносит их по воздуху, опускает на землю, затем то же повторяет со следующей парой лапок и т. д., и т. д. После того, как каждая пара лапок будет один раз перенесена по воздуху и опущена в новое положение, вся гусеница переместится на расстояние, на которое поочередно смещалась каждая из пар лапок. Это прозвучит курьезно, но гусеничный шаг — это когда гусеница, перемещаясь вдоль земли, в действительности летит по воздуху. Именно так: летит по воздуху! Впрочем, и мы, шагая по земле, летим. Для очередного перемещения ноги мы отрываем ее от земли и с легкостью переносим по воздуху. Ни одну из пар лапок гусеница не волочит по земле. Именно поэтому и ползет легко.

О гусеничном шаге можно рассказать и по-иному, словами, приближающими наш пример к кристаллу. В системе «гусеница — земля» имеется подвижный «дефект» — пара лапок, не соприкасающихся с землей.

Гусеница сместится на один шаг лишь после того, когда такой дефект переместится вдоль всего тела гусеницы. Очень прошу читателя последний абзац прочесть два-три раза и внимательно вдуматься в его содержание. Он очень важен для всего дальнейшего.

Цель, которую мы преследуем в этом очерке, важна, и, пожалуй, на пути к ней имеет смысл потратить немного времени и обсудить еще одну модель: ковер, лежащий на гладком полу. Перемещать такой ковер по полу, если он к полу прилегает плотно, — дело нелегкое: площадь соприкосновения ковра с полом велика, ковер добротный, тяжелый, и усилия для его смещения понадобятся немалые. А вот если поперек ковра имеется узкая складка (дефект!), вдоль которой ковер отделен от пола, переместить ковер можно существенно меньшими усилиями. Они нужны лишь для того, чтобы разгладить складку. Когда складка пройдет через весь ковер, он сместится на ширину складки. Складка — легкоподвижный дефект в системе «ковер — пол» (аналог поднятых лапок в системе «гусеница — земля»), так как в области складки ковер не соприкасается с полом. И в одной, и в другой модели перемещение оказывается следствием движения не тела гусеницы или ковра, а соответствующего подвижного дефекта.

Вот теперь можно обратиться и к кристаллу. И в нем скольжение оказывается облегченным в связи с наличием подвижного дефекта, подобного приподнятым лапкам гусеницы или отставшей от пола складки ковра.

Представим себе, что одна из тех атомных плоскостей кристалла, которые ориентированы перпендикулярно плоскости скольжения, обрывается на этой плоскости, не имеет за ней продолжения. Очевидно, оборванная плоскость должна перемещаться легче прочих. Когда она сместится на межатомное расстояние, се положение займет следующая плоскость и т. д., и т. д. Последняя фраза означает, что движется не данная оборванная плоскость, атомы которой можно было бы пометить, а дефект структуры — незавершенная, оборванная плоскость. Она — поднятые лапки гусеницы, она — складка на ковре. Такой дефект структуры называют краевой дислокацией, а линию, которая ограничивает незавершенную плоскость, — линией краевой дислокации.

Здесь, пожалуй, уместно нарисовать две простые картинки и прокомментировать их. На одной из них изображен участок здорового кристалла. В этом участке избран один произвольный атом, от которого мысленно начат маршрут, состоящий из некоторого числа шагов — периодов решетки — влево, вниз, вправо и вверх. Направление маршрута на рисунке обозначено тонкой стрелкой. Этот маршрут называется «контур Бюргерса». Свидетельством здоровья кристалла является то, что при равном числе шагов вниз и вверх, а также влево и вправо маршрут замыкается. На второй картинке изображен участок кристалла, содержащий дефект — краевую дислокацию. Маршрут, подобный предыдущему, совершенный вокруг дислокации, не замкнется, что свидетельствует о нездоровье кристалла, о наличии в области, ограниченной маршрутом, дислокации. Линию машрута можно замкнуть стрелочкой-вектором так, как это сделано на рисунке. Этот вектор называется вектором Бюргерса. Легко понять, что он может принимать лишь значения, кратные значениям межатомных расстояний.

Итак, все как будто становится на свои места: есть идея, которая, во всяком случае качественно, устраняет противоречие между идеализированной теорией Френкеля и экспериментом; есть модели, свидетельствующие о том, что в природе осуществляются и иные ситуации, подобные той, которая возникает в кристалле при скольжении.

Все то, о чем я сейчас пишу с уверенностью, на заре развития учения о дислокациях выглядело правдоподобной догадкой теоретиков. Особой почтительности и доверия эта догадка тогда не вызывала. Многими она воспринималась как свидетельство гибкости ума теоретиков, которые способны придумать еще и не такое! Но, когда появились первые экспериментальные доказательства реальности режима «гусеничного» движения в кристалле, идея дислокации обрела мощь и определила развитие огромной главы физики твердого тела — физики пластической деформации.

В этом очерке нам, пожалуй, следует сделать еще три дела: поглядеть на дислокацию в модели БНЛ, убедиться в том, что скольжение происходит в области кристалла, богатой дислокациями, и попытаться построить простейшую теорию пластического деформирования кристалла вследствие движения дислокаций.

Первая из задач решается совсем просто. Для этого достаточно взглянуть на приводимые фотографии ансамбля пузырьков с дислокацией. Чтобы лучше увидеть дислокацию, смотреть на фотографию надо не обычно сверху вниз, а почти параллельно плоскости листа, повернув при этом лист так, чтобы направление взгляда (оно обозначено стрелками) совпадало с диагональными рядами пузырьков.

На одной из фотографий представлена модель краевой дислокации, — ее мы узнаем легко. На другой — модель дислокационной петли. Собственно не всей петли, а ее сечения плоскостью фотографии. Образовалась эта петля так: из кристалла была удалена часть атомной плоскости в форме круглого диска, возникшая при этом полость «схлопнулась», при этом оставшаяся незавершенная плоскость (удален диск!) оказалась ограниченной замкнутой линией. Она и является дислокационной петлей.

Модель БНЛ дает возможность не только увидеть дислокации невооруженным глазом, но и проследить за тем, как расположены атомы вблизи конца незавершенной плоскости, или, как часто говорят, вблизи ядра дислокации. Для этого надо сделать простое построение. В той области фотографии, где расположена дислокация, проведем линии через центры пузырьков в рядах. Читатель это легко сделает самостоятельно и увидит, что о наличии дислокации осведомлены атомы (пузырьки!), которые отстоят от ядра дислокации на расстоянии трех-четырех периодов. В данном случае модель БНЛ дает качественную информацию о том, что имеет место в реальном кристалле вблизи дислокации.

Как и первая, вторая задача решается взглядом на фотографию. На фотографии представлена область скольжения в монокристалле. Видны выходы дислокаций на поверхность, тех самых, которые, перемещаясь, обусловливают взаимное скольжение частей кристалла. Строго говоря, видны, разумеется, не выходы дислокаций на поверхность, а результат растравливания специальным травителем тех мест, где линии дислокаций пересекают поверхность кристалла. В тех местах, которые растравливаются активнее, чем соседние, образуются «ямки травления». Вот они и видны.

Обратимся теперь к третьей задаче. Попробуем ее решить для очень упрощенного случая, а затем, когда получим конечную формулу, полагаю, с удовольствием заметим, что она справедлива и для любого другого случая, отличающегося от упрощенного.

Допустим (и в этом смысл упрощения!), что мы хотим осуществить сдвиг вдоль некоторой плоскости в кристалле, имеющем форму куба с ребром l_0, в котором все дислокационные линии лежат в плоскостях, параллельных плоскости сдвига. Допустим, что боковая поверхность кристалла, имеющая площадь l_0^2, пересекается дислокационными линиями, при этом в плоскости скольжения расположено п дислокационных линий. Эти дислокации и будут нас далее интересовать, так как именно они и определяют процесс скольжения вдоль избранной плоскости сдвига. Допустим, что в нашем опыте по сдвигу каждая из дислокационных линий еще не успела пройти путь l_0 , а прошла какой-то более короткий путь li . Подвижная часть кристалла относительно неподвижной сместится при этом на расстояние

Назовем эту величину плотностью подвижных дислокаций, обозначим ее ρ_0 и запишем полученную формулу в окончательном виде:

ε = ρ_0 bli

Удовлетворимся здесь приведенным формальным определением понятия «плотность дислокаций». Подробнее оно обсуждено немного дальше, в очерке о размножении и гибели дислокаций.

Чуть-чуть торжественно подведем итог: мы получили одну из фундаментальных формул теории дислокационного деформирования. Она фундаментальна потому, что входящие в нее величины уже потеряли связь с тем упрощенным примером, с которого мы начинали построение теории и в котором предполагалось, что дислокации движутся лишь в одной плоскости скольжения. Полученная формула этого уже не помнит, так как ρ_0 — плотность всех дислокаций, движущихся в любой из возможных плоскостей скольжения.

Воспользуемся формулой для числовой оценки. Допустим, что среднее расстояние между дислокационными линиями ≈ 10-4 см. Это значит, что плотность подвижных дислокаций ρ_0 ≈ 10^8 см-2. Если в опыте дислокации успели сместиться приблизительно на расстояние между ними, то при b ≈ 3.10-8 см величина ε ≈ 3.10-4 , т. е. пластическая деформация произойдет на 0,03%. Это ни мало и ни много, а ровно столько, сколько должно быть при такой плотности дислокаций и при таком их смещении.

Из нашей формулы следует еще одно важное соотношение. Если ее левую и правую части поделить на время, в течение которого происходил сдвиг, то мы получим связь между скоростью пластического деформирования и средней скоростью движения дислокаций υ, так как υ = li /t. Эта связь подсказала идею огромного количества стереотипных опытов, которые проводились с различными кристаллами: измеряли скорость пластического деформирования кристалла, плотность дислокаций и вычисляли по этим данным скорость их движения.

Начали мы с обсуждения режима движения гусеницы и ковра со складкой, а окончили фундаментальной формулой теории дислокаций. По дороге, от начала очерка к его концу, логическая цепочка как будто бы не рвалась.

ВОСХОЖДЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ

О «восхождении» дислокаций теперь пишут в серьезных научных книгах. Видимо, тому ученому, который впервые исследовал перемещение дислокаций с одной плоскости скольжения на другую плоскость, движение дислокации представилось подобным восхождению по ступеням лестницы. Именно этот образ и помог ему понять закономерности «восхождения».

Дислокация умеет перемещаться двумя различными механизмами — «скользить» в плоскости скольжения и «восходить» в направлении, перпендикулярном этой плоскости. Одновременно «скользя» и «восходя», дислокация может двигаться и под произвольным углом к плоскости скольжения. Со скольжением мы знакомы: знаем и о гусенице, и о ковре, и о реальной скользящей дислокации. В этом очерке — о восхождении.

Что происходит, когда краевая дислокация перемещается с данной плоскости скольжения на параллельную? Происходит вот что: незавершенная плоскость, ограниченная дислокационной линией, становится короче на величину расстояния между плоскостями. Произойти это может лишь в случае, если освобождающиеся при этом атомы диффузионно уйдут от дислокационной линии в кристалл. Поэтому для того, чтобы дислокация «восходила», нужно создать условия, при которых атомы будут диффузионно течь по направлению от линии. Впрочем, они могут течь и к линии и пристраиваться к незавершенной плоскости, удлиняя ее. В этом случае дислокация будет восходить в противоположном направлении, скажем так: нисходить.

Итак, дело за малым, надо обеспечить направленный диффузионный поток атомов. Этого можно добиться, прилагая к кристаллу сжимающие или растягивающие напряжения. Если кристалл сжать в направлении, перпендикулярном незавершенной плоскости, — вблизи дислокационной линии, т. е. там, где обрывается незавершенная плоскость, величина напряжений окажется большей, чем вдали от нее. Это означает, что вблизи дислокационной линии концентрация вакансий будет более низкой, чем вдали от нее, и, следовательно, к линии потекут вакансии или, что то же, атомы диффузионно потекут от линии и плоскость будет укорачиваться. В случае растягивающих напряжений все рассуждения обратятся: от линии потекут вакансии, к линии — атомы, плоскость удлиняется. В предыдущих рассуждениях, специально этого не оговорив, мы воспользовались зависимостью концентрации вакансий сυ от напряжений σ: создаем сжимающие напряжения — концентрация вакансий понижается, растягивающие — увеличивается. Установить количественную связь между сυ и величиной и знаком σ — дело не простое, не станем им заниматься. А вот качественно понять, в чем здесь дело, не сложно. Дело в том, что всесторонне сжимаемый кристалл обязан как-то уплотниться, и он это делает, лишаясь части пустоты в виде пустых узлов решетки — вакансий. А растягиваемый кристалл ведет себя диаметрально противоположно: подчиняясь растягивающим напряжениям, которые его вынуждают к увеличению объема, кристалл рождает пустоту в виде дополнительных вакансий. Интуиция подсказывает, что величина изменения концентрации вакансий и величина напряжений должны быть связаны зависимостью Δсυ ~ σ. Скажем, зависимость Δсυ ~ σ^2 не может иметь места, так как она означала бы нелепость: Δсυ не зависит от знака σ. Точный расчет подтверждает: зависимость Δсυ ~ σ.

Примитивно процесс диффузионного восхождения дислокации можно проиллюстрировать моделью: колодой скользких карт, одна из которых из колоды частично выдвинута. Если такую колоду сжать, выдвинутая карта выскользнет из нее, а если растянуть, карта упадет в колоду.

Не пытаясь строить теорию восхождения дислокаций, а пользуясь только «общими соображениями», можно полагать, что скорость восхождения определяется величиной диффузионного потока атомов к дислокационной линии или от нее. Это означает, что при неизменном напряжении с ростом температуры скорость восхождения будет увеличиваться так же, как и коэффициент диффузии. И расчеты, и опыты согласно свидетельствуют о том, что при температуре, близкой к температуре плавления металлов, дислокация может восходить со скоростью ≈10- 4 см/с. Это — большая величина! Она означает, что за секунду дислокация пройдет путь ≈10- 4 см и пересечет ≈ 10- 4 / 3.10-8 ≈ 3.10^3 атомных плоскостей.

За секунду! Именно поэтому восхождение дислокаций проявляется во многих реальных явлениях и процессах, которые происходят при высоких температурах. Расскажу о двух из них.

Один из процессов заключается в обходе препятствий, которые скользящая дислокация может встретить на своем пути. Представим себе, что к кристаллу извне приложено напряжение, вызывающее в нем скольжение краевых дислокаций вдоль какой-то из плоскостей скольжения. В этой плоскости одна за другой движутся дислокации. В бездефектном кристалле ансамбль скользящих дислокаций напоминает цепочку движущихся друг за другом людей. Именно так по узкой тропинке движутся туристы. Пусть на пути движущихся дислокаций встретится непреодолимый для них барьер. Не важно, что собой представляет этот барьер-стопор, а важно лишь, что для скользящей дислокации он непреодолим. У такого стопора головная дислокация остановится. Скользящие за головной тоже будут тормозиться и поджимать ее к стопору. Дело в том, что две одинаковые дислокации, если они находятся в одной плоскости, друг от друга отталкиваются. Таков закон! Подробно о нем будет рассказано позже, в очерке «Взаимодействие и взаимопревращение дефектов». Этот закон означает, что, приближаясь к себе подобной, движущаяся дислокация будет тормозиться. Испытывая сжимающие напряжения, поджатая к стопору, дислокация начнет диффузионно восходить и перейдет на плоскость, которая расположена над (или под) стопором. На этой плоскости она сможет беспрепятственно продолжать скользить, а кристалл — деформироваться. В этом процессе благодаря восхождению дислокация обходит, огибает стопор, который, скользя, она не могла бы преодолеть. Продолжая аналогию между дислокациями и туристами, уместно вспомнить строку из шуточной песни туристов: «Умный в гору не пойдет, умный гору обойдет!»

Здесь надо упомянуть, что описанный процесс обхода препятствия дислокацией может совершаться при высокой температуре, когда диффузия происходит достаточно быстро. В области низких температур события могут развернуться совсем по-иному... Впрочем, об этом позже, в очерке, посвященном зарождению трещин.

Второй процесс. Он интересен тем, что восхождение дислокаций в нем проявляется в чистом виде, без примеси скольжения. Речь идет о процессе самопроизвольного разгибания некогда согнутого кристалла. Легко представить себе, что к изгибу кристалла приводят незавершенные плоскости, вставленные в кристалл с одной его стороны. Модель: колода карт, в которой некоторое количество карт вставлено не на всю длину колоды. Каждая незавершенная плоскость соответствует одной краевой дислокации. Очевидно, радиус кривизны кристаллической пластинки будет тем меньшим, чем большее число краевых дислокаций одного знака в нем расположено. В процессе отжига эти дислокации расположатся в ряды: это оказывается энергетически выгодным. При этом, однако, число дислокаций останется неизменным, а значит, неизменным останется и кривизна кристалла. Каждый ряд дислокаций подобен сжатой пружине, так как расположенные друг над другом дислокации отталкиваются, — таков закон их взаимодействия. Поэтому дислокации, расположенные над и под средней линией изогнутого кристалла, должны перемещаться к его противоположным поверхностям.

При этом первые (незавершенные плоскости укорачиваются!) становятся «источником» атомов, а вторые (незавершенные плоскости удлиняются!) — «источником» вакансий. Обмениваясь атомами и вакансиями, дислокации диффузионно восходят, через поверхность кристалла выходят за его пределы, их число в кристалле уменьшается, и он разгибается.

Этот эффект наблюдался в очень простых опытах. Тонкая пластинка монокристалла NaСl изгибалась по кругу так, что между ее концами оставался маленький зазор. Затем она горизонтально располагалась в печи. В процессе отжига велось наблюдение за шириной зазора. Со временем он увеличивался, свидетельствуя о распрямлении кристалла. По скорости распрямления можно было вычислить коэффициент диффузии и убедиться в том, что основной механизм распрямления — это диффузионное восхождение дислокаций.

ТРУДНОСТИ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

В истории всякой теории есть период, когда она привлекательна не столько достигнутыми успехами, сколько возникшими перед ней трудностями. Это обычно юношеский период развития теории, когда она испытывает то, что именуется «трудностями роста».

Вопрос «Как растут кристаллы?» тревожил многие умы — и те, которые проблему обсуждали умозрительно, и те, которые, служа практике, пытались лучшим образом искуссвенно выращивать кристаллы.

В нашем повествовании оставим без обсуждения множество наивных догадок о том, как растут кристаллы; эти догадки в ранг теории возводить не надо. Не будучи теориями, они, однако, предшествуют их появлению, и поэтому пренебрежительно перешагивать через эти догадки не следует, они, безусловно, заслуживают благодарности.

Первая серьезная теория роста кристаллов появилась в середине 20-х годов и была предложена немецким физиком Косселем и болгарским физиком Странским. Они рассуждали строго, физически оправданно и очень прямолинейно.

Вот их логика. Есть кристаллик, ограненный плоскими поверхностями. Он играет роль зародыша будущего кристалла, ему надлежит расти. Есть источник атомов, которые, осев на кристалле, увеличивают его объем, способствуют его росту. Атомы могут осаждаться, приходя к зародышу из пересыщенной газовой фазы, или из пересыщенного раствора, или из расплава. До сих пор рассуждения физиков заведомо непорочны, так как ничего, кроме констатации факта, они не содержат: зародыш кристаллика растет за счет осаждения на нем атомов. Теория, однако, обязана предложить модель процесса и ответить на следующие вопросы: в каких случаях атом «сочтет целесообразным» осесть на поверхности растущего кристалла, будет ли он это делать единолично или в компании себе подобных, с какой скоростью кристаллик будет расти, как на эту скорость можно повлиять? У теории можно потребовать ответа еще на многие другие вопросы. Ограничимся этими основными и сочтем теорию разумной, если, в согласии с фактами, она ответит на них.

Продолжим прямолинейную логику Косселя и Странского. Если на гладкой поверхности кристалла осядет всего один атом, он с кристаллом будет связан непрочно и, прожив на поверхности какое-то короткое время, покинет ее. А это означает, что кристаллик расти не будет, он как бы не приемлет атомы, которые хотели бы в одиночку обосноваться на нем. Их непрочная связь обусловлена изолированнестью атома, недостатком со

седей. Если представить атом в форме кубика, то из шести возможных связей кубика с соседями установленной оказывается только одна. Будем считать, что прочность связи такого атома с кристаллом составляет одну шестую от максимальной. Поэтому теоретики решили, что для того, чтобы кристалл приобрел способность к росту, осесть на поверхности должен коллектив атомов, образующих колонию. Легко понять, что чем больше атомов входит в состав плоской колонии, тем прочнее она окажется связанной с кристаллом.

Коссель и Странский выяснили, что чем меньше степень пересыщения раствора или переохлаждения расплава, тем больше должен быть размер колонии, которая окажется способной к росту, не распадется на отдельные атомы, поодиночке покидающие поверхность кристалла. Такую колонию они назвали «критическим двумерным зародышем». Если на поверхности кристалла возник такой зародыш, то к его контуру могут пристраиваться приходящие одиночные атомы и зародыш будет разрастаться, покрывая собой всю поверхность кристалла, выстраивая новый одноатомный слой. А затем должно начаться все сначала: появляется двумерный зародыш, разрастается, образуется одноатомный слой.

Если принять описанную модель роста и если считать, что время ожидания появления жизнеспособного зародыша τ значительно больше времени, в течение которого он разрастается, то легко написать основную формулу теории, определяющую скорость роста кристалла:

υкр = a/τ

где а — расстояние между атомами, т. е. толщина одноатомного слоя.

Теоретики сумели вычислить величину τ, нашли ее связь со степенью неравновесности, т. е. со степенью переохлаждения расплава или пересыщения раствора (источника атомов, питающих кристалл). Выяснилось, что т увеличивается по мере уменьшения степени неравновесности, стремясь к бесконечности при стремлении степени неравновесности к нулю. И скорость при этом стремится к нулю.

Все оправданно, разумно, и, казалось бы, эксперимент не должен, не имеет права противоречить такой стройной логичной теории. Природа, однако, оказалась изощреннее формально строгой логики теоретиков. Выяснилось, что во многих случаях при малой степени неравновесности среды реальные кристаллы растут существенно быстрее, чем это предсказывает логически стройная теория. Существенно — это значит не в 2—3 раза, а в тысячи раз. Теория явно нуждается в коренном усовершенствовании, дисциплинированная логика явно где-то ограничила фантазию, и правда ускользнула от теоретиков.

