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.

---

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».