Текст книги "Капля"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)

Итак, все элементы будущей камеры налицо: быстрое снятие давления с перегретой сжатой жидкости способствует ее вскипанию, а пролетающая в жидкости ионизирующая частица делает это вскипание более легким вдоль траектории полета, которая оказывается отмеченной ниточкой «отрицательной росы». Все дальнейшее – дело техники.

Я не уверен в том, что мысль Глезера развивалась именно так, как представлено в очерке. Важен результат: он сумел предложить идею прибора, с помощью которого решаются сложнейшие задачи физики элементарных частиц.

В 1960 году, через 33 года после Вильсона, Глезер был приглашен в Стокгольм, где ему вручили медаль лауреата Нобелевской премии.

Из истории исследования электрона

Речь пойдет о почти шестнадцатилетнем периоде – с 1897 по 1912 год – в истории экспериментального изучения электрона, история попыток убедиться в его реальности и определить его заряд – одно из тех чисел, на которых, как на прочном и надежном фундаменте, покоится естествознание. История эта – отличный повод ознакомиться со многими свойствами капли, и, кроме того, она богата примерами великолепного экспериментального мастерства исследователей.

Пятнадцать лет экспериментаторы пытались узнать у капли заряд электрона, добивались, чтобы было названо искомое число. Но вопрос ставился нечетко, и поэтому ответ звучал расплывчато – был близок к истине, но с числом не совпадал. В долгих и упорных поисках вопрос выкристаллизовался, и возникла идея чистого, безупречного эксперимента с каплей.

Итак, рассказ об истории экспериментальных работ по определению заряда электрона. Как и всякую историю

(когда ее излагаешь), эту удобно условно разделить на последовательность отдельных этапов, хотя, конечно же, в жизни никаких этапов не существовало – исследования велись непрерывно.

Этап первый. 1897 год. Дж. Дж. Томсон. В нашем рассказе этот этап носит характер предыстории – в нем капля еще не участвует.

Дж. Дж. Томсон, третий директор знаменитой Кавендишской лаборатории, в этом году поставил серию опытов и показал, что заряженные частицы, возникающие при ионизации газа, и те, которые испускаются раскаленными металлами, несут на себе отрицательный заряд и имеют одинаковое отношение заряда к массе – не одинаковый заряд и одинаковую массу, а одинаковое их отношение, а оно ведь может быть одинаковым и при различных значениях соотносимых величин.

Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наблюдал одну и ту же элементарную частицу с определенными зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон открыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была предсказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».

Итак, после опытов Томсона возникли следующие экспериментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электричества», носителем которой является электрон, и, во-вторых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.

Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.

Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лаборатории, был первым, кто привлек каплю к участию в поисках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насыщенный водяной пар, извне вводится некоторое количество ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на электроде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором после поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизительно одинаковый объем.

Средний объем капли Таундсенд определил по скорости ее свободного падения в воздухе. Эта скорость определяется с помощью формулы Стокса – с ней мы уже знакомились, когда обсуждали падение дождевой капли. Далее он с помощью электрометра определял общий заряд всего объема облака. В отдельном эксперименте о массе этого облака судили по увеличению веса осушающих трубок, через которые пропускалась изучаемая часть облака. Если массу облака разделить на массу одной капли, получится число капель; если общий заряд облака разделить на число капель, получится заряд одного иона. Из проведенных опытов следовало число е = ( 2 , 8 —3,1) • 10^{- 10} электростатических единиц заряда.

Таундсенд проявил много остроумия и мастерства – и все же задал природе вопрос не лучшим образом. В его опытах, а затем и в обработке результатов много не вполне оправданных допущений. Во-первых, нет гарантии, что каждый ион – центр конденсации капли – несет один заряд; во-вторых, можно с уверенностью утверждать, что, вопреки предположению Таундсенда, не все капли в облаке одинакового размера; в-третьих, не исключено, что иные ионы, несущие заряд, не стали центрами образования капель; в-четвертых, Таундсенд не очень тщательно заботился о том, чтобы в пространстве, где изучалось падение капель, воздух был абсолютно неподвижен. Если во время опыта воздух хоть немного переместится, данные о скорости падения будут искажены, а значит, искажены будут и данные о размере и массе капель. Поэтому к величине заряда, найденной Таундсендом, надо относиться как к оценке. Оценку такой точности можно получить и на основании различных косвенных соображений и обработки результатов, полученных в опытах по прохождению тока в гальванической ванне.