Итак, теория встретилась с трудностью — залогом того, что не за горами ее усовершенствование. Оно появилось на кончике пера английского теоретика Франка, размышлявшего о структуре реального кристалла менее дисциплинированно, чем его предшественники. Он усмотрел слабую сторону теории Косселя и Странского в том, что, согласно их представлениям, идеальный зародыш разрастается в идеальный кристалл. Ни в зародыше, ни в кристалле нет дефектов, кристалл растет так, что на его поверхности наслаиваются идеальные атомные плоскости. Именно для этого Косселю и Странскому понадобился идеальный зародыш, который долго не желает появляться, если степень неравновесности невелика. Франк, однако, видел перед собой реальный кристалл, и его логика, очевидно, развивалась следующим образом. От двумерного зародыша надо отказаться. Если даже при очень малой степени неравновесности кристалл растет быстро, на его поверхности, видимо, существует не исчезающая в процессе роста ступенька, к которой пристраиваются одиночные атомы. В этом месте своих рассуждений Франк освободился от гипноза предшественников и высказал неожиданный фантастический домысел: неисчезающая ступенька. В теории Косселя и Странского роль ступеньки играет контур зародыша.

Но в этом случае ступенька должна появиться, разрастись и исчезнуть, когда слой полностью достроится. А по мысли Франка, такая ступенька должна быть всегда, не исчезая в процессе роста. Он предположил, что такая ступенька на поверхности есть следствие дефекта объема кристалла. Этот дефект Франк назвал винтовой дислокацией. Именно Франк поселил в кристалле винтовую дислокацию.

Проще всего представить себе винтовую дислокацию как некую линию, вокруг которой наслаивается кристалл в виде одной-единственной плоскости, подобно винтовой лестнице. Винтовая лестница часто «навинчивается» на центральный стержень. Вот его и следует считать моделью линии винтовой дислокации. Ступенька на поверхности — это обрыв атомной плоскости, накручивающейся вокруг линии винтовой дислокации. Чуть курьезно говоря, согласно Франку, кристалл, содержащий одну винтовую дислокацию, состоит из одной плоскости. Именно она и достраивается в процессе роста. Согласно Косселю и Странскому, плоскости зарождаются и завершают свой рост; согласно Франку, все время растет одна и та же плоскость. У Косселя и Странского — слоистый рост, у Франка — спиральный. Когда степень неравновесности велика, может осуществляться и механизм слоистого роста, а вот когда она мала — помирить эксперимент с теорией может лишь механизм спирального роста.

Мысль теоретика, родившего образ винтовой дислокации, многим вначале показалась фантастической и вызвала к себе настороженное отношение: фантазия, разумеется, необходима для развития науки, но фантазия должна иметь предел.

Но когда через несколько лет после работы Франка экспериментаторы доподлинно увидели так называемый спиральный рост, при котором на поверхности растущего кристалла обнаруживается развивающийся по спирали бугорок, настороженное и скептическое отношение к фантазии теоретика сменилось восторгом перед его проницательностью.

В наши дни спиральный рост по Франку — азбука теории роста кристаллов, винтовые дислокации в кристалле поселились прочно и, как выяснилось, определяют в его свойствах очень многое.

О многом рассказать я не могу. А вот о том, как винтовые дислокации участвуют в пластическом деформировании кристалла, расскажу. Как и в случае краевых дислокаций, это удобнее всего сделать, обсуждая один из простейших типов деформирования, а именно сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Наличие в кристалле винтовой дислокации, пересекающей поверхность, обусловливает наличие на поверхности ступеньки — это мы уже знаем. Дополним это знание следующим сведением: наибольшая высота этой ступеньки есть вектор Бюргерса дислокации, он замыкает контур, внутри которого находится дислокационная линия.

Вот теперь проследим за сдвигом в кристалле, обусловленным движением винтовой дислокации, воспользовавшись очень простой моделью. Для ее создания необходимы небольшой кусок картона и ножницы. Немного надрежем картон ножницами и, не отделяя ножницы от картона, вглядимся в структуру его поверхности. Увидим: поверхность стала «винтовой», на ней появилась ступенька, высота которой у края картонки наибольшая, убывает вдоль лезвий ножниц и обращается в нуль в конце разреза. У нас есть все основания считать, что в конце разреза расположена линия винтовой дислокации, пронизывающая картон. Очевидно, если мы теперь продолжим работу ножниц, дислокационная линия будет перемещаться от одного края картонки в противоположный, и, когда эта линия пересечет картонку, ступенька превратится в полоску-уступ, шириной равный вектору Бюргерса. А это и означает, что осуществился взаимный сдвиг частей картонки, которая в принятой модели имитирует кристалл.

Наша модель, которая, надеюсь, помогла понять роль винтовой дислокации в процессе деформации сдвига, может оказаться и причиной заблуждения. Дело в том, что ножницы создают «дислокацию в картоне», вектор Бюргерса которой совпадает с толщиной картона, и поэтому одна дислокационная линия, пройдя сквозь кристалл, расчленяет его. А если попроще, — ножницы разрезают картон. Для того чтобы добиться такого эффекта в кристалле толщиной h, надо, чтобы сквозь него прошло п = h/b дислокаций. Скажем, части кристалла сантиметровой толщины окажутся полностью взаимно сдвинутыми (кристалл разрезан!),если его пронижет п = 1см /3.10-8 см = 3. 10^7 дислокаций. Вот с учетом этой поправки мы и примем модель «картон — ножницы». Итак, винтовая дислокация определяет по меньшей мере две характеристики живого кристалла: она помогает ему быстро расти, если обстоятельства этот рост могут обеспечить, и она помогает ему деформироваться, если обстоятельства требуют этого от кристалла.

дислокационные розетки

Желание рассказать читателю о дислокационных розетках восходит не только к физике явления, но и к эстетике, — уж очень красивы и впечатляющи эти розетки! А в науке — об этом часто и много говорили великие — истина и красота обычно соседствуют. Природа, подчиняющаяся определенным законам и воспитывающая в нас представления о красоте, позаботилась о том, чтобы истина не оказалась уродливой.

Вначале о дислокационных розетках укола. Опыт, в котором такая розетка обнаруживается, ставится и хитро, и просто. Как правило, в кристалле имеется несколько избранных плоскостей, в которых сдвиг осуществляется легче, т. е. при меньших напряжениях, чем в иных, ориентированных произвольно. Это так называемые плоскости легкого скольжения. Например, в ионном кристалле типа NaСl таких плоскостей восемь: в четырех из них легко движутся краевые, а в четырех иных — винтовые дислокации. Если мы приложим силы, ориентированные параллельно соответствующим плоскостям, мы вызовем в них сдвиг, в осуществлении которого участвуют лишь те дислокации, которые легко движутся в этих плоскостях. Если кристалл не сдвигать, а уколоть иглой или индентором, в нем можно возбудить сдвиг одновременно во многих плоскостях. Вокруг укола, вдоль тех прямых, по которым плоскости скольжения пересекают поверхность кристалла, растравливая кристалл по ямкам травления, можно обнаружить выходы дислокаций, ответственных за скольжение, на поверхность кристалла. В согласии с симметрией кристалла эти ямки образуют красивую, симметричную розетку.

Теперь о дислокационных розетках, возникающих, когда через маленький участок поверхности кристалла в его объем диффундируют чужие атомы. Первый опыт, в котором такие розетки были обнаружены, ставился так. На поверхности КС1 располагалась крупинка кристалла КВr, производился отжиг при высокой температуре, а затем с охлажденного образца снималась крупинка и поверхность кристалла протравливалась для обнаружения точек пересечения поверхности линиями дислокаций. При этом обнаруживается розетка фигур травления на дислокациях.

В диффузионном опыте розетка дислокаций возникала в связи с тем, что чужие атомы в кристалле создают в нем напряжения. Они и вызывают движение дислокаций и формирование розетки.

Для чего ставились описанные опыты по обнаружению и исследованию розеток? Отвечу на вопрос строго, оставив эстетику в стороне. Опыты с розетками укола проводились для того, чтобы детально проследить закономерности движения дислокаций, происходящего одновременно во многих плоскостях легкого скольжения. Здесь напряжение создается нажатием на индентор, а розетка — источник сведений о поведении дислокаций. Опыты с розетками, которые формируются в процессе диффузии, ставились с иной целью: выяснить, какие напряжения возникают в области кристалла, в которую в процессе диффузии внедряются чужие атомы. Оказывается, что и форма розетки, и число дислокаций, которые ее образуют, зависят и от величины напряжений, и от того, как эти напряжения распределены. Сравните розетки укола и диффузионные розетки, и вы убедитесь, что напряжения, которые их создали, ориентированы различно. Не будем разбираться в деталях, а удовлетворимся утверждением: различно. И розетки оказываются различными по форме и равно красивыми — как цветы!

МОДЕЛЬ: РЕЗИНОВАЯ ТРУБКА

В истории науки подобных примеров множество: появляется новая идея, или обнаруживается новое явление природы, и при этом вдруг оказывается, что ранее, в связи с совсем иными задачами и ввиду совсем иных целей, ученые высказали соображения или выполнили расчеты, которые имеют самое прямое отношение к новым, тогда еще неизвестным, а ныне появившимся идеям и обнаружившимся явлениям. В начале 30-х годов, создавая теорию дислокаций, физики столкнулись с необходимостью изучить напряжения, которые должны возникнуть вокруг дислокационной линии. Тут-то и оказалось, что великий итальянский математик Вито Вольтерра, который впоследствии прославился созданием математической теории борьбы за существование, еще в начале века решил задачу о распределении напряжений в толстостенной резиновой трубке, возникающих после того, как трубка разрезана вдоль образующей; в плоскости разреза части трубки друг относительно друга сдвинуты, а затем в этой же плоскости склеены. Конечно же, Вольтерра решал чисто математическую задачу из области теории упругости, совершенно не подозревая, что в кристаллах имеются дислокации и что найденное им решение имеет самое прямое отношение к вопросу о распределении напряжений вокруг дислокаций — и краевой, и винтовой.

Мы это легко поймем, если воспользуемся моделью «резиновая трубка» и реально проделаем с ней все то, что умозрительно проделывал математик Вольтерра, решая свою задачу. Возьмем толстостенную резиновую трубку, разрежем ее по образующей до отверстия. Для того чтобы моделировать краевую дислокацию, осуществим сдвиг вдоль радиуса трубки, а чтобы моделировать винтовую дислокацию — вдоль направления оси трубки. Осуществив сдвиг, склеим сдвинутые части трубки в плоскости разреза.

Обсудим подробнее нашу модель. Плоскость разреза, доведенного лишь до отверстия трубки, — аналог плоскости сдвига. Взаимный сдвиг частей трубки и затем их склейка в плоскости сдвига — аналог сдвига в кристалле, в котором сохраняется связь между частями кристалла, находящимися над и под плоскостью сдвига. Центральное отверстие в трубке — необходимая деталь модели. Если бы мы моделировали сдвиг не трубкой, а сплошным резиновым жгутом, вдоль той линии, где оканчивался разрез, при деформации должны были бы возникнуть огромные напряжения, а значит, и разрыв резины. Природа, разумеется, позаботилась о том, чтобы и вдоль линии дислокации в кристалле было подобие полого цилиндра. Такой канал есть и называется он ядром дислокации.

Итак, задача Вольтерра нам подсказала модель дислокации, а обсуждая модель, мы поняли, что вдоль дислокационной линии должно быть полое ядро. Пример обращенного пути: от математики к модели, а от модели к натуре.

Вернемся, однако, к вопросу о напряжениях вблизи дислокации. С помощью нашей модели мы можем воочию увидеть, как напряжения распределены вокруг ядра дислокации. Для этого, имея в виду краевую дислокацию, поступим так. На гладком торце трубки тонкими линиями нанесем квадратную сетку. Можно тушью, а можно — наклеив черные нитки. Затем разрежем трубку вдоль образующей до отверстия. После этого, моделируя краевую дислокацию, осуществим сдвиг по радиусу и в сдвинутом состоянии склеим части трубки по плоскости разреза. После сдвига и склейки сетка исказится: в тех направлениях, где действуют сжимающие напряжения, размер квадратика уменьшится, где действуют растягивающие напряжения — возрастет: и уменьшится и возрастет в тем большей степени, чем больше величина соответствующих напряжений. На приведенной фотографии видно: над плоскостью скольжения, где расположена лишняя полуплоскость, — действуют сжимающие напряжения. Видно также, что величина напряжений убывает с расстоянием от оси трубки и изменяется с углом между плоскостью скольжения и прямой, соединяющей ось трубки с той точкой, где напряжение определяется.

Аналогичный опыт можно сделать, моделируя винтовую дислокацию. Требующуюся для этого процедуру мы уже обсуждали.

Распределение напряжений вокруг дислокационной линии можно увидеть в опыте с реальным кристаллом, а не с моделью — резиновой трубкой. Дело в том, что сжатые и растянутые области кристалла обладают различными оптическими свойствами. Различие этих свойств обнаруживается поляризованным светом. Поэтому луч света, направленный вдоль оси дислокации, на выходе из кристалла будет ослаблен в различной степени. Благодаря этому и обнаружатся сжатые и растянутые области вблизи линии дислокации.

В напряженной области вокруг дислокации, конечно же, заключена некоторая энергия. В ее величину вносят вклад и область сжатия (чтобы сжать, надо затратить энергию!), и область растяжения (чтобы растянуть, надо затратить энергию!). В расчете на единицу длины энергия дислокации W┴ ≈ Gb^2 ≈ 10-3 эрг/см (G — модуль сдвига, b — вектор Бюргерса). Приведенная формула выглядит вполне разумно. Действительно, чтобы создать дислокацию в кристалле, нужно осуществить деформацию сдвига, и поэтому естественно, что W┴ ≈ G . А то, что W┴ ≈ b^2 , тоже не должно удивлять: не может же энергия (величина положительная!) зависеть от вектора Бюргерса в нечетной степени, так как в этом случае изменение его направления на противоположное привело бы к нелепости, к отрицательной энергии.

ДИСЛОКАЦИИ. ОБЛАКО, ПАУТИНА И РОСА

В названии очерка три «ненаучных» слова. Слова-образы, слова-модели. Наглядные образы, точные модели. Они прочно укоренились в теории дислокаций, ими пользуются даже формально строго мыслящие физики-теоретики и математики, которым, казалось бы, поэтические образы противопоказаны.

Вначале об облаке. Обсудим судьбу дислокации в кристалле, в котором имеются атомы примеси. Вдали от дислокации, в бездефектном объеме кристалла, эти атомы расположатся равномерно просто потому, что нет причины, которая оправдала бы их сгущение или разрежение в какой-либо части этого объема. А вот вблизи краевой дислокации такая причина есть. Она обусловлена тем, что, как мы знаем, дислокационная линия окружена полем напряжений, где имеются участки и сжатые, и растянутые. Если объем атома примеси больше, чем объем каждого из атомов, из которых состоит кристалл, примесный атом предпочтет расположиться вблизи линии дислокации, в той области, где действуют растягивающие напряжения. Здесь ему свободнее, и вокруг себя он будет создавать меньшие напряжения. Тем более целесообразно в область растягивающих напряжений переместиться тем атомам примеси, которые расположены вдоль линии дислокации в сжатой области. Вблизи дислокации возникнет энергетически оправданное сгущение примесных атомов, возникнет «облако» примеси. Аналогичную последовательность рассуждений можно построить и для атомов примеси, объем которых меньше объема атомов кристалла.

В жизни дислокации формирование облака играет очень важную роль. Говорят, что дислокация, окруженная облаком, — состарившаяся дислокация. Один из признаков ее старости — уменьшенная подвижность. Кристалл, содержащий состарившиеся дислокации, — состарившийся кристалл, обнаруживший один из признаков жизни — старение. Окруженная облаком дислокация, двигаясь, должна волочить за собой облако, с которым она прочно связана. Сила этой связи обусловлена тем, что образование облака сопровождалось уменьшением энергии, а следовательно, отрыв дислокации от облака должен будет сопровождаться потерей этого выигрыша энергии. Сказанное означает, что дислокация с облаком связана некоторой силой.

Естественное предсказание: если к дислокации приложить большую силу, дислокация от облака оторвется и... помолодеет, окажется свободной от тормозящего влияния скопления примесных атомов, обретет большую подвижность. А с ней помолодеет и кристалл, станет более пластичным.

Из примесного облака вокруг дислокации может выпасть «роса». Все подобно тому, как это происходит с обычным облаком. Только обычное облако, пересыщенное влагой, может родить капельки воды, а примесное облако, пересыщенное атомами примеси, — капельки, состоящие из этих атомов. Здесь аналогия приобретает доказательную силу, во всяком случае она вполне достаточна для того, чтобы не удивляться появлению частичек, состоящих из примесных атомов и располагающихся вдоль дислокационных линий, подобно капелькам росы на паутине.

Процессы образования капель росы и частичек из примесных атомов, разумеется, не абсолютно идентичны, хотя бы потому, что один из них происходит в газовой среде, а другой — в кристалле. Оставим в стороне те черты процессов, которыми они отличаются, а подчеркнем роднящие их черты. Паутина, усеянная каплями, — великолепный зримый образ дислокации, вдоль которой расположены крупинки инородного вещества.

То, что рассказано об облаке вокруг ядра дислокации, широко используется при создании сплавов с повышенной прочностью. Композиторы таких сплавов рассуждают следующим образом. Для того чтобы упрочнить кристалл, надо помешать дислокациям легко перемещаться под влиянием извне приложенных напряжений. А это достигается введением в кристалл примесных атомов, объем которых существенно отличается от объема основных атомов кристалла. В этом случае вокруг дислокации возникнет облако, и она, состарившись, потеряет подвижность. Цель будет достигнута: состарившийся кристалл окажется прочнее молодого.

Подобно примесному облаку, крупинки на дислокационной линии также являются причиной ее пониженной подвижности: двигаться, перемещая с собой крупинки, существенно труднее, чем двигаться свободно, без них.

Обсудим случай, когда крупинки почему-либо вообще не могут двигаться и по отношению к дислокации окажутся неподвижными стопорами, мешающими ее движению. А дислокация должна была бы двигаться, так как извне к ней приложено некоторое напряжение. Оно должно вызвать пластическое деформирование кристалла, которое не может происходить, если дислокации неподвижны. Под влиянием приложенных напряжений участок дислокационной линии, расположенный между двумя стопорами, должен будет изгибаться, подобно натягиваемой тетиве лука. Но изгиб дислокационной линии означает ее удлинение, а следовательно, увеличение связанной с ней энергии. Это вполне достаточное основание для того, чтобы дислокация сопротивлялась изгибающим усилиям, чтобы появлялось напряжение, противодействующее тому, которое приложено извне.

Иной образ, иная модель: все происходящее с застопоренным участком дислокационной линии очень подобно тому, что происходит с пленкой мыльного пузыря, выдуваемого на соломинке. По мере того как плоская мембрана из мыльной пленки, закрывающей торец соломинки, начинает выгибаться под влиянием давления газа, увеличивается противодавление, обусловленное изгибом мембраны. Это давление, как известно, равно Р = 2Рл = 4α/R, где Рл — лапласовское давление, множителем 2 учтено наличие двух поверхностей у мыльной пленки, R — радиус ее изгиба, α — поверхностное натяжение. Легко себе представить, что радиус изгиба пленки меняется от бесконечной величины, когда пленка в виде плоской мембраны перекрывает торец соломинки, до величины, соответствующей радиусу раздутого пузыря. Минимальное значение радиус изогнутой пленки принимает тогда, когда она становится полусферической, опирающейся на периметр соломинки, как на экватор: Rтiп = d/2, d — диаметр соломинки. Из рассказанного следует, что для того, чтобы раздуть мыльный пузырь, надо в трубке создать давление, превосходящее Рmах = 8α/d. При таком давлении раздуваемая пленка станет полусферической, и ее дальнейший рост, когда R > d/2, требует уже меньшего давления газа.

Теперь, пожалуй, ясно: для того чтобы «продавить» участок дислокационной линии в зазоре между двумя неподвижными стопорами, расстояние между которыми l, нужно преодолеть некоторое максимальное, создаваемое дислокацией, напряжение σmах. Расчет показывает, что σmах определяется формулой

σmах = 2Gb/l ,

подобной той, которая определяет Ртах для мыльного пузыря. Дело в том, что α — величина поверхностного натяжения пленки, а Gb — величина, пропорциональная линейному натяжению дислокационной линии. Так как G ≈ 10^12 дин/см^2, b ≈ 3.10-8 см, то при l ≈ 10-4 см оказывается σmах ≈ 6.10^8 дин/см^2. То есть для того, чтобы заставить дислокацию двигаться, надо приложить к ней очень большие напряжения. То же другими словами: если росинки-стопоры расположены вдоль дислокации и если к дислокации приложено напряжение σ < σmах, она окажется неподвижной. Очень важное заключение! Композиторам сплавов оно подсказывает отличную идею: если хочешь воспрепятствовать пластичности кристалла, введи в него такую примесь, которая в виде росинок осядет вдоль дислокаций и застопорит их. Хочешь добиться сопротивляемости кристалла деформированию вплоть до высоких напряжений, посади на дислокации стопоры-росинки почаще. Оставим в стороне вопрос о том, как эти идеи осуществить в конкретной ситуации. «Как» — это вопрос очень конкретный. Его решают технологи применительно к конкретным сплавам. А вот общая идея застопорить дислокации выделениями — это то, что заслужило внимание и ученых, и технологов всех рангов.

Возможность осадить «росу» вдоль дислокационной линии нашла себе еще одно применение. Хочется сказать: красивое применение. Вспомните: перед восходом солнца паутина, усеянная росой, видна значительно отчетливей, чем после того, когда солнечные лучи испарят росинки. Капельки росы декорируют невидимые волоски паутины, и они становятся видимыми. Потеряв росинки, нити паутины как бы исчезают.

В прозрачных кристаллах можно сделать видимыми дислокационные линии, если их продекорировать посторонними частицами. Отлично это, в частности, получается, если вдоль дислокаций в кристалле NаСl осадить частицы серебра.

Для этого очерка я подобрал фотографию, на которой видны дислокации, продекорированные серебром. Для полноты аналогии выбран такой участок кристалла, где дислокационные линии образуют зримое подобие паутины.

