Về cấu trúc của băng

11

VỀ CẤU TRÚC CỦA BĂNG

W.G.Bragg

Bài báo của nhà vật lý nổi tiếng người Anh William Bragg “Về cấu trúc của băng” xuất hiện năm 1938. Năm 1939, bài báo này do N. A. Shishakov dịch và đăng trên tạp chí “Thành công của Khoa học Vật lý”. Dưới đây chúng tôi trình bày một phiên bản rút gọn của bài viết này.

Ấn phẩm được chuẩn bị bởi I. Sh. Slyubodetsky.

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về bản chất kết tinh của băng và tuyết đã tiết lộ một số sự thật mang lại những lời giải thích mới cho các vấn đề cũ. Tuy nhiên, một trong số đó là sự chuyển động của băng tuyết trên núi luôn là chủ đề gây bất ngờ. Để xác định bản chất của những chuyển động hùng vĩ của sông băng Alpine, người ta đã cố gắng thực hiện các phép đo có hệ thống vào giữa thế kỷ 19. Hóa ra băng chảy, thích nghi với những đường cong và độ dốc trong thung lũng, giống như nước. Sau đó người ta xác định rằng phần giữa của sông băng di chuyển nhanh hơn phần rìa. Vào thời điểm đó, tôi gặp rất nhiều khó khăn trong việc giải thích cấu trúc kỳ lạ giống như tấm băng này, đồng thời nó là một chất rất giòn, nhưng bây giờ điều này bài toán có thể coi là giải quyết được.

Hóa ra có một mối liên hệ đáng kinh ngạc giữa những bức tranh hùng vĩ về sự chuyển động của sông băng và những chi tiết nhỏ nhất về cấu trúc của phân tử nước và tinh thể băng.

Chủ đề được chú ý trước đây là sự đều đặn đáng kinh ngạc trong cấu trúc của những bông tuyết, điều này đặc biệt gây ấn tượng khi quan sát chúng ở các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, chỉ đến cuối thế kỷ này, thực tế này mới được quan sát có hệ thống, lúc đó là chủ đề phân loại. Đồng thời, trạng thái hoàn hảo giữa tất cả sáu tia trong bất kỳ bông tuyết nào, đồng thời, sự khác biệt rất lớn trong cấu trúc của các bông tuyết khác nhau dường như vô cùng thú vị và khó hiểu. Ví dụ về chúng được trình bày trong Hình 1.

Gần đây, sự sắp xếp của các nguyên tử và phân tử trong tinh thể băng

Cơm. 1.

12

và tuyết trở thành chủ đề được các nhà hóa học và vật lý hết sức quan tâm. Điều này có thể hiểu được, vì các chất đã biết trên bề mặt trái đất được hình thành từ oxy và hai hợp chất của nó với hydro - nước H₂O và hydroxyl OH - đóng vai trò cơ bản trong một số lượng lớn các quá trình trong tự nhiên.

Các đặc điểm chính của cấu trúc tinh thể của băng thông thường đã được làm sáng tỏ bằng phương pháp nghiên cứu tia X cách đây 15 năm. Các nguyên tử oxy trong tinh thể băng được sắp xếp giống như những quả bóng được mô tả trong Hình 2. Cấu trúc tổng thể là hình lục giác (ở một trong các mặt phẳng, các nguyên tử oxy tạo thành các hình lục giác đều).

Nỗ lực đầu tiên nhằm giải thích vật lý cho cái gọi là tính chất tầng của băng được Tyndall và Huxley đề xuất vào năm 1857. Cơ sở của lời giải thích

Cơm. 2.