Если задаться вопросом, в чем же в таком случае заслуга Таундсенда, которому не удалось пойти вперед по сравнению с гальваническими опытами, и почему его деятельность выделена в отдельный этап, ответить следовало бы так: в том, что он обратился к капле. Он понял, что макроскопическая капля – ведь даже если ее диаметр всего один микрон, она макроскопическая по сравнению с электроном – может помочь в поисках истины.

Этап третий. 1897 год. Дж. Дж. Томсон.

Томсон немного усовершенствовал приемы Таундсенда, сохранив основную идею эксперимента практически неизменной. Ионы он получал не в электролизере, а с помощью непрерывно работающей рентгеновской трубки. В те дни только-только стало известно, что рентгеновские лучи способны ионизировать воздух, и Томсон воспользовался новинкой. И еще одну совершенно «свежую» новинку применил Томсон. Незадолго перед его опытами стали известны результаты одного из его сотрудников – Ч. Т. Р. Вильсона, который показал, что внезапное расширение воздуха, содержащего влагу, приводит к образованию капель на ионах. Именно так Томсон и создавал капли. Он поставил эксперимент на более современном уровне, чем( Таундсенд, но, к сожалению, не улучшил, а, быть может, ухудшил условия его эксперимента, добавив пятый источник сомнений: так как капли возникали вследствие резкого охлаждения воздуха, есть основания подозревать, что за время, пока их температура уравнивается с температурой среды, они могут частично испаряться.

Томсон это, конечно, понимал, но, видимо, надеялся на то, что «в-пятых» себя не успеет проявить за время измерения и что, сравнивая упругость пара до и после внезапного расширения объема камеры, он точнее, чем Таундсенд, определит общую массу облака. Найденное им значение е лежало в интервале (5,5—8,4) •10 ^-10 электростатических единиц. Томсон задал природе вопрос, быть может, в немного более изощренной форме, но от этого вопрос четче не прозвучал. И ответ оказался расплывчатым и, как увидим, далеким от числа.

Этап четвертый. 1903 год. Г. А. Вильсон (не Ч.Т.Р., а Г. А. Вильсон. Ч.Т.Р Вильсон в те годы неотступно продолжал исследование поведения капель в туманной камере).

Г. А. Вильсон сделал огромный шаг на пути к достоверному измерению заряда электрона. Начал он с усовершенствования методики. В камере, где находилось облако капель, сконденсированных на ионах, Вильсон параллельно располагал две латунные пластинки, к которым можно было подключить полюсы источника напряжения 2000 в. Экспериментальная процедура Вильсона состояла из последовательности двух опытов. В первом опыте, получая резким расширением облако заряженных капель (как это делал и Томсон), он определял скорость его падения ( υ₁ ) в пространстве между латунными пластинками в отсутствие электрического поля. Во втором опыте он проделывал то же, однако в этом случае электрическое поле было включено и капли в облаке падали со скоростью υ₂ не только под влиянием одной лишь силы тяжести т g , как в первом случае, а под влиянием двух сил mg + еЕ, где Е – напряженность электрического поля. В обоих опытах Вильсон наблюдал не за всем облаком, а лишь за теми каплями, которые находятся в его вершине. Капли в вершине облака несут на себе самый маленький заряд, а следовательно, и испытывают на себе действие самой маленькой силы.

Должно иметь место равенство:

 

Но почему скорости, а не ускорения пропорциональны силам? Дело в том, что речь идет об установившемся движении в среде, когда ускорение равно нулю, а величина скорости пропорциональна силе,– это следует из формулы Стокса, которую в очерке о капле-шарике я просил запомнить, так как далее она понадобится. Именно здесь она и понадобилась.

