О структуре льда

Квант 1972, №11 с. 11-17 Тег Q3NU

О СТРУКТУРЕ ЛЬДА

В.Г.Брэгг

Стаья извесного английского физика Вильяма Брэгга «О структуре льда» появилась в 1938 году. В 1939 году эта статья в переводе Н. А. Шишакова была опубликована в журнале «Успех физических наук». Ниже мы приводим сокращенный вариант этой статьи.

Публикацию подготовил И. Ш. Слюбодецкий.

В последние годы при изучении кристаллического характера льда и снега выяснилися некоторые факты, которые позволяют получить новые объяснения старых проблем. Однако из них является движение льдов и снегов на горах, всегда служившее предметом удивления. Чтобы определить характер величественных движений Альпийских ледников, в середине XIX века были predприяты попытки систематически измерений. При этом оказалось, что лед течет, приспособливаясь к извилинам и спускам в долинах, подобно воде. Тогда же было установлено, что середины ледников движутся быстрее краев. Объяснение этой любопытной пластиности льда, являющегося в то же время очень хруплким веществом, наталкиваюсь в те времена на великие трудности, но теперь эту задачу можно считать решенной.

Оказывается, что имеется удивительная связь между величественными картинами движения ледников и мелчайшим деталями строения молекул воды и кристаллов льда.

Предметом внимание прежних наблюдается такая удивительная правильность в строении снежинок, в особенности бросающаяся в глаза при наблюлении их в световых странах. Однако только в конце прошло столетя этот факт подвергся систематическим наблюдением, последившим затем predметом классификации. При этом крайне изучительным и загадающим казалось совершенное состояние между всему шестю лучами в любой снежинке и в то же время огромное разлиние в строении различных снежинок. Примеры их predставлены на рисунке 1.

В последнее время расположениеatomов и молекул в кристалх льда

Рис. 1.

и снега сделалось предметом чрезвычайного интереса для химков и физков. Это и понятно, так как известные вещества земной поверхности наполину образованы из кислорода, причем два его соединения с водородом — вода H₂O и гидроксил OH — играютfundamentalную роль в огромном множество процессов в природе.

Основные черты кристалической структуры обыкновенного льда были выясены при помощи рентгеновских методов исследования лет пятнадцать назад. Атомы кислорода в кристалях льда расположены так же, как шары, изобравенные на рисунке 2. Структура в целом является гексагональной (в одной из плоскостей atoms кислорода образуют правильные шестиугольники).

Первая попытка физического объяснения так называемой пластинности льда была предложена Тиндалем и Гексли в 1857 году. В основу объяснения

Рис. 2.

Рис. 3.
неня было положено наблюдавшееся Фарадеем замечательное явление смерзания приведенных в соприкосовение кусков льда. Такое смерзание происходит при самом слабом контакте в том случае, когда куски находятся в воде (рис. 3). Фарадей говорил, что молекулы воды переходят от жидкости к твердому телу гораздо легче в том случае, когда они окружены значительной уже затвердевшей массой. Tonкий слой воды вблизи мест соприкосовения обихх кусков затвердевает и скрепляет их вместе, даже если бы он и не мог замерзнуть сам по себе, находясь в дали от массы льда. Согласно такиму взгляду замерзание зависит не только от температуры, но также и от окружающих условий. Аналогично, водной пар внутри трешины, то есть между двумя поверхностями, будет конденсировать и превращаться в лед газадо легче, чем на открытом месте, где контакт возникен лишь с одной поверхностью льда.

Лед, находящейся под напряжением, трескается. Тиндаль и Гексли предложали, что трешины «залечиваются» вследствие осажения пара или жидкости, произходящих от окружающих частей льда. Поэтому ледной массив может приспособляться к форме своего ложка и ледник в целом как бы течение.

Джемс Томсон в 1860 году предложил иное объяснение этого явления. Признав факт, который наблюдая Фарадеем, Томсон тем не менее ответгреет прежнее его объяснение; скрепление кусков льда друг с другом он приписывал действию давления, которое оказывают куски

Рис. 4.

