Всемирная история физики.

Дорфман Я. Г.

ВСЕМИРНАЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

С начала XIX до середины XX века

* 1979 *

DJVU

От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..

Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..

ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Уже было известно, что реально наблюдаемая прочность ионных кристаллов в значительной мере зависит от состояния их поверхности 12. Это обстоятельство навело в 1921 г. английского исследователя А. Гриффиса на мысль, что снижение прочности, наблюдаемое у реальных кристаллов, является результатом наличия мельчайших поверхностных трещинок. Ему удалось показать на примере стекла, что присутствие подобных трещинок на поверхности действительно может значительно понижать прочность 13. Однако из этих опытов нельзя было считать доказанным, что при отсутствии подобных трещинок твердое тело обладает прочностью, отвечающей теоретическим расчетам. Для проверки этого вопроса А. Ф. Иоффе и М. А. Левитской были предприняты исследования прочности каменной соли. Было показано, что кристалл NaCl, погруженный в горячую воду, растворяющую поверхность кристалла и как бы смывающую имевшиеся на ней трещинки, обнаруживает значительно более высокий предел прочности, достигающий 160 кг/мм2, т. е. приближающийся к теоретическому (200 кг/мм2) 14. Однако эти опыты вызывали возражения со стороны некоторых физиков 1Б, не без оснований утверждавших, что погружение в горячую воду не только «смывает» трещинки, но и делает кристалл более пластичным, так что наблюдаемое повышение предела прочности может быть обусловлено пластической деформацией.
Для выяснения этого вопроса А. Ф. Иоффе и М. А. Левитской был поставлен другой эксперимент, позволявший избежать указанных возражений. «Ни трещины, ни какое-либо поверхностное явление не может влиять на процесс разрыва, происходящий внутри, где усилие достигает максимального значения,— писал А. Ф. Иоффе.— Такого рода испытание можно осуществить, если подвергнуть внезапному и всестороннему нагреву предварительно охлажденный шар. Внешние слои расширятся прежде других и растянут холодную центральную часть, создавая всестороннее растяжение... Несколько шаров из NaCl первоначально охлаждались в жидком воздухе, а затем внезапно погружались в горячую воду при 100° С или в расплавленное олово при 600° С. Если были приняты меры к тому, чтобы нагрев шара был равномерным, то ни растрескивания, ни разрыва не наблюдалось. Наибольшее всестороннее натяжение в центре должно было доходить в этих опытах до 60 кг/мм2. Центральная часть оставалась холодной, так что кристаллическая решетка не разрушалась» 16. Этими опытами было доказано, что наблюдаемая обычно у реальных кристаллов прочность не обусловлена истинным сцеплением в идеальной кристаллической решетке, последнее же фактически согласуется с данными теоретического расчета.
Холодная обработка технических материалов, особенно металлов, и вызываемое ею так называемое упрочнение (фактически — повышение предела текучести) находились в центре внимания производственников с незапамятных времен. Однако физическое истолкование этих явлений сильно отставало от других областей физики. Трудности, встающие на пути экспериментального изучения явлений пластической деформации, так осложняли до недавнего времени не только осуществление экспериментов, но и постановку самой проблемы исследования, что, как подчеркивали в своем обзоре известные немецкие исследователи Г. Мазинг и М. Поляни, эта область физики буквально «отпугивала» ученых 17. Положение стало несколько улучшаться лишь в самом начале 20-х годов нашего столетия. Два обстоятельства способствовали этому факту: во-первых, развитие методов рентгеноструктурного анализа, во-вторых, развитие методов получения чистых монокристаллических образцов. Но, разумеется, основным стимулирующим фактором были непрерывно возраставшие потребности промышленности в высокопрочных материалах. Поскольку физическое понимание взаимодействия атомов в твердом теле было достигнуто прежде всего в области ионных кристаллов, естественно было ожидать, что и изучение пластической деформации приведет здесь к наиболее ясным результатам.
