Яков Гегузин - Живой кристалл
Итак, два встречных потока атомов обусловливают наличие двух встречных потоков вакансий. Так как потоки атомов различны, различными оказываются и встречные потоки вакансий. А это означает, что существует направленный поток вакансий, который является разностью двух встречных вакансионных потоков. Вот он-то и обусловливает «вакансионный ветер», дующий по направлению к тому кристаллу, чьи атомы диффундируют быстрее.
Что он может, этот ветер? «Сдувать» диффундирующие атомы! Но делает он это очень своеобразно. Поток вакансий, направленный, скажем, к источнику атомов сорта А, будет подавать им транспортное средство в виде вакансий, и те, таким образом, помогут этим атомам двигаться... против ветра. Направленный поток вакансий оказывается как бы отрицательным ветром, так как «сдувает» атомы не от себя, а на себя. Немного курьезно, но убедительно: ведь ветер создают не материальные атомы, а «атомы пустоты»!
В специально поставленных опытах оказалось, что отрицательный ветер вакансий — вполне реальный ветер, который заметно вмешивается в процесс диффузионного перемешивания атомов разных сортов.
Здесь хочется сделать замечание, карающееся модельного термина «вакансионный ветер». Этот термин существенно менее оправдан, чем термин «электронный ветер». Дело в том, что «дующая» вакансия атому не передает импульс, как это делает «дующий» электрон. А для истинного ветра передача импульса — главный признак. Именно поэтому «вакансионный ветер» — термин менее оправданный, лежащая в его основе модель используется лишь в меру чисто внешнего признака: подобно частицам в истинном ветре, в «вакансионном» вакансии перемещаются направленно. И только!
Г Л А В А II
ЗАСЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛА ДЕФЕКТАМИ
По поводу двух слов, фигурирующих в названии главы, — «дефекты» и «заселение» — с читателем следует объясниться.
Вначале о слове дефект. В будничном понимании слова, «дефект» — это плохо! Это то, чего надо не допускать, с чем надо бороться, что надо исправлять или, в иных случаях, вуалировать. В качестве синонима часто употребляют слово «брак», а это уж вне сомнения плохо! В гамме красок слову «дефект», как правило, принадлежит черная краска! Однако употребляемое применительно к кристаллу, оно выглядит существенно многокрасочнее. Иногда «дефект» — не позор, а доблесть кристалла!
Будем считать, что дефектом является любое отклонение от идеальной правильности в строении кристалла, когда каждый атом находится в узле кристаллической решетки и каждый узел замещен одним атомом. Так вот, такая бездефектная идеальность — фикция, в кристалле имеются и те дефекты, которые ему предписаны законами физики и, следовательно, которые кристалл обязан в себе поселить в качестве непременных признаков жизни, и те дефекты, которые в нем поселены насильно при росте кристалла или в процессе его службы.
Издавна слово «кристалл» употребляется с эпитетами «чистый», «совершенный», «прозрачный», «сияющий». В кристалле, однако, обнаружилось множество дефектов, и иной раз кажется, что в нем не остается места совершенству. Серьезно говоря, это опасение не имеет оснований, так как в формировании дефектов в кристаллах, даже далеких от совершенства, принимает участие сравнительно малая доля всех атомов. И все-таки добросовестный реестр дефектов длинен и со временем удлиняется.
Каждый из дефектов — достойный объект и исследования, и популярного рассказа о нем. Кристалл жив своими дефектами, они и его сила, и слабость, и цепкая память, и транспортные магистрали, и органы приспособления к окружающей среде, и нервная система, реагирующая на внешние воздействия. Разумеется, дефекты остаются дефектами, но черной краской их изображать не следует, надо пользоваться тонами посветлее.
Теперь несколько фраз о слове заселение.
Однажды, после публичной лекции, которую я прочел в юношеской аудитории, один из слушателей, вдумчиво подбирая слова, спросил меня:
— А кто впервые изобрел..., нет, поселил вакансии в кристаллах?
Этот вопрос, заданный серьезно, мне понравился и словом «поселил», и своей курьезностью, напомнившей шуточный вопрос: «Кто изобрел болезнь Боткина?»