друг на друг. Действительно, если вода при замерзании расширяется, то всякое давление, поскольку оно преляется вететом этому расшириению, должно превращать и замерзанию, а это эквивалентно попежению точки замерзания. Поэтому при 0° лед под давлением должен плавиться. Это в действительности и наблюдается на опыте. Если какой-либо острый предмет, например, кончик ножа, местить на кусок льда, то остreme проникает вглубь не потому, что лед режется или крошится, а потому, что лед плавится под давлением. Согласно Томсону при сдавливании вместе двух кусков льда в месте соприкосовения должно происковать плавление; получающаяся при этом вода вытегается и где-нибудь пользовости вовь замерзает, поскольку она уже не находится более под давлением.

Тиндаль продемонстрировал эффект смерзания ледных кусочков следующим образом. Лед разбивался на мелкие куски, которые затем подвергали сдавливанию в специальной форме. В результате получалась сплавная произнашная масса льда. Таким путем, подвергая порошок льда давлению в несколько сотен килogramмов на 1 см², можно изготовлять ледные чашечки и другие предметы разнообразной формы.

Объяснение явления течение ледников, казалось бы, становится теперь очень очевидным. Согласно Томсону и Тиндалио изменение формы движущегося ледника происходит в результате плавления льда в местах сильных давления и последующого затвердевания освобождения при этом плавления воды.

Конечно, утверждение Томсона, что лед плаится под давлением, является совершенной правильным. Однако нельзя согласиться с его предположением, что фарадевское смерзание плавающих кусков льда основано на этом же принципе. Томсон утверждал, что уже при простом соприкосовении кусков возникнет некоторое давление благодаря капиллярному действию *). Это давление и является причиной эффекта Фарадея. Чтобы показать неосновательность возникней Томсона, Фарадей в 1860 году поставил свой опыт при таких условиях, когда капитлярное действие отсутствует. Он сделал из льда несколько дисков, придав им плоско-выпуклую форму, и пустил их плавать по воде выпуклой сторонной кверху. При таких условиях куски могли касаться друг друга только под водой (рис. 4). При слабом соприкосовении друг с другом они смерзались вместе настолько прочно, что для приведения всех массы в движение на воде достаточно было воздействовать лишь на какую-либо одну точку. Деревянные же диски при соприкосовении как по ватерлинини, так и под водой и, следовательно, при наличии капитлярного действия друг на друга, не обнаруживали никаких признаков скрепления.

Несмотря на это, как принципи Фарадея, так и принципи Томсона не дали удовлетворительного объяснения движения ледников. Например, они не объясняли процесс смерзания льда при тех низких температурах, при которых существенно неоторные ледники мира. Впрочем, и сам Фарадей указывал, что два куска льда не смерзают под давлением, если они охлаждены ниже нуля.

Много лет спустя эти вопросы вновь были подняты Мак-Коннелом, который долгое время приходилось жить в Давосе в Швейцарии. Некоторые из предварительных опытов

*) За счет сил поверхностного натяжения ленки воды, находящейся между касящимися друг друга кусками льда.

Рис. 5.

привели его к заключению, что секрет пластинности льда может быть обьясен лишь при изучении свойств монокристаллов льда. Большинство же разновидностей льда, в особенности искусственной led и ледниковая масса, представляют собой конгломерат из отдельных небольших кристаллов (рис. 5). Монокристаллы достаточно большой величины были вышеаны Мак-Коннелом из льда, образовавшегося на поверхности озера или в открытом сосуде. В опытах Мак-Коннела изучались упругие и пластические деформации при следующих условиях:

Образец брался в виде пластинки длиной 10—15 сантиметров и примерно по 2—3 сантиметра в ширину и толщину и располагался на двух опах естественной поверхности льда кверху.
Тот же образец поворачивался на прямой угол так, что «поверхность озера» становилась вертикальной.
В качестве образца брался длиной столь, который в исходном массиве был вертикальным.

В первом случае образец оказался согнутым, как обыкновенныйстержень (рис. 6). Во втором случае деформация оказалась такой же по характеристике, как в первом случае, но значительное менше по величины. В третьем случае деформация прибрела совершенное своевобравный характер (рис. 7), показывая, что на этот раз имеет место движение вдоль некоторых плоскостей скольжения.

Рис. 6, 7, 8.

надо полагать, что он должен иметь значительный внутреннюю прочитать и сравнительно малую способность сопротивляться смешению в собственной плоскости по отношению к смежным слоям. При таком скольжении связи, перепределкулярные слоям, разрываются между двумя atomами и немедленно восстанавливаются между другой парой atomов. С этим движением можно сравнить движение щетки по грубой поверхности: отдельные щетинки попеременно то уступают действиями силы, то снова разгибаются, чтобы найти затем новый контакт. Эти слоны в кристалле льда оказываются параллельными поверхности льда на поверхности озера или сосуда.