ЕЩЕ РАЗ ОБ ЭЛЕКТРОННОМ ВЕТРЕ

Еще раз к электронному ветру мы обратимся в связи с тем, что в ходе нашего повествования в кристалле поселились дислокации. Электронный ветер, обдувая дислокацию, будет действовать на нее с некоторой силой, которая может оказаться совсем немалой, достаточной для того, чтобы повлиять на движение дислокации.

В этом очерке мы преследуем две цели. Во-первых, хотим оценить величину силы F→, с которой электронный ветер «дует» на дислокацию единичной длины, и, во-вторых, обсудить эксперимент, в котором, по-моему, вполне убедительно показана реальность этой силы.

Вначале оценим силу F→. Для того чтобы это сделать, нужно представить себе, каким препятствием для движущихся электронов является дислокация. Задачу о взаимодействии между электронами и дислокацией теоретики решают, пользуясь сложным арсеналом средств теоретической физики. Мы же, упрощая реальную ситуацию, сочтем, что в механизме рассеяния электронов линия дислокации единичной длины с вектором Бюргерса b эквивалентна пластиночке шириной b см и длиной в 1 см, т. е. площадью S = b см. 1см = b см^2. Такое приближение приходит в голову и кажется разумным потому, что на расстоянии ≈ b от плоскости скольжения расположение атомов в кристалле «забывает» о том, что в нем содержатся дислокации. Сочтем также, что те электроны, которые сталкиваются с пластинкой, подменяющей дислокацию, будут полностью передавать ей свой импульс, т. е. оказывать на пластинку давление

Итак, формула есть. Она оказалась практически такой же, какую получили физики-теоретики, и, следовательно, наше упрощение реальной ситуации не увело нас далеко от правды.

Теперь, глядя на формулу, надо понять, в какой мере сила может повлиять на судьбу дислокации. Лучше задать вопрос в другой формулировке: какой должна быть сила или, в конечном счете, плотность тока j, чтобы электронный ветер мог заметно повлиять на движение дислокации? Естественно предположить, что для этого напряжение σ = F→/b, создаваемое силой вблизи дислокации, должно быть того же порядка, что и механическое напряжение σ*, необходимое для смещения дислокации с места. Для этого необходима плотность тока, следующая из предыдущей формулы,

столько впечатляющая, что хочется произнести ее вслух: десять миллионов ампер на квадратный сантиметр. При такой оценке тока у экспериментатора могут опуститься руки и исчезнуть надежда обнаружить влияние электронного ветра на дислокации. Оказалось, однако, что эффект обнаруживается в очень простых опытах. Впрочем, «оказалось» не с первой попытки, а лишь через тринадцать лет после того, как эффект был предсказан теоретиками.

Расскажу об опытах, в которых был обнаружен эффект увлечения дислокаций электронным ветром. Эти опыты действительно очень просты. Вначале между двумя медными пластинками зажимался монокристальный шарик меди радиуса R ≈ 2.10-2 см и слегка сдавливался. Результат такого опыта предопределен: на двух полюсах шарика, в местах их соприкосновения с пластинками, образовывались одинаковые круглые контактные площадки. Их радиус был r ≈ 5. 10-4 см. Понятно, почему возникали площадки: вещество шарика в виде участков атомных плоскостей вдавливалось в его объем одинаково на двух полюсах, где все происходило симметрично. Легко понять, что контур вдавливаемых плоскостей есть замкнутая дислокационная линия. Для того чтобы последнюю фразу понять отчетливее, поглядим на рисунок, на котором схематически изображено возникновение дислокационной петли при вдавливании в кристалл части его вещества.

Теперь опыт можно усложнить, во время сжатия пропуская через шарик постоянный ток /. Так как площадь контакта шарик — плоскость мала (S = πr^2 см^2), то для получения плотности тока j* ≈ 10^7 А/см^2 нужно через образец пропустить не такой уж большой ток: I = j* •S ≈10 А.

В таком опыте оказывается, что на противоположных полюсах шарика контактные площадки имеют разные радиусы: больше на том полюсе, где движение дислокаций при сжатии шарика и направление тока совпадают, и меньше там, где они направлены противоположно. Результат качественно ясен: в первом случае «ветер» попутный, он ускоряет движение дислокаций от полюса по направлению к центру шарика, а во втором — «ветер» направлен противоположно движению дислокаций и, следовательно, тормозит это движение.

Эффект наблюдался экспериментально. Из опытов, проводившихся при разных токах, экспериментаторы сумели определить отношение σ*/Р ≈ 3•10^25 см-2•с-1, что соответствует разумным значениям Риσ* , которые приведены выше. Обе цели мы достигли: построена элементарная теория и обсужден эксперимент.

Прежде чем окончить этот очерк, хочется обратить внимание читателя на явление, как бы противоположное электронному ветру, увлекающему дислокации. Состоит оно вот в чем. Если в металле электроны движутся лишь хаотически, не участвуя в направленном движении, т. е. через металл ток не течет, а дислокации в процессе пластической деформации перемещаются направленно, они будут испытывать трение вследствие столкновения с электронами «покоящегося» газа. Сила этого трения в расчете на дислокационную линию единичной длины, очевидно, будет описываться формулой, которая уже нам встречалась:

F┴= bneυ┴P ,

если под υ┴ понимать не скорость дрейфа электронов, а скорость движения дислокаций.

Экспериментально реальность напряжения σ┴ обнаруживается в эффекте, который последние годы изучается очень тщательно и экспериментаторами, и теоретиками. Эффект состоит в том, что при переходе металла из нормального в сверхпроводящее состояние, когда электронное торможение исчезает, пластичность металла скачкообразно увеличивается. Этот эффект, который мог бы наблюдаться и на заре изучения сверхпроводимости, долго себя не проявлял, а в конце 60-х годов обнаружился во многих лабораториях мира.

Вот теперь очерк можно закончить.

РАЗМНОЖЕНИЕ И ГИБЕЛЬ ДИСЛОКАЦИЙ

Ансамблю дислокаций в кристалле свойственны эти два непременных признака жизни любой популяции: и размножение, и гибель составляющих ее индивидуумов. В книге о живом кристалле нельзя промолчать о том, как размножаются и как исчезают дислокации.

Вначале о размножении. О том, что оно должно происходить, теоретики обязаны были подумать сразу же, как только сочли, что деформация кристалла происходит вследствие движения дислокаций. Их логика должна была быть простой и прямолинейной. Кристалл, как известно, способен значительно деформироваться, и в течение длительного времени. Для этого наличных в нем дислокаций, которые, перемещаясь, «выходят из игры», может оказаться недостаточно, и, следовательно, необходимо появление новых. В том, что дело обстоит именно так, легко убедиться, если воспользоваться уже встречавшейся нам формулой, которая определяет связь между величиной деформации ε, плотностью подвижных дислокаций ρ_0 и величиной перемещения каждой из них li. Если мы сочтем, что все дислокации «выйдут из игры», пройдя максимальный путь lmax, то деформация, согласно нашей формуле, окажется следующей:

εmax = ρ_0blmax .

Опыт свидетельствует о том, что в реальных кристаллических телах величина lmax оказывается небольшой, приблизительно равной 10-3—10-2 см; пройдя такой путь, дислокации «выходят из игры» по разным причинам: либо достигают границы зерна, либо выходят за пределы образца, либо, встретив стопор, теряют подвижность, а следовательно, и способность вносить вклад в формирование кристалла. При ρ_0 ≈ 10^7 см-2 и b ≈ 3• 10-8 см оказывается, что εmax = 10-4 - 10-3. А в действительности, благодаря движению дислокаций, кристалл может деформироваться в несравненно большей степени. Это и означает, что в процессе деформирования в нем, видимо, должны рождаться новые подвижные дислокации.

Когда речь идет о размножении живых организмов, имеется в виду увеличение числа особей. В случае дислокаций имеется в виду нечто иное, а именно увеличение их плотности. А так как плотность дислокаций ρ_0 = £/V , где £ — суммарная протяженность дислокационных линий в объеме V, то под размножением следует понимать увеличение £. Итак, оказывается, что размножение дислокации есть попросту ее удлинение.

Вот теперь можно поговорить о конкретном механизме размножения. Об одном из многих. В литературе он называется механизмом Франка — Рида.

Практически все необходимое для того, чтобы понять этот механизм, уже было рассказано в очерке о «росе», тормозящей движение дислокаций. После того, как участок дислокационной линии, заторможенный двумя неподвижными «росинками»-стопорами, напряжением σ > σ max будет «продавлен» сквозь стопоры, в плоскости скольжения он превратится в замкнутый круг и в участок дислокационной линии между стопорами. Этот участок так же может превращаться в круг, повторив предыдущий цикл. Он окажется очагом размножения дислокационной линии, так как ее суммарная длина в этом процессе возрастает. Разумеется, до тех пор, пока действует напряжение, способное «продавить» заторможенный участок дислокационной линии сквозь стопоры. Рисунок это отчетливо иллюстрирует.

В кристалле могут быть и одиночные замкнутые петли, и полупетли, которые обоими концами выходят на поверхность кристалла. Их расширение или сжатие также приводит к размножению или гибели дислокаций.

Коротко о механизмах «гибели» дислокаций. Один из механизмов может быть обратным тому, который приводил к размножению. Действительно, если перестать дуть в трубку, на торце которой расположен мыльный пузырь, он через трубку выдавит из себя газ и «схлопнется». Подобно этому «схлопнется» и замкнутая дислокационная линия («петля»), если внешние напряжения перестанут ее растягивать. То же относится и к «полу-петле», которая не замкнута на себе, а выходит на поверхность кристалла.

Описанным механизмом дислокационная линия гибнет медленно, обреченно. Есть, однако, и иные механизмы, при которых длина дислокационных линий сокращается скачком. Так произойдет, если в одной плоскости скольжения навстречу друг другу движутся две линии, каждая из которых ограничивает недостроенную плоскость над и под плоскостью скольжения. При встрече линий эти полуплоскости, дополнив друг друга, достроются, и из двух полуплоскостей образуется одна здоровая плоскость. Были две дислокационные линии и исчезли! И, наконец, совсем простой и очевидный механизм: движущиеся в кристалле дислокационные линии могут выйти на его поверхность и, таким образом, перестать существовать в объеме!

В этом очерке слова «размножение» и «гибель» я употреблял в прямом, не искаженном смысле: «размножение» — значит увеличилась мера, «гибель» — значит было и исчезло!

ЗВУЧАНИЕ КРИСТАЛЛА

Летом 1924 г. академик Абрам Федорович Иоффе получил письмо из Лейдена от своего друга — выдающегося физика-теоретика Пауля Эренфеста. В этом письме сообщалось, что Пауль Эренфест собирается приехать к Иоффе в гости где-то в августе — сентябре. В конце письма — совсем неожиданная просьба: рафинированный физик-теоретик, тончайший ценитель формальной строгости теоретических построений новой физики просит организовать ему возможность принять участие в не очень сложной экспериментальной работе. Что-нибудь с кристаллами.

Я не могу толково объяснить читателю, чем эта просьба была вызвана. Быть может, обычная «охота к перемене мест», желание увидеть любимую науку с иной позиции, быть может, попытка поиска иного поприща: Эренфест был болезненно самокритичен и очень скептически относился к своим достижениям в теоретической физике. Так или иначе, но в августе — сентябре 1924 г. Иоффе и Эренфест «в четыре руки» занимались исследованиями пластического деформирования монокристаллов цинка. Они заметили, что деформирование монокристаллов осуществляется скачкообразно и что скачки сопровождаются потрескиванием. Выражаясь научно, скажем так: пластическое деформирование сопровождается акустической эмиссией.

Где-то я встречал разумную мысль о том, что это очень интересное явление следовало бы именовать «эффект Иоффе — Эренфеста». В Ленинградском физико-техническом институте он очень подробно исследовался ученицей А. Ф. Иоффе Мариной Викторовной Классен-Неклюдовой, ныне известным профессором-кристаллофизиком.

Собственно, и до Иоффе и Эренфеста звучание кристалла слышали неоднократно. Все паяльщики и лудильщики издавна знают, что при деформировании третник (сплав: 1 часть свинца и 2 части олова) потрескивает. Но в данном случае, как и в несметном количестве подобных, важно не то, что кто-то видел физическое явление, а то, что кто-то иной обратил на него внимание, понял его важность, а это и значит — сделал открытие.

Итак, при деформировании кристалл может звучать. Возникает большое количество совсем не риторических вопросов. Почему возникает звук? Почему он подобен не гулу сирены, а тиканью часов. В Ленинградском физико-техническом институте об образцах Иоффе и Эренфеста говорили: цинковые часы. И еще: нельзя ли повлиять на это звучание? Нельзя ли его использовать, дать ему выход в практику?

Будем разбираться в сформулированных вопросах, так сказать, в порядке их поступления.

Начнем с сотворения модели явления, с поисков аналогий, которые могли бы помочь ответить на интересующие нас вопросы. Вспомним, что пластическая деформация сопровождается движением дислокаций. Естественно предположить, что звучание кристалла и движение в нем дислокаций — явления не независимые. Тем более, что сразу же напрашивается аналогия: движение пули в воздухе сопровождается «акустической эмиссией», или, попросту говоря, свистом. С пулей и воздухом все ясно: в пуле, имеющей массу m и летящей со скоростью υ, запасена кинетическая энергия, та самая, которая, как известно, равна mυ^2/2. Постепенно теряя эту энергию на преодоление сопротивления воздуха, пуля возбуждает в нем упругие волны, которые нашим ухом воспринимаются, как свист. Для того чтобы задуманная нами аналогия оказалась состоятельной, нам нужно подобно массе пули представить себе массу дислокации — величину не совсем обычную. Измерять ее в граммах нельзя, видимо, ее следует измерять в граммах на единицу длины линии дислокации. Без доказательств сообщу читателю, что эта величина определяется произведением плотности вещества кристалла d на квадрат вектора Бюргерса: db^2. Эта формула не должна вызвать подозрений, все в ней разумно: присутствует и характеристика кристалла (в виде плотности вещества), и характеристика дислокации в виде вектора Бюргерса, который входит в квадрате, символизирующем физически оправданную независимость массы дислокации единичной длины от того, как ориентирован ее вектор Бюргерса. Если бы вектор Бюргерса в формулу, определяющую массу дислокации, входил в первой степени, изменение его ориентации на противоположное меняло бы знак массы, т. е. она могла бы стать отрицательной, что нелепо! Итак, кинетическую энергию дислокации единичной длины можно записать в виде W┴= db^2υ^2/2. А дальше все, как с пулей: дислокация движется в кристалле, теряет свою кинетическую энергию, эта энергия переходит в энергию упругих волн в кристалле, и кристалл звучит. Все ясно!

Здесь, пожалуй, рассуждения «по аналогии» следует прервать. Дальше опасно, легко можно заблудиться. Ну, например, летящая пуля свистит непрерывно, а при пластическом деформировании слышатся потрескивания. Удовлетворимся тем, что аналогия помогла нам понять основное: движущаяся в кристалле дислокация возмущает решетку, передает ей часть своей энергии, в решетке возбуждаются упругие волны, т. е. звук.

Имея в виду описанный дислокационный механизм, можно понять и причину прерывистого звучания. Дело в том, что тот непрерывный свист, который издает летящая пуля, видимо, издает и дислокация. Этот слабый звук наше ухо просто не улавливает. Но вот в момент, когда дислокация выходит за пределы кристалла и когда вместе с ее исчезновением скачкообразно выделяется вся принадлежащая ей кинетическая энергия (подчеркнем: не постепенно передается решетке, а скачкообразно, сполна), мы слышим резкий щелчок. У физиков, занимающихся акустической эмиссией кристаллов, есть специальный термин — «переходное излучение». Оно возникает, когда дислокация переходит из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью. Это значит, что скачкообразно меняется масса дислокации, следовательно, и ее кинетическая энергия и, следовательно, должен прозвучать щелчок. Здесь, пожалуй, следует заметить, что термин «переходное излучение» теорией акустической эмиссии кристаллов был заимствован из электродинамики, той ее главы, которая посвящена движению заряда в среде. Пересекая границу между двумя средами, заряд излучает так называемое «переходное излучение».

Можно указать большое количество реальных ситуаций, при которых исчезающая дислокация (или дислокации) должна издавать щелчок. Ну, скажем, с некоторой скоростью навстречу друг другу в одной плоскости скольжения движутся две дислокации с противоположно ориентированными векторами Бюргерса. При встрече такие дислокации исчезают, аннигилируют, при этом выделяется энергия, равная сумме кинетических энергий обеих дислокаций. Если скорости движения дислокаций были не малы, то выделяющаяся при этом энергия может оказаться значительной. Если, например, υ┴ ≈ 10-1 υзв ≈ 10^4 см/с, то в металлах, где d ≈ 10 г/см^3, величина W┴ ≈ 5.10-6 эрг/см.

Может произойти и по-другому: кольцевая дислокационная линия (дислокационная петля) будет стягиваться в точку, следовательно, уменьшать свою длину, выделять энергию и возбуждать звук. Может быть и так: в процессе пластического деформирования дислокация сорвется с затормозивших ее стопоров и скачкообразно начнет двигаться, издавая при этом звук.

Мы интересовались, нельзя ли повлиять на звучание деформируемого кристалла. Конечно же, можно. Надо предварительно каким-либо способом ввести в кристалл дислокации, а затем, планомерно деформируя его, привести их в движение.

Нам осталось два дела. Во-первых, рассказать о том, как физики экспериментально исследуют звучание кристалла, обусловленное движением дислокаций, и, во-вторых, о том, как можно этот эффект использовать практически.

Экспериментальных работ по акустической эмиссии кристаллов, обусловленной дислокациями, очень не много. Я расскажу лишь об одном опыте, о том, который мне и понравился больше иных, и вызвал полное к себе доверие. Поставлен он был харьковскими кристаллофизиками В. С. Бойко, Р. И. Гарбером и их сотрудниками. Авторы этого опыта воспользовались тем, что во многих кристаллах, в частности и кристалле кальцита, с которым они и экспериментировали, под влиянием извне приложенной сосредоточенной нагрузки (ее можно создать нажатием на лезвие клина, касающегося поверхности кристалла) получаются скопления большого количества однотипных дислокаций.

Они образуют стенку, концы которой касаются поверхности кристалла. При снятии внешней нагрузки эти скопления покидают кристалл, с большой скоростью дислокации выходят за его пределы. Акт выхода сопровождается сильной акустической эмиссией. Возникающий звуковой сигнал очень четко можно зарегистрировать осциллографом. Для того чтобы не принять желаемое за действительное, авторы опыта с помощью скоростной кинокамеры следили за выходом дислокаций. Момент выхода дислокаций и момент всплеска звука совпали. Убедительный опыт!

Теперь о практических приложениях, точнее, об одном из них, очень важном и очень красивом. В 1959 г. немецкий физик Кайзер, изучая акустическую эмиссию металлов, обнаружил, что, если образец, который под влиянием определенной внешней нагрузки звучал, освободить от этой нагрузки, а потом повторно нагрузить, он зазвучит лишь при условии, если повторная нагрузка превзойдет начальную. В физической литературе это явление именуется «эффект Кайзера». Зная о нем, представьте себе, что некоторый полый сосуд мы герметически закроем металлической мембраной и опустим его в море на некоторую глубину, где к мембране будет приложено напряжение, обусловленное гидростатическим давлением,

σh = dgh,

(d — плотность воды, g — ускорение свободного падения, h — глубина погружения). В воде, согласно Кайзеру, мембрана «вызвучит» все, что должна «вызвучать» при напряжении σh. После извлечения из воды ее следует вынудить начать звучать под влиянием внешней, точно измеряемой нагрузки σ* > σh . Этим самым мы узнаем у мембраны, на какой глубине она находилась. Очевидно, на глубине h = σ*/dg. Таким образом, способность кристалла издавать звуки может быть использована для создания глубиномеров. Я рассказал лишь об общей идее, на которой основан акустический глубиномер. При ее осуществлении возникает много трудностей и ограничений. Трудности преодолеваются, ограничения учитываются.

В КРИСТАЛЛЕ ВОЗНИКАЕТ ТРЕЩИНА

Понятия «трещина», «треснуло» настолько будничны, что кажутся само собой разумеющимися. Треснуло — значит появилась трещина! Появилась трещина — значит треснуло! Между тем трещина заслуживает и, по праву, требует пристального внимания к себе. Ведь только что мы сформулировали сентенцию: «треснуло — значит появилась трещина». А с этим не могут мириться ни конструкторы, создающие машины, ни машины, работающие по замыслу конструкторов.

Итак, о том, как в кристалле поселяется трещина. Возможностей поселить в себе трещину у кристалла — множество! Я хочу рассказать о двух механизмах возникновения трещины в кристалле. О тех, которые отличаются наглядностью и оказываются действующими во многих реальных ситуациях.

Вначале одно общее соображение. Кристаллы под влиянием приложенных к ним усилий должны деформироваться. Если возникающие в кристалле напряжения достаточно велики, его деформация со временем будет нарастать. Хочется сказать: кристалл будет «течь». Так вот, если кристаллу ничто не мешает свободно «течь», он и будет «течь», сохраняя сплошность, а если свободно течь ему нечто мешает, в нем под влиянием нагрузки может возникнуть трещина! Соображение общее, и поэтому такие расплывчатые слова, как «ничто» и «нечто», не должны вызывать протеста. Говоря о течении кристалла, я имею в виду, что под влиянием приложенной нагрузки со временем его деформация нарастает, как, скажем, это могло бы происходить с нагретой до высокой температуры стеклянной нитью, к которой подвешен груз. Сейчас важны не конкретные детали, а общая мысль о том, что трещина может возникнуть, если свободная деформация кристалла, его течение почему-либо запрещено. Только эта мысль!

Теперь о двух конкретных механизмах возникновения трещин. Один из них был понят и описан английским ученым Стро и очень скоро вошел в плоть науки о реальном кристалле. Так бывает часто: ранее неизвестное со временем (и иной раз очень скоро!) кажется само собой разумеющимся. Говорят, что новая идея последовательно вызывает две реакции: вначале — «этого не может быть!», а затем — «иначе и быть не может!». Пожалуй, именно такая судьба оказалась и у идеи механизма появления трещины «по Стро». Вот посудите сами.

