Текст книги "Эфир. Русская теория."
Автор книги: Владимир Антонов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)
4.4. Бериллий
Бериллий занимает четвертую позицию в таблице Менделеева. Его атомная масса равна 9,012. Он представляет собой светло-серый металл с плотностью 1,848 грамма в кубическом сантиметре и температурой плавления 1284 градуса Цельсия; он – твердый и в то же время хрупкий. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и легкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Сплавы бериллия, будучи в 1,5 раза легче алюминия, тем не менее прочнее многих специальных сталей. Свою прочность они сохраняют до температуры 700 … 800 градусов Цельсия. Бериллий стоек к радиации.
По своим физическим свойствам, как видно, бериллий сильно отличается от лития, но по топологии атомов они почти не различимы; отличие лишь в том, что атом бериллия как бы «сшит с запасом»: если атом лития напоминает тесный костюм школьника на взрослом человеке, то атом бериллия, наоборот, – просторный костюм взрослого на фигуре ребенка. Избыточная длинна шнура атома бериллия при одинаковой конфигурации его с литием образует более пологие очертания с радиусами изгибов, превышающими минимальные критические. Такой «запас» кривизны у атомов бериллия позволяет их деформировать вплоть до выхода на предел изгибов шнуров.
Топологическое сходство атомов лития и бериллия говорит о том, что четкой границы между ними нет; и невозможно сказать, какой наибольший размер имеет атом лития и какой наименьший – атом бериллия. Ориентируясь только на табличный атомный вес (а он усредняет все значения), можно считать, что шнур среднего по размерам атома бериллия состоит приблизительно из 16 500 связанных электронов. Верхний предел размеров атомов изотопов бериллия упирается в минимальный размер атома следующего элемента – бора, конфигурация которого резко отличается.
Запас по радиусам кривизны шнуров атомов бериллия сказывается в первую очередь на соединении их между собой в момент затвердевания металла: они примыкают друг к другу уже не короткими (точечными) участками как у лития, а длинными границами; контуры атомов как бы подстраиваются друг под друга, деформируясь и прилегая друг к другу максимально возможным образом; поэтому такие соединения очень прочны. Свою упрочняющую способность атомы бериллия проявляют и в соединениях с атомами других металлов, то есть в сплавах, в которых бериллий используется в качестве присадок к тяжелым металлам: заполняя пустоты и присасываясь своими гибкими желобами к атомам основного металла, атомы бериллия скрепляют их как клей, делая сплав очень прочным. Отсюда следует, что прочность металлов определяется длинами слипшихся участков присасывающих желобов атомов: чем длиннее эти участки, тем прочнее металл. Разрушение металлов происходит всегда по поверхности с самыми короткими слипшимися участками.
Запас по радиусам изгиба шнуров атомов бериллия позволяет им деформироваться без изменения соединений между собой; в результате деформируется все тело; это уже – упругая деформация. Упругая она потому, что в любом исходном состоянии атомы имеют наименее напряженные формы, а при деформации вынуждены терпеть некоторые «неудобства»; и стоит только деформирующей силе исчезнуть, как атомы возвратятся в свои исходные менее напряженные состояния. Следовательно, упругость металла определяется избытком длин шнуров его атомов, позволяющим их деформировать без изменения участков взаимного соединения.
С упругостью бериллия связана его жаропрочность; она выражается в том, что тепловые движения атомов могут происходить в пределах упругих деформаций, не вызывающих изменение соединений атомов между собой; поэтому в общем жаропрочность металла определяется, как и упругость, избытком длин шнуров его атомов. Снижение прочности металла при высоком нагреве объясняется тем, что тепловые движения его атомов уменьшают участки соединений их между собой; а когда эти участки полностью исчезают, происходит плавление металла.