Cơm. 3.
Nó dựa trên hiện tượng đáng chú ý là sự đóng băng của các mảnh băng tiếp xúc, được quan sát bởi Faraday. Sự đóng băng như vậy xảy ra với điểm tiếp xúc yếu nhất khi các mảnh ở trong nước (Hình 3). Faraday cho biết các phân tử nước chuyển từ chất lỏng sang chất rắn dễ dàng hơn nhiều khi chúng được bao quanh bởi một khối lượng đáng kể đã đông cứng lại. Một lớp nước mỏng gần nơi cả hai mảnh tiếp xúc sẽ cứng lại và giữ chúng lại với nhau, ngay cả khi nó không thể tự đóng băng do tránh xa khối băng. Theo quan điểm này, sự đóng băng không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Tương tự như vậy, hơi nước bên trong vết nứt, tức là giữa hai bề mặt, sẽ ngưng tụ và biến thành băng dễ dàng hơn nhiều so với ở một nơi thoáng đãng, nơi chỉ tiếp xúc với một bề mặt băng.

Băng dưới vết nứt căng thẳng. Tyndall và Huxley đề xuất rằng các vết nứt được “chữa lành” bằng sự lắng đọng hơi hoặc chất lỏng phát ra từ các phần xung quanh của băng. Do đó, khối băng có thể thích ứng với hình dạng của lòng nó và toàn bộ sông băng, giống như một dòng chảy.

James Thomson vào năm 1860 đã đề xuất một cách giải thích khác cho hiện tượng này. Sau khi thừa nhận thực tế mà Faraday đã quan sát, Thomson vẫn sẽ đáp lại lời giải thích trước đó của ông; ông cho rằng sự liên kết của các mảnh băng với nhau là do áp suất do các mảnh băng gây ra

13

Cơm. 4.

chồng lên nhau. Thật vậy, nếu nước nở ra khi nó đóng băng, thì bất kỳ áp suất nào, trong chừng mực nó bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở này, cũng phải dẫn đến sự đóng băng, và điều này tương đương với việc di chuyển ra ngoài điểm đóng băng. Do đó, ở 0° băng dưới áp suất sẽ tan chảy. Điều này thực sự được quan sát bằng thực nghiệm. Nếu bất kỳ vật sắc nhọn nào, chẳng hạn như đầu dao, được đặt trên một tảng băng, thì độ sắc bén sẽ thấm sâu hơn không phải vì tảng băng bị cắt hay vỡ vụn mà vì tảng băng tan chảy dưới áp suất. Theo Thomson, khi hai khối băng ép lại với nhau, sự tan chảy sẽ xảy ra tại điểm tiếp xúc; kết quả là nước chảy ra ngoài và đóng băng ở một nơi khác vì nó không còn chịu áp lực nữa.

Tyndall đã chứng minh tác dụng của việc đóng băng các mảnh băng theo cách sau. Băng bị vỡ thành nhiều mảnh nhỏ, sau đó được nén thành hình dạng đặc biệt. Kết quả là một khối băng có thể tan chảy. Bằng cách này, bằng cách cho bột đá tiếp xúc với áp suất vài trăm kg trên 1 cm2, có thể tạo ra cốc đá và các vật thể khác có hình dạng khác nhau.

Lời giải thích cho hiện tượng dòng sông băng dường như đã trở nên rất rõ ràng. Theo Thomson và Tindalio, sự thay đổi hình dạng của một dòng sông băng đang chuyển động xảy ra do sự tan chảy của băng ở những nơi có áp suất cao và sự đông đặc sau đó của việc giải phóng nước tan chảy.

Tất nhiên, nhận định của Thomson rằng băng tan dưới áp suất là hoàn toàn đúng. Tuy nhiên, chúng ta không thể đồng ý với giả định của ông rằng việc Faraday đóng băng những mảnh băng trôi nổi cũng dựa trên nguyên tắc tương tự. Thomson lập luận rằng ngay cả khi các mảnh tiếp xúc đơn giản, một số áp lực sẽ phát sinh do hoạt động mao dẫn *). Áp lực này là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Faraday. Để chứng tỏ sự vô lý trong ý tưởng của Thomson, Faraday vào năm 1860 đã thiết lập thí nghiệm của mình trong điều kiện không có lực đầu hàng. Anh ấy đã tạo ra một số chiếc đĩa từ băng, tạo cho chúng một hình dạng lồi phẳng và để chúng nổi trên mặt nước với mặt lồi hướng lên trên. Trong những điều kiện như vậy, các mảnh chỉ có thể chạm vào nhau khi ở dưới nước (Hình 4). Với sự tiếp xúc yếu ớt với nhau, chúng đông cứng lại với nhau chắc chắn đến mức để khiến tất cả các khối lượng chuyển động trên mặt nước, chỉ cần tác động vào một điểm là đủ. Các đĩa gỗ, khi tiếp xúc dọc theo đường nước và dưới nước, và do đó, khi có lực ma sát tác dụng lên nhau, không có dấu hiệu bị dính chặt.