Помните очерк о движении дислокаций в плоскости скольжения и аналогию между дислокациями движущимися одна за другой, и цепочкой туристов, идущих по тропке? Если температура кристалла высока, дислокации, остановившиеся перед непреодолимым стопором, диффузионно обходят его. А если температура невысока и, следовательно, диффузионная подвижность атомов мала, вблизи стопора будет происходить иное: головная дислокация у стопора остановится, движущаяся за ней приблизится на расстояние, немного меньшее того, которое было между этими дислокациями, когда они скользили беспрепятственно. Головная дислокация испытает при этом давление. Со временем оно будет нарастать по мере приближения последующих дислокаций цепочки. Если у препятствия затормозится ряд следующих друг за другом п дислокаций, головная дислокация будет испытывать на себе напряжение, n-кратно превосходящее внешнее, то, которое вынуждает дислокации скользить. Оно может оказаться настолько большим, что превзойдет прочность кристалла, сдерживающего напор дислокаций, и вблизи кристалла зародится клиновидная трещина. Она появится вследствие объединения ближайших к стопору дислокаций. Следующие дислокации как-бы проваливаются в зародившуюся трещину, и она подрастает. Пока дислокация скользила свободно, кристалл «тек», а когда встретился стопор и движение дислокаций затормозилось, появилась трещина. Все как и следовало из «общего соображения».

О трещине, возникшей «по Стро», следует кое-что рассказать. Во-первых, ее ширина будет тем больше, чем большее число дислокаций, объединившись, приняло участие в ее формировании. Если это число обозначить п, то ширина трещины будет равна пb, где b — вектор Бюргерса. О такой трещине иногда говорят так: дислокация с Еектором Бюргерса пb. Во-вторых, оказывается, что направление трещины с направлением плоскости скольжения образует угол, близкий к 70°. Не стану приводить расчеты, из которых эта величина следует, а лучше предложу читателю убедиться в правильности утверждения, проделав опыт с моделью кристалла в виде листа белой бумаги. Впервые мне его продемонстрировал профессор Е. Д. Щукин и подарил для этой книги две фотографии, иллюстрирующие последовательные этапы опыта, который он производил, так сказать, собственноручно.

Опыт прост. На листе белой бумаги нужно карандашом провести прямую линию — символ полосы скольжения. Затем на некотором ограниченном участке этой линии бритвой сделать в бумаге разрез. Именно вдоль него можно будет осуществить сдвиг, символизирующий результат скольжения дислокаций. Концы разреза — символы стопоров, далее которых сдвиг не смог и не сможет распространяться. А теперь лист следует положить на гладкий стол, прижать его к столу двумя руками, расположенными с двух сторон от карандашной линии, и, медленно сдвигая руки в противоположных направлениях, спровоцировать сдвиг. При этом бумага, разумеется, прорвется, но не вдоль карандашной линии, а в направлении, образующем с карандашной линией угол, близкий к 70°!

Посоветовав читателю сделать этот модельный опыт, я, разумеется, ничего ему не пояснил. Быть может, лишь помог возникновению интуитивного восприятия правильности одного из следствий теории Стро. А это, пожалуй, не так уж мало. Я тешу себя мыслью, что от модельного опыта, а заодно и от автора популярного изложения большего можно и не требовать.

Механизм «по Стро» — не просто правдоподобный вымысел теоретика. Этот механизм реально действует, особенно в тех случаях, когда деформируется кристаллическое тело, пересеченное множеством границ раздела между элементами его структуры. Граница обычно играет роль стопора, и вблизи нее возникает трещина.

Все рассказанное о механизме возникновения трещины «по Стро» дает основание для важного замечания. Почему, собственно, кристалл «согласился» поселить в себе трещину? А потому, что, образовав ее, дислокации, скопившиеся перед стопором, освободились от действующих на них сил. Вообще говоря, есть, например, уже обсуждавшаяся нами возможность диффузионно обойти препятствие и переместиться в другую плоскость скольжения над или под препятствием, как бы обойти его, а затем скользить в этой другой плоскости, где стопора нет. Напомним еще раз, что при низкой температуре этот процесс не может происходить! Это одна из причин того, что при низкой температуре кристаллы хрупки, а при высокой — пластичны.

На этом, пожалуй, можно окончить рассказ о механизме появления трещины «по Стро» и перейти к рассказу о механизме «по Коттреллу». Коттрелл — английский физик-теоретик.

Механизм «по Коттреллу» от механизма «по Стро» отличается лишь образом стопора, который тормозит свободное скольжение дислокаций. В механизме Коттрелла в роли стопора, тормозящего движение цепочки дислокаций вдоль данного направления скольжения, оказываются такие же дислокации, которые, однако, движутся вдоль другого направления, пересекающегося с данным. Две дислокации, которые двигались вдоль пересекающихся направлений и столкнулись, взаимодействуют. В результате этого взаимодействия образуется новая дислокация. Она расположена так, что не может двигаться ни в одном из пересекающихся направлений скольжения и поэтому оказывается оседлой, покоящейся. О ней говорят: «сидячая дислокация». Каждая пара встретившихся дислокаций образует одну «сидячую». Все «сидячие» дислокации возникают близко друг от друга в области пересечения плоскостей скольжения. В конце концов они сливаются и образуют трещину.

Механизм «по Коттреллу» отчетливо наблюдается во многих кристаллических телах. В качестве примера его действия приведена фотография структуры кристалла NаС1, который всесторонне сжимали с целью залечить имеющуюся в нем пору. Объем поры действительно уменьшился, но вокруг нее образовались трещины «по Коттреллу».

ГДЕ ТОНКО — ТАМ НЕ РВЕТСЯ

Инженер американского Авиационного исследовательского центра А. А. Гриффитс в 1920 г. указал на пример, свидетельствующий о том, что народная мудрость «где тонко, там и рвется» состоятельна не всегда. Его интересовала проблема реальной прочности различных материалов, применяемых в авиастроении, — сталей, чугуна, алюминиевых сплавов. Он, однако, вопреки прямолинейному здравому смыслу, ставил свои опыты на на этих материалах, а на модельном материале — обычном стекле, разумно рассудив, что закономерности разрушения у различных твердых тел могут оказаться общими, а экспериментировать со стеклом проще.

Среди множества прочих наблюдений Гриффитс сделал и такое: прочность на разрыв цилиндрических стеклянных нитей увеличивается с уменьшением их диаметра d: нить, диаметр которой 2•10 2см, имеет прочность около σ = 2• 10^9 дин /см^2, а у нити, имеющей диаметр ≈ 3. 10-4 см, прочность возрастает до σ = 6. 10^10 дин/см^2. Нарастание прочности с уменьшением диаметра происходит монотонно. Экспериментально определив прочность стеклянных нитей при различных значениях Гриффитс сумел оценить предельную прочность тончайших нитей. Она оказалась около 1,1 • 10^11 дин/см^2. Обратим внимание на эту величину, запомним ее, далее она нам встретится.

Итак, рвется там, где не тонко, а там, где тонко, — не рвется. Почему? Есть в этом явлении что-то, что выводит его за пределы привычных представлений, так как рваться все же должно там, где тонко!

Читатель не может не почувствовать, что мы в преддверии проблемы большой значимости, что противоречие с народной мудростью должно таить в себе не пустяк, а нечто принципиально важное. Быть может, вскрыв и поняв это важное, мы осмыслим явление и восстановим торжество мудрости. Так должно быть!

Прежде чем мы последуем за логикой идей и опытов Гриффитса, необходимо подчеркнуть, что всякий раз, говоря о разрушении, мы будем иметь в виду хрупкое разрушение, т. е. такое, после которого из частей разрушенного тела (осколков!) можно его склеить, восстановив форму. «Хрупкое» разрушение — это, в отличие от «вязкого», разрушение, которое сопровождается изменением формы образца. Например, под влиянием растягивающих усилий в вязком теле образуется утончение, так называемая «шейка».

А вот теперь можно следовать за Гриффитсом. Его основная идея состояла в том, что разрушение твердого тела есть следствие поглощения им некоторого количества энергии. В великолепной популярной книге «Почему мы не проваливаемся под пол?» Джон Гордон пытается восстановить психологическую канву, на фоне которой Гриффитс создал свою классическую теорию разрушения хрупких тел. Гордон, шутя (а быть может, всерьез), допускает, что энергетический подход к проблеме разрушения Гриффитсу был подсказан воспоминаниями о тех мальчишеских днях, когда он и его друзья успешно разбивали стекла в окнах, пользуясь рогаткой и камешками. Энергия мышц передавалась растянутой резине, энергия резины — камню, энергия камня — стеклу, а хрупкое стекло, не выдерживая сгустка энергии, разрушалось. Если дело обстояло именно так, то можно не сомневаться, что своей теорией Гриффитс полностью искупил вред, который нанес окнам и он, и его ближайшие друзья, и все прочие мальчишки мира — любители рогаточного спорта.

Гриффитс предположил, что в той области нагруженного кристалла, где должно произойти разрушение, сконцентрирована избыточная энергия, величина которой зависит от приложенной к кристаллу нагрузки. При хрупком разрушении эта энергия превращается в энергию образовавшейся поверхности. На языке эксперимента с рогаткой это означает, что часть энергии летящего камня превратилась в энергию поверхностей всех образовавшихся осколков оконного стекла.

Приравняв энергию упругих напряжений, создаваемых в кристалле внешним воздействием, и энергию поверхностей, образующихся при хрупком разрушении, Гриффитс оценил ту прочность, которой должен был бы обладать кристалл. Воспроизведем его расчет, разумеется, в упрощенной форме. Вычислим вначале энергию, сосредоточенную в кубике твердого тела с размером ребра l, который, под действием силы F в направлении ее действия, изменил свой размер на величину Δl. Сопротивление кристалла деформированию увеличивается с ростом деформации, поэтому сочтем, что среднее значение силы, действующей на кристалл, приблизительно равно F/2. Вспомнив, что работа (или энергия) равна произведению силы на путь, энергию, запасенную в кристалле, определим соотношением

Приравняв упругую энергию поверхностной, Гриффитс нашел формулу, определяющую напряжение σ*, при котором кристалл должен разрушиться (т. е. его теоретическую прочность):

Итак, результат, к которому мы пришли, оказался следующим: ту прочность, которой, согласно расчету, должно обладать вещество, имеют лишь очень тонкие нити из этого вещества, а толстые нити имеют прочность, в 50 — 100 раз меньшую. Такое кричащее несоответствие между теоретической и реальной прочностью твердого тела не может быть обусловлено ошибкой расчета или эксперимента: слишком велико несоответствие, и слишком прозрачны и просты и расчет, и эксперимент. Здесь необходима оговорка. Расчет внушает доверие лишь в случае, если реальная ситуация соответствует той идеализированной, которая в расчете предполагается: твердое тело свободно от каких-либо дефектов, и все связи между атомами, которым надлежит быть разорванными, рвутся одновременно. А вот это, рассуждал Гриффитс, очевидно и не имеет места. Видимо, в реальном твердом теле — в его объеме и на поверхности — имеются микроскопические трещинки. Возможно, именно они и ответственны и за обнаруженное несоответствие теории и эксперимента, и за зависимость прочности нити от ее диаметра. Гриффитс был вынужден придумать дефект и поселить его в твердом теле для того, чтобы помирить теорию и эксперимент. В этом одна из основных забот теоретика — пытаться мирить теорию и эксперимент. Тем более, если теоретик и экспериментатор — одно лицо.

Читатель удивлен, его явно смущает словосочетание «придумать дефект», он, видимо, считает, что ничего придумывать не следует, что поступать надо совсем наоборот — «не поселять» в твердом теле придуманное, а, внимательно изучив структуру твердого тела, обнаружить дефект, наличие которого так резко понижает его прочность. Конечно, хорошо бы поступать так, как рекомендует читатель. Однако в его разумной рекомендации имеется одна логическая брешь. Если дефект будет непосредственно обнаружен, то, следовательно, в кристалле он присутствует. Если же он не будет обнаружен — это не значит, что его в кристалле нет. Это просто значит, что он не был обнаружен, и не более того! Именно такая трудность и встретилась Гриффитсу, не видевшему нужных ему трещин. В этом случае фантазия ученого должна домыслить необнаруженное в надежде на то, что со временем, когда экспериментальные методы станут более совершенными, можно будет убедиться в разумности домысла. Здесь в игру вступает такая тонкая материя, как интуиция ученого, его способность проникать в существо явлений природы, его фантазия, питающаяся знаниями, аналогиями, воспоминаниями, смелостью и независимостью суждений. Гриффитс явно был одарен этими ценностями, потому что, не видя ультрамикроскопических трещин, он их домыслил, а уже затем они были обнаружены и косвенно, и непосредственно.

Предложенный Гриффитсом энергетический подход к описанию разрушения хрупкого твердого тела можно использовать для определения размера той трещинки l*, которая окажется очагом разрушения, если к телу приложено определенное напряжение σ_0.

Если трещина имела размер l* или достигла этого размера, ее дальнейшее подрастание будет выгодным, так как при l > l* упругая энергия с ростом l уменьшается быстрее, чем возрастает поверхностная.

Из приведенной оценки l* ~ 1 /σ^2_0 следует, что с ростом приложенного напряжения размер опасной трещины быстро уменьшается. Та трещина, которая при данном напряжении могла существовать в кристалле, не обнаруживая себя, при немного большем напряжении перейдет в разряд развивающихся трещин, которые себя обнаруживают очень впечатляющим образом: из-за них кристалл рушится. Из нашей оценки l* следует, что в кристаллах, модуль упругости которых Е ≈ 10^12 дин/см^2, при напряжении σ_0 ≈ 10^9 дин/см^2 все те трещины, размер которых l < 10-3 см, не должны развиваться, опасны лишь те трещины, размер которых превосходит 10-3 см. А вот при напряжении σ_0 ≈ 10^10 дин/см^2 опасными окажутся трещинки, размер которых превосходит 10 -5 см.

Формулу, которая определяет величину l*, стоит использовать еще и для других оценок, прочтя ее для этого как бы в обратном направлении. Из этой формулы следует оценка напряжения, достаточного для того, чтобы тело, содержащее трещину с размером l*, разрушилось:

Если бы тело было абсолютно свободно от каких-либо трещин, оно обладало бы «теоретической прочностью» σ*, величинакоторой, как известно, близка к модулю упругости. На этом основании можно получить формулу

и с ее помощью оценить, во сколько раз трещинка данного размера понизит «теоретическую прочность» σ*, доведя ее до уровня некоторой истинной «технической прочности». Вот пример: при α ≈ 10^3 эрг/см^2, Е ≈ 10^12 эрг/см^3 и l ≈10-3см оказывается σ/σ* ≈ 10-3. Повторю этот впечатляющий результат обычными словами: трещинка размером десять микрометров понижает прочность тела в 1000 раз! А трещинка в одну десятую микрометра — в 100 раз! Здесь читатель не может не задуматься над тем, как многого могут добиться технолог-металлург и технолог-машиностроитель, если они сумеют обеспечить производство изделий, свободных от трещин.

У Гриффитса, по меньшей мере, две фундаментальные заслуги перед той главой физики твердого тела, которая посвящена реальному кристаллу. Первая состоит в том, что он описал хрупкое разрушение твердого тела как процесс превращения упругой энергии, сосредоточенной в объеме тела, в поверхностную энергию его частей, образовавшихся при разрушении. Вторая, не менее важная, состоит в том, что Гриффитс первый рискнул придумать и «поселить» в твердом теле дефект — отклонение от идеальной структуры — для того, чтобы объяснить механические свойства реального тела. За Гриффитсом это делали многие и во многих случаях.

В начале очерка была высказана надежда, что мудрость «где тонко, там и рвется» восторжествует.Она действительно торжествует: рвется у устья трещины, т. е. там, где напряжения оказываются максимальными, а максимальными они оказываются потому, что напряжен лишь узкий, в угодной нам терминологии — тонкий, участок. Именно там и рвется! Подробнее об этом — в следующем очерке.

ЭФФЕКТ ИОФФЕ

Об эффекте, открытом и исследованном одним из патриархов советской физики академиком Абрамом Федоровичем Иоффе, я всегда с удовольствием рассказываю и во время университетских лекций, и просто в беседах с молодыми людьми, если хочу обратить их в свою веру — представить науку о кристаллах в красочном, привлекательном виде.

История открытия и самоутверждения эффекта Иоффе содержит все то, чем богата логика живой науки и маняща деятельность ученого. В этой истории и рождение проблемы, когда обнаруживается кричащее противоречие между идеями и фактами, и эксперимент — красивый и настолько простой, что у каждого возникает иллюзия сопричастности к замыслу эксперимента, уверенность, что и он придумал бы этот эксперимент, если бы ранее его не придумал и не осуществил тот, с чьим именем эксперимент вошел в науку. В истории эффекта Иоффе есть место деятельности и добросовестно заблуждающихся научных оппонентов, и активных газетных репортеров, неуемно и без достаточных оснований фантазирующих на тему «эффект и будущее» и высшая награда ученому, когда его идеи со страниц академических журналов перекочевывают на страницы учебников и в графы карточек цеховых технологических процессов.

Внешне эффект выглядит так. Оказывается, что, если кристалл каменной соли (толстый или тонкий — это безразлично) смочить водой, его прочность на разрыв становится во много раз больше прочности сухого кристалла. Казалось бы, прочность — объемное свойство кристалла и ему нет дела до всего того, что происходит на поверхности кристалла, а на поверку оказывается, что существует «эффект Иоффе»: соседство с водой резко упрочняет каменную соль.

Начало истории эффекта Иоффе мы будем датировать 1915 г., когда выдающимся немецким физиком-теоретиком Максом Борном была опубликована теория ионных кристаллов. Собственно, в этой теории впервые и было введено представление о кристаллах, состоящих из ионов, которые связаны электрическим взаимодействием. Сказанное в последней фразе для нас звучит азбучной истиной, а тогда, в 1915 г., всего через 3 года после того, как с помощью рентгеновских лучей впервые убедились в строгой периодичности чередования атомов в кристалле, мысль о структуре, состоящей из ионов, была откровением.

Теория Борна, математически стройная и внутренне непротиворечивая, подтверждалась многими экспериментами. Сопоставляя ее следствия с экспериментально установленными фактами, Борн объяснил оптические, электрические и многие другие свойства ионных структур. В противоречии с его теорией оказались лишь данные о прочности кристаллов. Известно было, что, например, кристалл каменной соли разрушается, если к нему приложить напряжение σ ≈ 4,5• 10^7 дин/см^2, а точный и последовательный расчет теоретика предсказывал существенно иную величину: σ ≈ 2• 10^10 дин/см^2.

Сохранив идею, упростим расчет Борна и попытаемся примитивно оценить величину прочности кристалла. Борн ее вычислил строго.

Мы знаем, что прочность кристалла есть отношение силы, которую нужно приложить, чтобы его разорвать, к площади поверхности, по которой разрыв произошел:  σ = F/S

Простота и очевидность сделанной оценки не должны в глазах читателя умалить проницательность теоретика. Нам, полвека спустя, легко и просто быть умеющими и понимающими, за нами величие Борна, который в 1915 г., не имея предшественников, мыслил независимо и революционно. Он был великим мастером. Здесь я хочу обратить внимание читателя на то, что в приведенном расчете, относящемся к разрыву кристалла, как и в расчете Френкеля, относившемся к сдвигу, делается все то же «классическое» предположение, что все связи рвутся одновременно.

Осмысливая противоречия между расчетом Борна и экспериментальными данными, Иоффе должен был обсуждать две возможности: либо теоретик ошибся, либо эксперименты неточны! Второе предположение следует отбросить, не колеблясь, потому что, даже если бы произошло невероятное и экспериментаторы ошиблись в 500 раз, их поправила бы многовековая практика обращения человека с кристаллами NаС1. Ведь если бы действительно их прочность была в согласии с теорией Борна, то не так просто было бы добыть в штольне соляную глыбу, орудуя киркой, и непростой была бы задача истолочь эту глыбу в порошок. В 500 раз экспериментаторы не могли ошибиться! И теоретик вряд ли ошибался так сильно: и мысли его логичны, и многие иные факты, следуя этим же мыслям, он объяснил очень успешно.

Правду следовало искать где-то в другом месте. Именно это и сделал Иоффе. Он рассуждал так: Борн, конечно же не ошибается, но рассчитывает он идеальную ситуацию когда одновременно рвутся все п связей. А если они рвутся не одновременно? Тогда, очевидно, разрушение будет происходить не мгновенно, так как связи рвутся последовательно, и при напряжении, значительно меньшем того, которое следует из теории.

Иоффе предположил, что на поверхности кристалла имеются микроскопические трещины. При нагрузках, меньших соответствующей «теоретической» прочности в устье трещины, в маленьком объеме кристалла могут возникнуть напряжения, при которых связи начнут рваться. А это значит, что трещина будет распространяться в глубь образца, пронижет его и расчленит на две части. Кристалл разрушится не потому, что в плоскости разрыва одновременно разрушились все связи, а потому, что последовательно разрушающиеся связи дали возможность трещине вырасти и расчленить кристалл.

В то время, когда Иоффе осмысливал свои опыты, идея «трещины» носилась в воздухе. И не случайно почти одновременно была использована и Гриффитсом, и Иоффе.

То, о чем думал Иоффе, представляя механизм разрушения, можно отчетливо проиллюстрировать модельным опытом. Он прост, и его результаты не оставляют сомнений. На предметном столике микроскопа растягивается тонкая пластинка плексигласа, на боковом торце которой сделан острый и неглубокий надрез. Пластинка моделирует кристалл, надрез — трещину на его поверхности. В поляризованном свете можно отличить напряженные участки в плексигласе: чем больше напряжение, тем соответствующий участок темнее. Так вот, на последовательности кадров отснятого нами кинофильма видно, что в устье надреза напряжения максимальны и что пластинка разрушается вследствие движения напряженного устья надреза сквозь нее. Происходит это при напряжениях, значительно меньших тех, которые необходимы для разрушения пластинки без надреза.

В упрощенном варианте подобный модельный опыт можно сделать не прибегая ни к микроскопу, ни к поляризованному свету, ни к кинокамере: порвать полоску бумаги, растягивая ее, намного легче, если предварительно сделать на ней маленький надрыв.

Итак, гипотеза есть, нужен опыт, экзаменующий ее. Идею опыта подсказывает прямолинейная логика: если действительно поверхностные трещины — истинная причина почти пятисоткратного понижения прочности, то, растворив в воде тонкий слой кристалла, в котором есть трещины, мы вправе ожидать, что прочность кристалла возрастет в пятьсот раз. Логика это право дает, а скепсис возражает логике: неужели вода способна обусловить такой эффект?

