Капля

Все рассказанное о десяти тысячах лучей касается глав­ной радуги, той, к которой от­носится цифра 42°. Если же мы рассмотрим более сложный путь лучей в капле — два пре­ломления при двух, а не од­ном отражении — получим объяснение второй дуги, к которой относится цифра 51°.

В разумности идеи Дека­рта можно убедиться, сотво­рив радугу в лаборатории с помощью одной искусственной огромной «капли». Ее можно создать, заполнив сферическую стеклянную колбу водой. Колбу надо поставить перед эк­раном и через отверстие в нем направить на колбу парал­лельный сноп света. На экране образуется полное цветное кольцо, удовлетворяющее всем требованиям «геометрии радуги».

Появление цветов — естественное следствие зависимо­сти показателя преломления от длины волны света. В кап­ ле происходит то же, что в стеклянной призме, которая разлагает белый свет на «все цвета радуги». «Физика» раду­ги остается неизменной при различных «геометриях» — для радуги на мокром асфальте и на скошенной траве, покрытой росой.

Еще следует упомянуть об эффектах, связанных с ма­лостью размера капель. Те капли, которые в основном тво­рят радугу, имеют диаметр 0,08 — 0,20 мм. При таких раз­мерах надо учитывать, что свет имеет волновую природу. Связанные с этим изменения элементарной теории Декар­та, который рассматривает луч, а не волну, оказываются не очень существенными.

Если бы создающие радугу капли сохранялись в небе, не изменяясь, радугу можно было бы наблюдать в течение не более 2 час. 48 мин: именно за это время солнце по не­босводу проходит дуговой путь в 42°. Но каплям в небе не свойственно долголетие — они испаряются, соединя­ются и, увеличивая свой размер, опадают. Все это отра­жается на радуге — на яркости ее цвета, ширине соответ­ствующих световых полос, продолжительности ее жизни. Когда капель становится мало, радуга блекнет и исчеза­ет.

КАПЛИ РОСЫ

Все красоты Неаполитанского залива не про­меняю я на ивовый куст, обрызганный росой.

К. Паустовский

Счастливый день в жизни естествоиспытателя

Слово «естествоиспытатель», сказанное об исследователе природы, звучит точнее и емче, чем слово «ученый». Естествоиспытатель — испытывающий естество, экзаменую­щий природу, требующий от нее ответов на вопросы.

Кристаллограф Георгий Глебович Леммлейн был ис­тинным естествоиспытателем. Он умел как-то доверитель­но общаться с природой, чутко прислушиваться к тому, что отвечала она на его умело заданные вопросы. Его творческая жизнь была посвящена мертвой, каменной природе, объекты его исследований тверды и молчаливы, а ему они открывались и рассказывали о себе.

Много раз мне доводилось слышать и читать о том, что между наукой и искусством нет разделительного вала, что в истинном естествоиспытателе живет художник, а на­стоящий художник в какой-то мере исследователь приро­ды. Я понимал, что эта мысль верна, почти тривиальна, но до встречи с Георгием Глебовичем она жила во мне логически разумным утверждением — и только. А в нем я увидел живое воплощение союза науки и искусства. Он был из тех естествоиспытателей, которые видят то, на что иные смотрят невидящим взором.

Расскажу об одном счастливом дне в его жизни: в тот день ему довелось почти в прямом смысле слова «одним дыханием» сделать два важных открытия. Об одном из них расскажу вскользь, а о другом подробно, так как в этом открытии капля — главный герой.

В один из дней начала 1945 г., сидя за столом в лабо­ратории роста кристаллов Института кристаллографии АН СССР, Георгий Глебович Леммлейн изучал под мик­роскопом кристалл карборунда. О том, что произошло дальше, он так рассказывал своим ученикам:

— Я долго сидел за микроскопом и рассматривал по­верхность карборунда. Очень устал и, не отодвигаясь от тубуса, тяжело выдохнул: «Уф!..» И тотчас заметил, как расцвел, обогатился рельеф поверхности кристалла. Вы­дохнул еще раз — уже нарочно. Снова то же самое. По­нял, что это роса от моего дыхания. В этот и последующие дни стал с увлечением использовать новый трюк.

К появлению капель влаги на поверхности кристалла можно было отнестись по-разному. Например, решить, что обращаться с образцом надо поаккуратнее, не дышать на него, чтобы ничто постороннее не помешало наблюдать истинную структуру поверхности. Леммлейн, однако, по­ступил совсем не так, а в некотором смысле наоборот. Он немедленно воспроизвел явление, специально поды­шал на кристалл и убедился в том, что исчезнувший узор, очерченный росинками, появился снова. А затем воспроиз­вел еще и еще раз и убедился, что росинки не мешают уви­деть истинную структуру поверхности кристалла, а на­оборот, благодаря им очерчиваются такие тонкие детали рельефа, перед которыми обычная техника оптической мик­роскопии бессильна. Так был открыт «метод росы» Леммлейна. Сущность его заключается о том, что на холодной поверхности кристалла роса оседает вдоль различного вида неоднородностей поверхности — ступенек, контуров микроскопических ямок — участков, где почему-либо сконцентрировался электрический заряд.

20 марта 1945 г. на заседании отделения физико-мате­матических наук АН СССР Г. Г. Леммлейн рассказал о своем открытии. Говорил о том, что поверхность реально­го кристалла, кажущаяся гладкой, зеркальной, велико­лепно отражающая свет, в действительности имеет очень тонкий рельеф. Благодаря росинкам можно сделать ви­димыми в оптическом микроскопе ступеньки, высота ко­торых в 10 раз меньше длины волны видимого света. В пересчете на межатомные расстояния это около 10 атомных ступенек!

Фотография одного и того же места поверхности кристалла. Справа — до декорирования, слева — после декорирования водяными каплями

Декорирование поверхности монокристалла поваренной соли твердыми капель­ками золота. Фотография получена в электронном микроскопе при увеличении в 40 000 раз

«Метод росы» — великолепная находка естествоиспы­тателя. Беда только, что роса быстро испаряется и кар­тина декорирования деталей структуры поверхности ис­чезает. Появилась мысль осаждать на поверхность кри­сталла росу не водяную, а из другого вещества, которое испаряется медленнее. А можно поступить иначе: оса­ждать росинки из вещества, которое закристаллизуется, и детали рельефа будут декорированы не жидкими, а твердыми, застывшими капельками. Вещество было найдено — хлористый аммоний. «Метод росы» превратил­ся в «метод инея» — надежный способ обнаружения и ис­следования тонкого рельефа поверхности.

А потом, как это часто бывает в истории науки, идея на­чала жизнь, не зависящую от автора. В разных лаборато­риях изыскивали вещества, с помощью которых можно декорировать детали поверхностного рельефа на различ­ных кристаллах. Например, поверхность каменной соли можно декорировать парами золота, другие кристаллы парами висмута, сурьмы, иных веществ. Таким обра­зом научились обнаруживать неоднородности поверх­ности, как принято говорить, «на атомном уровне».

В тот же день Леммлейн сделал еще одно открытие: рассматривая кристаллы карборунда, покрытые капель­ками росы, он заметил, что на некоторых участках поверх­ности росинки располагаются в форме спиралей. Это не случайные структуры — капельные спирали свидетель­ствуют об особом механизме роста кристаллов карборун­да. Теперь этот механизм подробно изучен и получил на­звание механизма слоисто-спирального роста.

Засада на росу