Текст книги "Живой кристалл"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)

Все происходящее с лунной дорожкой естественно объясняется физическим законом, который даже отстающие школьники легко запоминают в связи с тем, что формулируется он чеканно: угол падения равен углу отражения! Речь идет о свете, падающем на отражающую поверхность. Наш глаз воспринимает лучи, отраженные от тех участков поверхности воды, которые оказываются в положении, удовлетворяющем сформулированному закону. Именно поэтому на волнующейся поверхности воды участок поверхности какой-то волны может быть нами увиден благодаря вспыхнувшему блику.

Изучая закономерности отражения света и радиоволн от поверхности воды, физики-оптики и радиофизики решали, как говорят они, «прямую» задачу: какова ширина отражающей области (т. е. «лунной дорожки») на поверхности воды при данной волнистости поверхности? Решали и «обратную» задачу: как, зная распределение интенсивности света в «лунной дорожке», определить рельеф волнующейся поверхности?

Здесь, пожалуй, оставив волнующуюся воду, уже следует обратиться к поверхности кристалла. Заменим слово «волнистость» словом «шероховатость». Так вот, на поверхности кристалла может быть шероховатость двух разных типов. Первый тип – это так называемая «естественная» шероховатость. На тех плоскостях, которыми кристалл себя ограняет, естественная шероховатость не может появиться. Быть может, уместно сказать так: на естественных плоскостях естественной шероховатости не место, потому что любое отклонение от плоскости, естественно ограняющей кристалл, будет связано с повышением энергии: мы знаем, что эти плоскости потому и естественны, что их наличие обусловливает минимальнее значение поверхностной энергии кристалла. А вот если в кристалле искусственно выведена «неестественная» произвольно ориентированная плоскость, кристалл сочтет целесообразным создать на ней шероховатость в ферме ступеней, которые огранены участками поверхности с малыми значениями поверхностной энергии. И это мы уже знаем из очерка об опытах Лукирского. Этот процесс, как и всякий сопровождающийся уменьшением энергии, может происходить самопроизвольно, если, разумеется, кристалл находится в условиях, когда процесс вообще может происходить. И на поверхности кристалла, как и в его объеме, есть прок от беспорядка!

Другой тип шероховатости, назовем ее «неестественной», может быть создан на любой, в том числе и на естественной, поверхности кристалла. Для этого достаточно грубо пошлифовать эту поверхность, или обработать резцом, или нанести на нее множество царапин – создать подобие поверхности волнующейся воды. Такая шероховатость кристаллу противопоказана, и при надлежащих условиях кристалл будет от нее избавляться. Скажем, при высокой температуре, когда атомы диффузионно подвижны, поверхность кристалла оживет: неестественная шероховатость исчезнет, естественная возникнет. Спокойными могут оказаться лишь гладкие естественные плоскости, ограняющие кристалл, если их предварительно не исцарапали. На таких поверхностях «лунная дорожка» должна быть очень узкой и не меняющейся со временем. Такую дорожку можно наблюдать в погоду, о которой моряки говорят: «штиль».

Появление «естественной» и исчезновение «неестественной» шероховатости может происходить вследствие диффузии вещества по поверхности. В этом процессе направленные потоки атомов возникают потому, что каждая последующая форма профиля поверхности обладает энергией меньшей, чем предыдущая.

Итак, поверхность живого кристалла – жива. Ее шероховатость может нарастать, может сглаживаться, подобно волнистой поверхности воды, и, как на воде, на поверхности кристалла можно наблюдать подобие «лунной дорожки». В качестве луны в лаборатории в этом случае пользуются лазером. Изучая изменение «лунной дорожки», создаваемой поверхностью кристалла, в процессе его отжига, физики научились получать сведения о диффузионной миграции атомов по поверхности. Впрочем, это – тема отдельного разговора. А здесь – о красивой аналогии между поверхностью волнующейся воды и поверхностью живого кристалла.

ЗАПОТЕВАНИЕ КРИСТАЛЛА

В своем стремлении уменьшить энергию, связанную с наличием поверхности, кристалл не пренебрегает ни одной из представляющихся ему возможностей. Если в окружающей его атмосфере имеются атомы, которые, осев на поверхности, понижают его поверхностное натяжение, кристалл удержит ровно столько атомов этого сорта, случайно столкнувшихся с его поверхностью, сколько нужно для того, чтобы понижение поверхностной энергии было максимальным. Если такие атомы имеются в качестве примеси в объеме кристалла, кристалл в нужном количестве вытолкнет их на поверхность. Охотно покроется тонким слоем жидкости, если эта процедура поможет достижению цели, – уменьшить энергию поверхности.