Иоффе поставил следующий опыт. Он растягивал монокристальный образец каменной соли в условиях, когда часть образца была в воздухе, а часть омывалась теплой водой, которая растворяла и утоняла кристалл. Результат опыта оказался в согласии с предсказаниями логики: образец разрушился в сухой части, обнаружив прочность ≈ 45• 10е дин/см^2. Мокрая, более тонкая часть образца выдерживала напряжения до величины 15• 10^9 дин/см^2, которая не так уж далека от «теоретической прочности» 20 • 10^9 дин/см^2.

Ситуация гриффитсовская: где тонко, там не рвется! Как правило, красивым нам кажется такой опыт, который побеждает наш скепсис. В этом смысле опыт Иоффе, безусловно, очень красив!

Опыт (он был осуществлен в 1924 г.) с таким впечатляющим результатом, естественно, привлек к себе внимание и специалистов, и «околонаучных кругов». Газеты и научно-популярные журналы наперебой рассказывали своим читателям о фантастических последствиях возможного увеличения прочности материалов: мосты из проволок, сверхлегкие самолеты, автомобили, пароходы. В книге «Моя жизнь и работа» А. Ф. Иоффе возмущается этой рекламой: «...между наблюдением исключительной прочности кристалла каменной соли и получением такой же прочности технических материалов — громадный путь».

Журналисты ликовали по поводу эффекта, а в научных журналах появились статьи и на научных конференциях — выступления, которые, не ставя под сомнение результат опытов по разрыву мокрых кристаллов, опровергали предлагавшееся Иоффе толкование причины такого влияния воды на прочность каменной соли. Австрийский кристаллофизик Смекаль, известный своими исследованиями структуры кристаллов, на конференции в Лондоне утверждал, что в опытах Иоффе прочность соли меняется в связи с тем, что вода частично растворяется в ней. С этим утверждением можно было спорить, прибегая не к общим соображениям, а лишь к результатам точно поставленных опытов.

Такие опыты и были поставлены в Ленинграде, в лаборатории Иоффе. Расскажу о двух из них. Один заключался в простом повторении опыта по разрыву образца, погруженного в воду. Была предусмотрена лишь одна деталь: часть поверхности, погруженной в воду, была от воды защищена полоской нерастворимого лака. В этом случае эффект исчезал, прочность кристалла не повышалась. Через незащищенную поверхность вода в кристалл могла поступать, согласно идее Смекаля, и упрочнять его, но то обстоятельство, что на небольшом участке поверхности сохранились поверхностные трещины, делало кристалл уязвимым, малые нагрузки его разрушали. Идея Смекаля явно оказывалась несостоятельной.

Второй опыт был неожиданным по замыслу. Монокристальный шарик каменной соли предварительно охлаждался в жидком воздухе, а затем перебрасывался в расплавленное олово или свинец. Внешние слои шарика быстро нагревались, расширялись и растягивали во всех направлениях внутреннюю, еще не прогревшуюся часть шарика. Теоретики подсчитали, что в центре шарика возникали напряжения до 7• 10^9 дин/см^2, между тем шарик не разрывался. Дело в том, что напряжения возникали внутри шарика, а поверхностные трещины оставались недостаточно напряженными, не росли, и кристалл сохранял целостность.

У читателя, конечно же, возник вопрос: почему именно трещины на поверхности кристалла оказались определяющими его прочность? Неужели структура объема образца абсолютно бездефектна, свободна от «объемных» трещин, которые были бы равно безразличны и к наличию, и к отсутствию воды на поверхности образца? Действительно, могло бы оказаться, что роль поверхностных трещин не определяла бы прочность. Могло бы, а вот в случае соли не оказалось.

Быть может, это обстоятельство умаляет значимость и общность эффекта? Быть может, речь идет о случайной находке экспериментатора, имеющей ограниченный, частный интерес? Конечно же, нет! Речь идет о другом. Благодаря тому, что отыскались объекты, где поверхностные трещинки себя проявляют предельно отчетливо, физика обогатилась ясным пониманием возможного влияния поверхностных дефектов на механические свойства кристаллов. Важная проблема «кристалл и среда» немного прояснилась, кусочек истинной правды о законах природы оказался заключенным в «эффекте Иоффе».

Абрам Федорович Иоффе был счастливым ученым, он видел при жизни учебники физики с параграфом «Эффект Иоффе» и видел карточки тех цеховых технологических процессов, в которых достигается значительное упрочнение изделий вследствие удаления трещин с их поверхности.

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Продолжим рассказ о живущих в кристалле трещинах. Первый обстоятельный доклад о своем открытии Петр Александрович Ребиндер сделал поздним летом 1928 г. на пароходе, спускавшемся вниз по Волге — от Нижнего Новгорода до Саратова. На пароходе плыли делегаты

VI Всероссийского съезда физиков и гости съезда. Среди гостей были крупнейшие физики того времени: Макс Борн, Петер Дебай, Чарлз Дарвин, Поль Дирак и многие другие. Для истории советской физики это был знаменательный съезд, потому что именно во время этого съезда были доложены и обсуждены три крупнейших достижения молодой советской физики: эффект комбинационного рассения света (о нем доложил Л. И. Мандельштам), первые результаты, полученные при исследовании цепных реакций (о них доложил Н. Н. Семенов), и эффект адсорбционного понижения прочности (о нем доложил П. А. Ребиндер).

Доклад П. А. Ребиндера вызвал скептическое к себе отношение. Докладчик утверждал, что механические свойства кристаллического тела могут быть существенно изменены, если на его поверхности расположить специально подобранные вещества. Докладчик рассказывал об опытах, подтверждающих его точку зрения. Все это выглядело более чем странно, потому что, какое бы вещество ни располагалось на поверхности, о его существовании осведомлены лишь «поверхностные» атомы кристалла, а их исчезающе мало. Относительная доля поверхностных атомов из числа образующих проволоку радиусом оказывается равной

χ = 2πRa/πR^2 = 2а/R ,

где а — межатомное расстояние. Если R = 10-1 см, а = 3.10-8 см,

то χ ≈ 10 -7, т. е. на поверхности такой проволоки расположена одна десятимиллионная доля всех атомов, из которых она состоит. Не могут же они определить собой прочность массивного образца, за нее ведь заведомо ответственны атомы, находящиеся в объеме! Вспомним: подобные соображения возникали и в связи с эффектом Иоффе.

Прошли годы, появились новые факты, догадки, теоретические оценки. Оказалось, что докладчик был прав. Обширный опыт конференций и семинаров свидетельствуют о том, что докладчики обычно бывают правы. Не всегда, но чаще всего. Они о предмете доклада думали больше и заинтересованнее, чем их слушатели-оппоненты.

Итак — эффект Ребиндера: кристалл, поверхность которого покрыта так называемым поверхностно-активным веществом, обнаруживает механические свойства, существенно отличающиеся от свойств такого же кристалла, поверхность которого чиста. Так, например, значительно пониженной может оказаться прочность на разрыв, кристалл может обнаружить повышенную хрупкость.

Очень впечатляет классический опыт, который П. А. Ребиндер любил демонстрировать во время лекций. Опыт простой. Вначале следует убедиться в том, что тонкая пластинка цинка под влиянием малых усилий легко изгибается, оказывается пластичной. Затем следует очистить участок поверхности кристалла и нанести на него каплю ртути. После этой процедуры изгиб кристалла сопровождается появлением трещины. В нее активно проникает ртуть, и трещина быстро развивается. Ртуть, находящаяся на поверхности пластичного цинка, сделала его хрупким. Я неоднократно видел эту лекционную демонстрацию в исполнении Петра Александровича. Демонстрируя, он всегда был радостно возбужден, и в его повадке было нечто от повадки школьника, удивляющего друзей эффектным фокусом.

Этому большому, убеленному сединами человеку была свойственна ребячливость. Когда в его руках оказывались части хрупко разрушившейся пластинки цинка, он победно оглядывал слушателей и говорил: «Никакой ловкости рук!»

Процессы, сопутствующие проявлению эффекта Ребиндера, в той форме, какая наблюдалась в описанном опыте, очень не просты. Они зависят от физических свойств и кристалла, и вещества, занесенного на его поверхность.

Попытаемся понять физику эффекта, имея в виду кристалл А, на поверхности которого расположено некоторое поверхностно-активное вещество В. Может оказаться (и это оказывается в огромном количестве комбинаций А и В), что атомам сорта В выгодно расположиться между атомами сорта A, вклиниться между ними. Этому процессу можно помочь, приложив растягивающие усилия к кристаллу, и таким образом ослабить связь А—А. Если внедрение атомов сорта В в кристалл А произошло, в нем появляются связи типа А—В. А вот связи А—В могут оказаться значительно слабее связей А—А , и это может определить пониженную прочность кристалла.

К рассказанному необходимо добавить следующее. Основные события, сопутствующие разрушению, как правило, происходят в устье развивающейся трещины, к которой из слоя покрытия должны успевать приходить атомы сорта В. Их может поставлять либо процесс диффузии вдоль поверхности, либо процесс растекания вещества В по поверхности трещины, развивающейся в кристалле А.

При любом механизме эти поставки должны происходить достаточно быстро для того, чтобы у устья трещины были атомы сорта В, стремящиеся внедриться в кристалл Л. Здесь уместно обратить внимание на то, что эффекту Ребиндера свойственны многие черты и эффекта Иоффе, и эффекта Гриффитса. Их роднят особенности процесса развития трещины под действием напряжений.

А вот еще один опыт, иллюстрирующий иное проявление эффекта Ребиндера. В высокий стеклянный стакан наливается немного расплавленного галлия и на его дно ставится тонкая поликристаллическая пластинка цинка. Затем стакан заполняют специальным раствором, который очищает поверхность цинка. Далее происходит следующее. Галлий начинает ползти по поверхности цинка. Это видно отчетливо, так как на цинке образуется движущийся матовый след. Цинковая пластинка, покрытая галлием, начинает оседать на дно стакана, складываясь в гармошку или скручиваясь в рулон. Самопроизвольно, лишь под действием собственного веса!

Галлий, проникая в границы между зернами цинковой поликристаллической пластинки, ослабляет их, и зерна получают возможность легко взаимно смещаться. Именно это мы и видим, наблюдая, как мягко пластинка цинка оседает в стакане с галлием.

В первом опыте — аномальная хрупкость, во втором—аномальная пластичность. Можно было бы привести примеры резкого понижения твердости кристаллов горных пород и металлов, приобретения ими способности легко превращаться в порошок и много иных примеров изменения механических свойств кристаллических тел под влиянием поверхностно-активных веществ.

Читатель, даже не очень склонный к фантазированию, легко представит себе ту огромную роль, которую играет эффект Ребиндера в природе и во многих технологических процессах. Помогу читателю: в присутствии поверхностно-активных веществ легче обрабатывать резцом, легче штамповать, легче бурить горные породы, легче истирать кристалл в порошок...

«МОЗАИЧНЫЙ» КРИСТАЛЛ

Цель этого очерка — рассказать о том, как в реальном кристалле «поселился» дефект в виде границы между отдельными блоками, образующими кристалл. Рассказ следует начать издалека, с 1913—1914 гг., когда во многих лабораториях мира и теоретики и экспериментаторы, вдохновленные недавно сделанным открытием возможности исследовать структуру кристалла с помощью рентгеновских лучей, занимались изучением интенсивности лучей, отраженных от кристалла.

На первых порах в этих исследованиях при сопоставлении теории и эксперимента возникла сложная ситуация. Теоретики (как и подобает теоретикам!) построили теорию, основанную на предположениях, очень упрощающих задачу. Слово «очень» подчеркивается, так как теоретики предположили, что те вторичные волны, которые под влиянием падающего рентгеновского луча испускают атомы, ни между собой, ни с первичным лучом не взаимодействуют. В действительности, разумеется, взаимодействуют, и существенно, а теоретики этим пренебрегли. Вдумаемся: по существу, при этом они пренебрегли тем, что в кристалле атомы расположены упорядоченно, так как именно в связи с упорядоченностью взаимодействие между вторичными волнами может быть значительным. Практически вместо кристалла они рассмотрели просто совокупность независимых атомов. Изучая кристалл, они пренебрегли кристаллом! Назовем эту теорию «теория № 1».

После этой была построена более точная теория, учитывающая то, чем «теория № 1» пренебрегла. Назовем ее «теория № 2». Естественно ожидать, что «№ 2» — теория более точная — будет лучше согласовываться с результатами опытов, чем «теория № 1». А на поверку оказалось, что формулы «теории № 1» несравненно лучше описывают результаты измерений, чем формулы «теории № 2». Вот конкретный пример того, что скрывается за словом «лучше». Из опыта следует, что отражающая способность кристалла алюминия при одной из его ориентаций характеризуется числом 580. Из «теории № 1» следует число 818, а из «теории № 2» — 19,6.

Где же искать выход из этой странной ситуации, когда оказывается, что чем хуже, тем лучше? Ведь такой выход обязан быть! Вскоре он нашелся. Экспериментаторы заметили, что результаты измерений обычно оказываются между результатами, предсказанными каждой из теорий. Если кристалл немного исказить — продеформировать, пошлифовать поверхность, — результаты опытов приближаются к предсказаниям «теории № 1». Предсказания «теории № 2» эксперимент подтверждает лишь в редких, исключительных случаях, если опыт ставится с кристально чистым кристаллом, практически свободным от дефектов. Это свидетельство эксперимента указало путь к решению проблемы: теоретики предсказали, что модель идеального кристалла, лежащая в основе «теории

№ 2», — фикция. Реальный кристалл, видимо, состоит из маленьких областей-блоков. Блоки немного повернуты друг относительно друга и, следовательно, разделены границами. Вторичные волны, испускаемые взаимно повернутыми блоками, друг с другом практически не взаимодействуют, они «не в фазе». И поэтому, чем меньше размер блоков, тем в большей степени, с точки зрения первичного рентгеновского луча, реальный кристалл лишен строгой пространственной периодичности. А именно это молчаливо и предполагала несовершенная «теория № 1». Для согласования теории с экспериментом в то, теперь уже далекое, время физики оказались перед необходимостью умозрительно «поселить» в кристалле невидимый ими дефект — границу раздела между блоками, за которыми укрепилось название «блоки мозаики».

Многие годы «блоки мозаики» существовали не-увиденные, заявляющие о себе главным образом в опытах, в которых изучалась интенсивность рентгеновских лучей, отраженных поверхностью реального кристалла. Со временем, этак через четверть века, выяснилось, что границы между блоками представляют собой организованные ряды дислокаций. Структура этих границ зависит от того, из каких дислокаций они составлены и на какой угол друг относительно друга повернуты блоки, разделяемые границей.

В качестве примера границы между блоками мозаики обсудим простейшую границу, которая состоит из краевых дислокаций с одинаково ориентированными векторами Бюргерса. Воспользовавшись схемой такой границы, легко убедиться в том, что вектор Бюргерса b, расстояние между дислокациями h и угол между граничными блоками φ связаны соотношением

φ ≈ b / h

Если φ рад, то h ≈ b/φ ≈ 2• 10-4 см. При таком расстоянии между дислокациями они могут быть обнаружены обычной техникой химического травления!

Границу между мозаичными блоками можно промоделировать методом БНЛ: неподалеку один от другого надо выдуть два небольших скопления из пузырьков, сделать их края ровными, а затем скопления приблизить до соприкосновения. Мы это делали. Изменили угол ориентации между скоплениями и увидели много интересного в строении границы между блоками.

Мозаичные блоки и границы между ними — более чем полувековой объект исследований многих лабораторий мира. Добавим: важный объект, так как структура границы и размеры блока определяют очень многое в свойствах реальных кристаллов. А начало этих исследований восходит к тем работам, с рассказа о которых очерк начат.

ОПЫТЫ ПРОФЕССОРА ЛУКИРСКОГО

Опыты эти были поставлены в условиях, не располагавших к академическим исследованиям. 1944 г., война, большая комната Казанского университета шкафами условно разделена на несколько маленьких, в каждой из них — группа физиков Ленинградского физико-технического института, эвакуированного в Казань. В одной из импровизированных комнаток — сотрудники профессора Петра Ивановича Лукирского. Много дел связано с работой на оборону (ими и занят профессор со своими сотрудниками), и как дань естественной любознательности ищущего ученого — опыты с монокристаллами каменной соли. Эти опыты стали классикой кристаллофизики, о них и рассказ.

И по замыслу, и по осуществлению опыты, о которых я буду рассказывать, очень подобны и отличаются лишь формой изучавшегося образца. В одном из опытов длительному высокотемпературному отжигу подвергался тщательно отполированный цилиндр монокристалла каменной соли. Ось цилиндра была ориентирована параллельно ребру куба естественной огранки кристалла.

Результат опыта: до отжига цилиндр бесшумно скатывался по слегка наклоненной поверхности стекла, а после отжига скатывание сопровождалось равномерным постукиванием, как если бы на поверхности цилиндра появились ребра — четыре ребра, равно отстоящих одно от другого. Эти ребра можно и увидеть, рассматривая отожженный цилиндр в отраженном свете.

В другом опыте такому же отжигу подвергалась тщательно отполированная монокристальная сфера. Результат опыта: при рассматривании отжигавшейся сферы в отраженном свете на ее поверхности можно отчетливо увидеть фигурные блики, соответствующие выходу осей симметрии второго (эллиптический блик!), третьего (треугольный блик!) и четвертого (квадратный блик!) порядка. (Некоторая прямая в кристалле называется осью симметрии k-го порядка, если при повороте кристалла вокруг этой прямой на угол 360°/k он совмещается с самим собой.) До отжига сфера рассматривалась тщательно, этих бликов не было.

Общий результат обоих опытов можно сформулировать так: кристаллы соли, которым принудительно придана не свойственная им цилиндрическая или сферическая форма, стремятся к восстановлению формы куба — своей естественной огранки. Кристаллографы говорят «естественного габитуса». Высокая температура в этих опытах нужна лишь для того, чтобы придать активность какому-нибудь механизму переноса вещества кристалла, необходимому для формирования «естественного габитуса». Кристаллы, разумеется, предпочтут тот из механизмов, который обеспечит им возможность поскорее избавиться от принудительно заданной формы. Живой кристалл как бы не желает уступать черты первородства и борется за них.

Стремление к естественной огранке обусловлено тем, что среди несметного числа прочих мыслимых она обеспечивает наименьшую поверхностную энергию кристалла яри данном его объеме. Потому она и «естественная». К этой естественной огранке обязывает термодинамика, которая применительно к задаче об огранении кристалла выступает в форме правила Кюри — Вульфа. Первая фраза абзаца передает основную идею этого правила, мудрого и красивого своей простотой.

Правило Кюри — Вульфа может показаться противоречащим не менее мудрому утверждению геометрии, согласно которому из всех тел данного объема минимальную поверхность имеет сфера, и поэтому, если сферический монокристалл стремится к уменьшению поверхностной энергии, ему, казалось бы, не следует ограняться, так как при этом его поверхность лишь увеличится! Поверхность действительно увеличится — геометрия права! А вот энергия уменьшится, потому что при огранении исчезают участки поверхности, которые имеют большую удельную поверхностную энергию, и развиваются участки поверхности, представленные в «естественном габитусе», которые имеют малую поверхностную энергию. Проигрывается поверхность, но выигрывается энергия!

Опыты Лукирского качественно проиллюстрировали основную тенденцию, которой следуют кристаллы, самопроизвольно преобразуя собственную поверхность, и вызвали множество иных опытов, в которых этот процесс изучался точно, количественно. Ставились, например, такие опыты. Тщательно полировалась плоскость произвольного сечения кристалла. Его поверхность в равновесной огранке кристалла не представлена, и поэтому при высокой температуре зеркальная гладкость, заданная принудительно, должна будет нарушаться так, чтобы появились выгодные грани кристалла. В зависимости от ориентации плоскости произвольного сечения кристалла на ней будут появляться различные элементы так называемой «естественной шероховатости».

На стене нашей лаборатории много лет висят две фотографии поверхности зерна кристалла меди. Одну фотографию называют «лестница петергофского фонтана». На ней отчетливо видны чередующиеся светлые и темные полосы, которые в совокупности действительно напоминают лестницу, по которой сплошным потоком течет вода. Поверхность этого зерна меди была тщательно отполирована, а после отжига оно стало шероховатым, превратилось в совокупность ступеней, ребра которых направлены так же, как и ребра в ограненном монокристалле меди. А другая фотография поверхности зерна меди называется «палаточный городок». На ней видна совокупность остроконечных трехгранных выступов, которые ограничены теми же плоскостями, что и равновесный монокристалл.

Почему кристалл, рассеченный по произвольной плоскости, подобно сфере в опыте Лукирского, не ограняется в целом, а допускает формирование «петергофской лестницы» и «палаточного городка»? Да просто потому, что и «лестница», и «городок» лишь этапы на пути к истинному равновесию, этапы, которые завершаются быстрее, при меньшем переносе массы, чем достижение истинно равновесной формы всего кристалла. И на поверхности образцов Лукирского можно было наблюдать промежуточные формы. Однако благодаря тому, что при высокой температуре у кристаллов каменной соли быстро осуществляется нужный перенос массы, в опытах Лукирского процесс стремления к равновесной форме зашел настолько далеко, что можно было на сфере наблюдать блики и при качении цилиндра слышать постукивание.

Опыты Лукирского — впечатляющий пример самопроизвольного преобразования дефекта (поверхность!), которое, как обычно, сопровождается выделением энергии. Потому и самопроизвольного!

Проблема формы поверхности, ограничивающей кристалл (именно ей и посвящены опыты Лукирского), привлекала и привлекает к себе внимание многих крупнейших ученых — экспериментаторов и теоретиков. Ею занимались и американец К. Герринг, и наши отечественные выдающиеся физики-теоретики Я. И. Френкель, И. М. Лифшиц. Л. Д. Ландау этой проблеме посвятил специальную статью, которую с благодарственными словами в адрес А. Ф. Иоффе поместил в сборнике, приуроченном к его семидесятилетию.

МОДЕЛЬ: ЛУННАЯ ДОРОЖКА

В этом очерке лунная дорожка — та, которую все видели на поверхности воды, — лишь удобная модель. А рассказывать я намерен о строении поверхности кристалла, о том, как она рассеивает свет, как на ней образуется световая дорожка, подобная той, какую мы видим на поверхности волнующейся воды в лунную ночь.