Возвращаясь к опытам Мак-Коннела, мы можем сказать, что описанная в третьем случае установка кристалла действительно хорошо воспроизведится слоями стекла, которые скользят друг стносительную друга. В первых же двух случаях изгибание образцов льда происходит аналогично изгибанию деревянной полоски под нагрузкой. При этом деформация получается меньше, когда полоска положена на ребро, чем тогда, когда она положена плашми.

В противоположность металлим кристаллы льда не упрощают при холодной обработке. Слон при скольжении относительно друг друга остаточная неискаженный и не разорванными, так что условия существования кристаллов не изменяются. В металле же происходит нарушение прежнего расположения atomов и условия становятся более сложными.

Смерзание кусков льда друг с другом и плавление льда под давлением представляют собой следствия особенностей строения льда, которые в свою очередь являются следствием специального характера связей, удерживающих atoms и молекулы льда вместе. Последние годы ознакомлены значительные значениями в наших знаниях об atomных связях. Для настоящего целя достаточно отметить, что в некоторых случаях один atom

atom присоединяет к себе другие atoms только в некоторых точках его поверхности. Более правильным было бы выразить эту мысль, сказав, что точки, которые atoms связываются друг с другом, распределены по поверхности atomов согласно определенному правилу. В частности, atom углерода привязывает к себе четырех atoms в точках, которые лежат на поверхности в четырех вершинах правильного тетраэдра. В других случаях (например, в случае жидкой рутини) не существует такого закономерного расположения точки связи. И действительно, внутренние свойства жидкости определяются отсутствием таких направляющих связей, которые создают структуру, или маскировкой их других более сильными связями.

Можно представить себе такие крайние случаи. В одном из них существуют только силы первого рода. Это значит, что atoms имеют взаимное прияжение только в том случае, когда они прилаживаются друг к другу имеющимся на их поверхности контактыми точками. Совокупность таких atomов могла бы быть либо твердым телом либо группой atomов, не связанных взаимным прияжением. В последнем случае при наличии достаочного тепловой энергии группа atomов должна быть образовать газ. Может, однако, считать, что при таких obstructionах могло иметь место случайное сцепление. Если запас теплы уменьшится, то такое соединение atomов становится более частным и более постоянным, из-за чего в отдельных местах начинается затвердение. Каждая группа соединенных таким образом atomов становится кристаллом, если, конечно, процесс идет не настолько быстро, чтобы образование настоящего кристалческого расположения сделалось невозможным. Атомы или молекулы должны стремиться занять готовые для них места на уже формировавшихся кристаллах. Таким путем растут кристаллы

из паров без образования жидкости как промежутной фазы.

В другом крайнем случае можно представить себе atoms или молекулы, которые не имеют направленного притяжения. Если тепловые колбания недостаточно сильны для того, чтобы atoms или молекулы были изолированны друг от друга, то они собираются вместе и образуют жидкость, вззость которой будет завися от того, насоклько легко могут дивигаться отдельные молекулы среди других молекул. При дальнейшем охлаждения вязкость может возрасть непрерывно или внезапными скачками, вплоть до той степени, когда эта совокупность молекул сможет быть назван твердым телом.

Естественные вещества лежат между этими двумя крайностями, причем лед, по-видимому, близке к первой из них, чем другие вещества. Действительно, его кристаллы образуют неопределенное из пара. С другой стороны, молекулы водного пара непрерывно отрывают от кристаллов в результате действия тела или по другой причине и смешиваются с молекулами окружающего среды. Лед «сублимируется». Легкость или трудность конденсции и отрыва молекул должны определяться каким-то соответствием между плотностью пара, температурой и поверхностными условиями. В трещинах шансы на конденсцию выше, чем на открытых местах, так как в трещинах, начиная с их ребер, молекулы находятся под двойным действием. Отрыв молекул с большей вероятностью проискодит с выпukлой поверхности. Этот эффект совершенен аналогичен эффективу зависимости упругости пара от формы жидкости, с которой пар соприкается, как на это и было указано Фарадем. В трещине равновесие между сублимцией и осадением должно быть иным, чем снаружи, причем последнее воздействует за счет первого. Иными словами, упругость пара поняжется, то есть температура точки земерзания повышается.

