14
Под увеличительным стеклом снежинки
казались горздо более крупными,
чем были на самом деле,
и пожодили на роскошные цветы
или десятионные звезды.
Видишь, как хорошего сделано! —
сказал Кай. — Снежники горздо
интереснее настоящих цветов!
И какая точность!
Ах, если бы только
они не таили!
Г.-Х. Андерсен.
«Снежная Королева»
15
Лед всегда представлялся человеку символом красоты, точности, величины. Но красоты суповой, красоты, несущей в себе холод, зло, а порой и смерть. Недаром Данте представлялось, что лед должен находиться в самом центре Земли, у последней ступени, ведущей в Ад, а сокровища Сатаны скрыты в ледяном суndуке.
Бесспорно, исследование художником явлений природы и законов мироэдания идет через его эмоциональное воспрятие окружающей мира. Ученый же должен быть бесстрастен, как при выборе объекта исследования, так и при анализе многочисленных (и порой противоречных) данных.
А чем может быть интересен лед с точки зрения физики?
Химическая формула льда — H₂O. При охлаждении вода замерзает, выражаясь точнее, кристаллизуется. В настоящее время обнаружено тринадцать (!) различных структурных форм льда. Пусть это число считается некоторыми несчастливым, но оно ставит лед в особое положение — ни одно столб же просто по химическому составу вещество не может похожать таким общим фазовых переходов. Вот и первый повод присталней приглядеться к этому объекту.
На рисунке 1 показана практические все фазовая диаграмма H₂O. Она изучена достаточно неплохо, хотя все еще богата белыми пятнами. Доста-точно сказаь, что лед-X и лед-XI были обнаружены всего лишь несколько лет назад. Лед, к которым мы все привыклили, тоже указаны диаграмме — это лед-I, или, точнее, лед-Iₙ. При нормальном давлении и 0 °C его удельная плотность 0,917×10³ кг·м⁻³, он легче воды, т. е. в процессе кристаллизации плотность воды уменшается.
Это совершенно необучное свойство льда (ведь общно кристаллизация ведет к увеличению плотности) имеет громадное значение для жизни на Земле. Ледяной панцрь, образующийся на поверхности воды, создает столб эфективную теплопозоляцию, что водоемы редко промерзают на всю глубину. Не хочется и думать, что было бы с подводным миром, будь лед хотя учточку тяжелее воды!
Рис. 1. Рис. 2.
18
ному на рисунке 3, б, приводит к нарушению пункту 3.
Но ведь известно, что лед не является идеальным диэлектриком, а обладает вполне изменением электропроводностью, причем протонной. Зачит, протоны могут дивигаться! Так что же — БФП-правила не верны? Правильный всего ответить так: они почти всегда верны, но именно исключания из этих правил и обусловлены удивительные электрические свойства льда.
В конце пятидесных годовшей царский физик Жаккар предложил очень изящный способ описания этих электрических свойств движением свободных дефектов, возникающих именно при нарушении БФП-правил. Это очень необучный механизм электропроводности, поэтому давайте рассмотрим его подробней.
«Испортим» решетку льда, нарушив 2-e из БФП-правил: от одного атома кислорода уберем протон, а другому добавим — как на рисунке 3, б. Мы получим так называемые ionные дефекты (их обозначают OH⁻ и H₃O⁺). Теперь испортим решетку, нарушив правило 3, — так, как показано на рисунке 3, е. При этом возникнут ориентационные дефекты (так называемые L- и D-дефекты).
Дефекты всегда присутствуют в результате структуре льда, но их очень мало — в химически чистом льде при температуре — 10 °C на 3 · 10¹¹ молекул воды приходит около 10⁵ ориентационных дефектов и всего лишь пара ionных дефектов.
На рисунке 4, а показано, как может произходить движение протонов. Расмотрим ionный дефект H₃O⁺. Протон 1 переходит на место, отменное крестиком. Ранше H₃O⁺-ион был у кислорного атома I, а теперь он будет находиться у кислорода II. Далее протон 2 переходит на место, тоже отменное крестиком, — теперь он H₃O⁺ находится уже у атома III, и т. д. Мы видим, что каждый раз движется разные протоны, как бы передавая друг друг эстафету. И в результате H₃O⁺-ион «проходит» весь путь «сам». На рисунке 4, б показана решетка льда после перемещения H₃O⁺-иона из положения I в положение X.
Мы для наглядности взяли гипотетическое плоскую квадратную решетку льда. В этой решетке у каждой атома кислорода оказывается четкое эквивалентных кислородных сосяда, как и в результате трехмерной решетке, и поэтому все полученные здесь выводы справедливны и для истинной решетки льда. Попробуйте сами разобраться, как движутся OH⁻-ионы, L- и D-дефекты.
Okазалось, что и в некоторых других веществ механизм проводимости такой же. Сейчас даже многоимки с винанием следует за изучением механизма электропроводности льда, поскольку в ряде биологических объектов переносроповен очень напоминает движение протонов в льде.