Упругости бериллия сопутствует его хрупкость. Хрупкость может рассматриваться в общем случае как антипод пластичности: если пластичность выражается в возможности атомов изменять свои взаиморасположения с сохранением соединяющих участков, то хрупкость выражается, в первую очередь, в том, что у атомов такой возможности нет. Всякое взаимное смещение атомов хрупкого материала может происходить только при полном разрыве их связей; у этих атомов нет иных вариантов соединений. У упругих материалов (у металлов) хрупкость характеризуется еще и тем, что она – как бы прыгающая: возникшая в результате чрезмерных напряжений трещина с быстротой молнии распространяется по всему сечению тела. Для сравнения: кирпич под ударами молотка может крошиться (это – тоже хрупкость), но не раскалываться. «Прыгающая» хрупкость бериллия объясняется тем, что его атомы соединены между собой не лучшим образом, и все они напряжены; и стоит только нарушиться одной какой-то связи, как граничные атомы стремительно начнут «выпрямляться» в ущерб соединений со своими соседями; связи последних также начнут разрушаться; и этот процесс примет цепной характер. Следовательно, хрупкость упругих металлов зависит от степени деформаций соединенных между собой атомов и от отсутствия возможности изменения связей между ними.
Радиационная стойкость бериллия объясняется все тем же запасом в размерах его атомов: шнур атома бериллия имеет возможность спружинить под жестким радиационным ударом, не доходя до своей критической кривизны, и тем самым сохраниться неразрушенным.
И тем же можно объяснить светло-серый цвет бериллия и отсутствие у него яркого металлического блеска, такого, например, как у лития: световые волны эфира, падая на нежесткие шнуры поверхностных атомов бериллия, поглощаются ими, и только часть из волн отражается и создает рассеянный свет.
Плотность бериллия почти в четыре раза больше чем у лития только потому, что плотность шнуров его атомов выше: они соединяются между собой не в точках, а длинными участками. В то же время в сплошной своей массе бериллий – достаточно рыхлое вещество: он всего лишь в два раза плотнее воды.
4.5. Бор
Паспортные данные бора: он занимает пятую позицию в таблице Менделеева и относится к третьей группе периодической системы, то есть он – уже не металл; атомная масса бора 10,811; у него известны два изотопа с атомными массами 10 и 11; плотность бора2,3 грамма в кубическом сантиметре; температура плавления 2075 градусов Цельсия; бор предстает обычно в мелкокристаллическом виде.
Очень чистый бор бесцветен, однако чистым он практически никогда не бывает и поэтому выглядит чаще всего как темно-серый, бурый или даже как черный. В физическом и, особенно, в химическом отношениях бор очень сильно похож на своего соседа – на углерод: он также соединяется с кислородом, с серой, с азотом, с фосфором, с металлами; соединяются они и между собой. Все эти соединения нуждаются в «поджоге»; при обычной же температуре бор соединяется только со фтором. С азотом и углеродом бор образует сверхтвердые нитриды и карбиды, а с водородом – гидриды, которые по аналогии с углеводородами называют еще бороводородами. Бор может участвовать также в соединениях полимеров.
В топологическом плане переход от конфигурации атома бериллия к конфигурации атома бора – ступенчатый, и поэтому, казалось бы, можно довольно точно указать, границу между их размерами; но на самом деле она не такая уж конкретная: в одном случае она может сместиться в сторону бериллия, в другом – в сторону бора, – поэтому нет смысла искать ее однозначной. Будем считать, что она пролегает где-то между 16 500 и 18 400 связанных электронов. Это – нижняя граница; верхней границы у атома бора нет: он плавно переходит в атом углерода.
Топологию атома бора можно рассматривать как продолжение формообразования атома бериллия, но лучше начать сначала. Итак, при столкновении двух фронтов эфира могло возникнуть микрозавихрение в виде вращающейся торовой оболочки (типа дымового кольца) диаметром приблизительно в 5 900 эфирных шариков. Это кольцо из круглого превращается в овал; при самом наибольшем сплющивании, когда радиусы закруглений на его концах уменьшатся до предельных значений, то есть до 285 шариков, его длина окажется в 30 раз больше этих радиусов. Длинные стороны овала будут продолжать сближаться до полного соприкосновения, а его концевые петли завернутся, будем считать, вверх и устремятся навстречу друг другу. Столкнувшись своими вершинами, петли завернутся еще раз в том же направлении и устремятся внутрь (вниз); погонит их туда присасывание концевых петель. Завершится этот этап тем, что вершины петель упрутся в середину спаренных шнуров; точно так же формируется атом бериллия.