При обычных давлениях вода имеет наиболее плотность влизаиз 4°С. При дальнейшем попжении температуры вплоть до температуры замерзания, плотность становится все меньше и меньше. Очевидно, что некоторые из молекул образуют комплекты, которые занимают большие пространство, чем же молекулы, взятые в отдельности, так как механиные силы заставляют atoms принимать определенное расположение в пространстве. При этомсовсем нет необходимости считать эти комплекты постоянными: по всейвероятности, они постоянно возникают, распадаются и возникают вновь.

Рассмотрим теперь следующиеxlопья. Два главных факта, требующих обязывания, таковы: беспонечное разнообразие гексагональных форм и симметрия каждой снежинки. Шеступольная форма снежинок, оченьindo, находится в связи с гексагональной формукой кристаллов льда, но все же всегда было очень трудно обязыванить, почем шесть лучей каждой снежинки так похожи один на другой и в то же время так сильно отличается от лучей всякой другой снежинки. Удовлетворительное обязывание можно дать следующим путем.

Весь вопрос может быть рассмотрен в свете тех же эффективных механических и осадений, как и в случае смерзания кусков льда. Когда такая шестиупольная конструкция выражается из неокоторого ядра в атмосфере водного пара или в жидкости, содержащей расторенную воду, то характерposta должна завися от условий, при которых этот рост происходит. Если в окружающей пространстве много пара или температура низка, то рост идет быстро и лучи снежинок стремятся проникнуть в окружающей многочисленные молекулы воды. Рост идет на концах лучей и на вспомогательных ветвях, которые образуют с первыми уголом в 60°. Если же снежинка переносится в пространство с малой плотностью

ность пара или с более высокой температурой, то происходит образный процесс. Молеклы гориздюлегчие отрываются от концов ветвей, чем от центральных областей снежинки, и отлагаются на ней не с прежней скоростью. Благодаря этому снежинка утомляется в центральной части, а ее ветви укорочиваются и даже закругляются. Так как снежинки размером неевелики, часто не более нескольких миллиметров в диаметре, то условия вокруг каждой из них можно считать одинаковыми во всех точках. Если удлиняется один луч, то удлиняется также и остальные лучи. При всем этом, падая на Землю, снежинки могут встречать самые разнообразные местные условия, в соответствии с чем они могут приобретать множество различных форм, в то время как лучи каждой отдельной снежинки остаются совершенно схожими.

Согласно этому обязыванию больше разнообразие форм снежинок основано на существовании двух противоположных процессов: быстрого роста ветвей, ведущего к перистой их форме, и уплотнение в центрах этой перистой структуры. В первом процессе рост в большей степени преобладает над сублимацией, чем во втором, так что она скорее различаются по степени, чем по качеству. Форма каждой снежинки говорит нам о тех изменениях в атмосферных условиях, которые пришлось ей пережить.

Еще более медленный рост кристаллов льда может быть осуществлен, если выдерживать led при температуре как раз ниже температуры замерзания в одной части откачанного сосуда и представлять ему суб-

лимироваться на металлической пластинку в другой части сосуда, поддерживаемой при значительной более низкой температуре. Кристаллы принимают форму шестиугольных призм.

Изображенные на рисунке 9 перистые формы были получены при быстрохождения смеси глицерина, спирта и сравнительно больших количеств воды. Более плотные шестиугольные призмы на рисунке 10 получены более медленным охлаждением такой же смеси, но с меньшим количеством воды. Если полученные таким образом призмы заставить плавиться или возгораться, то в некоторых момент появляется стадия более открытой структуры, весма напоминающей естественные снежинки в некоторых их формах (рис. 11).

Тиндалем был произведен прекрасный опыт, при помощи которого ему удалось продемонстрировать структуру льда. Этот опыт называется «получением ледяных цветов». Пуок света от дугового фонари пропускается через кусок льда. В различных точках этого куска, где имеются загрязнения или неправильности, телло задерживается и вызывает плавление. Получающие в этом случае пустоты имеют гексагональную форму, так как разрушение структуры идет в направлении, как раз противоположном росту. Эти фигуры представляют собой, так сказать, отрицательные снежинки. При помощи подходящей аппаратуры эти фигуры могут быть проектированы на экран. Если на пути лучей от фонари ко льду помещить ковету с водой, то тепловые лучи поглощаются, и рост таких пустот в кристалле прекращается.