Вначале об истинной лунной дорожке, той, что на поверхности воды. Вспомните, если поверхность воды почти спокойна, дорожка выглядит яркой, очерченной полосой. А вот если поверхность воды волнуется и на ней возникают волны и «барашки», лунная дорожка расширяется: в центре она по-прежнему может оставаться сплошной и достаточно яркой, а по мере удаления к краям она превращается в совокупность мигающих бликов, которые наблюдаются тем дальше от осевой линии дорожки, чем активнее волнуется поверхность воды. При сильном волнении лунная дорожка практически исчезает, превращается в совокупность мигающих бликов, беспорядочно рассеянных на поверхности воды.

Все происходящее с лунной дорожкой естественно объясняется физическим законом, который даже отстающие школьники легко запоминают в связи с тем, что формулируется он чеканно: угол падения равен углу отражения! Речь идет о свете, падающем на отражающую поверхность. Наш глаз воспринимает лучи, отраженные от тех участков поверхности воды, которые оказываются в положении, удовлетворяющем сформулированному закону. Именно поэтому на волнующейся поверхности воды участок поверхности какой-то волны может быть нами увиден благодаря вспыхнувшему блику.

Изучая закономерности отражения света и радиоволн от поверхности воды, физики-оптики и радиофизики решали, как говорят они, «прямую» задачу: какова ширина отражающей области (т. е. «лунной дорожки») на поверхности воды при данной волнистости поверхности? Решали и «обратную» задачу: как, зная распределение интенсивности света в «лунной дорожке», определить рельеф волнующейся поверхности?

Здесь, пожалуй, оставив волнующуюся воду, уже следует обратиться к поверхности кристалла. Заменим слово «волнистость» словом «шероховатость». Так вот, на поверхности кристалла может быть шероховатость двух разных типов. Первый тип — это так называемая «естественная» шероховатость. На тех плоскостях, которыми кристалл себя ограняет, естественная шероховатость не может появиться. Быть может, уместно сказать так: на естественных плоскостях естественной шероховатости не место, потому что любое отклонение от плоскости, естественно ограняющей кристалл, будет связано с повышением энергии: мы знаем, что эти плоскости потому и естественны, что их наличие обусловливает минимальнее значение поверхностной энергии кристалла. А вот если в кристалле искусственно выведена «неестественная» произвольно ориентированная плоскость, кристалл сочтет целесообразным создать на ней шероховатость в ферме ступеней, которые огранены участками поверхности с малыми значениями поверхностной энергии. И это мы уже знаем из очерка об опытах Лукирского. Этот процесс, как и всякий сопровождающийся уменьшением энергии, может происходить самопроизвольно, если, разумеется, кристалл находится в условиях, когда процесс вообще может происходить. И на поверхности кристалла, как и в его объеме, есть прок от беспорядка!

Другой тип шероховатости, назовем ее «неестественной», может быть создан на любой, в том числе и на естественной, поверхности кристалла. Для этого достаточно грубо пошлифовать эту поверхность, или обработать резцом, или нанести на нее множество царапин — создать подобие поверхности волнующейся воды. Такая шероховатость кристаллу противопоказана, и при надлежащих условиях кристалл будет от нее избавляться. Скажем, при высокой температуре, когда атомы диффузионно подвижны, поверхность кристалла оживет: неестественная шероховатость исчезнет, естественная возникнет. Спокойными могут оказаться лишь гладкие естественные плоскости, ограняющие кристалл, если их предварительно не исцарапали. На таких поверхностях «лунная дорожка» должна быть очень узкой и не меняющейся со временем. Такую дорожку можно наблюдать в погоду, о которой моряки говорят: «штиль».

Появление «естественной» и исчезновение «неестественной» шероховатости может происходить вследствие диффузии вещества по поверхности. В этом процессе направленные потоки атомов возникают потому, что каждая последующая форма профиля поверхности обладает энергией меньшей, чем предыдущая.

Итак, поверхность живого кристалла — жива. Ее шероховатость может нарастать, может сглаживаться, подобно волнистой поверхности воды, и, как на воде, на поверхности кристалла можно наблюдать подобие «лунной дорожки». В качестве луны в лаборатории в этом случае пользуются лазером. Изучая изменение «лунной дорожки», создаваемой поверхностью кристалла, в процессе его отжига, физики научились получать сведения о диффузионной миграции атомов по поверхности. Впрочем, это — тема отдельного разговора. А здесь — о красивой аналогии между поверхностью волнующейся воды и поверхностью живого кристалла.

ЗАПОТЕВАНИЕ КРИСТАЛЛА

В своем стремлении уменьшить энергию, связанную с наличием поверхности, кристалл не пренебрегает ни одной из представляющихся ему возможностей. Если в окружающей его атмосфере имеются атомы, которые, осев на поверхности, понижают его поверхностное натяжение, кристалл удержит ровно столько атомов этого сорта, случайно столкнувшихся с его поверхностью, сколько нужно для того, чтобы понижение поверхностной энергии было максимальным. Если такие атомы имеются в качестве примеси в объеме кристалла, кристалл в нужном количестве вытолкнет их на поверхность. Охотно покроется тонким слоем жидкости, если эта процедура поможет достижению цели, — уменьшить энергию поверхности.

В этом очерке будет рассказано об одной не очень широко известной возможности достичь этой цели. Собственно, кристаллы, разумеется, о ней доподлинно знали всегда, а вот люди изучают ее меньше, чем другие возможности, и лишь в последние годы стали изучать ее попристальнее.

Речь идет вот о чем. Стремясь уменьшить энергию своей поверхности, кристалл может «вспотеть», покрыться тонким слоем собственной жидкости: кристалл меди — жидкой медью, кристалл ментола—жидким ментолом. Происходит это лишь при высокой температуре, но происходит, и цель достигается.

Начну рассказ немного издалека. Известно, что, как правило, расплав хорошо смачивает кристалл того же вещества. В классическом учебнике теоретической физики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица об этом явлении сказано так: «обычно смачивает».

Не будем уточнять тонкости и сочтем, что смачивает! Именно потому, что смачивает, снег, лежащий на берегу реки, намокает, так как вода всасывается в пористый снег, состоящий из мельчайших льдинок, смачиваемых ею. И потому же в снежных хижинах (они называются «иглу») вода не стекает со стен и потолка, так как всасывается снегом. И поэтому же в поставленном нами опыте отлично можно было наблюдать, как расплавленный жидкий ментол, который можно переохладить до комнатной температуры, охотно наползает на иглу кристаллического ментола, касающуюся поверхности расплава. Кинограмма, помещенная в очерке, отчетливо это иллюстрирует.

Итак, сочтем, что жидкость смачивает собственный кристалл. Из этого обстоятельства естественно следует, что энергетически выгодно закрыть собственным расплавом поверхность кристалла, что поверхностная энергия кристалла αк больше, чем поверхностная энергия двух новых образовавшихся границ: кристалл — жидкость αк_ж и жидкость — пар αж_ п. Очевидно, если один квадратный сантиметр поверхности кристалла будет закрыт пленкой расплава, то поверхностная энергия, связанная с кристаллом, уменьшится, т. е. выделится энергия

Δα = αк — (αк_ж + αж_ п) > 0.

Казалось бы, «зная» о такой возможности уменьшить энергию поверхности, кристаллы должны были бы автоматически становиться мокрыми, «запотевать», и мы должны были бы жить в мире мокрых кристаллов. Их запотевание, однако, становится достижимым лишь при температурах, очень близких к температуре плавления кристалла.

Не станем пытаться вычислять ту температуру, при которой кристалл «запотеет», покроется пленкой жидкости и о нем можно будет с полным основанием сказать: он мокрый. Расчет сделать не просто, да и нужды в этом нет. А вот понять, почему кристалл не всегда мокрый, а покрывается пленкой только при высокой температуре накануне плавления, — в этом нужда есть, и сделать это мы попытаемся.

Собственная жидкая пленка на поверхности кристалла, говоря канцелярским языком, возникает, так сказать, в порядке подготовки к расплавлению кристалла. Когда температура кристалла заметно ниже температуры его плавления, давление находящегося над ним пара (Р)существенно ниже давления пара над расплавом (Рl). При этом на поверхности кристалла жидкая пленка возникнуть не может, а если бы она и возникла, то была бы вынуждена немедленно испариться. В этих условиях на поверхности кристалла могут существовать уходящие в пар и возвращающиеся из пара адсорбированные одиночные атомы вещества кристалла. С повышением температуры, когда Р приближается к Рl , концентрация этих неупорядоченно двигающихся по поверхности адсорбированных атомов увеличивается, и где-то совсем вблизи температуры плавления они образуют слой жидкости, жидкую пленку. За сколько градусов до температуры плавления она появится? Это сильно зависит и от характера, и от величины сил связи между атомами в кристалле. Этак, за сотую или тысячную градуса до той температуры плавления кристалла, которая указана в справочниках. Если дело обстоит так, как мы предположили вначале, а именно если жидкость смачивает собственный кристалл, то возникшая жидкая пленка при дальнейшем нагреве кристалла (на 10-2 или 10-3 °С) будет утолщаться, пронижет весь кристалл, и он расплавится!

Из наших рассуждений естественно вытекает два тесно взаимосвязанных следствия. Первое: кристалл нельзя перегревать, так как при температуре более низкой, чем температура плавления, на его поверхности зарождается жидкость. Второе: расплавление кристалла можно представить как следствие утолщения жидкой пленки, возникшей на его поверхности. Такова природа вещей. Переохладить расплав можно, так как прежде, чем он начнет кристаллизоваться, в нем должен образоваться жизнеспособный зародыш, а этот процесс нуждается в затрате некоторой энергии. А перегреть кристалл нельзя, так как прежде, чем он достигнет температуры плавления, на его поверхности возникнет зародыш жидкой фазы в виде пленки, появление которой сопровождается не поглощением, а выделением энергии.

Здесь уместно рассказать об одном эксперименте из числа тех, для осуществления которых недостаточно располагать даже лучшими приборами, а нужны еще и выдумка, и хитринка экспериментатора. Эксперимент этот, в котором изучалось плавление оловянных стержней, был поставлен еще в довоенные годы советскими физиками С. Э. Хайкиным и Н. П. Бене. Авторы эксперимента решили выяснить, так ли уж категоричен запрет, налагаемый термодинамикой на перегрев кристалла. Быть может, не нарушая ее строгие «безмодельные» законы, можно все же перегреть кристалл. Рассуждали они так. Если перегреть кристалл невозможно из-за того, что на его поверхности появляются жидкие пленки, то, быть может, можно будет перегреть кристалл, если как-то запретить жидким пленкам появляться на его поверхности. Именно это они экспериментально и осуществили. Через монокристальный оловянный стержень они пропускали ток в несколько сот ампер и одновременно параллельно оси стержня обдували его мощной струей воздуха, которая отводила от поверхности тепло и делала ее немного менее нагретой, чем объем стержня. На охлажденной поверхности стержня жидкие пленки не образовывались, и объем, сохраняя кристалличность, нагревался на 1—1,5 °С выше температуры плавления олова, т. е. перегревался.

На этом, пожалуй, рассказ о жидких пленках на поверхности кристалла, о его запотевании можно окончить.

О ПУЗЫРЬКАХ ГАЗА В КРИСТАЛЛЕ

Кристаллофизики часто мрачно шутят, что дефекты в кристаллах появляются всего лишь в двух случаях: когда экспериментатор, который выращивает кристаллы, хочет этого и когда он этого не хочет.

Я расскажу о том, как появляются в кристаллах пузырьки газа в процессе выращивания кристаллов. Этот процесс — пример второго случая, так как пузырьки появляются и тогда, когда экспериментатор хотел бы избежать их появления.

Перед рассказом о газовых пузырьках хочу напомнить, что растворимость газа в твердой фазе, как правило, меньше, чем в жидкой. Имея это в виду, попытаемся представить себе, что должно происходить на фронте кристаллизации между растущим кристаллом и тем расплавом, из которого кристалл растет. Видимо, должно происходить следующее. При превращении расплава в кристалл должно выделяться некоторое количество газа, пропорциональное разности растворимостей в жидкой и твердой фазах. По мере того, как фронт кристаллизации продвигается в сторону жидкости, вблизи него должно скапливаться все большее и большее количество газа. О происходящем можно сказать так: на движущемся фронте кристаллизации как бы действует источник газа. Логика подсказывает нам, что, если действует источник, должен действовать и сток, в противном случае источник все «зальет газом».

Один сток самоочевиден. Им является растущий кристалл, который поатомно может захватывать газ, накапливающийся перед движущимся фронтом кристаллизации. В образовавшемся кристалле концентрация растворенного в нем газа окажется повышенной. Есть и второй сток. Им является незакристаллизовавшаяся жидкость, куда диффундирует газ, накапливающийся на фронте. Действие этого стока может оказаться очень эффективным. Если фронт кристаллизации движется очень медленно (это означает, что мощность источника мала), а подвижность атомов газа в расплаве велика, газ на фронте будет накапливаться очень медленно и большие пересыщения не успеют возникнуть к тому моменту, когда вся жидкость полностью закристаллизуется. Процесс кристаллизации завершится выталкиванием значительной части избыточного газа из образца вовне. Если экспериментатору удастся осуществить такие условия, он вырастит кристалл, свободный от газовых пузырей.

В связи с рассказанным о вытеснении газа из кристаллизующегося расплава мне вспоминается одна производственная задача, в решении которой я участвовал в годы войны. Литейщикам завода был предъявлен иск: изготавливавшиеся ими отливки оказались негерметичными, сквозь их стенки под небольшим давлением просачивался бензин. Говорили так: изделие «потеет бензином». Это был очень серьезный иск, так как появление капель бензина на поверхности изделия, которое было частью авиационного мотора, могло явиться причиной пожара. Литье было пронизано газовыми порами и каналами, сквозь которые и сочился бензин.

Опущу рассказ о «муках творчества» на пути к решению задачи. А решение пришло неожиданно и вскоре показалось почти само собой разумеющимся. Литейщики поступили следующим образом. После того, когда в глубоком тигле электропечи был приготовлен алюминиевый сплав, печь выключалась, и в течение длительного времени остывающий металл медленно кристаллизовался в тигле. В этом процессе из металла «выжимался» газ, не весь, но «выжимался». Как это может происходить, мы уже понимаем. А затем на поверхность отвердевшего в тигле металла насыпался слой легкоплавких солей, которые, расплавляясь, изолировали металл от воздуха. Электропечь снова включалась, под слоем защиты изолированный от воздуха металл расплавлялся и быстро разливался в литейные формы. В тигле под слоем защиты он совершенно не поглощал газ, и в процессе быстрой разливки он этого сделать не успевал. Отливки оказывались герметичными, изделие перестало «потеть бензином», литейщики решили свою производственную проблему.

Вернемся, однако, к движущемуся фронту кристаллизации. Может оказаться, что диффузионное движение атомов газа прочь от фронта происходит настолько медленно, что накопление газа будет происходить активно и наступит такой момент, когда возникнет потребность в другом, более мощном стоке газа. В этот момент вблизи движущегося фронта жидкость, пересыщенная газом, как бы «вскипит», в ней начнут появляться зародыши газовых пузырьков, к которым будут стекаться атомы газа. Как правило, у всех газовых пузырьков, которые возникают перед движущимся фронтом кристаллизации, судьба одна: они захватываются этим фронтом и из жидкости переходят в твердую фазу.

В нашем рассказе, однако, надо обратить внимание на одну важную деталь процесса захвата. Когда пузырек еще полностью кристаллом не поглощен и еще имеет контакт с жидкостью, он остается местом преимущественного стока избыточных атомов газа. Именно поэтому он становится вытянутым. Впечатление такое, что движущийся фронт растягивает поглощенный пузырек, как резину, а в действительности, поглощая газ, пузырек подрастает.

Очень хорошо процессы «вскипания» жидкости вблизи фронта и захвата образующихся пузырьков можно наблюдать при кристаллизации нафталина. В тонком препарате кристаллизовался слой расплавленного нафталина, и все происходящее регистрировалось кинокамерой. На фотографии видно и то, что вскипание происходит не сразу, а лишь после того, как пересыщение газа достигнет какого-то предела и газовые пузырьки начнут захватываться кристаллом, а затем вытягиваться, превращаясь в протяженные газовые полости. Нафталин — это экзотика, просто удобный «модельный» кристалл. Так же как и в нафталине, газовые пузырьки «поселяются», скажем, и во льду, который обычно бывает очень пористым и является отнюдь не экзотическим кристаллом: им покрыта значительная часть поверхности нашей планеты.

Читатель, видимо, ждет морали, хочет извлечь урок из рассказа о газовых пузырьках. С удовольствием преподаю его. С появлением газовых пузырьков можно разумно бороться. Для этого надо кристаллизацию вести помедленнее, а газ отсасывать от фронта побыстрее. Если диффузия этого сделать не успеет, ей можно помочь, перемешивая расплав перед фронтом кристаллизации для того, чтобы избыточный газ, накопившийся в тонком слое перед фронтом, распределился в большем объеме расплава. Такая возможность широко используется.

И еще один вывод — самоочевидный и очень важный. Ясное понимание физики процесса — верный путь к решению жизненно важных производственных проблем. Я об этом всегда думаю, вспоминая близкий мне пример успеха литейщиков военных лет.

ДВЕ ФОТОГРАФИИ

Две расположенные рядом фотографии, на которых изображено одно и то же место в кристалле в том виде, каким оно было до изучаемого события, и после него, — в моих глазах обладают доказательной силой, увеличенной фактом их соседства. Возникает иллюзия, будто присутствовал при событии, которое произошло между двумя моментами, запечатленными на фотографиях.

Фотографии, о которых я хочу рассказать, были получены с помощью электронного микроскопа в Институте кристаллографии АН СССР при изучении судьбы постороннего включения в монокристалле германия.

Всмотримся в фотографии. Первая из них рассказывает о том, что до некоторого момента времени вокруг постороннего включения, которому в монокристалле тесно, была весьма напряженная область. Об этом свидетельствуют темные поля вокруг включения. Поля видны отчетливо, и наличие напряжений вне сомнений. Вторая рассказывает о том, что после некоторого момента в кристалле нечто произошло: включению стало не так тесно, напряжения исчезли, поле вблизи включения просветлело. При этом, однако, вблизи включения появилась дислокационная петля. Она видна отчетливо.

Естественно возникает вопрос: каким образом появление дислокационной петли привело к исчезновению тесноты? На этот вопрос ответить нетрудно: устранить тесноту — значит немного увеличить объем полости, в которой включение расположено. А это может быть сделано путем удаления с границы включение — кристалл части атомов, принадлежащих кристаллу. Вот из этих атомов и образовался внедренный между плоскостями в решетку германия слой германиевых атомов. Дислокационная петля ограничивает этот слой.

Если мы правильно представляем себе происшедшее событие, то между радиусом включения R, «степенью тесноты», которую удобно характеризовать отношением недостающего для устранения тесноты объема полости к ее полному объему, ε = ΔV/V, и радиусом дислокационной петли r должна существовать количественная связь. Найдем эту связь, сопоставив полученную формулу с фотографиями, и, если сопоставление окажется удовлетворительным, будем считать, что мы поняли, о чем фотографии хотели нам рассказать.

Объем пустоты, необходимой для устранения тесноты, равен

ΔV = ε • 4/3 π R^3,

а объем вещества, ограниченного дислокационной петлей, V ≈ πr^2b, где b — толщина слоя внедренных атомов, имеющая смысл вектора Бюргерса. Приравнивая эти два объема, находим, что

r ≈ (R^3ε/b)1/2

Из многих независимых опытов известно, что в образцах, с которыми экспериментировали в Институте кристаллографии, ε ≈ 10-1. Фотографии свидетельствуют о том, что R ≈ 10-6 см, а r ≈ 5.10-6 см. Легко убедиться, что при b ≈ 3.10-8 см приведенные величины удовлетворяют формуле.

Итак, фотографии рассказали о том, что вокруг включения в кристалле германия возникли напряжения, обусловленные теснотой, и что вместе с теснотой они исчезли благодаря рождению дислокационной петли, расположенной чуть в стороне от включения. Здесь следовало бы убедиться в том, что энергия, связанная с дислокационной петлей, меньше энергии упругих напряжений, которые были обусловлены теснотой. Можно быть уверенным, что дело обстоит именно так. Кристалл по собственной инициативе не станет делать ничего себе во вред, не станет самопроизвольно увеличивать сосредоточенную в нем упругую энергию. Не случайно он предпочел дислокационную петлю напряжениям вокруг макроскопического включения.

Очень хочу, чтобы читатель, глядя на фотографии, которым посвящен очерк, испытал то же чувство радости, вызываемое их красотой и доказательностью, которые испытал некогда я, готовясь выступить в качестве официального оппонента по диссертационной работе молодого физика, получившего эти фотографии. По долгу оппонента кое в чем я его упрекал, а за фотографии хвалил — искренне и с охотой.

СТРОЧКИ ВЫДЕЛЕНИЙ В КРИСТАЛЛЕ

Если обстоятельства складываются так, что кристалл вынужден поселить в себе инородные выделения, он позаботится о том, чтобы неудобства, причиняемые ему этим поселением, были бы минимальными. Как-то сам немного перестроится, как-то вынудит выделение приспособиться к себе, и цель будет достигнута. Говоря о неудобстве, следует иметь в виду главным образом те напряжения, которые возникают в кристалле вокруг инородного выделения. Собственно, одному из таких проявлений жизнедеятельности живого кристалла был посвящен предыдущий очерк: чтобы избавиться от напряжений, кристалл рождает дислокацию.

В этом очерке рассказано о способе, с помощью которого напряжения вокруг выделений (они оказываются в роли включений) в кристалле могут оказаться уменьшенными и в некоторых случаях практически сведенными к нулю.

Представим себе наиболее простую ситуацию. Пусть при охлаждении кристалла в его объеме должны образоваться выделения, состоящие из растворенных в кристалле атомов. Подобно тому, как из соленой воды при ее остывании выпадают кристаллики соли. Образующееся выделение, вообще говоря, не обязано иметь сферическую форму. Можно было бы полагать, что его форма будет определяться поверхностной энергией на границе между выделением и кристаллом-матрицей, в которой выделение расположено. Эта энергия очень мала и на форму выделения влияет мало. Главным образом форма определяется напряжениями, которые возникают и в выделении, и в матрице. Естественно предположить, что форма отлична от сферической. Такая форма может быть обусловлена многими причинами. Не станем их подробно обсуждать хотя бы потому, что сферическая форма — особенная, избранная среди прочих, несферических, и специального объяснения требовала бы именно она, а не многочисленные иные формы.