В этом очерке будет рассказано об одной не очень широко известной возможности достичь этой цели. Собственно, кристаллы, разумеется, о ней доподлинно знали всегда, а вот люди изучают ее меньше, чем другие возможности, и лишь в последние годы стали изучать ее попристальнее.

Речь идет вот о чем. Стремясь уменьшить энергию своей поверхности, кристалл может «вспотеть», покрыться тонким слоем собственной жидкости: кристалл меди – жидкой медью, кристалл ментола—жидким ментолом. Происходит это лишь при высокой температуре, но происходит, и цель достигается.

Начну рассказ немного издалека. Известно, что, как правило, расплав хорошо смачивает кристалл того же вещества. В классическом учебнике теоретической физики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица об этом явлении сказано так: «обычно смачивает».

Не будем уточнять тонкости и сочтем, что смачивает! Именно потому, что смачивает, снег, лежащий на берегу реки, намокает, так как вода всасывается в пористый снег, состоящий из мельчайших льдинок, смачиваемых ею. И потому же в снежных хижинах (они называются «иглу») вода не стекает со стен и потолка, так как всасывается снегом. И поэтому же в поставленном нами опыте отлично можно было наблюдать, как расплавленный жидкий ментол, который можно переохладить до комнатной температуры, охотно наползает на иглу кристаллического ментола, касающуюся поверхности расплава. Кинограмма, помещенная в очерке, отчетливо это иллюстрирует.

Итак, сочтем, что жидкость смачивает собственный кристалл. Из этого обстоятельства естественно следует, что энергетически выгодно закрыть собственным расплавом поверхность кристалла, что поверхностная энергия кристалла α_к больше, чем поверхностная энергия двух новых образовавшихся границ: кристалл – жидкость α_к__ж и жидкость – пар α_ж_ _п. Очевидно, если один квадратный сантиметр поверхности кристалла будет закрыт пленкой расплава, то поверхностная энергия, связанная с кристаллом, уменьшится, т. е. выделится энергия

Δα = α_к – (α_к__ж + α_ж_ _п) > 0.

Казалось бы, «зная» о такой возможности уменьшить энергию поверхности, кристаллы должны были бы автоматически становиться мокрыми, «запотевать», и мы должны были бы жить в мире мокрых кристаллов. Их запотевание, однако, становится достижимым лишь при температурах, очень близких к температуре плавления кристалла.

Не станем пытаться вычислять ту температуру, при которой кристалл «запотеет», покроется пленкой жидкости и о нем можно будет с полным основанием сказать: он мокрый. Расчет сделать не просто, да и нужды в этом нет. А вот понять, почему кристалл не всегда мокрый, а покрывается пленкой только при высокой температуре накануне плавления, – в этом нужда есть, и сделать это мы попытаемся.

Собственная жидкая пленка на поверхности кристалла, говоря канцелярским языком, возникает, так сказать, в порядке подготовки к расплавлению кристалла. Когда температура кристалла заметно ниже температуры его плавления, давление находящегося над ним пара (Р)существенно ниже давления пара над расплавом (Р_l). При этом на поверхности кристалла жидкая пленка возникнуть не может, а если бы она и возникла, то была бы вынуждена немедленно испариться. В этих условиях на поверхности кристалла могут существовать уходящие в пар и возвращающиеся из пара адсорбированные одиночные атомы вещества кристалла. С повышением температуры, когда Р приближается к Р_l , концентрация этих неупорядоченно двигающихся по поверхности адсорбированных атомов увеличивается, и где-то совсем вблизи температуры плавления они образуют слой жидкости, жидкую пленку. За сколько градусов до температуры плавления она появится? Это сильно зависит и от характера, и от величины сил связи между атомами в кристалле. Этак, за сотую или тысячную градуса до той температуры плавления кристалла, которая указана в справочниках. Если дело обстоит так, как мы предположили вначале, а именно если жидкость смачивает собственный кристалл, то возникшая жидкая пленка при дальнейшем нагреве кристалла (на 10^-2 или 10^-3 °С) будет утолщаться, пронижет весь кристалл, и он расплавится!

