16
Волны кристаллизии
Кандидат физико-математических наук
А. Я. ПАРШИН
Можно ли на поверхности твердого тела возбудить волны, подобные обычным волнам на воде? Поверхность жидкости, как мы знаем, может перемешаться и испытывать колебания простого благодаря текущей. В твердом теле такой процесс невозможен (на тоно и твердое!). Однако можно, оказывается, заставить движаться поверхность твердого тела, например кристалла, оставляя само тело неподвижным. Для этого достаточно, чтобы кристалл рос или плавался — при этом его поверхность непрерывно перемешается, хотя само вещество в объеме кристалла остается совершенной неподвижным.
Но ознакомлен ли это, что таким путем можно возбудить свободные колебания поверхности кристалла, обусловленные периодической сменой процессов плавления и кристаллизии? Представьте себе, например, плоскую поверхность кристалла льда, находящогося в равновесии с водой при температуре 0 °C. Что произойдет, если в каком-то месте наружить равновесие, сделав на поверхности лунку (или выступ)? Возникнут ли при этом волны кристаллизии — плавления, аналогичные волнам, образуемым упавшим в воду камнем?
Оказывается — нет, в обычных веществах это невозможно. Дело в том, что интересующие нас волны, как и вообще любые свободные колебания, могут существовать только в условиях, когда необратимые потери энергии достаточно малы. Эти потери вызывают затухание колебаний, энергия колебаний при этом переходит в тепло. Если потери влики, движение становится аперiodическим, то есть колебаний вообще невозникает. Рост и плавание обычных кристаллов всегда сопровождается очень большими потерями энергии (вызванными, главным образом, большим значением удельной теплоты плавления). Поэтому в нашем воображаемом эксперименте вместе волн кристаллизии мы наблюдали бы лишь очень медленное зарастание первого начального лунки.
И все-tаки волны кристаллизии существуют! Правда, их удается наблюдать лишь при температуре, близких к абсолотному нулю (ниже 1 K) и только в гелии — веществе, совершенное уникальным по своим физическим свойствам. Эти свойства — tema для очень осторожного разговора, здесь же мы лишь упомяем о двух из них, имеющих самое прямое отношение к вопросу о волнах кристаллизии.
Во-первых, гелиий — единственное вещество, которое может оставаться в жидком состоянии вплоть до абсолотного нуля и кристаллизуется лишь при повышенных давлениях (выше 25 атм). Во-вторых, рост и плавание кристалли-
лов геляя при очень низких температурах сопровождается низтожными потерями энергии, причем чем ниже температура, тем потери меньше. Поэтому кристаллы геля могут расти и плавиться с фантастическими, по общим меркам, скоростями и, что очень важно, даже при чрезвычайно слабых внешних воздействиях. А это и есть главное условие, необходимое для существования волн кристаллизии.
Посмотрите на кристаллик геля, изображенный на фотографии. Кристаллик размером около 3 мм, выращенный при температуре 0,5 К, висит на стенке экспериментальной камеры, «прицелившись» к ней своим левым боком. Со всех остальных сторон он окружен жидким гелем под давлением 25 атм. Возбудить волны кристаллизии на таком кристаллике столбце просто, как возбудить волны в стакане воды — для этого достаточно чуть потрясти камеру. Именно такой момент зафиксирован на фотографии.
Любопытно, что не все поверхности кристалла обладает способностью к сверхбystрой кристаллизии. Участи, определяемых образом ориентированные относительно кристалограммических осей (в настоящее время известны три такие «особы» ориентации), выглядят как идеально плоские грани и остатrics совершенного неподвижными, то есть ведут себя как поверхность обычного кристалла, имеющего естественный огранку. Кстати, наличиные этих «особы» граней наглядно подвергдает, что мы действительно имеем дело с кристаллом, причем с кристаллом высокого качества. Все остальные участки поверхности криглены и быстро колебются при малейшем внешнем воздействии (в данном случае период колебаний порядка 0,01 с, а их амплитуда ~ 0,1 мм).