Живой кристалл


ШЕДЕВРЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



Я. Е. Гегузин

ЖИВОЙ КРИСТАЛЛ

Третье издание






Издательский Дам
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

        Я.Е. Гегузин

  Живой кристалл: Учебное пособие / Я.Е. Гегузин — 3-е изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 216 с.
  ISBN 978-5-91559-185-0

  Перед вами книга известного учёного, классика популяризации науки Якова Евсеевича Гегузина, в которой автор с присущим ему мастерством рассказывает о совсем не простой физике реального кристалла, структура которого далека от совершенства.
  Населяющие кристалл дефекты — вакансии, примеси, дислокации, трещины: и т.п — существенным образом изменяют, а иногда и определяют его физические свойства и эксплуатационные характеристики. Рассказывая о процессах, происходящих в реальных кристаллах, автор говорит о кристалле как о живом организме — кристалл «растет», «стареет», «дышит», «помнит»... В увлекательных очерках о живом кристале речь идет об очень серьезной физике. Там, где, казалось бы, невозможно обойтись без замысловатых формул и нетривиальных выкладок, автор легко обходится наглядными примерами, аналогиями, моделями, позволяющими раскрыть суть явлений и стоящих за ними фундаментальных законов природы.
  Книга предназначена для всех, кто интересуется физикой. Студентам физических специальностей она, без сомнения, поможет достичь глубокого понимания физики твердого тела.














ISBN 978-5-91559-185-0       © 2014, С.Я. Гегузина
                              © 2014, 000 Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие к третьему изданию.........................5
    Введение...............................................9
       О названии книги....................................9
       Слово о моделировании............................. 12

    Глава 1
    НЕПРЕМЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ КРИСТАЛЛА................. 15
       1.1. Модель: ансамбльпузырьков.................... 16
       1.2. Взаимодействие между атомами................. 19
       1.3. Открытие Дюлонга и Пти........................24
       1.4. Теории Эйнштейна и Дебая......................30
       1.5. Нулевые колебания.............................36
       1.6. Есть ли прок в беспорядке?....................41
       1.7. Пара Френкеля.................................47
       1.8. «Замороженная пустота»........................51
       1.9. Обычная классическая самодиффузия.............55
      1.10. Броуновское движение газовых пузырьков в кристалле.........................................63
      1.11. «Мигающие вакансии»...........................66
      1.12. Электроны — квантовый газ.................... 72
      1.13. Электроны движутся в металле..................78
      1.14. Ветры в кристалле.............................81

    Глава 2
    ЗАСЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛА ДЕФЕКТАМИ.........................86
       2.1. У истоков идеи................................88
       2.2. Сдвиг осуществить трудно..................... 90

—I Оглавление

        2.3. Модели: движение гусеницы, передвижение ковра...94
        2.4. Восхождение дислокаций........................ 101
        2.5. Трудности теории кристаллизации............... 107
        2.6. Дислокационные розетки........................ 113
        2.7. Модель: резиноваятрубка....................... 116
        2.8. Дислокации. Облако, паутина и роса............ 118
        2.9. Еще раз об электронном ветре.................. 123
       2.10. Размножение и гибель дислокаций............... 128
       2.11. Звучаниекристалла............................. 132
       2.12. В кристалле возникает трещина................. 138
       2.13. Где тонко — там не рвется..................... 143
       2.14. Эффект Иоффе.................................. 149
       2.15. Эффект Ребиндера.............................. 156
       2.16. «Мозаичный» кристалл.......................... 160
       2.17. Опыты профессора Лукирского................... 164
       2.18. Модель: лунная дорожка........................ 167
       2.19. Запотевание кристалла......................... 170
       2.20. О пузырьках газа в кристалле.................. 173
       2.21. Две фотографии................................ 177
       2.22. Строчки выделений в кристалле................. 179
       2.23. Кристалл под лазерным лучом................... 182
       2.24. Атомный взрыв в кристалле..................... 184
       2.25. Взаимодействие и взаимопревращение дефектов..... 189

    Глава 3 КРИСТАЛЛ РАССКАЗЫВАЕТ О СЕБЕ........................... 194
        3.1.В кристалле была трещина....................... 194
        3.2. «Пузырьковедение»............................. 197
        3.3. Ответ на прямо заданный вопрос................ 198
        3.4. Когда погас костер?............................202
        3.5. Память формы...................................204

