Яков Гегузин - Капля

К появлению капель влаги на поверхности кристалла можно было отнестись по-разному. Например, решить, что обращаться с образцом надо поаккуратнее, не дышать на него, чтобы ничто постороннее не помешало наблюдать истинную структуру поверхности. Леммлейн, однако, по­ступил совсем не так, а в некотором смысле наоборот. Он немедленно воспроизвел явление, специально поды­шал на кристалл и убедился в том, что исчезнувший узор, очерченный росинками, появился снова. А затем воспроиз­вел еще и еще раз и убедился, что росинки не мешают уви­деть истинную структуру поверхности кристалла, а на­оборот, благодаря им очерчиваются такие тонкие детали рельефа, перед которыми обычная техника оптической мик­роскопии бессильна. Так был открыт «метод росы» Леммлейна. Сущность его заключается о том, что на холодной поверхности кристалла роса оседает вдоль различного вида неоднородностей поверхности — ступенек, контуров микроскопических ямок — участков, где почему-либо сконцентрировался электрический заряд.

20 марта 1945 г. на заседании отделения физико-мате­матических наук АН СССР Г. Г. Леммлейн рассказал о своем открытии. Говорил о том, что поверхность реально­го кристалла, кажущаяся гладкой, зеркальной, велико­лепно отражающая свет, в действительности имеет очень тонкий рельеф. Благодаря росинкам можно сделать ви­димыми в оптическом микроскопе ступеньки, высота ко­торых в 10 раз меньше длины волны видимого света. В пересчете на межатомные расстояния это около 10 атомных ступенек!

Фотография одного и того же места поверхности кристалла. Справа — до декорирования, слева — после декорирования водяными каплями

Декорирование поверхности монокристалла поваренной соли твердыми капель­ками золота. Фотография получена в электронном микроскопе при увеличении в 40 000 раз

«Метод росы» — великолепная находка естествоиспы­тателя. Беда только, что роса быстро испаряется и кар­тина декорирования деталей структуры поверхности ис­чезает. Появилась мысль осаждать на поверхность кри­сталла росу не водяную, а из другого вещества, которое испаряется медленнее. А можно поступить иначе: оса­ждать росинки из вещества, которое закристаллизуется, и детали рельефа будут декорированы не жидкими, а твердыми, застывшими капельками. Вещество было найдено — хлористый аммоний. «Метод росы» превратил­ся в «метод инея» — надежный способ обнаружения и ис­следования тонкого рельефа поверхности.

А потом, как это часто бывает в истории науки, идея на­чала жизнь, не зависящую от автора. В разных лаборато­риях изыскивали вещества, с помощью которых можно декорировать детали поверхностного рельефа на различ­ных кристаллах. Например, поверхность каменной соли можно декорировать парами золота, другие кристаллы парами висмута, сурьмы, иных веществ. Таким обра­зом научились обнаруживать неоднородности поверх­ности, как принято говорить, «на атомном уровне».

В тот же день Леммлейн сделал еще одно открытие: рассматривая кристаллы карборунда, покрытые капель­ками росы, он заметил, что на некоторых участках поверх­ности росинки располагаются в форме спиралей. Это не случайные структуры — капельные спирали свидетель­ствуют об особом механизме роста кристаллов карборун­да. Теперь этот механизм подробно изучен и получил на­звание механизма слоисто-спирального роста.

Эта засада не преследовала никаких агрессивных целей: ни пленять, ни тем более убивать росу мы не собирались — просто хотели проследить за тем, как на рассвете появля­ются росинки на листьях и паутине и как они исчезают с восходом солнца. Следили и за теми росинками, которые выпадают после дождя, когда воздух влажный и теплый. И вооружение у нас было самое мирное: кинокамера, фо­токамера и лампа со вспышкой. А наши трофеи — отсня­тые пленки и свежие наблюдения из числа тех, которые лишенная эмоций оптика не регистрирует.

Вначале немного сведений о росе, заимствованных из школьного учебника. В окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое количество влаги. Есть, однако, пре­дел ее содержанию, и если почему-либо в воздухе влаги оказалось больше этого предельного количества, она начнет выпадать, оседая на различных предметах отдель­ными каплями. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги может в нем находиться, не выпадая в росу. Если же воздух, содержащий определенное ко­личество влаги, охладить, при некоторой температуре имеющийся в нем запас влаги ста­нет предельным и появится роса. Этот процесс подобен тому, что происходит в стака­не воды с растворенной в ней солью. Охлаждая воду, мы увидим, что при некоторой температуре на дне стакана начнут появляться кристал­лики соли — подобие росы.

Так с восходом солнца исчезает роса на траве

А так — на паутине

Любопытное наблюдение. Когда солнце, согревая воз­дух, начинает высушивать росу на траве, создается впе­чатление, будто росинки ста­новятся крупнее. В какой-то мере это только впечатление, потому что раньше других испаряются мелкие капли, а оставшиеся крупные росинки способствуют впечатле­нию, будто средний размер увеличился. А в какой-то мере увеличение росинок дей­ствительно происходит, во всяком случае может проис­ходить, поскольку избыточ­ная упругость пара вблизи изогнутой поверхности роси­нок ( Δ Р ) и радиус кривизны их поверхности связаны со­отношением Δ Р ≈ 1/ R , то вблизи крупных росинок Δ Р меньше, чем вблизи мелких. И поэтому может происхо­дить перенос влаги от мел­ких росинок к крупным. Именно об этом было под­робно рассказано в очерке «Капля пустоты» на примере реальных капель и на при­мере пор.

Дождевые росинки обычно крупнее тех, которые возни­кают на рассвете. Капли па­дающего дождя редко задер­живаются на паутине: иногда они ее рвут, а иногда, задер­жавшись на мгновение, про­должают свой полет на зем­лю, и лишь капли морося­щего дождя оседают на ее нитях. А когда дождь прошел и воздух в избытке напитан влагой, на паутине появ­ляется обильная роса: осевшие из влажного воздуха ро­синки располагаются вдоль нитей паутины, изгибая их. Самые крупные капли оседают на переплетениях нитей — в узлах паутины. Они и живут дольше других, когда со временем росинки, испаряясь, исчезают с паутины.