В правой части формулы все известно, кроме массы капель. Как и его предшественник, Г. А. Вильсон определял массу капель, предварительно найдя их радиус по формуле Стокса, т. е. по скорости ее свободного падения в воздухе. Так Вильсон сумел обойтись без произвольного допущения своих предшественников, которые предполагали, что число капелек равно числу отрицательных ионов. Сформулированный им вопрос природе звучит четче. К сожалению, однако, достаточно было оставшихся в эксперименте неточностей, чтобы на ответ наложились помехи. Вильсон, например, предполагал, что в двух последовательных расширениях камеры (ему для нахождения υ₁ и υ₂ нужны были два расширения!) возникают облака, абсолютно совпадающие по характеристикам. В действительности это не так хотя бы потому, что вариант, при котором облака будут идентичны, единственный, а вариан там, при которых они будут отличаться, нет числа! Кроме того, за время падения водяные капельки могли немного испаряться или, например, мелкие капли могли исчезать, съедаемые более крупными.

Найденное Вильсоном максимальное значение заряда было вдвое больше минимального. Для ищущего истину такой результат неутешителен.

Этап пятый. 1909 год. Р. А. Милликен.

Вслед за Вильсоном Милликен сделал несколько шагов вперед на пути к точной формулировке вопроса. Его опыты – их логика и исполнение – исключительно умны и красивы.

Существуют естествоиспытатели, которые пытаются увидеть явление в целом, посмотреть на него с неожиданной стороны. Они легко и точно улавливают связи нового явления с известными, ставят эксперимент так хитро и неожиданно, что поиск заканчивается очень убедительным доказательством факта существования явления. Это очень ценная и нужная категория исследователей, но в их лабораториях устанавливаются факты лишь качественно, выяснение точных характеристик явления их мало заботит. Милликен относится к принципиально иной категории исследователей. Я очень внимательно читал его книгу – подробный отчет об экспериментах с заряженными каплями, и меня не покидало чувство восхищения перед великолепным экспериментальным мастерством, скрупулезным в такой мере, что иному оно может показаться выражением не столько оправданной тщательности, сколько болезненной придирчивости. Его предшественники, по существу, в своих опытах могли определять лишь статистически среднюю величину зарядов, поскольку они не отличали каплю, образовавшуюся на однозарядном ионе, от той, которая сформировалась на ионе многозарядном, так как экспериментировали с облаком – ансамблем капель различных и по величине и по заряду. Милликен решил экспериментировать с одной каплей, подолгу удерживая ее между пластинами конденсатора.

Вначале и Милликен экспериментировал с водяными каплями. Все, что с ними может происходить, он подробнейшим образом исследовал. Для надежной обработки результатов измерений необходимо точно знать размер капель, и Милликен его определял по скорости падения капли в воздухе. Между экспериментально найденной скоростью и значением радиуса – расчет по формуле Стокса. Возникает сомнение: быть может, эта формула ненадежна в применении к микроскопическим каплям? Милликен ставит сотни опытов с целью внести нужные поправки в формулу Стокса и достигает необходимой точности в определении радиуса. Вот одно из значений радиуса капли, изучавшейся Милликеном: 0,000197 см.

Капля может в процессе измерения испаряться, терять массу. Ставится такой опыт. Одна заряженная капля уравновешивается полем и останавливается между пластинами конденсатора. Со временем капля начинает подниматься вверх. Это значит, что, частично испарившись, она стала легче, и сила, создаваемая электрическим полем, начинает превосходить силу тяжести. В опыте поле уменьшается ровно настолько, чтобы капля опять стала неподвижной. Измерив необходимое для этого уменьшение напряженности поля, Милликен определяет скорость испарения капли и учитывает ее при обработке результатов измерений.

Во время опыта капля может изменить свой заряд. Ставятся специальные опыты для исследования этой возможности. Ведется длительное наблюдение за движущейся каплей и устанавливается, что в случайные моменты времени капля скачкообразно меняет скорость своего падения,– это естественно объясняется потерей или приобретением заряда. Становится ясным, что скачкообразные изменения скорости оказываются в точности такими, какими они должны быть, если заряд может принимать лишь значения, кратные некоторому минимальному. Наблюдаются капли, несущие самое различное число элементарных зарядов – от 1 до 150. Так как точность измерения ограничена, то при большем числе зарядов изменение их числа наблюдается с меньшей достоверностью. Однако, как пишет Милликен, «когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при подсчете собственных пальцев». Эти опыты – безусловное основание для Милликена утверждать, что электрический заряд «обладает резко выраженным зернистым строением».

Милликен оказался тем счастливым естествоиспытателем, который сумел надежно доказать «зернистость» электрического заряда и определить число —заряд «зернышка»– электрона. Вот это число: е = (4,770 + 0,005)•10^-10 электростатических единиц. Указана оправданная погрешность измерения, и это придает числу достоверность.