Представим себе, что некоторая сферическая область в кристалле превращается в выделение вытянутой формы того же объема. В том направлении, в каком выделение, тесно связанное с матрицей, сжато, матрица испытывает растягивающие напряжения, а в том направлении, в каком матрица растянута, включение сжато. У кристалла есть надежный способ в какой-то мере уменьшить неудобство, обусловленное поселением в нем вытянутого выделения. Он состоит в том, чтобы часть вещества из области сжатия переправить в ту область, где кристалл растянут. Это может быть осуществлено либо диффузионным переносом вещества, когда оно перемещается поатомно, либо механизмом пластического течения, когда перемещаются дислокации. Видимо, одним из этих двух способов кристалл и воспользуется. В его распоряжении имеется, однако, третий, более естественный способ, не требующий транспортировки вещества. Дело в том, что из пересыщенного раствора выпадает не одно, а множество подобных выделений. Они должны появляться и вдали, и в непосредственной близости от того первого включения, которое мы обсуждаем. Кристалл может частично избавиться от напряжений, связанных с выделением, если вынудит следующее выделение расположиться так, чтобы напряжения вокруг соседей взаимно компенсировались.

Хотя бы частично. Для этого соседние включения могут расположиться, например, так, как это изображено на рисунке. Продолжив наши рассуждения, мы придем к заключению, что поселяемые в себе макроскопические выделения кристалл расположит упорядоченно.

Все то, о чем до сих пор рассказано, было придумано и предсказано теоретиками. Их рекомендации экспериментаторам были настойчивыми: должно быть упорядоченное расположение включений! А если в эксперименте, говорили они, наши предсказания не подтверждаются, то тем хуже и для вас, и для эксперимента. Значит, эксперимент ставится так и с такими кристаллами, где условия, необходимые для образования строчек выделений, выражены неотчетливо. Ищите иные кристаллы и иные условия эксперимента!

Экспериментаторы искали и нашли. Вначале лишь несколько кристаллов, а затем множество. Об одной из таких находок я и хочу рассказать.

Изучались кристаллы сильвина (КСl), в которых при высокой температуре был растворен барий. Во время остывания из раствора выпадали выделения хлористого бария ВаСl_2 . Эти выделения, имеющие форму тонких пластинок, располагались строго упорядоченно, образуя правильно ориентированные строчки, состоящие из многих закономерно ориентированных выделений.

Явление, которому посвящен очерк, активно изучается. Кристаллофизики надеются на то, что, быть может, пользуясь этим явлением, управляя ориентацией «строчек» и плотностью расположенных в них выделений, удастся создать кристаллы с необычными физическими свойствами. Быть может! Такая надежда — вполне достаточное основание для совместных усилий и экспериментаторов, и теоретиков.

КРИСТАЛЛ ПОД ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

В этом очерке — рассказ о принудительном поселении дефектов в кристалле, который облучается световым потоком.

Речь будет идти о кристалле с макроскопическими включениями, которые оказались в нем случайно или были введены преднамеренно. Это совсем не экзотический объект — кристаллами с включениями заполнены недра Земли. Пожалуй, большей экзотикой является кристалл без включений, особенно если имеются в виду естественные кристаллы, а не выращенные искусственно с соблюдением множества предосторожностей. Предполагаем, что кристалл прозрачен для лазерного луча и, распространяясь в кристалле, луч может достичь включения, почти не ослабев по дороге.

Вот теперь можно кое-что рассказать о том, как включения в кристалле могут повлиять на его «оптическую прочность», т. е. на ту минимальную интенсивность лазерного луча, которой оказывается достаточно для того, чтобы, поглощая энергию луча, кристалл разрушился.

Два коротеньких рассказа о двух механизмах этого влияния.

Вначале о простейшем механизме. Назовем его первым. Представим себе, что в оптически прозрачном кристалле имеется включение, полностью поглощающее свет. Скажем, металлический шарик в монокристалле каменной соли. Допустим, что кристалл импульсно, в течение времени τ, освещается световым пучком, интенсивность которого I_0. Время τ измеряется в секундах, а интенсивность — в эрг/(мм^2•с). Шарик, радиус которого R, за время вспышки поглотит энергию

W = πR^2I_0τ.

Эта энергия может оказаться совсем не малой. Поглотив ее, шарик может не только заметно нагреться, но и расплавиться и даже вскипеть. Если масса шарика

m =4/3. π R^3d

(d — плотность), а С — его теплоемкость,

то он нагреется на ΔТ = W/Ст ≈ I_0τ/RСd .

Любопытную закономерность предсказывает формула, в знаменателе которой стоит радиус шарика: чем меньше шарик, тем до более высокой температуры он будет нагреваться, тем ранее расплавится и ранее вскипит, тем он опаснее для кристалла. Маленький опаснее большого! Воспользуемся формулой и убедимся, что даже под влиянием импульса совсем маломощного лазера (I_0 ≈ 4•10^10 эрг/(мм^2•с), τ ≈ 10-3 с) медный шарик, радиус которого R ≈ 10-4 см (d = 8,9 г/см^3, а С = 4•10^2 эрг/(г•°С)), нагреется до температуры Т ≈ 10^6 °С. Оказывается, что он вскипит, превратится в пар под давлением, которое может достичь десятков тысяч атмосфер — величины вполне достаточной, чтобы разрушить кристалл вблизи шарика. Впрочем, для того чтобы кристалл разрушился или заметно деформировался, достаточно нагрева в десятки раз меньшего. Медный шарик при этом даже не расплавится, а просто, вследствие теплового расширения, его радиус возрастет. Как показывает расчет, в кристалле-матрице вблизи шарика это вызовет напряжения σ ≈ 10^11 дин/см^2, что предостаточно для того, чтобы в кристалле вокруг шарика появились значительные напряжения и очаги разрушения.

Теперь о втором механизме. Как и в первом механизме, главенствующую роль играет наличие включения, поглощающего свет. Оно нагревается и создает вокруг себя поле напряжений, величина которых постепенно уменьшается по мере удаления от включения источника напряжений. В однородном ненапряженном кристалле лучи света распространяются прямолинейно. Это — аксиома! А попадая в область, где от точки к точке напряжения меняют величину, луч изгибается. В симметричном поле напряжений вокруг шарика омывающие его лучи могут, изогнувшись, пересечься за ним. И здесь вступает в действие усиление интенсивности за счет взаимного пересечения лучей, рожденных общим источником — лазером.

Напряженная область вокруг шарика играет роль, подобную роли фокусирующей линзы, которая собирает лучи в фокусе. Даже при слабой интенсивности света, падающего на линзу, интенсивность в фокусе может оказаться огромной. Скажем так: опасной. В тени разогретого шарика она тоже может оказаться опасной для кристалла, вызвать в нем локальные разрушения.

Экспериментально этот механизм появления очагов разрушения в кристалле с поглощающими включениями наблюдается отчетливо: поглощающее включение, а за ним — очаг трещин.

АТОМНЫЙ ВЗРЫВ В КРИСТАЛЛЕ

Речь будет идти не о кристалле, попавшем в зону атомного взрыва и обезображенного взрывной волной. Имеются в виду совершенно будничные, мирные условия, при которых кристалл сохраняет все отчетливо видимые добродетели: и совершенство формы, и прозрачность. Между тем не вне кристалла, а в нем происходят атомные взрывы: систематически, всегда, планомерно. Происходят и оставляют последствия.

Очерк начат интригующей загадкой, в которой, однако, нет и тени надуманности. Имеется в виду абсолютно реальная ситуация. Практически в любом естественном минерале есть малая, гомеопатическая примесь урана. Некоторые из изотопов урана, как известно, самопроизвольно распадаются. Это значит, что ядро делится (взрывается!), выделяя при этом значительную энергию. Этакая бомба, состоящая из одного атома! Такой взрыв чрезвычайно редко, но происходит самопроизвольно, и после него в кристалле остается (поселяется!) протяженная дефектная область, именуемая «трек». Этому виду дефекта и посвящен очерк.

Осколок распавшегося ядра — это тяжелый ион с отрицательным зарядом g ≈ 20е. Ядро тяжелого элемента можно искусственно заставить распасться на осколки, если выстрелить в него нейтроном и попасть. А ядро изотопа U^235 очень редко, но распадается самопроизвольно, превращаясь при этом в два осколка. Каждый из двух осколков ядра уносит с собой огромную энергию W_0 ≈ 10^8 эВ. Полученную при взрыве энергию он теряет при столкновениях с электронами и ионами, образующими кристалл. В последовательности таких столкновений и может возникнуть в кристалле дефектная область — трек. Заметим, что высокая степень ионизации осколка обусловлена эффектом, который предсказал Нильс Бор. Он обратил внимание на то, что, обладая большой энергией, а следовательно, и скоростью, осколок может как бы вырваться из наиболее удаленной от ядра части собственной «электронной шубы», так как его скорость может оказаться большей, чем скорость движения удаленных электронов. Эти электроны отстанут от осколка, а он превратится в многозарядный ион.

Из опытов следует, что трек — это не дефект «на атомном уровне», как скажем, вакансия, а дефект макроскопический, размер которого во всех трех измерениях существенно превосходит межатомный: его длина l ≈ 10-3 см, диаметр 2r ≈ 10-6 см. В образовании трека принимает участие ≈ 10^9 атомов, а энергия, ушедшая на его создание, рассчитанная на одну атомную плоскость , пересекаемую треком,

W_1 = W_0 .a/l ≈ 3.10^3 эВ.

Эта величина в сотни раз превосходит соответствующую энергию, заключенную в дислокации, также в расчете на одну пересекаемую ею плоскость.

Теоретики давно предсказывали, что, вообще говоря, осколки должны создавать в кристалле треки. А вот экспериментаторам трек в руки не давался. Надежно он был обнаружен лишь в 1959 г. с помощью электронного микроскопа в тонких пленках двуокиси урана, а затем и в кристаллах слюды, и двуокиси циркония, и в щелочно-галоидных, и во многих, многих иных кристаллах. Треки научились обнаруживать не только с помощью электронного микроскопа, в котором они видны потому, что в области собственно трека электроны поглощаются и рассеиваются не так, как в соседних областях.

Треки можно обнаружить и техникой травления, воспользовавшись тем, что искаженная область растравливается легче, чем соседние. На каждом из треков, пересекающих поверхность кристалла, при травлении будет формироваться характерная фигура, и ее можно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. В некоторых кристаллах эту фигуру легко спутать с фигурами травления на дислокациях, но опытный экспериментатор всегда найдет надежные основания для того, чтобы не обмануться.

Физики, изучающие формирование треков в кристалле, вот уже много лет озабочены вопросом: «Суждено ли осколку создать трек в кристалле данного типа?» К сожалению, этот вопрос пока остается без исчерпывающего ответа. Нет еще оснований, зная характеристики осколка и кристалла, в котором он движется, ответить на заданный вопрос словами «да!» или «нет!». Из общих соображений ясно, что трек возникнет лишь в случае, если теряемая им энергия будет сосредоточена в малом объеме, примыкающем к траектории полета, и, следовательно, плотность выделяющейся энергии будет велика и может оказаться достаточной для локального разрушения кристалла, т. е. создания трека.

Самое важное, что удалось установить теоретикам в поисках ответа на вопрос «суждено ли?», состоит в том, что львиную долю, почти 99 %, своей энергии осколок теряет на взаимодействие с электронами. Так как обнаруживаемые экспериментаторами треки — это области искажения решетки, задача сводится к тому, чтобы понять, как энергию, полученную от осколка, электроны передают решетке... Если передают!

Мы подошли к началу лесенки, ведущей в бесконечно интересную проблему формирования дефекта под влиянием облучения. Говорят так: радиационного дефекта. Откажем себе в удовольствии пойти по этой лесенке. Для этого, быть может, представится случай в другой книге, а сейчас, в связи с разговором о треках, поговорим лишь о двух ситуациях, которые отчетливо выяснились при теоретическом исследовании проблемы «суждено ли?».

Первая ситуация осуществляется, когда осколок движется в металлическом кристалле, который можно представить как совокупность двух подсистем: свободные электроны и ионы. Все происходящее в этом случае легко понять, учитывая следующее: электроны получают от осколка энергию, почти в 10^2 раз большую, чем ионы решетки; теплоемкость электронного газа почти в 10^2 меньше, чем теплоемкость решетки; масса иона почти в 10^5 раз больше массы электрона. Три приведенные цифры означают, что электроны, получив много энергии и обладая малой теплоемкостью, нагреются до очень высокой температуры, а поделиться ею с ионами, которые в десятки тысяч раз тяжелее, электроны практически не смогут, как не делится своей энергией с «тяжелой» стенкой легкий мячик, который ударяется и отскакивает от нее с практически неизменившейся скоростью, а значит, и энергией. Электроны, которые были поблизости от траектории осколка, благодаря своей подвижности скоро рассеют полученную энергию между себе подобными, а решетка, не получив энергии, останется «холодной», невозмущенной, бездефектной. Точнее говоря, решетка какую-то долю энергии получит. Однако эта энергия будет распределена в таком большом объеме, что нагреется решетка незначительно.

Такая неожиданная ситуация складывается в металле: атомный взрыв происходит, а последствий в кристалле никаких! Теоретики это предвидели, экспериментаторы в этом убедились! Говорят так: чистые, совершенные металлы значительно более радиационно стойки, чем, например, диэлектрики.

Вторая ситуация осуществляется, когда осколок движется в ионном кристалле типа NаСl. В таком кристалле, как известно, свободных электронов нет. Все они «приписаны» к определенным ионам, которые размещены в узлах решетки. Кристалл состоит из ионов двух сортов: у ионов одного сорта имеется лишний электрон, а у ионов другого сорта одного электрона недостает по сравнению с тем количеством, которое необходимо для нейтрализации заряда ядра. В кристалле они представлены поровну, и поэтому он электрически нейтрален.

Заряженный осколок ядра, двигаясь в кристалле, взаимодействует с электронами, встречающимися на его пути. В результате анионы, потеряв один электрон, превратятся в нейтральный атом, потеряв два электрона, — в положительно заряженный ион, а катионы, теряя электроны, будут увеличивать свой положительный заряд. В этом процессе вдоль траектории полета осколка в кристалле образуется цилиндрическая зона с повышенной плотностью положительного заряда. Такая зона может взорваться по причине очевидной: одноименные положительные заряды стремятся отделиться друг от друга, разлететься в разные стороны. А это и означает, что произойдет взрыв. Лучше выразимся осторожнее: может произойти.

Можно приблизительно оценить то внутреннее давление, которое «взрывает» цилиндр, заполненный положительными зарядами, расположенными вдоль траектории осколка. Допустим для простоты, что все ионы цилиндра несут один положительный заряд. Значит, они отталкиваются с силой

F ≈ e^2/a^2

(a — межатомное расстояние). Если эту силу отнести к площади a^2, приходящейся на один атом в решетке, мы получим интересующую нас оценку давления:

Р ≈ е^2/a^4.

Так как е = 4,8• 10-10 г-1/2 •см3/2/с, a = 3•10-8 см, то Р ≈ 10^11 дин/см^2. Мы получили давление огромное, безусловно достаточное, чтобы взрыв произошел и трек образовался! Здесь необходимо оправдать осторожность, подчеркнутую в одной из предыдущих фраз. Она обусловлена тем, что не обязательно все ионы вдоль цилиндрического канала окажутся задетыми пролетавшим осколком. В этом случае расстояние между отталкивающимися ионами l будет больше, чем a. По этой причине величина Р, которая ~ 1/l^4 , может оказаться малой, недостаточной для взрыва.

У читателя возникает недоумение: ведь осколок и в металле может разбросать электроны, и в металле может возникнуть цилиндрический сгусток положительного заряда, и в металле этот сгусток может взорваться. Оказывается, что образоваться такой цилиндр действительно может, а вот взорваться попросту не успеет, так как электроны, удаленные из цилиндра, из-за их большой подвижности возвратятся в цилиндр, нейтрализуют в нем заряд, а следовательно, устранят причину взрыва. Подвижность электронов в металле несравненно больше, чем в ионном кристалле, именно поэтому в металле взрыв не успеет произойти.

Если в ионном кристалле все происходит так, как мы это себе представили и описали в очерке, на интересующий нас вопрос применительно к ионному кристаллу ответ будет положительным: осколку в ионном кристалле создать трек суждено! В рассмотренных нами предельных ситуациях — металл и ионный кристалл — проблема «суждено ли?» прояснилась. А вот в иных структурах дело обстоит много сложней, и проблема остается проблемой.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

До сих пор в очерках этой главы шла речь о «заселении» кристалла дефектами. В заключение главы поглядим на кристалл с иной точки зрения. Пусть он — не вместилище дефектов, а плацдарм их взаимодействия. Из общих соображений ясно, что не может не быть взаимодействия между дефектами. Кристалл, содержащий дефекты, будет стремиться к уменьшению энергии, связанной с ними. Если по какой-либо причине прямое, решение проблемы, состоящее в том, чтобы избавиться от дефектов, кристаллу недоступно, происходить будет другое: содержащиеся в нем дефекты будут взаимодействовать и превращаться так, чтобы их энергия уменьшилась.

Хочу вручить читателю ключ от проблемы взаимопревращения дефектов или, лучше, — указать путеводную ниточку, следуя которой можно понять уже наблюденные взаимопревращения дефектов, а иной раз и предвидеть принципиально мыслимые. Схематически дело обстоит несложно: оправданы и имеют смысл те взаимопревращения, которые ведут к уменьшению энергии. Надо оценить энергии дефектов до и после превращения, из первой энергии вычесть вторую, и, если получится положительная величина, значит, обсуждаемый процесс возможен. Это — критерий термодинамический. А вот осуществится этот процесс или нет — это вопрос иной. Совсем иной! Все зависит от того, существует ли соответствующий механизм, с помощью которого взаимопревращение дефектов, оправдываемое термодинамикой, может произойти. Быть может, дело будет обстоять так: этого механизма нет при комнатной температуре, но он появится при высокой температуре, нет при атмосферном давлении, но он появится при повышенном давлении, нет в спокойно лежащем кристалле, но механизм появится, если кристалл подвергнуть растяжению, или кручению, или сжатию, пли облучению, или вращению в центрифуге. Поиск механизма и условий его осуществления — дело выдумки и творческой фантазии ищущего. Но, как правило, если взаимопревращение двух данных дефектов в принципе целесообразно, необходимый механизм найдется!

Врученная читателю ниточка кажется не очень крученой и не очень длинной. Но вот правильно определить энергию до и после превращения дефектов часто оказывается делом непростым, так как следует учитывать не только энергию изолированных одиночных дефектов в здоровом кристалле, но и те условия, в которых они находятся. Например, приложенные к ним напряжения и др.

Воспользуемся нашей ниточкой и обсудим некоторые взаимопревращения дефектов, наблюдающиеся и в реальных кристаллах, и с помощью моделей, в частности модели БНЛ. Вначале о ситуациях безоговорочно выгодных, когда дефект исчезает. Например: избыточные вакансии исчезают во внутренних границах. Встретившись с границей (или вакансия подошла к границе, или граница подошла к вакансии), вакансия может в ней исчезнуть. Это означает: была и нет! Для вакансии это событие по меньшей мере серьезное: она погибла! Связанная с ней энергия выделилась. А для границы, поглотившей вакансию, это вообще не событие, так как, поглотив «атом пустоты», граница своей структуры, а следовательно, и энергии не меняет. Процесс безоговорочно выгодный: выигрыш есть, проигрыша нет! Очень легко этот процесс наблюдается с помощью модели БНЛ: граница движется и, оставаясь самой собой, сметает встретившуюся у нее на пути вакансию.

В иной ситуации судьба вакансии может постичь границу в целом: она тоже может исчезнуть. Представьте себе, что граница замкнута, что она ограничивает собой блок в кристалле. К замкнутой, а следовательно, и искривленной границе будет приложена сила, обусловленная лапласовским давлением. Она вынудит границу двигаться так, чтобы ее протяженность уменьшилась вплоть до исчезновения. С помощью кинокамеры в модели БНЛ исчезновение замкнутых границ наблюдается отчетливо. Об этом свидетельствует приводимая кинограмма.

Теперь о взаимодействиях, выгодность которых не очевидна. Обсудим их на примере дислокаций. Если дислокации находятся в одной плоскости скольжения и их векторы Бюргерса ориентированы противоположно, им выгодно притянуться друг к другу и, встретившись, исчезнуть, аннигилировать. Если каждая из них имела единичную длину и, следовательно, в ней была запасена энергия ≈ Gb^2, их аннигиляция будет сопровождаться излучением энергии ≈ 2Gb^2 ≈ 2• 10-3 эрг.

Если же векторы Бюргерса ориентированы параллельно, то такие дислокации будут друг от друга отталкиваться.

Убедимся в этом, следуя за путеводной ниточкой. Если бы такие дислокации слились, они образовали бы одну дислокацию с удвоенной величиной вектора Бюргерса, т. е. с энергией

W_2 ≈ G (2b)2 = 4Gb^2 .

А будучи разобщенными, они имели бы энергию

W_1 ≈ Gb^2 + Gb^2 = 2Gb^2 .

Так как W_2 > W_1 , объединение невыгодно, выгодно отталкивание. А вот если бы такие дислокации находились не в одной, а в параллельных плоскостях скольжения, то, начиная с некоторого расстояния между плоскостями, могло бы оказаться оправданным притяжение дислокаций. При этом они расположились бы одна под другой в связи с тем, что область сжимающих напряжений вблизи одной дислокации частично перекрылась бы с областью растягивающих напряжений вблизи другой дислокации (помните модельный опыт с резиновым жгутом?), и оказалось бы, что W_2 < W_1 . Выгодно! Последний случай очень важен для судьбы кристалла. Множество разрозненных идентичных дислокаций, расположившись друг над другом, образуют упорядоченную дислокационную стенку, ансамбль взаимодействующих дислокаций образует границу. Этой возможностью кристалл пользуется очень широко: если в нем поселено множество дислокаций, он предпочтет, упорядочив их расположения, превратиться в мозаичный кристалл. Все по тем же термодинамическим соображениям: выгодно!

Перед глазами читателя я лишь чуть-чуть приоткрыл завесу, за которой — огромная проблема «взаимодействие и взаимопревращение дефектов в кристалле». Именно так: чуть-чуть, в мере, необходимой для того, чтобы к эскизному портрету живого кристалла добавить еще одну черту.