А дальше произойдет следующее. Спаренные шнуры, замыкающие концевые петли, также начнут слипаться между собой и вызовут удлинение атома: из формы, напоминающей яблоко, атом превратится в подобие перца. Указанное слипание спаренных шнуров теоретически должно было бы прекратиться в момент, когда вершины петель упрутся в середину шнуров, но – и в этом весь секрет – слипшиеся петли могут промахнуться и проскочить мимо или, упершись в шнуры, по случайности могут соскочить с них; и тогда слипание спаренных шнуров продолжится. Вывернувшиеся изнутри атома спаренные петли начнут разворачиваться и уходить вверх, а внизу, как следствие, возникнут уже спаренные новые, вторичные петли. Если бы длина торового шнура была достаточной (такой она будет только у атома углерода), то атом бора вытянулся бы в линию, на концах которой располагались бы перпендикулярно ориентированные между собой спаренные петли. Но атом бора еще относительно мал, и его вывернувшиеся в сторону и уходящие вверх спаренные петли замрут в каком-то полуподнятом положении, напоминающем открытый семафор, или шлагбаум, или вождя с поднятой рукой. Произойдет это потому, что вызывающему подъем петель сближению спаренных шнуров окажут сопротивление вторичные петли, исходно спаренные и не желающие размыкаться. (Все эти манипуляции становятся очевидными, если производить их на резиновом кольце.) Так образуется и так выглядит атом бора. Обратим внимание на то, что четыре шнура, соединяющие его разнесенные петли, будут выкрученными.
Охарактеризуем полученный атом бора с точки зрения его присоединительных способностей: у него – четыре петли и два присасывающих желоба; петли – попарно сомкнувшиеся, а желоба – неконтурные и с разворотом (выкрученные).
Между собой атомы бора могут соединяться только с помощью петель. Достаточно иметь повышенную температуру и (или) повышенное давление, чтобы петли атомов раскрылись и начали перекрестно соединяться между собой. Раскрытию петель способствуют выкрученные шнуры; они после такого раскрытия становятся прямыми, но одна из пар петель вынуждена при этом развернуться так, что ее присасывающие воронки оказываются снаружи, а сами петли расходятся веером.
Стереометрия бора принципиально ни чем не отличается от стереометрии углерода; более того, атомы бора могут соединяться с атомами бора вперемежку, образуя хорошо известные три аллотропических модификации: пространственную, плоскостную и линейную. Атом бора может присоединить к четырем своим петлям четыре атома водорода; возможны также сложные петлевые соединения в одну молекулу нескольких атомов бора и нескольких атомов водорода в самых замысловатых комбинациях. Петлевые соединения атомы бора могут образовывать с атомами всех тех химических элементов, которые имеют также петли, то есть с неметаллами.
С атомами металлов атомы бора могут соединяться только с помощью присасывающих желобов; при этом его желоба вынуждены выпрямляться (избавляться от выкрученности) и раскрывать с одной стороны петли, а открытые петли, то есть петли с открытыми присасывающими воронками, ведут себя агрессивно: они готовы присосаться к первой попавшейся петле и при том даже высвобождают тепло. Соединение атомов бора с помощью желобов может осуществляться не только с атомами металлов, но и с атомами других химических элементов, у которых есть присасывающие желоба; а такие соединения могут иногда вызывать распрямление атомов бора в первоначальный длинный овал с двумя петлями на концах; такой вытянувшийся атом бора может опутывать другие атомы самым замысловатым образом.
Соединение петлями – наиболее прочное, поэтому пространственные модификации из атома бора тоже очень прочные; этому способствует еще и то, что атомы бора образуют очень простые, прямоугольные конструкции (кубические кристаллы), в которых могут отсутствовать случайные искажения – так называемые дислокации. Тепловые движения атомов поглощаются их прямыми участками и почти не затрагивают петель; отсюда – довольно высокая температура плавления. Плотность бора, определяемая расположением шнуров в межатомных соединениях, не очень высокая, но все же выше чем у бериллия, в 1,24 раза.
Идеально построенные кубические кристаллы бора имеют такую простую решетку, сквозь которую может свободно проникать свет; такие кристаллы прозрачны. Сквозь искаженные кристаллы или кристаллы с вкраплениями атомов других химических элементов свет свободно проникать не может и поглощается атомами; отдают они его уже на более низких частотах красного спектра или даже в невидимом инфракрасном диапазоне, – все зависит от собственных частот прямых участков между концевыми петлями; такие кристаллы либо бурые, либо даже черные.