Из наших рассуждений естественно вытекает два тесно взаимосвязанных следствия. Первое: кристалл нельзя перегревать, так как при температуре более низкой, чем температура плавления, на его поверхности зарождается жидкость. Второе: расплавление кристалла можно представить как следствие утолщения жидкой пленки, возникшей на его поверхности. Такова природа вещей. Переохладить расплав можно, так как прежде, чем он начнет кристаллизоваться, в нем должен образоваться жизнеспособный зародыш, а этот процесс нуждается в затрате некоторой энергии. А перегреть кристалл нельзя, так как прежде, чем он достигнет температуры плавления, на его поверхности возникнет зародыш жидкой фазы в виде пленки, появление которой сопровождается не поглощением, а выделением энергии.

Здесь уместно рассказать об одном эксперименте из числа тех, для осуществления которых недостаточно располагать даже лучшими приборами, а нужны еще и выдумка, и хитринка экспериментатора. Эксперимент этот, в котором изучалось плавление оловянных стержней, был поставлен еще в довоенные годы советскими физиками С. Э. Хайкиным и Н. П. Бене. Авторы эксперимента решили выяснить, так ли уж категоричен запрет, налагаемый термодинамикой на перегрев кристалла. Быть может, не нарушая ее строгие «безмодельные» законы, можно все же перегреть кристалл. Рассуждали они так. Если перегреть кристалл невозможно из-за того, что на его поверхности появляются жидкие пленки, то, быть может, можно будет перегреть кристалл, если как-то запретить жидким пленкам появляться на его поверхности. Именно это они экспериментально и осуществили. Через монокристальный оловянный стержень они пропускали ток в несколько сот ампер и одновременно параллельно оси стержня обдували его мощной струей воздуха, которая отводила от поверхности тепло и делала ее немного менее нагретой, чем объем стержня. На охлажденной поверхности стержня жидкие пленки не образовывались, и объем, сохраняя кристалличность, нагревался на 1—1,5 °С выше температуры плавления олова, т. е. перегревался.

На этом, пожалуй, рассказ о жидких пленках на поверхности кристалла, о его запотевании можно окончить.

О ПУЗЫРЬКАХ ГАЗА В КРИСТАЛЛЕ

Кристаллофизики часто мрачно шутят, что дефекты в кристаллах появляются всего лишь в двух случаях: когда экспериментатор, который выращивает кристаллы, хочет этого и когда он этого не хочет.

Я расскажу о том, как появляются в кристаллах пузырьки газа в процессе выращивания кристаллов. Этот процесс – пример второго случая, так как пузырьки появляются и тогда, когда экспериментатор хотел бы избежать их появления.

Перед рассказом о газовых пузырьках хочу напомнить, что растворимость газа в твердой фазе, как правило, меньше, чем в жидкой. Имея это в виду, попытаемся представить себе, что должно происходить на фронте кристаллизации между растущим кристаллом и тем расплавом, из которого кристалл растет. Видимо, должно происходить следующее. При превращении расплава в кристалл должно выделяться некоторое количество газа, пропорциональное разности растворимостей в жидкой и твердой фазах. По мере того, как фронт кристаллизации продвигается в сторону жидкости, вблизи него должно скапливаться все большее и большее количество газа. О происходящем можно сказать так: на движущемся фронте кристаллизации как бы действует источник газа. Логика подсказывает нам, что, если действует источник, должен действовать и сток, в противном случае источник все «зальет газом».

Один сток самоочевиден. Им является растущий кристалл, который поатомно может захватывать газ, накапливающийся перед движущимся фронтом кристаллизации. В образовавшемся кристалле концентрация растворенного в нем газа окажется повышенной. Есть и второй сток. Им является незакристаллизовавшаяся жидкость, куда диффундирует газ, накапливающийся на фронте. Действие этого стока может оказаться очень эффективным. Если фронт кристаллизации движется очень медленно (это означает, что мощность источника мала), а подвижность атомов газа в расплаве велика, газ на фронте будет накапливаться очень медленно и большие пересыщения не успеют возникнуть к тому моменту, когда вся жидкость полностью закристаллизуется. Процесс кристаллизации завершится выталкиванием значительной части избыточного газа из образца вовне. Если экспериментатору удастся осуществить такие условия, он вырастит кристалл, свободный от газовых пузырей.