Mặc dù vậy, cả nguyên lý của Faraday và Thomson đều không đưa ra lời giải thích thỏa đáng cho sự chuyển động của sông băng. Ví dụ, họ đã không giải thích quá trình đóng băng ở nhiệt độ thấp mà tại đó các sông băng trên thế giới về cơ bản bị đóng băng. Tuy nhiên, chính Faraday đã chỉ ra rằng hai mảnh băng không đóng băng dưới áp suất nếu chúng được làm lạnh dưới 0.

Nhiều năm sau, những vấn đề này lại được nêu ra bởi McConnell, người đã sống lâu năm ở Davos, Thụy Sĩ. Một số thí nghiệm sơ bộ

*) Do lực căng bề mặt của lớp nước nằm giữa các mảnh băng tiếp xúc với nhau.

14

Cơm. 5.

khiến ông đi đến kết luận rằng bí mật về tính chất tầng của băng chỉ có thể được giải thích bằng cách nghiên cứu tính chất của các tinh thể băng đơn lẻ. Hầu hết các loại băng, đặc biệt là băng nhân tạo và khối băng, là một tập hợp các tinh thể nhỏ riêng lẻ (Hình 5). Các tinh thể đơn lẻ có kích thước đủ lớn được McConnell phát triển từ băng hình thành trên mặt hồ hoặc trong một bình hở. Các thí nghiệm của McConnell đã nghiên cứu các biến dạng đàn hồi và dẻo trong các điều kiện sau:

1. Mẫu được lấy ở dạng một tấm dài 10-15 cm, rộng và dày khoảng 2-3 cm và đặt hướng lên trên hai mép của bề mặt băng tự nhiên.

2. Mẫu tương tự được quay theo một góc vuông sao cho “mặt hồ” trở nên thẳng đứng.

3. Mẫu được lấy có chiều dài thẳng đứng trong mảng ban đầu.

Trong trường hợp đầu tiên, mẫu bị uốn cong giống như một thanh thông thường (Hình 6). Trong trường hợp thứ hai, biến dạng có đặc điểm giống như trường hợp đầu tiên, nhưng độ lớn nhỏ hơn đáng kể. Trong trường hợp thứ ba, biến dạng có một đặc tính hoàn toàn độc đáo (Hình 7), cho thấy lần này có chuyển động dọc theo một số mặt phẳng trượt.

Cơm. 6, 7, 8.

15

phải giả định rằng nó phải có khả năng đọc nội bộ đáng kể và khả năng chống trộn lẫn trong mặt phẳng của chính nó tương đối thấp so với các lớp liền kề. Với sự trượt như vậy, các kết nối xuyên cục bộ với các lớp bị phá vỡ giữa hai nguyên tử và ngay lập tức được khôi phục giữa một cặp nguyên tử khác. Chuyển động này có thể được so sánh với chuyển động của một chiếc bàn chải trên bề mặt gồ ghề: các sợi lông riêng lẻ lần lượt chịu tác động của lực, sau đó lại duỗi ra để tìm điểm tiếp xúc mới. Những con voi trong tinh thể băng này hóa ra song song với bề mặt băng trên mặt hồ hoặc tàu.