4.6. Углерод
Углерод занимает шестую позицию в таблице Менделеева; его атомная масса равна 12,011. При обычных условиях он химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами. Температура плавления углерода равна 4020 градусов Кельвина. В природе известны в основном две кристаллические формы углерода – алмаз и графит.
Алмаз – полиморфная модификация углерода; в виде кубической сингонии алмаз бесцветен, но его октаэдрические кристаллы приобретают окраску. Плотность алмаза равна 3, 5 грамма в кубическом сантиметре. Он – самый твердый природный материал, обладает высоким показателем оптического преломления и в виде крупных кристаллов относится к числу драгоценных камней. Алмаз – полупроводник.
Графит – наиболее распространенная и устойчивая гексогональная полиморфная модификация углерода, имеющая чешуйчатые агрегаты. Цвет графита – от темно-серого до черного. Его плотность равна 2,2 грамма в кубическом сантиметре. Графит огнеупорен (изделия из него выдерживают температуру в 3700 градусов Цельсия) и вообще химически стоек; он обладает электропроводностью. В технике он используется в качестве твердой смазки.
Известны также линейные полимеры углерода – карбин и поликумулен; они представляют собой высокопрочные нити, которыми армируют композиционные материалы. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами: под действием света его проводимость сильно увеличивается.
Углерод может соединяться с металлами, образуя карбиды. Карбиды вольфрама, титана, тантала и ниобия очень тугоплавки, тверды, износостойки, жаропрочны; из них изготовляют пластины режущих инструментов; детали из карбидов используют в турбинах и реактивных двигателях.
Но больше всего известны органические соединения углерода: они являются основной составной частью растительного и животного мира. Все горючие ископаемые – нефть, газ, торф, сланцы – построены на углеродной основе; особенно богат углеродом каменный уголь. Кроме природных существует множество искусственных полимеров на основе углерода. Общее число известных науке органических соединений превышает 7 миллионов.
Топология атома углеродаВместе с бором углерод занимает на размерной шкале атомов диапазон приблизительно от 18 000 до 25 000 связанных электронов; «официальный» размер атома углерода, соответствующий его атомной массе, составляет 22 100 электронов. Атомы изотопов углерода могут отличаться размерами друг от друга довольно значительно; их разброс может составлять 4 500 электронов или приблизительно 20 процентов от номинала. В среднем атом углерода больше атома бора на 3 400 электронов; это, как раз, – то увеличение, которое делает углерод отличающимся от бора; а это отличие, главным образом, состоит в том, что у углерода не бывает тех «агрессивных» проявлений, какие есть у бора.
Топология атома углерода почти не отличается от топологии атома бора. Точно так же первоначальный тор деформируется в овал; потом на концах овала образуются петли; эти петли загибаются, стыкуются своими вершинами, еще раз загибаются, уходят, слипаясь, внутрь, отклоняются в сторону, выворачиваются и вытягиваются, образую в результате четырехшнурный жгут со спаренными петлями на концах.
Топология атома углерода по линии литий-бериллий-бор-углерод – основная, но возможен и такой вариант, когда литиево-бериллиевый загиб петель внутрь не происходит. В нем отпадает необходимость, если концевые петли овала случайным образом загнутся так, что их присасывающие стороны окажутся обращенными друг к другу, то есть во внутрь. Устремившись навстречу и столкнувшись вершинами, петли начнут взаимно присасываться и вытягиваться в линию, образуя на другом конце шнуров вторичные петли. Таким образом атом углерода сразу же приобретает свою окончательную вытянутую формы. Вторичные петли в таком случае оказываются взаимно отталкивающими: их присасывающие стороны будут располагаться снаружи. Отталкиваясь, они разойдутся веером и поспешат присосаться к таким же петлям других атомов. В крайнем случае, если этим петлям не представится возможность найти себе пары на стороне, они, выкручиваясь, замкнутся сами на себя. Такова топология окончательно сформировавшегося одиночного атома углерода. У него, как и у атома бора, – четыре петли и два желоба; петли – попарно сомкнувшиеся, а желоба – выкрученные.