    Заключение..............................................212

            ПРЕДИСЛОВИЕ
            К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ









              Книга «Живой кристалл» написана выдающимся уче-ным-кристаллофизиком Яковом Евсеевичем Гегузиным, блестящим лектором, педагогом и популяризатором науки, ярким, талантливым человеком. В течение четверти века он возглавлял кафедру физики кристаллов Харьковского университета и был одним из создателей формирующейся в середине прошлого века новой области науки о кристаллах — физики реальных кристаллов, т. е. кристаллов с дефектами структуры.
       Просто, понятно и очень интересно автор книги рассказывает о своей науке. Он рассматривает кристалл как живой организм. Действительно, многие термины науки о кристаллах взяты из живой природы. Кристаллофизики и материаловеды говорят о росте кристалла, о его усталости от внешних напряжений, об отдыхе кристалла, о памяти, о дыхании, о разрушении и о разложении — все эти термины приложимы к живым существам. В процессе чтения книги читателю станет понятно, что идеальных кристаллов не существует в природе и что за все многообразие процессов, происходящих в реальных кристаллах, и за те уникальные свойства, которые обеспечивают им широкий спектр практических приложений, ответственны именно дефекты. Интересно, что во многих практически важных случаях увеличение плотности дефектов не только не ухудшает, а наоборот, значительно улучшает характеристики материалов. В качестве примера можно привести дисперсионно-упрочненные сплавы — материалы, в которые специальными методами вводятся субмикронные включения упрочняющей фазы. Эти включения играют роль стопоров для дислокаций — дефектов, облегчающих пластическую деформацию. Поскольку дислокации не могут двигаться, материал оказывается устойчи

—I Предисловие

    вым к деформациям даже при очень высоких температурах, т. е. становится жаропрочным и жаростойким. Другой пример — это наноматериалы, т.е. поликристаллы с очень малым размером зерен (порядка нескольких нанометров или десятков нанометров). Они обладают целым рядом совершенно новых физических свойств по сравнению с обычными материалами того же химического состава.
       Автор умеет поставить интересные вопросы, удивиться, а потом ответить на них так, что в его правоте не остается сомнений, а физика происходящих процессов становится ясной и очевидной. Как ведут себя атомы в кристаллической решетке? С какой частотой они колеблются? Могут ли они колебаться при сверхнизких температурах, когда тепловое движение должно быть «заморожено»? Что нужно, чтобы атомы могли перемещаться (диффундировать) в кристалле? Как скорость диффузии зависит от температуры, от радиационного воздействия, от внешних полей? Почему цинковую или медную пластинку изогнуть легко, стальную труднее, а кремниевую вообще невозможно, так как она сразу ломается? Почему пластичный цинк разрушается как хрупкое стекло, если на цинковую пластинку нанести капельку ртути или галлия, причем разрушается при малейших нагрузках? Почему тот же цинк в присутствии той же ртути в других условиях начинает течь как жидкость? Как выпытать у кристалла его прошлое? Я перечислил лишь малую часть вопросов из тех, что поднимаются в книге.
       Книга предназначена для широкого круга читателей. В ней рассматриваются как общие проблемы физики кристаллических твердых тел, так и более специфические, с которыми встречаются инженеры-технологи в повседневной работе. Преподаватели физики и материаловедения, а также специалисты в области физики конденсированного состояния смогут поучиться у автора, как с помощью простых моделей рассказать о физической сути весьма сложных процессов и явлений, а с помощью элементарных оценок дать их количественное описание. Студентам-физикам и инженерам книга поможет сдать экзамены по любому из курсов науки о материалах: по физике твердого тела, по диффузии, по физике прочности и пластичности, по радиационной устойчивости материалов и др. А тем, кто просто интересуется наукой и новыми технологиями, книга расскажет о классических уникальных

Предисловие           7

    экспериментах с кристаллами и познакомит с известными физическими моделями, с помощью которых можно объяснить довольно сложные процессы и путем простых математических действий получить удовлетворительное количественное согласие эксперимента с теорией.
        Книга читается легко, увлекая читателя в интересный мир науки о кристаллах. Уверен, она вам понравится.


                                        Ю.С. Кагановский, профессор Университет им. Бар-Илана Рамат-Ган, Израиль

                                Не то, что мните вы, природа: Не слепок, не бездушный лик — В ней есть душа, в ней есть свобода, В ней есть любовь, в ней есть язык...
Ф.И Тютчев

            ВВЕДЕНИЕ










              О НАЗВАНИИ КНИГИ

              Я великолепно отдаю себе отчет в том, что словосочетание «живой кристалл», вынесенное в заглавие книги, ни свежестью, ни неожиданностью не отличается. Не бог весть какая удача автора, придумавшего такое название. И все же оно, видимо, правильно передает замысел книги.
       Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, говорят о нем, как о живом существе. Вспомните поэтическую прозу поэта камня академика А.Е. Ферсмана, разговаривающего с обломком минерала, как с живым существом, которое умеет прятаться от зоркого глаза искателя, а в ответ на обиду или несправедливость менять окраску — розовую на черную.
       Послушайте разговор двух металловедов. Они говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжестью приложенной нагрузки. Или еще: послушайте разговор геологов. Они говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или разговор тех, кто в лаборатории или цехе искусственно создает кристаллы. Их кристаллы растут, захватывают примеси, передают нечто по наследству.
       Сочетание слов «живой кристалл» многим покажется сродни той юношеской романтике, которую следует числить по департаменту молодых восторженных поэтов. Наука требует холодной рассудительности, бесстрастной строгости, независимости от эмоций, которые исподволь могут увести от правды, и никакой «голос кристалла» не направит заблудшего ученого на путь истинный. Они, эти «многие», конечно же, правы: для поисков правды необходим

