Яков Гегузин - Капля
Почему же капли не «примерзают» к поверхности кристалла? Это, действительно, странно — ведь жидкость великолепно смачивает собственную твердую фазу. Помните рассказы о капле ментола, осушенной ментоловой иглой, и о первой капле талой воды, рожденной снегом? Капле на поверхности горячего кристалла полагалось бы растечься, а не оставаться сферической! Видимо, между жидкой каплей и поверхностью кристалла имеется тончайшая газовая прослойка, и капля существует на ней, будучи как бы подвешенной в воздухе.
И еще: появлению жидкой капли на поверхности испаряющегося или кристаллизующегося из газовой фазы кристалла паратолуидина могут способствовать пары воды в атмосфере, окружающей кристалл. С водой паратолуидин образует сплав, который становится жидким при температуре ниже 44 °С. Паратолуидиновой капле, содержащей немного воды, проще быть жидкой при температуре ниже 44° С, чем капле чистого паратолуидина.
На второй вопрос ответ получился некатегорическим, но вполне правдоподобным.
Теперь о расширении шлейфов. Вот здесь полная ясность. Расширяются они потому, что шлейф создается не только движущейся каплей, но и одиночными атомами, которые при росте кристалла оседают на боковых торцах положительного, а при испарении кристалла отрываются от боковых торцов отрицательного шлейфа. Чем дальше участок бокового торца шлейфа от движущейся капли, тем больше времени с ним взаимодействуют одиночные атомы и тем шире он.
Закон сохранения вещества в процессе создания каплей шлейфа, конечно же, не нарушается. Создавая положительный шлейф, капля живет дольше, чем можно было ожидать, по причине очевидной: она себя расходует на создание шлейфа, но при этом питается за счет тех атомов, которые оседают на ней из паровой фазы. Вопрос о законе сохранения вещества в нашем перечне был последним, и ответом на него можно закончить рассказ о каплях со шлейфом.
Капельный след
Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, движущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить себя исследованиям в области физики атмосферных явлений. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.
В судьбе капель его интересовало все: как они зарождаются и растут, как испаряются, как меняются под влиянием различных внешних обстоятельств.
О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, может быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и узких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементарных заряженных частиц. Этому прибору — он называется камерой Вильсона — суждено было сыграть исключительную роль в развитии физики в XX веке.
Первые исследования Вильсона были посвящены изучению механизма зарождения капель. У него были талантливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию капель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым поршнем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стакане образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воздух немного охлаждается, так как для того, чтобы расшириться в пустой объем, освободившийся вследствие смещения поршня, воздуху надо потратить часть своей энергии. То количество влаги, которое до расширения насыщало воздух под поршнем, после расширения, когда воздух охладился, частично оказывается в избытке и выпадает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над поверхностью моря), то в момент расширения туман не возникает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель — «ядра Айткена».
Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тщательно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.
Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождаемое тщательным измерением коэффициента скачкообразного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему (К). Результат: Айткен прав до значений К ≤ 1,252.
Шаг второй. Исследования формирования капель при значениях К 1,252 в воздухе, тщательно очищенном от посторонних примесей. Результат: до значения К = 1,370 в воздухе образуются крупные капли тумана, которые дождем падают на дно камеры; при К = 1,370, когда, как оказывается, пересыщение становится восьмикратным, процесс резко изменяется, в камере возникает густой, молочный, плотный туман. Предотвратить этот процесс оказалось невозможным. При таком огромном пересыщении центрами конденсации становятся комплексы случайно столкнувшихся молекул влаги. «Ядра Айткена» для этого не нужны.
Шаг третий. Он был сделан в 1896 г., вскоре после того, как Рентген открыл γ-лучи. Сквозь туманную камеру пропускались рентгеновские лучи. Результат: густой туман возникает и при К < 1,370. Догадка: возможно, ионы, которые образуются под влиянием рентгеновского облучения, являются центрами конденсации. Проверочный опыт: в облучаемом пространстве камеры установлены электроды, к которым подана разность потенциалов. Электрическое поле должно убрать ионы, и, если они являются центрами конденсации, образования капель не должно происходить. Опыт закончился предполагаемым результатом, подтвердил догадку.
Логическая строгость мысли и тщательность экспериментатора привели к крупному открытию. Его сущность можно сформулировать так: заряженные ионы являются центрами конденсации капель в пространстве, пересыщенном влагой.
А затем последовало еще множество шагов. Каждый шаг — это сомнение, радостное и изнуряющее экспериментирование, тщательность, сопровождаемая ухищрениями, годы кропотливого труда, посвященные познанию капли. Было выяснено, что диаметр капель в густом тумане имеет размер около 0,1 микрона, что в 1 см3 тумана около 100 000 000 капель, что на положительно заряженных ионах капли образуются легче, чем на отрицательно заряженных.
И, наконец, в 1911 году — решающий шаг.
Вильсон исходил из такого предположения: если в объеме камеры ионы распределены не хаотически, а закономерно, возникшие на них капли должны образовать не молоко равномерного тумана, а определенный ансамбль, повторяющий закономерность расположения ионов в объеме. Если в камере пролетит ионизирующая частица и на своем пути оставит цепочку ионов, капли, образующиеся на них при расширении камеры, составят капельный след. Частицу видеть нельзя, но можно увидеть путь, вдоль которого она пролетела. Был поставлен опыт: в камере помещался источник α-частиц, и в момент расширения объема камеры отчетливо наблюдались треки — капельные следы, вдоль которых α-частицы пролетели.
Видимо, в действительности все обстояло не так последовательно, строго и организованно, как здесь это описано: мысль — эксперимент — успех! Видимо, цепочка не была такой прямой. Путь к успеху лежал через случайные наблюдения, которые ускользнули бы от невнимательного глаза, через неудачные попытки воспроизвести случайное наблюдение, через минуты и дни отчаяния, когда казалось, что того случайного наблюдения в действительности и не было.
Семнадцать лет Вильсон изучал образование капель в своей лаборатории один, с глазу на глаз с туманной камерой, а после 1911 года камера Вильсона стала достоянием всего человечества: вильсоновские камеры разнообразных усовершенствованных конструкций используются почти во всех лабораториях мира, изучающих строение вещества.
