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.

---

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 ВаСl2 . 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 I0. Время τ измеряется в секундах, а интенсивность — в эрг/(мм2•с). Шарик, радиус которого R, за время вспышки поглотит энергию

W = πR2I0τ.

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 R3d

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

то он нагреется на ΔТ = W/Ст ≈ I0τ/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 (I0 ≈ 4•1010 эрг/(мм2•с), τ ≈ 10-3 с) медный шарик, радиус которого R ≈ 10-4 см (d = 8,9 г/см3, а С = 4•102 эрг/(г•°С)), нагреется до температуры Т ≈ 106 °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 ≈ 1011 дин/см2, 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.