Quay trở lại các thí nghiệm của McConnell, chúng ta có thể nói rằng cách sắp đặt tinh thể được mô tả trong trường hợp thứ ba được tái tạo thực sự tốt bằng các lớp kính trượt qua nhau. Trong hai trường hợp đầu tiên, sự uốn cong của mẫu băng xảy ra tương tự như sự uốn cong của một dải gỗ dưới tác dụng của tải trọng. Trong trường hợp này, biến dạng khi dải được đặt ở cạnh sẽ ít hơn so với khi nó được đặt phẳng.

Ngược lại với kim loại, tinh thể băng không trải qua quá trình xử lý lạnh. Con voi khi trượt tương đối với nhau không bị biến dạng và không bị rách nên điều kiện tồn tại của các tinh thể không thay đổi. Trong kim loại, sự sắp xếp trước đó của các nguyên tử bị phá vỡ và các điều kiện trở nên phức tạp hơn.

Sự đóng băng của các mảnh băng với nhau và sự tan chảy của băng dưới áp suất là hậu quả của các đặc điểm cấu trúc của băng, do đó là hệ quả của tính chất đặc biệt của các liên kết giữ các nguyên tử và phân tử băng lại với nhau. Những năm gần đây đã chứng kiến ​​những tiến bộ đáng kể trong kiến ​​thức của chúng ta về liên kết nguyên tử. Với mục đích hiện tại, chỉ cần lưu ý rằng trong một số trường hợp, một nguyên tử đơn lẻ

một nguyên tử chỉ gắn các nguyên tử khác vào chính nó ở một số điểm nhất định trên bề mặt của nó. Sẽ đúng hơn nếu diễn đạt ý tưởng này bằng cách nói rằng các điểm mà các nguyên tử kết nối với nhau được phân bố trên bề mặt của nguyên tử theo một quy luật nhất định. Cụ thể, một nguyên tử carbon liên kết bốn nguyên tử với chính nó tại các điểm nằm trên bề mặt ở bốn đỉnh của một tứ diện đều. Trong các trường hợp khác (ví dụ, trong trường hợp chất lỏng thường xuyên), không có vị trí điểm kết nối thường xuyên như vậy. Thật vậy, các đặc tính bên trong của chất lỏng được xác định bởi sự vắng mặt của các liên kết dẫn hướng tạo nên cấu trúc hoặc do sự che đậy các liên kết khác của chúng bằng các liên kết mạnh hơn.

Người ta có thể tưởng tượng những trường hợp cực đoan như vậy. Ở một trong số chúng, chỉ tồn tại những lực thuộc loại thứ nhất. Điều này có nghĩa là các nguyên tử chỉ có lực hút lẫn nhau khi chúng được điều chỉnh với nhau bởi các điểm tiếp xúc trên bề mặt của chúng. Tập hợp các nguyên tử như vậy có thể là một khối rắn hoặc một nhóm nguyên tử không được kết nối bởi lực hút lẫn nhau. Trong trường hợp sau, nếu có đủ năng lượng nhiệt, một nhóm nguyên tử sẽ có thể tạo thành chất khí. Tuy nhiên, có thể coi rằng với những vật cản như vậy, việc ghép nối ngẫu nhiên có thể xảy ra. Nếu nguồn cung cấp nhiệt giảm thì sự kết hợp các nguyên tử này trở nên thường xuyên hơn và lâu dài hơn, đó là lý do tại sao quá trình đông cứng bắt đầu ở một số nơi nhất định. Do đó, mỗi nhóm nguyên tử hợp nhất sẽ trở thành một tinh thể, tất nhiên, trừ khi quá trình diễn ra nhanh đến mức khiến cho việc hình thành một sự sắp xếp tinh thể thực sự là không thể. Các nguyên tử hoặc phân tử phải cố gắng chiếm những vị trí sẵn sàng cho chúng trên các tinh thể đã hình thành. Đây là cách tinh thể phát triển

16

từ hơi mà không tạo thành chất lỏng ở pha trung gian.