ЖИВЫЕ КАПЛИ

Столяру Джузеппе попалось под руку полено, которое пищало человеческим голосом.

Алексей Толстой

Капля живого серебра

На языке многих народов ртуть именуется живым серебром, видимо, за блеск и за способность легко перекатываться по твердой поверхности.

В этом очерке – рассказ об опыте, в котором «живость» ртути самоочевидна. Этот опыт в нашей лаборатории проделывали много раз и наблюдали за ним и невооруженным глазом и с помощью кинокамеры. Ставится опыт так. В плоскодонной стеклянной кювете – капелька ртути и неподалеку от нее кристаллик двухромовокислого калия. Затем в кювету наливается такое количество слабого раствора соляной кислоты в воде, чтобы и капля и кристаллик были покрыты раствором. Надо позаботиться

о  том, чтобы дно кюветы было плоским и установлено горизонтально. На этом подготовка опыта закончена, теперь следует только наблюдать, глядя на кювету сверху. Кристаллик начинает растворяться, образуя расширяющееся темное облако. Когда край этого облака касается ртутной капли, капля начинает энергично набрасываться на кристаллик. Именно энергично и именно набрасываться, сдвигая кристалл с места, обволакивая его, неожиданно отскакивая в сторону и затем снова набрасываясь. Во время этого процесса капля деформируется, приобретая причудливые формы. Если случайно капля оказывается окруженной равномерным облаком, она успокаивается и ее контур становится круглым. А затем, когда окружение капли слегка изменится, все начинается снова.

Причину такой «живости» капли ртути можно понять, внимательно просмотрев отдельные кадры кинофильма, особенно те, на которых она запечатлена в непосредственной близости от кристаллика. Оказывается, набрасываясь на кристаллик, капля приобретает такое очертание: на лобовой части ее поверхность выпукла, а на тыльной – вогнута. Эта форма создает впечатление, будто кто-то невидимый с тыльной стороны толкает каплю по направлению к кристаллику, вминая ее поверхность.

Дело в том, что раствор, обогащенный молекулами двухромовокислого калия, понижает поверхностное натяжение ртути, и поэтому вдоль периметра капли оно становится неодинаковым, понижаясь на лобовой стороне. Это обстоятельство, вообще говоря, могло бы и не привести к движению ртутной капли по направлению к кристаллику.

Капля ртути, подталкивая кристаллик хромпика, бегает но кругу

Вполне разумными и грамотными являются такие рассуждения: поскольку в любой точке объема ртутной капли давление должно быть одинаковым, контур капли должен стать таким, чтобы лапласовское давление, приложенное к любой точке поверхности капли ртути, было одним и тем же, т. е. чтобы на поверхности выполнялось следующее условие: Р≈ α / R – величина постоянная вдоль всей поверхности капли. Это означает, что там, где меньше α, меньшим должно быть и R.

Вблизи кристаллика капля двухро мовокислого калия должна приобрести грушевидную форму, узкой стороной обратившись к кристаллику. Такую форму приобрел бы резиновый шарик, если бы на одном из его участков резина была потоньше. В этом примере толщина резины пропорциональна величине поверхностного натяжения.

Изложенные соображения справедливы лишь в случае установившегося равновесия, т. е. когда выполняются два условия: первое – ртуть в капле перераспределилась так, что ее форма удовлетворяет условию постоянства лапласовского давления в любой точке поверхности, второе – химический состав среды, окружающей каплю, со временем не изменяется. В действительности, однако, в нашем опыте все далеко от равновесия. Капля не успевает «подстроить» свою форму к возникшему на ее поверхности распределению величины поверхностного натяжения, лапласовское давление, приложенное к тыльной части, оказывается большим, чем приложенное к лобовой. Разница этих давлений и есть тот «невидимый», который толкает каплю на кристаллик. Сложная пляска капли вокруг кристаллика отражает сложное и непостоянное во времени несоответствие истинной формы капли и образовавшегося распределения поверхностного натяжения вдоль ее поверхности.

