Чтение онлайн

Теперь о взаимодействиях, выгодность которых не очевидна. Обсудим их на примере дислокаций. Если дислокации находятся в одной плоскости скольжения и их векторы Бюргерса ориентированы противоположно, им выгодно притянуться друг к другу и, встретившись, исчезнуть, аннигилировать. Если каждая из них имела единичную длину и, следовательно, в ней была запасена энергия Gb2, их аннигиляция будет сопровождаться излучением энергии 2Gb2 2• 10– 3 эрг.

Если же векторы Бюргерса ориентированы параллельно, то такие дислокации будут друг от друга отталкиваться.

Убедимся в этом, следуя за путеводной ниточкой. Если бы такие дислокации слились, они образовали бы одну дислокацию с удвоенной величиной вектора Бюргерса, т. е. с энергией

W2 G (2b)2 = 4Gb2 .

А будучи разобщенными, они имели бы энергию

W1 Gb2 + Gb2 = 2Gb2 .

Так как W2 > W1 , объединение невыгодно, выгодно отталкивание. А вот если бы такие дислокации находились не в одной, а в параллельных плоскостях скольжения, то, начиная с некоторого расстояния между плоскостями, могло бы оказаться оправданным притяжение дислокаций. При этом они расположились бы одна под другой в связи с тем, что область сжимающих напряжений вблизи одной дислокации частично перекрылась бы с областью растягивающих напряжений вблизи другой дислокации (помните модельный опыт с резиновым жгутом?), и оказалось бы, что W2 < W1. Выгодно! Последний случай очень важен для судьбы кристалла. Множество разрозненных идентичных дислокаций, расположившись друг над другом, образуют упорядоченную дислокационную стенку, ансамбль взаимодействующих дислокаций образует границу. Этой возможностью кристалл пользуется очень широко: если в нем поселено множество дислокаций, он предпочтет, упорядочив их расположения, превратиться в мозаичный кристалл. Все по тем же термодинамическим соображениям: выгодно!

Перед глазами читателя я лишь чуть-чуть приоткрыл завесу, за которой — огромная проблема «взаимодействие и взаимопревращение дефектов в кристалле». Именно так: чуть-чуть, в мере, необходимой для того, чтобы к эскизному портрету живого кристалла добавить еще одну черту.

Г Л А В А III

КРИСТАЛЛ РАССКАЗЫВАЕТ О СЕБЕ

Рассуждая о далеком прошлом естественных кристаллов, замечательный польский поэт Юлиан Тувим писал:

Пожалуй, камни да рыбы

Об этом сказать могли бы.

Но рыбы молчат,

И камни молчат,

Как рыбы.

Пессимизм поэта не полностью оправдан. Иной раз камни могут заговорить! Не громогласно, не общедоступно, но о своем невообразимо далеком прошлом они — живые кристаллы — кое-что могут рассказать языком, не предполагающим фраз с подлежащим и сказуемым. Об этом языке намеков говорят: «Мудрому достаточно!»

В этой главе — очерки о некоторых деталях далекого прошлого минералов, рассказанные ими самими. Попытаемся быть мудрыми и понять их рассказы.

В КРИСТАЛЛЕ БЫЛА ТРЕЩИНА

Можно не сомневаться, что в обломках кристаллов каменной соли, принесенных в нашу лабораторию из шахт, некогда были тонкие клиноподобные трещины. Были и самопроизвольно залечились, оставив о себе воспоминание в виде множества ограненных полостей, заполненных раствором соли в воде. У устья бывшей трещины полости совсем мелкие — 1—3 мкм, дальше от устья — крупнее. Почти все они разобщены, и абсолютно все лежат в одной плоскости — в той, где некогда была трещина. Именно так надо считать: где некогда была трещина, потому что предполагать, что полости случайно оказались в одной плоскости, — значит допустить исчезающе маловероятное.

Возникает множество вопросов. Во-первых, как трещина образовалась? На этот вопрос отвечать не будем,отмахнемся от него. Образовалась и все тут! В интересующей нас задаче будем числить трещину под рубрикой «дано». Под этой же рубрикой будем числить и то, что трещина заполнена жидким раствором вещества кристалла, т. е. соли, в воде. Донецкая соль образовывалась, выкристаллизовываясь из раствора, и поэтому раствор в трещине — вещь реальная. Отмахнуться нельзя от других вопросов: почему трещина превратилась в совокупность замкнутых включений и как это превращение произошло? Эти вопросы заслуживают подробных ответов, тем более что ответы пояснят кое-что, имеющее отношение не только к судьбе трещины. Трещина — повод для очередного рассказа о «жизни» реального кристалла.

Ответ на вопрос «почему?» предрешен необходимостью кристаллу подчиняться термодинамике. Она дает право самопроизвольно происходить лишь тем процессам, которые сопровождаются выделением энергии.

Оценим максимальную энергию, которая может выделиться при самопроизвольном преобразовании формы трещины, заполненной жидким раствором. Самопроизвольно она может только изменять свою форму, а исчезнуть не может, так как заполнена раствором. Для определенности предположим, что клинообразная трещина имеет максимальный раствор один микрометр (h =10– 4 см), а площадь каждой из ограничивающих ее поверхностей равна 1 см2. Это означает, что с трещиной связана поверхностная энергия Ws= 2i и в трещине заключено

V = (h . 1)/2 = 5.10– 5 см3 жидкости.

Так как поверхностная энергия на границе раствор — кристалл i 20 эрг/см3, то Ws 40 эрг. Лучшее, в смысле выделения энергии, что может произойти с трещиной, — это ее преобразование в одно включение, имеющее форму кубика с объемом, равным объему жидкости. Поверхность такого кубика S = 6V2/3 8• 10– 3 см2. С ним связана поверхностная энергия W = Si = 0,16 эрг.

В этом, самом выгодном процессе выделится почти вся энергия, связанная с трещиной, — из 40 эрг лишь 0,16 эрг сохранится в кристалле. Если образуется не одно, а много ограненных включений, выигрыш будет меньшим, но он будет всегда, и в полном согласии с термодинамикой трещина имеет право преобразовываться в ансамбль замкнутых включений, свидетельствующих о том, что в кристалле была трещина, Чаще всего происходит именно этот, менее выгодный процесс, так как для его осуществления необходим перенос вещества кристалла на меньшие расстояния. Выигрыш энергии меньше, но лежит он ближе!

В конце очерка — воспоминание. Оно уместно, так как является поводом, чтобы дополнить наш рассказ.

Все то, что я рассказал о залечивающейся трещине, заполненной жидкостью, впервые увидел, исследовал и правильно понял замечательный советский кристаллофизик Георгий Глебович Леммлейн. Незадолго перед смертью он был гостем нашей лаборатории. В разговоре вспомнили о его классических исследованиях «мокрых» трещин. Георгий Глебович посоветовал нам исследовать залечивание «сухой», т. е. обычной, трещины в кристалле на том разумном основании, что термодинамика равно протестует и против «сухих», и против «мокрых» трещин. Против «сухих» даже более решительно, так как поверхностная энергия кристалла на границе с пустотой значительно больше, чем на границе с жидким насыщенным раствором. Мы последовали его совету и в течение года изучали залечивание «сухих» трещин. Работали мы с большим интересом и, надеюсь, с пользой для проблемы.