Атомы блуждают по кристаллу

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Много лет назад дожди на пару дней, заперли будущего автора этой книги на одной из карпатских турбаз вместе с несколькими актерами Московского Художественного театра. Выходить было невозможно, мы разговаривали на разные темы. В частности, речь зашла о профессии автора.
      — Я занимаюсь диффузией.
      — А что такое диффузия?
      — Ну, вот, видите ли, если атомы...
      — А что такое атомы?
      По-видимому, с тех пор автора и не оставляла мечта попытаться ясно и образно, рассказать, что такое диффузия на языке непрофессиональном и. людям, не обладающим специальными знаниями, хотя, конечно, знающим о существовании атомов.
      Я могу сказать, чего мне еще хотелось. Во-первых, чтобы читателю было интересно, чтобы он проникся красотой этого удивительного и таинственного процесса перемещения атомов в строго организованном и плотно упакованном мире кристаллов. Во-вторых, чтобы стало видно, как разумно устроен этот мир, какие общие законы им управляют, какие многообразные связи в нем возникают. И, наконец, в-третьих, чтобы у читателя появилось ощущение несовершенства наших знаний, ощущение бесконечности процесса познания.
      Красота, разум, бесконечность — все эти понятия не противоречат, а дополняют одно другое. Конечно, ученые исповедуют логику, по они, как писал Экзюпери, также «внемлют голосу муз». Хорошая теория одновременно разумна, красива и поэтична. Мне хотелось, чтобы закрыв книгу, читатель разделил со мной это убеждение.
      Я понимаю, что мне хотелось многого. Как это получилось — судить читателю. Книга выходит и живет своей жизнью. Хотя она и твое детище, но ее уже нельзя ни улучшить, ни ухудшить.
      Я глубоко благодарен моему отцу, профессору С. 3. Бокштейну. Помимо того что мои представления о жизни, науке и искусстве в значительной степени формировалисъ под его влиянием, в этой книге просто много его мыслей и наблюдений. Я признателен моему учителю, профессору А. А. Жуховицкому, прочитавшему рукопись и сделавшему ценные замечания. Я выражаю самую искреннюю благодарность профессору Л. Г. Асламазову, без конструктивной и критической помощи которого эта книга безусловно не появилась бы на свет.
      Автор
     
      Эта книга о диффузии, о том, как перемещаются атомы в кристаллах. Наблюдая металлы под микроскопом, мы замечаем, что перемещение атомов приводит к изменению строения металлов, к возникновению одних и исчезновению других дефектов, к росту пор и трещин или их залечиванию. Все эти процессы делают металл более прочным и жизнеспособным или, наоборот, приводят его к разрушению и гибели.
      В книге рассказано, почему атомы перемешиваются и как им удается это сделать в кристалле, где тесно, где каждый атом находится на определенном месте — в узле кристаллической решетки, где господствует порядок и переходить с места на место очень трудно. Читатель познакомится с различными проявлениями беспорядка в кристаллах, узнает об удивительной судьбе вакансий — пустых, не занятых атомами узлов решетки, — и о том, какую выдающуюся роль они играют в процессах диффузии. Чтобы рассказать обо всем этом, автору придется обратиться к законам термодинамики, к теории вероятности, к теории флуктуаций, к теории переходного состояния и т. д.
      Хотя атомы при диффузии совершают случайные блуждания, их движение тем не менее подчиняется строгим правилам, позволяющим оценить скорость диффузионного перемещения. Совокупность этих правил составляет свод диффузионных законов. В книге также рассказано о драматических коллизиях, возникающих, когда эти законы нарушаются, о диффузионных катастрофах и о том, как можно с ними бороться и предотвращать их.
      Диффузия связана, с одной стороны, со многими фундаментальными физическими законами и понятиями, с другой — со многими сложными процессами, протекающими в металлических сплавах и . определяющими их строение и свойства. Теория диффузии переплетается с наукой о материалах и с практическим материаловедением, с применением материалов в технике и быту. Как всякая наука, теория диффузии — это еще и проблема познания человеком окружающего мира, это — люди, их мысли, -поиски и находки, победы и поражения, их стремление к истине. Все эти разнообразные, подчас побочные мотивы и нити привели к тому, что в книге появился жанр отступлений, к которому автор часто прибегает.
     
      ПОЧЕМУ И КАК ОДНО ВЕЩЕСТВО ПРОНИКАЕТ В ДРУГОЕ
      Что такое диффузия?
      Мы часто говорим «железный» в смысле очень твердый, способный сопротивляться разным испытаниям, — «железный» человек, «железная» клятва, «железная» воля. А между тем, железо — не очень твердый металл. Если, например, сделать из железа шестерню й поставить ее в коробку передач автомобиля, то автомобиль далеко не уедет. После нескольких сотен переключений шестерня выйдет из строя. Если ее вынуть, то мы увидим, что зубья совершенно смяты.
      Обычно, чтобы сделать железо более прочным, в него вводят углерод и получают сталь — сплав железа с углеродом. Самые большие мосты сооружены из конструкционной стали, в которой содержится до 0,2% углерода. Углерод делает сталь прочной, но не износостойкой. Если сделать из такой стали шестерню, то она проработает дольше чем железная, но сто тысяч километров без ремонта с ней не проедешь.
      Чтобы зубья шестерен хорошо сопротивлялись износу, мало ввести углерод в железо, но надо сделать это специальным образом, с помощью химико-термической обработки. Шестерню помещают в атмосферу метана, нагревают примерно до 900 СС и выдерживают несколько часов. Метан разлагается на углерод и водород, атомы углерода оседают на поверхности металла, а затем проникают внутрь. После этого металл резко охлаждают (закаливают), и на поверхности зубьев возникает довольно глубокий (до 1 мм), сильно науглероженный (около 0,8% углерода) и очень твердый слой. А тело шестерни и зубьев остается мягким (относительно, ко-
      нечно). Такое сочетание — твердая с поверхности и мягкая внутри — позволяет шестерне успешно сопротивляться истиранию и ударам, иначе говоря, обеспечивает ей долгую жизнь.
      (...)
      Мы знаем также, что если в капилляр или-пробирку, достаточно тонкую для того, чтобы избежать конвекции, осторожно налить одна на другую две смешивающиеся жидкости (например, воду и чернила), то мы увидим, что поверхность раздела (между водой и чернилами), очень четкая в первый момент, начнет постепенно расплываться. Появится переходная зона (рис. I), которая будет увеличиваться в размере до тех пор, пока вся жидкость не станет однородной по составу, — мы увидим это по однородной окраске. Процесс протекает очень медленно, и если взять столбики жидкости высотой в несколько сантиметров, то разница окраски, а следовательно, разница концентрации чернил в верхнем и нижнем концах капилляра заметна еще через сутки после начдла опыта.
      Таким образом, мы приходим к новому определению: диффузия — это перенос вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию концентрации различных веществ. Атомы (или молекулы) сорта А перемещаются туда, где их меньше или нет совсем и где больше атомов сорта В, и наоборот. В результате происходит диффузионное перемешивание в газах, жидкостях и твердых телах.
     