В связи с рассказанным о вытеснении газа из кристаллизующегося расплава мне вспоминается одна производственная задача, в решении которой я участвовал в годы войны. Литейщикам завода был предъявлен иск: изготавливавшиеся ими отливки оказались негерметичными, сквозь их стенки под небольшим давлением просачивался бензин. Говорили так: изделие «потеет бензином». Это был очень серьезный иск, так как появление капель бензина на поверхности изделия, которое было частью авиационного мотора, могло явиться причиной пожара. Литье было пронизано газовыми порами и каналами, сквозь которые и сочился бензин.

Опущу рассказ о «муках творчества» на пути к решению задачи. А решение пришло неожиданно и вскоре показалось почти само собой разумеющимся. Литейщики поступили следующим образом. После того, когда в глубоком тигле электропечи был приготовлен алюминиевый сплав, печь выключалась, и в течение длительного времени остывающий металл медленно кристаллизовался в тигле. В этом процессе из металла «выжимался» газ, не весь, но «выжимался». Как это может происходить, мы уже понимаем. А затем на поверхность отвердевшего в тигле металла насыпался слой легкоплавких солей, которые, расплавляясь, изолировали металл от воздуха. Электропечь снова включалась, под слоем защиты изолированный от воздуха металл расплавлялся и быстро разливался в литейные формы. В тигле под слоем защиты он совершенно не поглощал газ, и в процессе быстрой разливки он этого сделать не успевал. Отливки оказывались герметичными, изделие перестало «потеть бензином», литейщики решили свою производственную проблему.

Вернемся, однако, к движущемуся фронту кристаллизации. Может оказаться, что диффузионное движение атомов газа прочь от фронта происходит настолько медленно, что накопление газа будет происходить активно и наступит такой момент, когда возникнет потребность в другом, более мощном стоке газа. В этот момент вблизи движущегося фронта жидкость, пересыщенная газом, как бы «вскипит», в ней начнут появляться зародыши газовых пузырьков, к которым будут стекаться атомы газа. Как правило, у всех газовых пузырьков, которые возникают перед движущимся фронтом кристаллизации, судьба одна: они захватываются этим фронтом и из жидкости переходят в твердую фазу.

В нашем рассказе, однако, надо обратить внимание на одну важную деталь процесса захвата. Когда пузырек еще полностью кристаллом не поглощен и еще имеет контакт с жидкостью, он остается местом преимущественного стока избыточных атомов газа. Именно поэтому он становится вытянутым. Впечатление такое, что движущийся фронт растягивает поглощенный пузырек, как резину, а в действительности, поглощая газ, пузырек подрастает.

Очень хорошо процессы «вскипания» жидкости вблизи фронта и захвата образующихся пузырьков можно наблюдать при кристаллизации нафталина. В тонком препарате кристаллизовался слой расплавленного нафталина, и все происходящее регистрировалось кинокамерой. На фотографии видно и то, что вскипание происходит не сразу, а лишь после того, как пересыщение газа достигнет какого-то предела и газовые пузырьки начнут захватываться кристаллом, а затем вытягиваться, превращаясь в протяженные газовые полости. Нафталин – это экзотика, просто удобный «модельный» кристалл. Так же как и в нафталине, газовые пузырьки «поселяются», скажем, и во льду, который обычно бывает очень пористым и является отнюдь не экзотическим кристаллом: им покрыта значительная часть поверхности нашей планеты.

Читатель, видимо, ждет морали, хочет извлечь урок из рассказа о газовых пузырьках. С удовольствием преподаю его. С появлением газовых пузырьков можно разумно бороться. Для этого надо кристаллизацию вести помедленнее, а газ отсасывать от фронта побыстрее. Если диффузия этого сделать не успеет, ей можно помочь, перемешивая расплав перед фронтом кристаллизации для того, чтобы избыточный газ, накопившийся в тонком слое перед фронтом, распределился в большем объеме расплава. Такая возможность широко используется.

И еще один вывод – самоочевидный и очень важный. Ясное понимание физики процесса – верный путь к решению жизненно важных производственных проблем. Я об этом всегда думаю, вспоминая близкий мне пример успеха литейщиков военных лет.

ДВЕ ФОТОГРАФИИ

Две расположенные рядом фотографии, на которых изображено одно и то же место в кристалле в том виде, каким оно было до изучаемого события, и после него, – в моих глазах обладают доказательной силой, увеличенной фактом их соседства. Возникает иллюзия, будто присутствовал при событии, которое произошло между двумя моментами, запечатленными на фотографиях.