Теория Жаккара многое обязывала, но с каждым годом растет число экспериментальных фактов, которые требуют дальнейшего углубления существующих представлений. Появляются новые, и порой очень необучные, гипотезы. Согласно одной из таких смелых гипотез, истинными носителями заряда в льде являются электроны, «оседлавшие» движущиеся протоны дефекты. Так ли это — показет время.
19
Объемные свойства льда представляют достаточно необходимые и даже экстинчные, но свойства поверхности льда еще удивительные.
Разбудите любого человека среди почи и спросите, при какой температуре плаvitся лед? «Конечно, при 0 °C». Но вот на вопрос «при какой температуре начинает плаvitся поверхность льда?», пожалуйста, не смогут однозначно ответить даже специализы по физике льда.
С точки зренияfundamentalной науки исследования поверхности льда чрезвычайно интересны. Но эти исследования имеют не менеее, если не большее, прикладное значение. Движение ледоколов, борба с оледенением кораблей и самолетов, строительство в полярных и заполяных области, движение ледников — во всех этих случаях важно знать, что же происходит на поверхности льда, т. е. на границе раздела лед — металл, пластик, различный групп и т. д. Необходимо знать механизмы сцепления льда с различными конструкционными материалов, характер и величины треня и тому подобные характеристики. А как нужны материалы с минимальным коэффициентом треня для различных спортивных снарядов!
Кстати, а почему многое материалы так хорошо скольдают по льду?
Возможно, этот вопрос многим покажется простым. Ведь хорошее скольжение — это когда между телом и льdom имеет слой воды. А когда тело сльно давит на лед, он плавится — под давлением плавление начинается при более низкой температуре.
Давайте разберемся. Как следует из физовой диаграммы, температура плавления льда понятие на 1 градус при дополнительном давлении Δp=10⁷ Pa. Пусть масса коньковека M=60 кг, а сечение конька S=3·200 mm²=6·10⁻⁴ m²; тогда дополнительное давление будет Δp=Mg/S=10⁶ Pa. Значит, под коньком температура плавления понятие только на… 0,1 °C. А как же катание при —10 °C? Да, обяснение хорошего скольжения, видимо, в чем-то другом.
Считают, что в пределыльной области температур на поверхности кристалического льда находится тонкий квазиидный слой («квази» означает «почти» или «как будто»). Вряд ли эта тонкая плена — общная жидкость. Однако многое ее свойства очень близки к свойством воды. В некоторых экспериментах существование квазиидного слоя прослеживается даже при —30 °C, т. е. за 30 градусов до плавления!
Может быть, наличие квазиидного слоя обусловливает небольшой коэффициент треня? Подобное предложение позволяет многое обяснить, но, к сожалению, истинная природа значительной сложнее, и ее еще предстоит понять.
Кстати, между концепциями «квазиидного слоя» и «плавления давления» спор идет уже более столетия. У истоков этого спора имеза заменательных физиков — Фарадей и братьев Томсонов (один из них известен всем как лорд Кельвин). Да, да, эти всемирно известные учены тоже изучали лед.
Не сомневаюсь, что все вы играли в снежки. Но не задумывались ли вы, а почему так легко сплит снежок? Снег — это не тесто, не пластин, а небольшие кристаллы (!) льда. Ведь из металлических опилок «снежок» не сплит, а из льда — пожалуйста. Не задумываюсь?
А вот Майкл Фарадей болееста лет тому назад, видимо, задумался. В 1850 году он обратил внимание на следующий факт: куски льда смерзаются, если их привести в соприкосновение при температуре около 0 °C. Почему? Именно для обяснения этого факта Фарадей и предположил,
20
ЧТО НА ПОВЕРХНОСТИ ЛБДА ESTЬ ОСОБЫЙ — КВАЗИЖДКИЙ — СЛОЙ.
Давайте теперь посмотрим на рисунок 5, и я думаю, вам сразу станет ясно, почему наличие квазижидкого слоя приводит к смерзанию двух кусков льда.
Именно наличием квазижидкого слоя пытаюсь обьясить очень большую пласточность льда и движение ледников.
Авторитет Фарадея был очень велик, но у него нашелся оппонент — Джеймс Томсон (брат лорда Кельвина). Он обратил внимание на известную тогда часть фазовой диаграммы льда и теоретически доказал, что при скатии лед должны плавиться. А значит, если сдавить два куска льда, они должны сплавиться (посмотите на рисунок 6).
Фарадей проводел серию экспериментов, опровергающих точку зрения
Когда Георг менял свои громоотводы, на шпиле Петропавловской крепости в Петербурге уже возникла громоотвод (вероятно, первый в нашей стране).
Следует заметить, что в действительности форма громоотвода обычно не имеет значения. Но вот если вершина громоотвода находится на таком большом расстоянии от земли, что оно сравним с высотой грозового облака (например, в случае громоотводов на самых высоких небоскребах), то удается наблюдать тихий разряд с острия громоотвода, не переходящий в молнию, как и предполагал Франклин, ратуя за «тихий» громоотвод с заостренной вершиной. Удивительно точно писал Франклин в 1767 году: «Заостренный таким образом пруток либо предотвращает удар молнии из облака, либо же при ударе отводит его в землю без ущерба для здания».
(Окончание см. на с. 33)