      2. Почему происходит перемешивание
      Задумаемся над, казалось бы, довольно очевидной вещью: «А почему происходит перемешивание? Что заставляет частицы разных сортов перемешиваться?» Ответ вроде бы ясен: перемешивание — результат теплового движения частиц. Но почему частицы не разделяются в результате теплового движения? Возьмем пустой сосуд и впустим в него порцию азота и порцию кислорода. Газы перемешаются. Подождем: может быть через некоторое время они разделятся — в одной половине сосуда будет азот, в другой — кислород? Не аут-то было. Точно так же легко перемешать соль и сахарный песок (тепловое движение тут ни при чем, их надо потрясти), но безнадежно было бы ждать, пока они разделятся снова.
      Попробуем в этом разобраться, исходя из самого общего, термодинамического подхода к проблеме.
      Отступление 1: всемогущая термодинамика. Слово «термодинамика» состоит из двух греческих слов: «терме» — теплота, и «динамис» — сила. Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах (паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания и т. д.). т, е. как наука о превращении тепла в механическую работу. И до сих пор один из разделов термодинамики занимается изучением этих вопросов, только это уже и теория реактивных двигателей, и реакторов, и многое другое.
      Однако в процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер всеобщей науки. Ныне объектом ее исследования являются практически любые процессы превращения материи,связанные с выделением или поглощением тепла, совершением работы, переносом вещества и т. д. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испдрсния; химические реакции; тепловое излучение; явление магнетизма и т. д. Термодинамика изучает и процессы перемешивания.
      По отношению ко всем этим процессам термодинамика отвечает на три главных вопроса.
      1) Возможен ли данный процесс при данных условиях?
      2) Если процесс возможен, то в каком направлении (тоже, конечно, при данных условиях) он пойдет?
      3) Чем процесс закончится?
      Эго окончательное, не зависящее уже от времени состояние термодинамика называет равновесным.
      Почему я назвал термодинамический подход самым общтш?
      Ответ таков. В термодинамике основные законы вводятся как постулаты, являющиеся обобщением многовекового опыта человечества. Поэтому они оказываются справедливыми для любых процессов и для любых веществ: твердых, жидких и газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и т. д. При этом не имеет значения, из каких частиц состоит вещество, какими свойствами эти частицы обладают, как они взаимодействуют между собой. Законы справедливы для всех. «.Вещество обладает такими свойствами, которые можно понять, — писал английский физик Р. Фейнман в своих «Лекциях по физике», — не изучая подробно его строения. Поисками соотношений между различными свойства ми вешеств, не углубляясь в изучение их внутреннего строения, и занимается термодинамика. Исторически термодинамика стала наукой еще до того, как более иди менее точно узнали о внутреннем строении вещества». Итак, апеллируя к обобщенному в форме законов опыту, термодинамика не обязана обосновывать свои ответы ссылками на устройство тел, на особенности взаимодействия частиц. Почти как у А. П. Чехова в «Письме к ученому соседу»: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». И это не ограниченность термодинамики, это — ее особенность. Закон есть закон.
      Таким образом, в основе термодинамики лежит опыт, многократно проверенный и обобщенный в форме законов, а не модели, отражающие каши, как правило, упрощенные представления о свойствах материи. Вот почему законы термодинамики остались незыблемыми в бурях «физических революций». Их не поколебали ни квантовая механика, ни теория относительности.
      Я привлеку в союзники самого А. Эйнштейна: «Теория оказывается тем более впечатляющей, чем проще ее предпосылки, чем значительнее разнообразие охватываемых ею явлений и чем шире область ее применимости. Именно поэтому классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление. Это единственная общая физическая теория, и я убежден, что в рамках применимости своих основных положений она йикогда не будет опровергнута».
      Опираясь на обобщенный опыт, на законы, термодинамика дает очень категорические ответы на вопросы. Спросим, например, может ли быть, чтобы температура тела самопроизвольно повысилась без источника тепла? «Нет, никогда! — ответит термодинамика. — Должен бьпь источник тепла: печка или машина, совершающая работу, которую можно превратить в тепло, например, посредством трения». Тепло может поставлять и экзотермическая химическая реакция. Болезнь, от которой повышается температура, — это как раз химические процессы в организме, которые служат источником тепла. «Нет» термодинамики — это истина в последней инстанции, опротестовывать эго решение некуда.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