Ну, разумеется же, никто вакансии в кристаллах не поселял, они испокон веков «там жили», неувиденные, неопознанные, в открытую о себе не заявлявшие, как, впрочем, и многие другие дефекты. До поры до времени кристаллофизики были не подготовлены для того, чтобы заняться поисками вакансий в кристаллах, — и запас идей для этого был недостаточен, и экспериментальные методы были не развиты. Там, где вакансии должны были обнаружиться, внося ясность в изучаемое явление, бытовала полуясность, иллюзия понимания, знание, близкое к правде, но с правдой не совпадавшее. И когда в естественном ходе развития науки представление о вакансиях созрело — их начали обнаруживать в десятках лабораторий сотни исследователей. Раньше вакансий вроде и не было, а вот появились! Поселились в кристаллах!
У каждого типа дефектов свои истории «поселения». Одни, прежде чем обнаружиться в исследованиях экспериментаторов, заявляли о себе в формальных построениях теоретиков. Так, в частности, было с вакансиями и дислокациями. Другие, благодаря своей очевидности, обнаружили себя, минуя формулы и уравнения. Таких дефектов множество: и поры, и трещины, и царапины, и многие другие. И в первом, и во втором случае эти истории интересны и красочны, каждая из них, безусловно, достойна специального рассказа.
Применительно к дефектам в кристалле у слова «заселение» есть еще один смысл, более близкий к его бытовому значению. Дефекты действительно можно поселить в кристалле, подвергая его различным воздействиям — деформированию, облучению потоком частиц или квантов различной плотности. Можно поселить, поместив кристалл в электрическое поле или в какую-нибудь агрессивную среду. Много есть способов вынудить кристалл поселить в себе дефект. Их исследование — одна из основных задач кристаллофизики — науки, изучающей реальный живой кристалл.
В этой главе я расскажу о многих дефектах кристалла, полагая при этом, что о вакансии—дефекте, без которого кристалл не может обойтись, уже рассказано, как об одном из непременных признаков жизни кристалла.
У ИСТОКОВ ИДЕИ
Стала уже тривиальной мысль о том, что различные поколения ученых воспринимают новые идеи с различной степенью легкости. Наиболее легко новые идеи усваиваются юным поколением ученых, которые свою жизнь в науке начали тогда, когда «новая» идея была уже не очень нова. Ими она воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Ее усвоение не вызывает ни внутреннего протеста, ни необходимости преодолевать множество барьеров, среди которых есть и барьер под названием «традиция», и барьер под названием «косность». Иной раз эти барьеры не могут «взять» даже светлые и независимые умы. Семилетний сынок моего друга, стоя рядом с отцом и глядя в ночное небо, по которому быстро двигалась светящаяся точка, сказал взволнованному отцу: «Ничего особенного, обыкновенный спутник!» Для мальчика — обыкновенность, для отца — чудо.
Для зрелого ученого появление новой идеи означает необходимость заново истолковывать многое из того, что ранее казалось ясным и решенным. А эта необходимость исподволь рождает внутреннее сопротивление новой идее. Преодолевать это сопротивление нелегко, переучиваться всегда труднее, чем учиться.
Некогда Макс Планк, размышляя о становлении и развитии новых идей в связи с тем приемом, который им оказывают различные поколения, высказал грустную мысль о том, что счастье развивающейся науки состоит в том, что старшие поколения уходят...
Вспоминаются годы, когда представление о дислокациях — уже отчетливо сформулированное и подтвержденное вполне убедительными экспериментами — с большим трудом усваивалось поколением моих учителей. Вакансия — это было вне сомнений, это то, чем оперировали многие годы, с чем сроднились, что оправдало себя во многих научных баталиях, к чему были проникнуты доверием и чувством благодарности. Это поколение отнеслось к дислокациям не скажу враждебно, но с некоторой предвзятостью, с настороженным недоверием, которое с годами, с появлением новых фактов, убывало.
Моему поколению кристаллофизиков было легче, мы усваивали науку о дислокациях тогда, когда внутренние барьеры на пути к усвоению новой идеи были невысоки. Дислокации родились — мы были детьми, дислокации заявили о себе во всеуслышание — мы были начинающими в науке.
А моим учителям и учителям моих читателей было трудно. Вторым труднее, чем первым! Я вспоминаю, когда в журнале «Успехи физических наук» в начале 50־х годов появился обстоятельный обзор сформировавшихся к тому времени теоретических представлений о дислокациях. Обзор был написан выдающимся физиком А. Н. Коттреллом. Научная молодежь встретила обзор с искренним интересом к новому кругу идей и, к счастью, со сбывшейся надеждой на то, что многие туманные места в физике реального кристалла будут прояснены.