Атомы углерода могут объединяться между собой в разных комбинациях, и каждый вид объединений дает свою оригинальную аллотропическую модификацию. Соединения осуществляются в основном петлями, но могут быть и соединения атомов с помощью желобов.
Для того, чтобы атомы углерода начали соединяться между собой петлями, последние необходимо предварительно раскрыть. Осуществить это можно различными способами: тепловым воздействием, давлением, жесткими волнами эфира, с помощью катализаторов или комбинацией этих факторов. Наиболее распространенную аллотропическую модификацию углерода – графит можно получить, например, путем нагревания антрацита без доступа воздуха. Рассмотрим этот процесс более подробно.
Одиночный атом углерода, как мы отмечали, представляет собой дважды сложенное кольцо: сначала исходный тор сплющивается в овал, то есть растягивается, а потом складывается еще раз; полученная конфигурация напоминает фигуру шва теннисного мяча. Если вдвое сложенный замкнутый шнур атома углерода растянуть, то на концах образуются парные петли. (Напомним, что радиусы этих петель равны 285 шарикам.) Полученная форма одиночного атома – не окончательная: одна из пар петель окажется сложенной отталкивающими сторонами – такого быть не может, и эти петли постараются как-нибудь вывернуться, чтобы вновь соединиться, но уже обратными присасывающими сторонами. Длина сложенного атома углерода позволяет это сделать, и петли развернутся и сложатся, но при этом спаренные шнуры, то есть желоба, будут выкручены. Очевидно, такая форма одиночного атома углерода не очень устойчива, так как в ней присутствует противоборство желобов и петель: выкрученные желоба хотели бы выпрямиться в ущерб слипшимся петлям, а те, в свою очередь, будут всеми своими силами сохранять свое слипание.
Частичное разрешение противостояния желобов и петель может произойти даже при самом незначительном нагреве или даже без него – в нормальных условиях: если два атома случайно столкнутся между собой вывернутыми петлями, то эти петли могут раскрыться (как ладони) и состыковаться, образовав таким образом молекулу. Можно даже предположить, что в антраците углерод находится именно в таком молекулярном состоянии.
При более высоком нагреве молекулы углерода из двойных атомов соединяются в графит. При случайном столкновении двух молекул своими концами их петли могут раскрыться и соединиться перекрестно, то есть к присасывающей стороне петли одной молекулы может прилипнуть присасывающей стороной петля другой молекулы. Такое соединение первых двух молекул между собой можно считать началом роста кристалла графита. В перекрестном соединении двух молекул слипшимися оказываются только их две петли, а две другие оказываются раскрытыми. Они будут искать себе пары, и при случайном столкновении с другими молекулами раскроют их концевые петли и выберут себе по одной из них, образовав таким образом следующие межмолекулярные связи. Подобные подсоединения будут происходить и в продольном и в поперечном направлениях до тех пор, пока будут находиться очередные свободные молекулы углерода и пока их тепловые движения позволят это делать. Возникающий кристалл графита будет плоским, так как петли всех соединившихся молекул имеют параллельную ориентацию.
После прекращения роста кристалла процесс его формирования продолжится: должна решится судьба оставшихся открытыми петель, располагающихся по бокам кристалла (на концах кристалла они замкнуты). Раскрытые боковые петли соседних атомов, тех, что образовали в самом начале молекулы, устремятся навстречу друг другу, столкнутся своими вершинами и, слипаясь, загнутся вовнутрь, напоминая тем самым образование атомов лития и бериллия.
Возникшие кристаллы графита будут иметь, как принято говорить, формы чешуек, то есть будут плоскими. Если же уточнять, то их формы больше будут напоминать вытянутые пластины с анизотропными свойствами, чем гексогональные изотропные чешуйки. Кристалл графита имеет возможность в любое время продолжить свой рост; но для того, чтобы расти ему в ширину, нужно разорвать только что слипшиеся «в сердечко» петли соседних атомов, а это сделать уже не легко.
