Яков Гегузин - Живой кристалл

• Название: Живой кристалл
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «Наука»
• Жанр: Физика
• Год: 1981

Книга содержит научно-популярное изложение современных представлений о физических явлениях и процессах, которые происходят в реальных кристаллах и определяют их физические свойства и эксплуатационные характеристики. Рассказано о движении атомов, составляющих решетку, о характеристиках и свойствах различных дефектов строения реальных кристаллов, о том, как кристалл хранит воспоминания о своем прошлом, повлиявшем на его структуру. Используемые в книге формулы вполне доступны овладевшему лишь начальными сведениями из алгебры.

Книга рассчитана на всех лиц, интересующихся современным естествознанием.

---

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 см2 можно расположить плот из более десяти тысяч пузырьков диаметром 1 мм. Это вполне макроскопический двумерный «кристалл», им можно моделировать многое, происходящее в реальном кристалле.