Живой кристалл

ЭФФЕКТ ИОФФЕ

Об эффекте, открытом и исследованном одним из патриархов советской физики академиком Абрамом Федоровичем Иоффе, я всегда с удовольствием рассказываю и во время университетских лекций, и просто в беседах с молодыми людьми, если хочу обратить их в свою веру — представить науку о кристаллах в красочном, привлекательном виде.

История открытия и самоутверждения эффекта Иоффе содержит все то, чем богата логика живой науки и маняща деятельность ученого. В этой истории и рождение проблемы, когда обнаруживается кричащее противоречие между идеями и фактами, и эксперимент — красивый и настолько простой, что у каждого возникает иллюзия сопричастности к замыслу эксперимента, уверенность, что и он придумал бы этот эксперимент, если бы ранее его не придумал и не осуществил тот, с чьим именем эксперимент вошел в науку. В истории эффекта Иоффе есть место деятельности и добросовестно заблуждающихся научных оппонентов, и активных газетных репортеров, неуемно и без достаточных оснований фантазирующих на тему «эффект и будущее» и высшая награда ученому, когда его идеи со страниц академических журналов перекочевывают на страницы учебников и в графы карточек цеховых технологических процессов.

Внешне эффект выглядит так. Оказывается, что, если кристалл каменной соли (толстый или тонкий — это безразлично) смочить водой, его прочность на разрыв становится во много раз больше прочности сухого кристалла. Казалось бы, прочность — объемное свойство кристалла и ему нет дела до всего того, что происходит на поверхности кристалла, а на поверку оказывается, что существует «эффект Иоффе»: соседство с водой резко упрочняет каменную соль.

Начало истории эффекта Иоффе мы будем датировать 1915 г., когда выдающимся немецким физиком-теоретиком Максом Борном была опубликована теория ионных кристаллов. Собственно, в этой теории впервые и было введено представление о кристаллах, состоящих из ионов, которые связаны электрическим взаимодействием. Сказанное в последней фразе для нас звучит азбучной истиной, а тогда, в 1915 г., всего через 3 года после того, как с помощью рентгеновских лучей впервые убедились в строгой периодичности чередования атомов в кристалле, мысль о структуре, состоящей из ионов, была откровением.

Теория Борна, математически стройная и внутренне непротиворечивая, подтверждалась многими экспериментами. Сопоставляя ее следствия с экспериментально установленными фактами, Борн объяснил оптические, электрические и многие другие свойства ионных структур. В противоречии с его теорией оказались лишь данные о прочности кристаллов. Известно было, что, например, кристалл каменной соли разрушается, если к нему приложить напряжение σ ≈ 4,5• 10⁷ дин/см², а точный и последовательный расчет теоретика предсказывал существенно иную величину: σ ≈ 2• 10¹⁰ дин/см².

Сохранив идею, упростим расчет Борна и попытаемся примитивно оценить величину прочности кристалла. Борн ее вычислил строго.

Мы знаем, что прочность кристалла есть отношение силы, которую нужно приложить, чтобы его разорвать, к площади поверхности, по которой разрыв произошел:  σ = F/S

Простота и очевидность сделанной оценки не должны в глазах читателя умалить проницательность теоретика. Нам, полвека спустя, легко и просто быть умеющими и понимающими, за нами величие Борна, который в 1915 г., не имея предшественников, мыслил независимо и революционно. Он был великим мастером. Здесь я хочу обратить внимание читателя на то, что в приведенном расчете, относящемся к разрыву кристалла, как и в расчете Френкеля, относившемся к сдвигу, делается все то же «классическое» предположение, что все связи рвутся одновременно.

Осмысливая противоречия между расчетом Борна и экспериментальными данными, Иоффе должен был обсуждать две возможности: либо теоретик ошибся, либо эксперименты неточны! Второе предположение следует отбросить, не колеблясь, потому что, даже если бы произошло невероятное и экспериментаторы ошиблись в 500 раз, их поправила бы многовековая практика обращения человека с кристаллами NаС1. Ведь если бы действительно их прочность была в согласии с теорией Борна, то не так просто было бы добыть в штольне соляную глыбу, орудуя киркой, и непростой была бы задача истолочь эту глыбу в порошок. В 500 раз экспериментаторы не могли ошибиться! И теоретик вряд ли ошибался так сильно: и мысли его логичны, и многие иные факты, следуя этим же мыслям, он объяснил очень успешно.

Правду следовало искать где-то в другом месте. Именно это и сделал Иоффе. Он рассуждал так: Борн, конечно же не ошибается, но рассчитывает он идеальную ситуацию когда одновременно рвутся все п связей. А если они рвутся не одновременно? Тогда, очевидно, разрушение будет происходить не мгновенно, так как связи рвутся последовательно, и при напряжении, значительно меньшем того, которое следует из теории.

Иоффе предположил, что на поверхности кристалла имеются микроскопические трещины. При нагрузках, меньших соответствующей «теоретической» прочности в устье трещины, в маленьком объеме кристалла могут возникнуть напряжения, при которых связи начнут рваться. А это значит, что трещина будет распространяться в глубь образца, пронижет его и расчленит на две части. Кристалл разрушится не потому, что в плоскости разрыва одновременно разрушились все связи, а потому, что последовательно разрушающиеся связи дали возможность трещине вырасти и расчленить кристалл.

В то время, когда Иоффе осмысливал свои опыты, идея «трещины» носилась в воздухе. И не случайно почти одновременно была использована и Гриффитсом, и Иоффе.

То, о чем думал Иоффе, представляя механизм разрушения, можно отчетливо проиллюстрировать модельным опытом. Он прост, и его результаты не оставляют сомнений. На предметном столике микроскопа растягивается тонкая пластинка плексигласа, на боковом торце которой сделан острый и неглубокий надрез. Пластинка моделирует кристалл, надрез — трещину на его поверхности. В поляризованном свете можно отличить напряженные участки в плексигласе: чем больше напряжение, тем соответствующий участок темнее. Так вот, на последовательности кадров отснятого нами кинофильма видно, что в устье надреза напряжения максимальны и что пластинка разрушается вследствие движения напряженного устья надреза сквозь нее. Происходит это при напряжениях, значительно меньших тех, которые необходимы для разрушения пластинки без надреза.

В упрощенном варианте подобный модельный опыт можно сделать не прибегая ни к микроскопу, ни к поляризованному свету, ни к кинокамере: порвать полоску бумаги, растягивая ее, намного легче, если предварительно сделать на ней маленький надрыв.

Итак, гипотеза есть, нужен опыт, экзаменующий ее. Идею опыта подсказывает прямолинейная логика: если действительно поверхностные трещины — истинная причина почти пятисоткратного понижения прочности, то, растворив в воде тонкий слой кристалла, в котором есть трещины, мы вправе ожидать, что прочность кристалла возрастет в пятьсот раз. Логика это право дает, а скепсис возражает логике: неужели вода способна обусловить такой эффект?

Иоффе поставил следующий опыт. Он растягивал монокристальный образец каменной соли в условиях, когда часть образца была в воздухе, а часть омывалась теплой водой, которая растворяла и утоняла кристалл. Результат опыта оказался в согласии с предсказаниями логики: образец разрушился в сухой части, обнаружив прочность ≈ 45• 10^е дин/см². Мокрая, более тонкая часть образца выдерживала напряжения до величины 15• 10⁹ дин/см², которая не так уж далека от «теоретической прочности» 20 • 10⁹ дин/см².