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.

---

Р ≈ е2/a4.

Так как е = 4,8• 10-10 г-1/2 •см3/2/с, a = 3•10-8 см, то Р ≈ 1011 дин/см2. 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/l4 , 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 ≈ Gb2, их аннигиляция будет сопровождаться излучением энергии ≈ 2Gb2 ≈ 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

W2 ≈ G (2b)2 = 4Gb2 .

А будучи разобщенными, они имели бы энергию

W1 ≈ Gb2 + Gb2 = 2Gb2 .

Так как W2 > W1 , 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 W2 < W1 . 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!»