Г Л А В А III

КРИСТАЛЛ РАССКАЗЫВАЕТ О СЕБЕ

Рассуждая о далеком прошлом естественных кристаллов, замечательный польский поэт Юлиан Тувим писал:

Пожалуй, камни да рыбы

Об этом сказать могли бы.

Но рыбы молчат,

И камни молчат,

Как рыбы.

Пессимизм поэта не полностью оправдан. Иной раз камни могут заговорить! Не громогласно, не общедоступно, но о своем невообразимо далеком прошлом они — живые кристаллы — кое-что могут рассказать языком, не предполагающим фраз с подлежащим и сказуемым. Об этом языке намеков говорят: «Мудрому достаточно!»

В этой главе — очерки о некоторых деталях далекого прошлого минералов, рассказанные ими самими. Попытаемся быть мудрыми и понять их рассказы.

В КРИСТАЛЛЕ БЫЛА ТРЕЩИНА

Можно не сомневаться, что в обломках кристаллов каменной соли, принесенных в нашу лабораторию из шахт, некогда были тонкие клиноподобные трещины. Были и самопроизвольно залечились, оставив о себе воспоминание в виде множества ограненных полостей, заполненных раствором соли в воде. У устья бывшей трещины полости совсем мелкие — 1—3 мкм, дальше от устья — крупнее. Почти все они разобщены, и абсолютно все лежат в одной плоскости — в той, где некогда была трещина. Именно так надо считать: где некогда была трещина, потому что предполагать, что полости случайно оказались в одной плоскости, — значит допустить исчезающе маловероятное.

Возникает множество вопросов. Во-первых, как трещина образовалась? На этот вопрос отвечать не будем,отмахнемся от него. Образовалась и все тут! В интересующей нас задаче будем числить трещину под рубрикой «дано». Под этой же рубрикой будем числить и то, что трещина заполнена жидким раствором вещества кристалла, т. е. соли, в воде. Донецкая соль образовывалась, выкристаллизовываясь из раствора, и поэтому раствор в трещине — вещь реальная. Отмахнуться нельзя от других вопросов: почему трещина превратилась в совокупность замкнутых включений и как это превращение произошло? Эти вопросы заслуживают подробных ответов, тем более что ответы пояснят кое-что, имеющее отношение не только к судьбе трещины. Трещина — повод для очередного рассказа о «жизни» реального кристалла.

Ответ на вопрос «почему?» предрешен необходимостью кристаллу подчиняться термодинамике. Она дает право самопроизвольно происходить лишь тем процессам, которые сопровождаются выделением энергии.

Оценим максимальную энергию, которая может выделиться при самопроизвольном преобразовании формы трещины, заполненной жидким раствором. Самопроизвольно она может только изменять свою форму, а исчезнуть не может, так как заполнена раствором. Для определенности предположим, что клинообразная трещина имеет максимальный раствор один микрометр (h =10-4 см), а площадь каждой из ограничивающих ее поверхностей равна 1 см^2. Это означает, что с трещиной связана поверхностная энергия Ws= 2αi и в трещине заключено

V = (h . 1)/2 = 5.10-5 см^3 жидкости.

Так как поверхностная энергия на границе раствор — кристалл αi ≈ 20 эрг/см^3, то Ws ≈ 40 эрг. Лучшее, в смысле выделения энергии, что может произойти с трещиной, — это ее преобразование в одно включение, имеющее форму кубика с объемом, равным объему жидкости. Поверхность такого кубика S = 6V^2/3 ≈ 8• 10-3 см^2. С ним связана поверхностная энергия W = Sαi = 0,16 эрг.

В этом, самом выгодном процессе выделится почти вся энергия, связанная с трещиной, — из 40 эрг лишь 0,16 эрг сохранится в кристалле. Если образуется не одно, а много ограненных включений, выигрыш будет меньшим, но он будет всегда, и в полном согласии с термодинамикой трещина имеет право преобразовываться в ансамбль замкнутых включений, свидетельствующих о том, что в кристалле была трещина, Чаще всего происходит именно этот, менее выгодный процесс, так как для его осуществления необходим перенос вещества кристалла на меньшие расстояния. Выигрыш энергии меньше, но лежит он ближе!

В конце очерка — воспоминание. Оно уместно, так как является поводом, чтобы дополнить наш рассказ.

Все то, что я рассказал о залечивающейся трещине, заполненной жидкостью, впервые увидел, исследовал и правильно понял замечательный советский кристаллофизик Георгий Глебович Леммлейн. Незадолго перед смертью он был гостем нашей лаборатории. В разговоре вспомнили о его классических исследованиях «мокрых» трещин. Георгий Глебович посоветовал нам исследовать залечивание «сухой», т. е. обычной, трещины в кристалле на том разумном основании, что термодинамика равно протестует и против «сухих», и против «мокрых» трещин. Против «сухих» даже более решительно, так как поверхностная энергия кристалла на границе с пустотой значительно больше, чем на границе с жидким насыщенным раствором. Мы последовали его совету и в течение года изучали залечивание «сухих» трещин. Работали мы с большим интересом и, надеюсь, с пользой для проблемы.

ПУЗЫРЬКОВЕДЕНИЕ

Так геологи, занимающиеся восстановлением предыстории минералов, в шутку называют один из разделов своей науки. Этот раздел посвящен изучению той информации, которая может быть извлечена из факта наличия в кристаллах пузырьков — полостей, заполненных жидкостью, газом или одновременно и жидкостью, и газом. Речь идет о том, что, изучая включения в ископаемых кристаллах, можно получить много важных сведений о том, в каких условиях кристалл зарождался и рос, каким воздействиям — тепловым и механическим — он подвергался за время своей невообразимо долгой жизни. Этот обширный раздел геологической науки богат важными достижениями, множеством ярких примеров того, как кристалл может рассказать о своем прошлом. В этом очерке — лишь об одном примере.

Пример посвящен газожидким включениям. Газожидкое включение в кристалле может возникнуть в следующем процессе. Кристалл растет из горячего раствора и в процессе роста захватывает немного жидкости, которая полностью заполняет необходимую ей полость. Со временем после остывания в связи с тем, что тепловой коэффициент объемного сжатия у жидкости больше, чем у кристалла, жидкость сожмется больше, и в полости должен будет возникнуть газовый пузырек. Включение, которое было жидким при температуре образования кристалла Т_0, при более низкой температуре Т станет газожидким. Очевидно, естествен обратный ход рассуждений: газожидкое включение после нагрева от температуры Т до температуры Т_0 должно превратиться в однородное жидкое включение. Проделав такой опыт и определив температуру Т_0 , мы установим ту температуру, при которой зародился и рос кристалл. О том же чуть торжественнее: в этом опыте кристалл нам расскажет о температуре, при которой он возникал. Очень красивая возможность выведать у кристалла температуру его образования. Нужны, однако, оговорки. Проводя опыты по описанной схеме, экспериментатор может столкнуться, осторожно говоря, с не очень точной информацией. Ведь могло оказаться, что в процессе роста вместе с жидкостью кристалл заключил в себе немножко газа. В этом случае при остывании в газожидком включении пузырек будет больше, чем тот, который может быть обусловлен разностью температур Т_0 — Т. Такой пузырек при нагреве исчезнет при температуре более высокой, чем Т. Дело может обстоять н еще сложнее: газовый пузырек в жидком включении может появиться не в связи с остыванием, а по иной причине. Впрочем, опытный исследователь всегда сможет найти косвенные свидетельства и соображения, дающие ему возможность безошибочно воспользоваться основной идеей «пузырьковедения».

ОТВЕТ НА ПРЯМО ЗАДАННЫЙ ВОПРОС

Вопросу, который был задан естественным кристаллам каменной соли, предшествовала немалая работа физиков — и теоретиков, и экспериментаторов.

Вначале теоретики поставили и решили задачу, которая при первом знакомстве с ней кажется очень искусственной, экзотической, к вопросу отношения не имеющей. Задача вот какая. В кристалле на некотором расстоянии l друг от друга расположены две сферические полости. Для простоты пусть они будут одинаковыми и имеющими радиус R. Допустим, что изнутри к поверхностям полостей приложено всестороннее расширяющее давление Р. Предполагается, однако, что давление мало настолько, что создаваемые им напряжения не превосходят предела упругости кристалла. Это означает, что полости немного, лишь в меру упругой деформации кристалла, увеличивают свой радиус. Новый радиус полостей R_1 окажется стабилизированным, а область кристалла, окружающая полость, окажется напряженной. В задаче спрашивается: не может ли под влиянием «внутреннего» давления Р как-то изменяться взаимное расположение полостей?

Решить такую задачу можно, следуя почти очевидной схеме. Надо найти величину упругой энергии, которая появилась в кристалле вследствие того, что к поверхностям полостей приложено давление. Эта энергия состоит из трех слагаемых: энергии поля напряжения вокруг одной полости, энергии поля напряжения вокруг другой полости (согласно условиям нашей задачи эти энергии должны быть между собой равны) и энергии, обусловленной тем, что полости расположены по соседству и связанные с ними напряжения как-то между собой взаимодействуют. Нетрудно также понять, что третье слагаемое, вообще говоря, должно зависеть от расстояния между полостями. А если третье слагаемое зависит от расстояния l, то от него зависит и энергия всей системы.

Вдумавшись в последнюю фразу, можно сразу же получить качественный ответ на вопрос, который сформулирован в задаче: две полости, распираемые изнутри всесторонним давлением, будут сближаться или удаляться в зависимости от того, как изменяется упругая энергия всего кристалла с изменением расстояния между полостями. Будет происходить то, что ведет к уменьшению энергии: если при уменьшении расстояния упругая энергия уменьшается, полости будут сближаться, если увеличивается — будут удаляться. Сформулированный качественный ответ безошибочен в той же мере, в какой безошибочна классическая механика.

Итак, на вопрос «не может ли?» ответ получен: «может!».

Следуя намеченной схеме, теоретики, проделав вычисления, получили нечто большее, чем качественный ответ, — он, как мы видели, появляется без всяких вычислений. Применительно к кристаллам каменной соли, которые имеют кубическую огранку, теоретики предсказали следующее: полости, расположенные параллельно ребру куба, будут слабо отталкиваться, а расположенные вдоль прямой, параллельной диагонали грани куба, будут сильно притягиваться.

Здесь оставим логику и предсказания теоретиков и познакомимся с деятельностью экспериментаторов. Они, ведомые теоретиками, действовали с открытыми глазами. Их эксперимент был прост: как и советовали теоретики, они следили за взаимодействием пар жидких включений в монокристалле каменной соли, расположенных либо вдоль ребра, либо вдоль диагонали грани куба. В эксперименте была одна хитринка, придуманная экспериментаторами. Именно благодаря ей эксперимент дал возможность четко задать кристаллу вопрос, о котором речь впереди. Дело в том, что, как нам известно, для взаимодействия включений необходимо создать внутреннее, распирающее их давление. Экспериментаторы его создали, слегка подогревая образец, разумно рассудив, что, так как коэффициент объемного расширения раствора соли в воде больше, чем собственно соли, в объеме нагретого включения должно возникать распирающее давление. Достаточно нагрева на 10 градусов, чтобы в объеме включения возникало распирающее давление, равное десяткам атмосфер.

Деятельность экспериментаторов завершилась успешно, во всяком случае они достоверно убедились в сближении тех пар, которые расположены вдоль диагонали грани куба, и наблюдаемый процесс засняли, воспользовавшись техникой покадровой киносъемки.

Здесь расстанемся с экспериментаторами, — свое дело они сделали не хуже теоретиков. Теперь все готово для того, чтобы обломку естественного кристалла, добытому в шахте, задать вопрос: был ли в истории его невообразимо долгой жизни нагрев? Не будем допытываться, когда он был, не будем интересоваться, каким он был, а был ли? Если был, то, очевидно, сближение включений, которое наблюдали экспериментаторы в условиях лабораторного опыта, должно было происходить и в естественных условиях. А если так, то близкие «диагональные» соседства жидких включений, естественно, должны отсутствовать, а «реберные» соседства должны быть в наличии. Именно об этом и свидетельствуют изучавшиеся образцы естественной каменной соли. Очень внимательно, воспользовавшись хорошим оптическим микроскопом, мы обследовали большое количество жидких включений в кристаллах каменной соли и убедились в том, что число близко расположенных пар включений тем больше, чем ближе их ориентация к «реберной». «Диагональных» соседств мы вообще не обнаружили.

На заданный вопрос кристалл ответил: нагрев был! В принципе можно получить ответы и на вопросы «когда» и «на сколько градусов», но лежат они под грудой громоздкой математики и ворохом экспериментальных кривых. Оставим профессионалам поиски ответов на эти вопросы.

В заключение этого очерка я хочу рассказать еще об одном опыте, который кое-что добавляет к ответу на прямо заданный вопрос.

Давно, еще в 1954 г., очень красивый опыт по перегреву кристалла с включениями был выполнен Г. Г. Леммлейном. Он исследовал кристаллы натриевой селитры с замкнутыми жидкими включениями размером около 50 мкм. Кристаллы подвергались значительному перегреву, на величину около 100 °С. После перегрева вокруг первичных включений обнаруживался ореол мелких включений, которые располагались лишь в плоскостях легкого распространения трещин. Ясно, что произошло. Под влиянием внутреннего давления, возникшего при перегреве, вокруг включений возникли трещины, которые заполнились жидким раствором. А затем при охлаждении трещины, залечиваясь, распались на большое количество мелких включений, — подробно об этом рассказано в очерке «В кристалле была трещина». На фотографии, полученной Леммлейном, видно, что во включении, породившем ореол мелких, образовался газовый пузырек. Можно быть уверенным, в том, что его объем практически равен сумме объемов мелких вторичных включений, забравших часть жидкого раствора из первичного. Итак, если вокруг «первичного» макроскопического жидкого включения в ископаемом минерале обнаруживается ореол «вторичных», которые в основном расположены в одной плоскости, можно быть уверенным, что в истории кристалла был нагрев. Кристаллографы и геологи с такими минералами встречаются часто.

КОГДА ПОГАС КОСТЕР?

В одной из мартовских тетрадок за 1965 г. английского еженедельника «Nature» («Природа») в разделе «Письма к редактору» появилась небольшая заметка четырех авторов — трех физиков и одного археолога. В заметке сообщается, что авторы сделали попытку определить возраст ножа, некогда изготовленного и:» обсидиана — куска твердой, застывшей стекловидной

массы вулканического происхождения. Этот нож в 1927 г. был найден в древней пещере археологом, четвертым автором заметки. По косвенным признакам было установлено, что изготовлен он был давным-давно, много тысячелетий тому назад. Лезвие ножа — его наиболее тонкая часть — было оплавлено. Видимо, в то время, когда им пользовались по назначению, нож побывал в огне костра. Именно этим обстоятельством авторы и решили воспользоваться для более точного определения возраста ножа.

Проследим их логику. В обсидиане, как, впрочем, и в любом материале, всегда имеется естественная незначительная примесь изотопов урана, которые, как уже упоминалось, самопроизвольно делятся, спонтанно рождая осколки, создающие треки. Перед тем, как нож попал в костер, в нем заведомо было множество треков от осколков, возникавших при спонтанном делении. Эти треки, однако, должны были залечиться в огне костра, настолько жаркого, что кромка лезвия ножа оказалась оплавленной. После того, как костер погас, процесс спонтанного деления продолжал создавать новые треки в остывшем ноже. Их, разумеется, должно быть тем больше, чем больше времени прошло с того момента, когда погас костер. Авторы тщательно исследовали нож и обнаружили на его поверхности, равной 5,6 см^2, семнадцать треков, созданных спонтанным делением. Очевидно, число треков от спонтанного деления в единице объема определится формулой

пТ = пiλt ,

где пi — число атомов изотопа урана в единице объема, λ — вероятность спонтанного деления, или, иначе, число делений в единицу времени, t — время, в течение которого в образце накапливались треки. Именно это время нас и интересует.

Величину пТ авторы определили экспериментально, изучая нож, величина λ сообщается в соответствующих таблицах, а число атомов пi изотопа урана авторы определили в независимом опыте. После расчетов оказалось, что t = 3700 ±900 лет. Этот возраст, определенный с помощью треков от осколков делящихся ядер, согласуется с определением археологов, которые, пользуясь косвенными соображениями, определили почти тот же возраст. Итак, треки, созданные осколками ядер естественной примеси урана, рассказали о грустном эпизоде в жизни ножа — безмолвного куска неживой породы: 3700 лет тому назад он побывал в огне костра.

Историю обсидианового ножа, обезображенного огнем костра, стоило рассказать. Она — типичный пример использования треков при решении различных задач из области геохронологии и археологии. На примере рассказанной истории видно, каким образом геологи, изучая треки, могут определить возраст ископаемого минерала, т. е. выяснить обстоятельства, имеющие огромное значение при организации поисковых работ.

Здесь можно бы рассказать и о том, что дефекты структуры треков являются своеобразными «элементами памяти» ископаемого минерала, запечатлевшими не только дату его рождения, но и многие детали его «биографии».

Скажем, минерал некогда испытал на себе действие повышенной температуры. Имевшиеся в нем к тому моменту треки частично залечатся и затем будут протравливаться не так, как «свежие» треки. Таким образом, треки также могут «сообщить» о том, что некогда было повышение температуры.

Можно надеяться и на то, что треки хранят воспоминания не только о факте бывшего нагрева, но и о том, какой температуры достигал этот нагрев. Дело в том, что вследствие анизотропии скорости залечивания в нагревавшемся минерале должно быть распределение размеров треков по ориентациям, зависящее от того, при какой температуре происходило частичное залечивание. Данные об анизотропии длин треков могут быть использованы для того, чтобы, пусть приближенно, определить температуру некогда бывшего нагрева.

Треки в естественных минералах могут хранить воспоминания и о различных механических воздействиях, которые некогда были минералами испытаны. Треки говорливы. Они многое помнят и о многом рассказывают.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повествование о живом и тем более о неумирающем не может быть логично завершено, его можно лишь оборвать. Именно это я и вынужден сделать, рассказав о «живом кристалле» лишь малую толику из того, что о нем известно. Быть может, другой автор-кристалло* физик в другой книжке продолжит мой рассказ. Он, конечно же, расскажет об иных признаках жизни и о других деталях биографии кристалла, которые кристалл доверительно рассказал ему. Названия книг у нас могут оказаться одинаковыми, а оглавления, видимо, будут существенно различными. Я хотел бы увидеть эти книги: с тем же названием и совсем иным оглавлением. Каждый изучающий и любящий кристалл видит его «со своей колокольни», и, пожалуй, со всех разумных колоколен он манящ и красочен. И еще — совсем личное признание. Мне было радостно писать эту книгу, общение с живым кристаллом было моим отдыхом. Очень надеюсь, что частицу этой радости я донес до читателя. Во всяком случае, очень этого хочу!

Яков Евсеевич Гегузин

ЖИВОЙ КРИСТАЛЛ

М., 1981 г.

Издательство «Наука»

Главная редакция физико-математической литературы 117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15

Примечания

1

О «квазичастицах» в современной квантовой теории твердого подробно рассказано в прекрасной научно-популярной книге М. И. Каганова «Электроны, фононы, магноны». Эта книга из числа тех, которые должны быть прочтены всеми, кто интересуется физикой твердого тела.

Content

Гегузин Яков Евсеевич Живой кристалл

ВВЕДЕНИЕ

О НАЗВАНИИ КНИГИ

СЛОВО О МОДЕЛИРОВАНИИ

ГЛАВА I

НЕПРЕМЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ КРИСТАЛЛА

МОДЕЛЬ: АНСАМБЛЬ ПУЗЫРЬКОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ

ОТКРЫТИЕ ДЮЛОНГА И ПТИ

ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА И ДЕБАЯ

НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ

ЕСТЬ ЛИ ПРОК В БЕСПОРЯДКЕ?

ПАРА ФРЕНКЕЛЯ

ЗАМОРОЖЕННАЯ ПУСТОТА

ОБЫЧНАЯ КЛАССИЧЕСКАЯ САМОДИФФУЗИЯ

МИГАЮЩИЕ ВАКАНСИИ

ЭЛЕКТРОНЫ — КВАНТОВЫЙ ГАЗ

ЭЛЕКТРОНЫ ДВИЖУТСЯ В МЕТАЛЛЕ

ВЕТРЫ В КРИСТАЛЛЕ

Г Л А В А II

ЗАСЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛА ДЕФЕКТАМИ

У ИСТОКОВ ИДЕИ

СДВИГ ОСУЩЕСТВИТЬ ТРУДНО

МОДЕЛИ: ДВИЖЕНИЕ ГУСЕНИЦЫ, ПЕРЕДВИЖЕНИЕ КОВРА

ВОСХОЖДЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ

ТРУДНОСТИ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

дислокационные розетки

МОДЕЛЬ: РЕЗИНОВАЯ ТРУБКА

ДИСЛОКАЦИИ. ОБЛАКО, ПАУТИНА И РОСА

ЕЩЕ РАЗ ОБ ЭЛЕКТРОННОМ ВЕТРЕ

РАЗМНОЖЕНИЕ И ГИБЕЛЬ ДИСЛОКАЦИЙ

ЗВУЧАНИЕ КРИСТАЛЛА

В КРИСТАЛЛЕ ВОЗНИКАЕТ ТРЕЩИНА

ГДЕ ТОНКО — ТАМ НЕ РВЕТСЯ

ЭФФЕКТ ИОФФЕ

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

«МОЗАИЧНЫЙ» КРИСТАЛЛ

ОПЫТЫ ПРОФЕССОРА ЛУКИРСКОГО

МОДЕЛЬ: ЛУННАЯ ДОРОЖКА

ЗАПОТЕВАНИЕ КРИСТАЛЛА

О ПУЗЫРЬКАХ ГАЗА В КРИСТАЛЛЕ

ДВЕ ФОТОГРАФИИ

СТРОЧКИ ВЫДЕЛЕНИЙ В КРИСТАЛЛЕ

КРИСТАЛЛ ПОД ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

АТОМНЫЙ ВЗРЫВ В КРИСТАЛЛЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

Г Л А В А III

КРИСТАЛЛ РАССКАЗЫВАЕТ О СЕБЕ

В КРИСТАЛЛЕ БЫЛА ТРЕЩИНА

ПУЗЫРЬКОВЕДЕНИЕ

ОТВЕТ НА ПРЯМО ЗАДАННЫЙ ВОПРОС

КОГДА ПОГАС КОСТЕР?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Примечания