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.

---

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/πR2 = 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.