Ở thái cực khác, người ta có thể tưởng tượng các nguyên tử hoặc phân tử không có lực hút định hướng. Nếu các dao động nhiệt không đủ mạnh để giữ các nguyên tử hoặc phân tử tách biệt với nhau, chúng sẽ kết hợp với nhau và tạo thành chất lỏng, độ dày của chất lỏng sẽ phụ thuộc vào mức độ dễ dàng di chuyển của từng phân tử giữa các phân tử khác. Khi làm mát thêm, độ nhớt có thể tăng liên tục hoặc tăng vọt đột ngột, đến mức tập hợp các phân tử này có thể được gọi là chất rắn.

Các chất tự nhiên nằm giữa hai thái cực này, băng dường như gần với thái cực thứ nhất hơn các chất khác. Thật vậy, các tinh thể của nó tạo thành một dạng hơi không xác định. Mặt khác, các phân tử hơi nước liên tục bị kéo ra khỏi tinh thể do tác động của cơ thể hoặc vì một lý do nào khác và trộn lẫn với các phân tử của môi trường xung quanh. Băng “thăng hoa”. Sự dễ dàng hay khó khăn của quá trình ngưng tụ và tách các phân tử phải được xác định bởi sự tương ứng giữa mật độ hơi, nhiệt độ và điều kiện bề mặt. Trong các vết nứt, khả năng ngưng tụ cao hơn ở các khu vực hở, vì trong các vết nứt, bắt đầu từ các cạnh của chúng, các phân tử chịu tác động kép. Sự tách rời của các phân tử có nhiều khả năng xảy ra hơn từ bề mặt lồi. Hiệu ứng này hoàn toàn tương tự với sự phụ thuộc hiệu quả của áp suất hơi vào hình dạng của chất lỏng mà hơi tiếp xúc, như Faraday đã chỉ ra. Bên trong vết nứt, trạng thái cân bằng giữa thăng hoa và kết tủa phải khác với bên ngoài, bên ngoài sẽ tác động lên bên ngoài. Nói cách khác, áp suất hơi sẽ giảm, tức là nhiệt độ điểm đóng băng sẽ tăng lên.

Ở áp suất bình thường, nước đậm đặc nhất ở 4°C. Khi nhiệt độ tăng cao hơn nữa đến điểm đóng băng, mật độ ngày càng giảm đi. Rõ ràng là một số phân tử tạo thành các tập hợp chiếm không gian lớn hơn so với các phân tử được lấy riêng lẻ, vì lực cơ học buộc các nguyên tử phải chiếm một vị trí nhất định trong không gian. Đồng thời, không cần thiết phải coi những tập hợp này là thường hằng: rất có thể chúng liên tục sinh, diệt và lại sinh.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét các đồ uống sau đây. Hai yếu tố chính cần sự cam kết là: sự đa dạng vô tận của các hình lục giác và tính đối xứng của mỗi bông tuyết. Hình lục giác của bông tuyết có liên quan rất nhiều đến hình lục giác của tinh thể băng, nhưng luôn rất khó giải thích tại sao sáu tia của mỗi bông tuyết lại rất giống nhau và đồng thời cũng rất khác với các tia của bất kỳ bông tuyết nào khác. Một cam kết thỏa đáng có thể được đưa ra theo cách sau.

Toàn bộ câu hỏi có thể được xem xét dưới ánh sáng của các quá trình cơ học và kết tủa hiệu quả tương tự như trong trường hợp đóng băng các mảnh băng. Khi cấu trúc lục giác như vậy được biểu hiện từ một lõi nhất định trong bầu khí quyển chứa hơi nước hoặc trong chất lỏng chứa nước hòa tan, thì đặc tính của posta phải phụ thuộc vào các điều kiện mà sự tăng trưởng này xảy ra. Nếu có nhiều hơi nước trong không gian xung quanh hoặc nhiệt độ thấp thì quá trình sinh trưởng diễn ra nhanh chóng và các tia bông tuyết có xu hướng xuyên qua vô số phân tử nước xung quanh. Sự phát triển xảy ra ở phần cuối của tia và trên các nhánh phụ, tạo thành một góc 60° với tia trước. Nếu một bông tuyết được chuyển đến một không gian có mật độ thấp