Уже на первых стадиях изучения упругой деформации твердых тел в XIX в физики столкнулись с весьма загадочным явлением «упругого последействия» или «упругого гистерезиса». Впервые это явление было открыто и описано В. Вебером в 1835 г.18 Как показали все последующие опыты, «форма и размер твердого тела не являются однородной функцией внешних сил... но зависят от всей предшествующей его истории... В каждом данном состоянии мы находим следы воздействия сил, давным-давно удаленных, но все еще и теперь продолжающих действовать» 19. В 1915 г. А. Ф. Иоффе, изучая упругие свойства кристаллов кварца ниже предела упругости, установил, что упругое последействие, наблюдаемое в этих кристаллах, обусловлено всякий раз только побочными явлениями — наличием остаточного объемного электрического заряда 20. Впоследствии было показано, что монокристаллы как гетерополярных веществ, так и металлов не обнаруживают явления упругого последействия. «Эти эффекты проистекают от неправильностей в неоднородных телах, от перехода через предел упругости или прочности в некоторых малых областях внутри тела и от взаимодействия между кристаллическими зернами»
Одним из важнейших вопросов в изучении пластической деформации являлось выяснение изменения структуры кристалла в процессе деформации. А. Ф. Иоффе и М. В. Кирпичева впервые применили к этому исследованию метод Лауэ. Они визуально наблюдали изменение картины Лауэ на флюоресцирующем экране во время деформации одномерного растяжения. «Вместо отдельных четких пятен мы увидели картину радиальных пучков, исходящих из каждого пятна, как это наблюдается теперь при исследовании волокнистых структур,— пишут авторы... Таким образом, можно видеть, что одиночный кристалл оказался раздроблен на несколько кусков, несмотря на то что прозрачность и жесткость получившегося агрегата придает ему вид одиночного кристалла» 22. Опыты эти показали, что «предел текучести» имеет вполне определенное физическое значение. Далее было показано, что этот предел как в ионных, так и в металлических кристаллах зависит от температуры, практически обращаясь в нуль в точке плавления.
Геометрию процесса пластической деформации в 1922 г. изучали на металлических кристаллах гексагональной системы Г. Марк, М. Поляни и Э., Шмид 23, предложившие модель, согласно которой кристалл деформируется наподобие стопки монет. Отдельные блоки смещаются одновременно относительно друг друга как целое. Однако расчет критического сопротивления сдвигу (при котором решетка становится неустойчивой) для этой модели, сделанный Я. И. Френкелем а4, показал, что вычисленные значения имеют порядок 1010 дин/см2, между тем как предел упругости, наблюдаемый на опыте, порядка 10е дин/см2. Из этого сопоставления необходимо было сделать вывод, что процесс скольжения не заключается в жестком смещении атомных плоскостей друг относительно друга. Такой вывод казался противоречащим установившемуся в науке представлению о кристаллической решетке, как бы символизирующей строгий закономерный порядок. Этот вопрос был подвергнут подробному исследованию многими авторами, пришедшими к заключению, что скольжение происходит в резуль-дате линейного изъяна решетки — так называемой дислокации 2В.
Возникновение теории дислокаций (1934), впоследствии блестяще подтвердившейся на опыте, представляло собой переворот в физике твердого тела. Возникнув первоначально в области, связанной только с пластичностью и прочностью кристаллов, эта теория в дальнейшем оказала огромное влияние на развитие физических представлений о самых различных явлениях в реальных твердых телах. Явление скольжения объясняется в этой теории с помощью предположения о том, что в кристалле образуются дислокации, движущиеся по плоскостям скольжения.
Расчеты показали, что одиночная дислокация в кристалле, который не содержит никаких других нарушений структуры, может перемещаться при напряжениях, меньших 10в дин/см2 26. Тэйлор 27 показал, что дислокации появляются на «слабых местах», например во внутренних трещинах в кристалле.
Наряду с линейными дислокациями, как оказалось, могут появляться дислокации винтового типа и т. д. Мы не будем подробно рассматривать этот вопрос, отметим лишь, что в результате появления теории дислокаций была развернута огромная работа по изучению дислокаций в реальных кристаллах, а также появилось множество исследований, в которых теоретически рассматривался вопрос о взаимодействии дислокаций друг с другом в кристалле.
Важным шагом в теории явилась работа Я. И. Френкеля и Т. А. Конторовой, впервые наметившая динамику перемещения дислокаций 28. Ряд исследователей выясняли условия появления дислокаций в связи с условиями роста кристаллов. Подобно тому, как флуктуации плотности неизбежны в жидкости и газе, «замороженные» флуктуации являются неизбежными в любом твердом челе и они-то, в конечном итоге, прежде всего порождают дислокации. Резюмируя историю развития теории дислокаций, можно констатировать, что благодаря этой теории впервые получила разрешение проблема механических свойств реальных кристаллов и вообще реальных твердых тел. Физика этой области непосредственно приблизилась к материаловедению и позволила наметить новые пути и возможности техники.

Дорфман Я. Г.