Фотографии, о которых я хочу рассказать, были получены с помощью электронного микроскопа в Институте кристаллографии АН СССР при изучении судьбы постороннего включения в монокристалле германия.

Всмотримся в фотографии. Первая из них рассказывает о том, что до некоторого момента времени вокруг постороннего включения, которому в монокристалле тесно, была весьма напряженная область. Об этом свидетельствуют темные поля вокруг включения. Поля видны отчетливо, и наличие напряжений вне сомнений. Вторая рассказывает о том, что после некоторого момента в кристалле нечто произошло: включению стало не так тесно, напряжения исчезли, поле вблизи включения просветлело. При этом, однако, вблизи включения появилась дислокационная петля. Она видна отчетливо.

Естественно возникает вопрос: каким образом появление дислокационной петли привело к исчезновению тесноты? На этот вопрос ответить нетрудно: устранить тесноту – значит немного увеличить объем полости, в которой включение расположено. А это может быть сделано путем удаления с границы включение – кристалл части атомов, принадлежащих кристаллу. Вот из этих атомов и образовался внедренный между плоскостями в решетку германия слой германиевых атомов. Дислокационная петля ограничивает этот слой.

Если мы правильно представляем себе происшедшее событие, то между радиусом включения R, «степенью тесноты», которую удобно характеризовать отношением недостающего для устранения тесноты объема полости к ее полному объему, ε = ΔV/V, и радиусом дислокационной петли r должна существовать количественная связь. Найдем эту связь, сопоставив полученную формулу с фотографиями, и, если сопоставление окажется удовлетворительным, будем считать, что мы поняли, о чем фотографии хотели нам рассказать.

Объем пустоты, необходимой для устранения тесноты, равен

ΔV = ε • 4/3 π R³,

а объем вещества, ограниченного дислокационной петлей, V ≈ πr²b, где b – толщина слоя внедренных атомов, имеющая смысл вектора Бюргерса. Приравнивая эти два объема, находим, что

r ≈ (R³ε/b)^1/2

Из многих независимых опытов известно, что в образцах, с которыми экспериментировали в Институте кристаллографии, ε ≈ 10^-1. Фотографии свидетельствуют о том, что R ≈ 10^-6 см, а r ≈ 5^.10^-6 см. Легко убедиться, что при b ≈ 3^.10^-8 см приведенные величины удовлетворяют формуле.

Итак, фотографии рассказали о том, что вокруг включения в кристалле германия возникли напряжения, обусловленные теснотой, и что вместе с теснотой они исчезли благодаря рождению дислокационной петли, расположенной чуть в стороне от включения. Здесь следовало бы убедиться в том, что энергия, связанная с дислокационной петлей, меньше энергии упругих напряжений, которые были обусловлены теснотой. Можно быть уверенным, что дело обстоит именно так. Кристалл по собственной инициативе не станет делать ничего себе во вред, не станет самопроизвольно увеличивать сосредоточенную в нем упругую энергию. Не случайно он предпочел дислокационную петлю напряжениям вокруг макроскопического включения.

Очень хочу, чтобы читатель, глядя на фотографии, которым посвящен очерк, испытал то же чувство радости, вызываемое их красотой и доказательностью, которые испытал некогда я, готовясь выступить в качестве официального оппонента по диссертационной работе молодого физика, получившего эти фотографии. По долгу оппонента кое в чем я его упрекал, а за фотографии хвалил – искренне и с охотой.

СТРОЧКИ ВЫДЕЛЕНИЙ В КРИСТАЛЛЕ

Если обстоятельства складываются так, что кристалл вынужден поселить в себе инородные выделения, он позаботится о том, чтобы неудобства, причиняемые ему этим поселением, были бы минимальными. Как-то сам немного перестроится, как-то вынудит выделение приспособиться к себе, и цель будет достигнута. Говоря о неудобстве, следует иметь в виду главным образом те напряжения, которые возникают в кристалле вокруг инородного выделения. Собственно, одному из таких проявлений жизнедеятельности живого кристалла был посвящен предыдущий очерк: чтобы избавиться от напряжений, кристалл рождает дислокацию.

В этом очерке рассказано о способе, с помощью которого напряжения вокруг выделений (они оказываются в роли включений) в кристалле могут оказаться уменьшенными и в некоторых случаях практически сведенными к нулю.

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.