Пластины графита могут собираться в стопки, присасываясь одна к другой желобами, и даже не ими, а отдельными их точками – выступающими боковушками петель. Эти соединения непрочны, и поэтому карандаш можно чинить простым ножом. В то же время разорвать отдельный кристалл графита практически невозможно: настолько крепки его петлевые соединения. Они противостоят даже химическому воздействию; поэтому графит – достаточно инертное вещество. Его химическая стойкость, механическая прочность и тонко пластинчатая структура делают его хорошей смазкой трущихся поверхностей при большом удельном давлении.
Черный цвет графита объясняется тем, что прямые участки шнуров его атомов настолько длинные, что могут «звучать» только на низких инфракрасных частотах. Понятна также радиационная стойкость графита: его атомы не имеют опасных изгибов, готовых привести к излому упругих шнуров при жестких ударах радиации. И еще – об электропроводности графита: у его атомов все присасывающие желоба почти полностью открыты, не имеют пересечений и удобно соединяются между собой петлями, – и все это способствует тому, что электроны могут свободно перемещаться по кристаллам графита. Некоторое сопротивление они испытывают только на стыках петель. Но на боковых сторонах кристаллов, где присасывающие желоба образуют «сердечки» как у атомов металлов, сопротивление движению электронов почти полностью отсутствует. В толстом слое графита электроны имеют возможность, перескакивая с одной цепочки атомов на другую, избегать петлевых стыков и поэтому испытывают меньшее сопротивление своему движению.
Не избежать электронам петлевых стыков только в том случае, если кристаллы графита будут представлять собой отдельные нити. Выше мы отмечали, что кристалл графита анизотропен: его структуры в продольном направлении и в поперечном – различные, и обусловлено это тем, что продольное наращивание кристалла требует одних физических условий, а поперечное – других. При наличии и тех и других кристалл растет и в длину и в ширину; но если в действительности окажутся только первые условия и не будут соблюдены вторые, то кристаллы начнут вытягиваться в нити; появится новая аллотропическая модификация углерода – карбин. О нем можно сказать так: идеальный кристалл карбина представляет собой тот же кристалл графита, но с шириной в один атом.
Карбин относится к линейным полимерам углерода. Его отличительной особенностью является то, что сплетенный из его непрерывных нитей в сотни раз прочнее остальных, и поэтому нити карбина используют для армирования сверхпрочных композиционных материалов. Другой особенностью этих нитей является то, что их электропроводность значительно ниже, чем у графита (с этого мы начали разговор о нем). Правда, обнаружено, что под воздействием света электрическое (электронное) сопротивление карбина резко снижается; и в этом проявляются его полупроводниковые свойства: короткие, но жесткие волны света подталкивают электроны и помогают им преодолевать неудобные переходы в петлевых соединениях.
Но самой, пожалуй, интересной (точнее – привлекательной) аллотропической модификацией углерода является пространственный полимер – алмаз. Кристалл алмаза выращивается при сочетании определенных условий, основными из которых являются давление в 60 000 атмосфер и температура в интервале 1 600 … 2 000 градусов Цельсия. Главным из этих факторов является давление, а температура в основном определяет скорость роста.
В формировании кристалла алмаза принимают участие одиночные атомы углерода (в графите они – парные) с нормальной взаимоперпендикулярной ориентацией петель на противоположных концах, при этом у одной пары петель атома присасывающие стороны располагаются снаружи, а у другой – изнутри., так что шнуры стволов атомов – не выкрученные, а нормальные. Петли атома расходятся от ствола веером с максимальным углом между ними в 90 градусов. Конечно, в свободном состоянии атомы углерода такими быть не могут. Поэтому можно предположить, что кристаллы алмаза выращиваются не из чистого углерода, а из связанного, например из углеводорода, в частности из метана: в нем атом углерода имеет самые подходящие формы для подсоединения к кристаллу.
Кристалл алмаза представляет собой трехмерную ортогональную конструкцию без косых, диагональных связей. Особенностью кристалла является то, что узлы соединений атомов в нем – не пространственные, а плоские; трехмерность общей конструкции возникает вследствие того, что плоские двумерные узлы на концах каждого из атомов ориентированы перпендикулярно друг другу.