17

hơi nước hoặc với nhiệt độ cao hơn thì một quá trình tượng hình sẽ xảy ra. Các phân tử, nhẹ hơn nhiều, rơi ra từ đầu cành so với từ vùng trung tâm của bông tuyết và không lắng đọng trên đó với cùng tốc độ. Nhờ đó, bông tuyết trở nên mệt mỏi ở phần trung tâm, các nhánh của nó ngắn lại và thậm chí tròn hơn. Vì những bông tuyết có kích thước nhỏ, thường có đường kính không quá vài mm nên các điều kiện xung quanh mỗi bông tuyết có thể được coi là giống nhau ở mọi điểm. Nếu một tia dài ra thì các tia khác cũng dài ra. Với tất cả những điều này, khi rơi xuống Trái đất, những bông tuyết có thể gặp phải nhiều điều kiện địa phương khác nhau, theo đó chúng có thể có nhiều dạng khác nhau, trong khi các tia của từng bông tuyết riêng lẻ vẫn hoàn toàn giống nhau.

Theo nghĩa vụ này, sự đa dạng lớn hơn của hình dạng bông tuyết dựa trên sự tồn tại của hai quá trình đối lập: sự phát triển nhanh chóng của các nhánh dẫn đến dạng lông vũ của chúng và sự nén chặt ở trung tâm của cấu trúc lông vũ này. Trong quá trình đầu tiên, sự tăng trưởng chiếm ưu thế hơn sự thăng hoa ở mức độ lớn hơn so với quá trình thứ hai, do đó chúng khác nhau về mức độ hơn là về chất lượng. Hình dạng của mỗi bông tuyết cho chúng ta biết về những thay đổi trong điều kiện khí quyển mà nó phải chịu đựng.

Thậm chí có thể đạt được sự tăng trưởng chậm hơn của các tinh thể băng bằng cách giữ đèn led ở nhiệt độ ngay dưới điểm đóng băng trong một phần của bình đã sơ tán và để nó tiếp xúc với nhiệt độ dưới nhiệt độ

được giới hạn trên một tấm kim loại ở phần khác của bình, được duy trì ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Các tinh thể có dạng lăng kính lục giác.

Các dạng lông vũ như trong Hình 9 thu được bằng cách di chuyển nhanh hỗn hợp glycerin, rượu và một lượng nước tương đối lớn. Các lăng trụ lục giác đặc hơn trong Hình 10 thu được bằng cách làm nguội cùng hỗn hợp đó chậm hơn, nhưng với ít nước hơn. Nếu lăng kính thu được bị buộc phải tan chảy hoặc bốc cháy, thì đến một lúc nào đó, một giai đoạn của cấu trúc mở hơn sẽ xuất hiện, rất gợi nhớ đến những bông tuyết tự nhiên ở một số dạng của chúng (Hình 11).

Tyndall đã thực hiện một thí nghiệm xuất sắc, nhờ đó ông có thể chứng minh cấu trúc của băng. Trải nghiệm này được gọi là “nhận hoa băng”. Một chùm ánh sáng từ đèn hồ quang truyền qua một mảnh băng. Tại nhiều điểm khác nhau trên mảnh này, nơi có tạp chất hoặc bất thường, phần thân được giữ lại và gây ra sự tan chảy. Các khoảng trống thu được trong trường hợp này có hình lục giác, vì sự phá hủy cấu trúc xảy ra theo hướng hoàn toàn ngược lại với sự phát triển. Có thể nói, những con số này đại diện cho những bông tuyết tiêu cực. Với sự trợ giúp của thiết bị phù hợp, những số liệu này có thể được chiếu lên màn hình. Nếu một cái nắp có nước được đặt trên đường đi của các tia từ đèn lồng đến băng, thì các tia nhiệt sẽ bị hấp thụ và sự phát triển của những khoảng trống như vậy trong tinh thể sẽ dừng lại.