Мы попробовали обуздать каплю и поступили следующим образом. Из плексигласа изготовили кювету в форме замкнутого кругового канала. Расположили ее горизонтально. В канал поместили каплю ртути, достаточно большую для того, чтобы, расплющившись под влиянием силы тяжести, она коснулась стенок канала. Заполнили кольцевую кювету соляной кислотой и перед ртутной каплей положили кристаллик двухромовокислого калия. Капля набросилась на кристаллик и стала активно толкать его перед собой вдоль кольцевого канала. Зрелище оказалось захватывающим: возникает иллюзия движения живого существа, оно жадно набрасывается на пищу и движется до тех пор, пока она не израсходована.

Кардиограмма ртутного сердца

Из множества особенностей и свойств истинного сердца ртутное обладает лишь одним – способностью пульсировать, ритмически сокращаться и расширяться. Ртутному

Сердцу неведомы ни боль, ни перебои, ни волнение. Лишенное многих свойств истинного сердца, оно перед ним имеет безусловное, завидное преимущество – может остановиться, сколь угодно долго просуществовать бездействуя, а затем снова ожить.

У нас в лаборатории, в шкафу, где хранятся химические реактивы, живет ртутное сердце. Конструкция его несложна: фарфоровая чашка с гладким вогнутым дном, на дне чашки – капля ртути, залитая толстым слоем слабого водного раствора соляной кислоты, в который положена крупинка соли двухромовокислого калия. Фарфоровая чашка прикрыта стеклянной пластинкой, в пластинке укреплена гайка с микрометрическим винтом, заканчивающимся острой железной иголкой. Вращая винт, иголку можно опустить до соприкосновения ее острия с поверхностью ртутной капли, тогда сердце сразу же начинает работать, т. е. капля начинает периодически пульсировать.

Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее контуре.

Пульсации ртутного сердца – зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.

Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца – капли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосновения с железной иглой.

Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избыточный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, вещество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжимающее давление Р_л = 2α/ R . Оно обусловлено искривленностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q . Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, величина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q² / R ² . Эта сила обусловит растягивающее давление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R ² . Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q ² / R ⁴

 Эти соображения и оценки нам уже встречались

в очерке об опыте Рэлея – Френкеля. Они нужны были для того, чтобы понять причину разрыва капель в электрическом поле. Давление Р q вычитается из лапласовского. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли, и следовательно при постоянном радиусе, наличие на ее поверхности электрического заряда приведет к понижению сжимающего давления, которое равно Рi=Р_л – Pq = 2α_i/ R

Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения поверхностной энергии на величину Δα = α – α_i .

Из равенства, которое определяет Рi следует, что

Δα ≈ q ² / R ³ ≈ q ²

Я не стремился к тому, чтобы расчет был точен,– важно иметь лишь основание утверждать, что величина понижения поверхностной энергии не зависит от знака заряда, находящегося на поверхности. Порукой тому – квадратичная зависимость величины понижения поверхностной энергии от величины заряда.

Все это нам необходимо знать, так как капля ртути в растворе соляной кислоты, принимая участие в химической реакции, получает заряд, и поэтому поверхностное натяжение на границе капля ртути – раствор понижается. Не будем подробно интересоваться процессами на этой границе, так как для нас неважен знак заряда, возникающий на ней.

С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент, когда железная игла соприкасается с поверхностью ртути, величина заряда на ней уменьшается, а вместе с ним уменьшается и то понижение поверхностной энергии, которое наступило, когда капля ртути была залита раствором соляной кислоты. Два последовательных отрицания равносильны одному утверждению: уменьшение понижения означает повышение. В момент прикосновения железной иглы к поверхности ртути ее поверхностное натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть некоторое сжатие капли, которая на дне чашки под собственной тяжестью расплющилась, и частичное приближение ее формы к сферической. Это отчетливо наблюдается, если в центре капли в ее тело погрузить металлическую иглу; капля вздрогнет, и ее диаметр явно уменьшится. Мы проделывали этот опыт многократно на каплях различных размеров. Оказалось, что, чем меньше радиус расплюснутой капли, тем больше его относительное уменьшение, но уменьшение происходит всегда.