Рассмотрим устройство межатомного узла, имея в виду, что все узлы кристалла – абсолютно одинаковые. Он объединяет четыре атома; все они сходятся к нему по двум взаимно перпендикулярным прямым линиям. Петли одной пары атомов, лежащих на общей прямой, имеют внешние присасывающие стороны, а петли другой пары, располагающейся на перпендикулярной прямой, – внутренние. В узле петли вторых атомов охватывают петли первых, и они накрепко слипаются; прочность их соединения определяет прочность алмаза. Других соединений, например с помощью желобов, кристалл не имеет.
Завершенные узлы, объединяющие по четыре атома, располагаются внутри кристалла, а на его поверхности они – некомплектные; их доукомплектование и есть рост кристалла. Представим себе незавершенный узел, объединяющий только три атома углерода; у него слипшимися будут только две пары петель, а оставшиеся две петли от встречно расположенных атомов будут прикрыты атомами водорода. Также прикрытыми будут петли того атома углерода, который должен присоединиться к данному узлу. Учитывая то, что метан в сложившихся условиях рождения кристалла находится в предплазменном состоянии, когда атомы водорода еле-еле удерживаются на своих местах, присоединяемый атом углерода под воздействием давления отжимает атомы водорода и замыкает своими петлями освободившиеся петли узла; узел становится завершенным.
Не будет особых проблем и при доукомплектовке узла из двух атомов при дополнении его третьим, уже встроенным в кристалл и готовым к присоединению; этому третьему атому не остается ничего другого, как искать своим свободным концом возможности присоединения к некомплектному узлу, и он ее находит.
Труднее всего происходит зарождение нового узла; здесь возможны два варианта, один из которых кристаллу неприемлем; встает вопрос: как он избегает его? Неприемлемым является соединение петель однонаправленными сторонами, например наружной с наружной или внутренней с внутренней. Значит, если на свободном конце атома углерода – петли с внутренними присасывающими сторонами, то первое подсоединение к нему должно быть петель другого атома с внешними сторонами. Остается предположить, что в случае зарождения нового узла с неправильным подсоединением очередного атома (а таких случаев – половина от общего числа) не может возникнуть комбинация с встраиванием ее в кристалл, и она рано или поздно будет разрушена. И только при правильном зарождении узла атомы углерода, его образующие, встраиваются в кристалл, и там они чувствуют себя в безопасности.
Рост кристалла прекращается тогда, когда физические условия изменяются настолько, что не отвечают требованиям роста. Какие это условия? Мы их уже упоминали: во-первых, они должны создавать предплазменное состояние исходного материала; во-вторых, они должны разрушать неправильные комбинации атомов и, в-третьих, они должны быть бессильны разрушить правильно соединенные атомы. Получается так, что физические параметры условий роста кристалла алмаза должны укладываться в определенный интервал: не ниже и не выше. Если не будут выполняться эти требования, то и большого кристалла не будет. Особенно обращаем внимание на второе условие – на разрушение неправильных комбинаций; реализовать его в условиях производства искусственных алмазов можно простым механическим перетиранием кристаллов, дробящим неправильные из них, и не приносящим вреда полноценным.
После завершения роста кристалла алмаза все его поверхностные узлы будут недоукомплектованы; это означает, что он будет окружен «щетиной» из незамкнутых между собой петель атомов углерода. В естественных условиях петли притягивают к себе любой окружающий мусор и делают алмаз невзрачным. При огранке мусор удаляется и замещается прозрачным веществом. Если очищенный кристалл ничем не покрыть, то он скоро снова обрастает мусором.
Предложенная модель кристалла хорошо согласуется с физическими характеристиками алмаза. Его твердость выражается в том, что он не способен пластически деформироваться и противостоит механическому разрушению. Объясняется это тем, что атомы углерода в кристалле не имеют возможности изменять свое положение (они соединены петлями, а не желобами), связаны между собой перекрестными пространственными связями и связи эти образуются полноценными петлевыми соединениями. К этому следует еще добавить то, что кристалл алмаза не имеет дислокаций и инородных включений, за исключением, может быть, атомов бора. Последние, если их размеры близки к размерам атомов углерода, не только не ослабляют кристалл, но, напротив, упрочняют его. Разные длины атомов (у углерода, как мы знаем, они – тоже разные) делают всю конструкцию кристалла очень жесткой, противостоящей, в частности, косому сдвигу; поэтому алмаз не имеет даже упругих деформаций.
