The new science of strong materials

Наблюдение дислокаций
Какой правдоподобной и логичной ни была бы научная гипотеза
,
для большинства людей она остается все
-
таки голой
абстракцией
,
пока нельзя будет что
-
то потрогать собственными руками или увидеть собственными глазами
.
Косвенных
или математических доказательств для них недостаточно
.
Примером может служить тепловая теория
.
Из элементарной
физики каждый знает
,
что температура вещества определяется непрерывным и беспорядочным движением его молекул
.

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» - 
Часть
2
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/TECHNICS/GORDON.1/PART03.HTM
Но поскольку в том же курсе физики говорится еще
,
что молекулы слишком малы
,
чтобы их видеть
,
а также потому
,
что
ощущения тепла и холода никоим образом не связываются с представлением о движущихся частицах
, -
мысль о теплоте
,
как о молекулярном движении
,
обычно не ощущается нами как реальность
.
Ботаник Броун в
1827 
году
,
наблюдая в микроскоп пыльцу некоторых цветов
,
обнаружил
,
что она находится в
непрерывном приплясывании
.
Броуновское движение мельчайших твердых пылинок
,
взвешенных в воде
,
легко можно
увидеть
.
Капните
,
например
,
обычной китайской туши или акварели на предметное стеклышко микроскопа и
,
накрыв
каплю другим стеклом
,
взгляните на нее при довольно большом увеличении обычного оптического микроскопа
.
Вы
увидите
,
что частицы помельче носятся в совершенно сумасбродной джиге
.
Сколько бы вы ни
смотрели на этот танец
,
он
будет продолжаться
.
А за танцем кроется вот что
.
Сами частицы туши или краски имеют что
-
нибудь около микрона в
поперечнике
,
то есть они в несколько тысяч раз больше окружающих их молекул жидкости
.
Молекулы носятся взад
-
вперед совершенно беспорядочным образом
.
Наши частицы вовлекаются в эту толчею
.
Те частицы
,
что покрупнее
,
никак
не реагируют на толчки
,
а вот для частиц помельче молекулярные толчки оказываются чувствительными
,
они прыгают от
них в разные стороны так
,
что все это видно в обычный оптический микроскоп
.
После того как вы увидели своими глазами броуновское движение
,
ваше представление о природе теплоты будет уже
совсем иным
.
Теперь вы можете сказать
,
что не просто заучили какие
-
то объективные научные истины
,
а уже на ты с
кинетической теорией тепла
.
Разница примерно такая же
,
как читать о заходе солнца и самому наблюдать закат
.
То же самое и с дислокациями
.
Абстрактная теория становилась очень осязаемым явлением
.
Но как же увидеть
дислокации
?
Прежде всего с помощью химического травления
.
Мы уже говорили
,
что деформированные межатомные
связи более уязвимы для химических и физических воздействий
,
чем недеформированные
.
Следовательно
,
если
протравить кристалл
(
обычно в кислотном растворе
),
то места
,
где дислокации выходят на поверхность
,
протравятся
более интенсивно
,
чем окружающий материал
.
В результате на поверхности кристалла появится серия так называемых
ямок травления
,
которые обычно легко просматриваются в оптический микроскоп
.
Такая техника наблюдения
дислокаций очень распространена
,
и специалисты
,
наблюдая полученные путем травления оспинки
,
могут сделать
довольно далеко идущие выводы
.
Одним из ухищрений здесь является раскалывание кристалла надвое
.
Любая
дислокация
,
существовавшая в кристалле до начала эксперимента и проходившая через плоскость раскола
,
будет
,
конечно
,
одной и той же на обеих половинках
.
Одна из половинок выбирается как контрольная и травится немедленно
,
чтобы выявить исходную дислокационную картину
,
а другая половинка деформируется
(
либо с нею ставится какой
-
то
другой эксперимент
),
а уж затем травится
.
Сравнивая картину ямок травления на двух поверхностях
,
можно видеть
,
какие из дислокаций образовались в ходе эксперимента
,
а какие
-
передвинулись
.
Травление
-
полезный прием
,
но его нельзя считать способом прямого наблюдения дислокаций
.
Следующий шаг в этом
направлении был сделан Хиршем в Кэвендишской лаборатории
(
Кембридж
).
Он использовал свойство очень тонкой
металлической фольги быть практически прозрачной в электронном микроскопе
,
а вот любые нарушения
кристаллической решетки дают темные образования
.
Поэтому дислокации представляются здесь темными линиями на
белом фоне
.
Все это хорошо
,
но было бы интереснее взглянуть на движущуюся дислокацию
,
а для этого на нее нужно воздействовать
,
создав какое
-
то напряжение
.
Нелегко приложить механическое напряжение непосредственно к фольге
,
которая настолько
тонка
,
что становится прозрачной для электронного пучка
.
Поэтому Хирш использовал для нагрева фольги
,
расширения
и
,
стало быть
,
нагружения образца энергию самого электронного пучка
.
Все сработало очень хорошо
,
и Хирш
смог снять
кинофильм о дислокациях в движении
.
Фильм получился очень впечатляющим
.
Дислокации являли собой таинственную
картину суетящихся мышей
.
Опыты Хирша
,
однако
,
не преследовали цель увидеть индивидуальные атомы или трехмерную шахматную доску
кристаллической решетки
.
Дислокации у Хирша были всего лишь черными линиями деформации на белом или сером
фоне
.
Но
,
как мне кажется
,
чего мы действительно хотим
,
так это увидеть слой атомов
,
обрывающийся где
-
то в
кристаллической решетке
.
Однако
,
прежде чем увидеть дислокацию в кристаллической решетке
,
нужно бы увидеть
...
саму решетку
.
В металлах и в большинстве обычных кристаллов параметр решетки близок к
2 
А
.
А в те времена
,
о
которых я сейчас говорю
(
середина
50-
х годов
),
самое лучшее разрешение электронного микроскопа было около
10 
А
.
Стало быть
,
не было никакой надежды увидеть атомные слои обычными средствами
.
Эту трудность первым преодолел
Джим Ментер
,
работавший в Хинкстон Холле близ Кембриджа
.
Он приготовил тонкие кристаллики вещества
,
называемого фталоцианином платины
.
Молекула этого органического соединения
-
плоская
,
примерно квадратная
,
около
12 
А в поперечнике
.
В середине квадрата
-
дырка
,
а в этой дырке в случае фталоцианина платины
-
атом платины
.
В
кристалле эти плоские молекулы упаковываются так
,
что гасстояние между слоями молекул оказывается
12 
А
,
и центре
каждого ряда молекул проходит линия тяжелых атомов платины
,
стоящих особняком от легких атомов панической
молекулы
.
Таким образом получаются линии платиновых атомов в регулярном кристаллическом расположении
,
расстояние между которыми
12 
А вместо обычных
2 
А
.
Органическую часть молекулы можно считать прозрачной
набивкой
,
которая держит на нужном расстоянии плотные
,
с неясными очертаниями атомы платины
.
Настраивая микроскоп на максимальное разрешение
,
можно было увидеть решетку этого кристалла
.
Пожалуй
,
она была
похожа на нарисованные угольком слегка
лохматые полосы на более светлом сероватом фоне
-
что
-
то вроде строк на
телевизионном экране
.
Бросалась в глаза невероятная регулярность кристалла
.
При большом
,
увеличении бесчисленные
рыхловатые полоски тянулись идеально прямо
.
Конца им
,
казалось
,
нет
.
Число слоев было огромным
.
Миллионы
миллионов молекул
,
каждая точно на своем месте
.

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» -