 

 Биение ртутного сердца. Железная игла касается контура капли

Вот теперь можно понять механизм пульсаций. Начнем со случая, когда железная игла касается ртути в точке на контуре капли. В момент соприкосновения иглы с поверхностью ртути – соприкосновения, а не внедрения!– ртутная капля уменьшает диаметр, и контакт между нею и иглой нарушается. После этого величина поверхностной энергии должна возвратиться к значению, которое было до соприкосновения иглы с каплей, т. е. должна понизиться, и радиус ртутной капли возрастает. Это значит, что капля соприкоснется с иглой и все начнется снова: сокращение капли, нарушение контакта, расширение капли, восстановление контакта и т. д.

 

Биение ртутного сердца. Железная игла касается макушки капли

Интересен механизм возникновения пульсаций в том случае, когда игла прикасается к поверхности ртути не на контуре капли, а в ее центре, в макушке. Казалось бы, наступающее при этом повышение поверхностного натяжения должно сопровождаться поднятием макушки и образованием ненарушающегося контакта с иглой. Если контакт ненарушающийся – пульсаций быть не может. В действительности, однако, происходит иное. Макушка капли чуть наползает на иглу, а затем под действием силы тяжести отрывается от нее. Этот первый импульс дает толчок колебаниям. Капля раскачивается, «сердце» начинает пульсировать.

Любопытная деталь: при переносе иглы с контура капли на ее макушку частота пульсаций увеличивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний гитарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посредине между точками закрепления. В случае капли – игла, а в случае струны – палец, создавая узел, уменьшают длину волны колебаний и, следовательно, повышают их частоту.

Необходимо подчеркнуть, что ртутное сердце отнюдь не вечный двигатель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химической реакции между ртутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калием. В этой реакции расходуются исходные компоненты, и она прекратится, _ когда, скажем, будет съеден железный гвоздь. В «невечности» ртутного сердца можно легко убедиться, взяв вместо гвоздя тонкую проволочку. Скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет съеден. Чтобы «сердце» опять заработало, надо проволочку придвинуть к капле: явно –  не вечный двигатель!

Задумали мы снять кардиограмму ртутного сердца. Много сведений из нее не из влечешь, разве только определишь количество пульсаций в секунду, а их можно просто посчитать, наблюдая за каплей, или для верности воспользоваться кадрами кинофильма. И все-таки снять кардиограмму любопытно. У нашего лабораторного «сердца» диаметр капли ртути 4 см, игла касается его контура, и пульсирует оно с частотой 120 ударов в минуту.

Вначале решили воспользоваться работающим сердцем как прерывателем электрической цепи, регистрируя моменты включения и выключения с помощью самопишуще го прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вмешательство в ртутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направили на зеркальную поверхность пульсирующей капли, а отраженный от нее мечущийся луч подавал сигнал на самописец, который и записал кардиограмму. На кардиограмме видна последовательность чередующихся максимумов и минимумов, четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть иному человеческому сердцу.

Капля, движущаяся в кристалле

Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.

Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл – пусть для определенности это будет кристалл какой-нибудь соли – должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, температура раствора понизилась – и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным материалом для кристалла. Вначале появится микроскопический кристаллик – зародыш, а затем он будет подрастать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кристалл случайно захватит в свой объем капельку материнского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объеме кристалла некогда была на его поверхности.

Все может произойти и по иному механизму. Допустим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда будут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики следует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существование в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристалла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.

Итак, в объеме кристалла имеется капелька насыщенного раствора его вещества. Вначале – о форме этой капельки. Если капля «маленькая» (в том смысле, который обсуждался в очерке об опыте Плато), ее форма будет такой, при которой энергия на границе капелька – кристалл окажется минимальной. В опыте Плато капля жидкости граничит с жидкостью, аморфное вещество с аморфным веществом. Это значит, что поверхностная энергия границы во всех направлениях одинакова, и поэтому наименьшей энергия всей границы будет тогда, когда наименьшей будет ее поверхность. Для этого капля должна принять сферическую форму. Если же жидкая капля расположена в кристалле, аморфное тело граничит с кристаллом, энергия границы жидкость – кристалл, как и поверхностная энергия границы кристалл – воздух, будет зависеть от направления. В этом случае наименьшей полная энергия границы будет у капли несферической формы. Капля приобретает равновесную огранку, такую, какую продиктует ей равновесная огранка кристалла; например, капля в объеме кристалла каменной соли будет кубической, в других кристаллах она будет иметь более сложную форму – восьмигранника, пирамид, которые сложены основаниями, и т. д.