¹⁰ -V

Введение

    критически настроенный ум, способный трезво анализировать факты. И все же привкус романтики в научном исследовании иным оказывается необходим как атмосфера радостной приподнятости, сопутствующая поиску. Они, разумеется, не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного общения с природой придает поиску необходимую для них романтическую окраску. Для ученых такого склада потеря ощущения непосредственного общения с природой часто попросту означает потерю интереса и вкуса, а с ними и способности к исследовательской деятельности.
     Реальный кристалл заселен множеством различных дефектов. Хорошо ли это, плохо ли — об этом разговор впереди. Здесь же уместно сказать о том, что дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов кристалл обнаруживает «память» о событиях, «участником» которых он когда-то был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей его среде, определяют его «чувствительность» по отношению к внешним воздействиям...
     Через всю книгу проходит попытка усмотреть аналогию между свойствами и характеристиками живого организма и кристалла. Этакий антропоморфизм, образность и условность которого читатель, конечно же, прекрасно осознает и понимает.
     Книга посвящена главным образом физике реального кристалла. Рассказывая о ней, я не буду стремиться занять какую-то избранную точку зрения — экспериментатора, теоретика, технолога или историка. Как и всякая иная, научная проблема «живой кристалл» многопланова и не терпит узкого взгляда. А если читатель обнаружит, что какой-то из аспектов проблемы в книге представлен хуже иных, он, надеюсь, правильно это истолкует особенностями личного опыта автора.
     Работая над этой книгой, я старался не упустить удобный случай обратить внимание читателя на конфликтные ситуации, которые в развивающейся науке непременно возникают между теорией и экспериментом. Речь идет не о противоречиях между заведомо ошибочным экспериментом и теорией или о несоответствиях между очевидно нелепой теорией и экспериментом. Такие ситуации скорее следует относить к разряду скандальных историй, а не к тем истинным, плодотворным противоречиям, которые непременно и сопутствуют настоящей науке, и способствуют ее развитию.

Введение

-^ ¹¹

       Взаимодействие между экспериментатором и теоретиком часто несет на себе отпечаток конфликта. Одну из форм взаимоотношений между экспериментатором и теоретиком великолепно изобразил художник С. Тюнин (рис. 1). На его рисунке по моей инициативе для пущей ясности написаны два слова: «эксперимент» и «теория».
       Один физик-теоретик, посмотрев на расположение этих слов на рис. 1, улыбаясь, спросил, не допускаю ли я обоснованность их обратного расположения, так, чтобы ножницы оказались в руках теоретика. Пожалуй, допускаю, точнее, должен допустить.


Рис. 1

       Итак, конфликт.
       Не антагонистический, но конфликт. Теоретик предсказал — экспериментатор убедился в том, что теоретик прав лишь частично, что теория нуждается в уточнении, что те упрощения реальной картины, которые предположил теоретик, строя теорию, заметно искажают явление. Или так: теоретик расчетом показал, что экспериментатор ищет явление не в тех условиях, где оно отчетливо может наблюдаться.
       История исследований «живого кристалла» полна примеров таких противоречий между теоретиком и экспериментатором. О них я не забуду упомянуть всякий раз, когда это окажется уместным.

—I Введение


        СЛОВО О МОДЕЛИРОВАНИИ

              Внутренне непротиворечивые построения строгой формальной логики в союзе с опытом обладают исключительным правом быть доказательствами. И все же на трудном пути к знанию почти все испытывают потребность в образе, в зримой картинке, в упрощенной модели. Быть может, я немного преувеличиваю, но мне кажется, что один из основных компонентов таланта и педагога, и ученого, и учащегося состоит в умении, применительно к случаю, придумывать модели, образы и аналогии, способные разъяснить явление, углубить его понимание.
       Творчество физика-теоретика, как правило, начинается с сотворения умозрительной модели изучаемого явления. Ведомый предметным мировосприятием, интуицией, запасом накопленных образов и аналогий, знанием фундаментальных законов природы, теоретик, по мысли Я.И. Френкеля, одного из крупнейших советских теоретиков, подходит к явлению так же, как карикатурист к натуре, которую он должен изобразить. Если они, теоретик и карикатурист, талантливы, их творческие приемы оказываются подобными: надо отбросить неосновные признаки явления или натуры и безошибочно подчеркнуть те признаки, без которых и явление, и натура немыслимы. Не помню, где мне довелось прочесть (а быть может, услышать) фразу, фонетически напоминающую известную ходовую мудрость, в формулировке которой вместо слова «простить» употреблено «упростить»: понять — значит упростить! В ходе наших рассуждений уместно вспомнить эту фразу.
       Подлинное понимание, как правило, приходит тогда, когда рушатся строительные леса, возведенные из сложных формул и многоступенчатых логических построений, и оголенная истина предстает в своей простоте. У Бориса Пастернака есть мудрое четверостишие:

                В родстве со всем, что есть, уверясь И знаясь с будущим в быту, Нельзя не впасть к концу, как в ересь, В неслыханную простоту.

       Поэт явно имеет в виду не ту простоту — примитивность, которая предшествует горе сложных формул, трудных, прецизионных экспериментов, ошибочных заключений, случайных озарений, а простоту, находящуюся по ту сторону горы, освобожденную от