Яков Гегузин - Капля

Мысленно поставим опыт, некогда выполненный Леммлейном, и проследим за происходящим. Расположим под стеклянным колпаком кристалл, за которым будем вести наблюдение. Кристалл должен лежать на обогревае­мой пластинке, и его температура должна быть на 1—3° С ниже температуры плавления.

Для определенности предположим, что эксперименти­руем мы с кристаллом сложного органического вещества— паратолуидином, поскольку именно с таким кристаллом экспериментировали в лаборатории Леммлейна. Пла­вится он при температуое 44° С. В стороне от кристалла под колпаком расположим маленькую печку с тигель­ком, в котором плавится и испаряется паратолуидин. Вскоре пространство под кол­паком заполнится парами паратолуидина, которые долж­ны будут оседать на поверх­ности подогретого, но нерасплавленного кристаллика. Он при этом будет подрастать, увеличиваться в объеме. Стеклянный колпачок надо сконструировать так, чтобы сквозь него было удобно с помощью микроскопа наблюдать за поверхностью расту­щего кристалла.

Движение капли, оставляющей за со­бой шлейф в процессе кристаллизации

Посмотрев в микроскоп, мы увидим, что на поверхности кристалла имеется множество капель разных размеров — от 1 до 20, а иногда и до 30 микрон. Далее мы увидим, что какая-либо из капель, блуж­дая по поверхности, коснет­ся торца одной из ступенек, которых на поверхности кри­сталла множество. А после этого произойдет неожидан­ное: капля, пытаясь уйти от торца ступени, будет остав­лять за собой шлейф, высота которого вровень со сту­пенью. Шлейф окажется ча­стью ступени, ее продолже­нием. Движущаяся капля будет себя расходовать на образование шлейфа и в конце концов исчезнет.

Однако она исчезнет поз­же, чем ей надлежало бы ис­чезнуть, если полагать, что капля перестанет существо­вать в точности тогда, когда объем вещества в созданном ею шлейфе станет равным ее начальному объему. Любо­пытная деталь: шлейф, остаю­щийся за каплей, увеличи­вает свою площадь не толь­ко в направлении смещения капли, но и в перпендикуляр­ном направлении, и поэтому у своих истоков он оказы­вается значительно шире, чем начальный диаметр капли (истинному шлейфу так и по­ложено к концу расширять­ся).

Движение капель, в процессе испаре­ния оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы

Мы увидим еще много и иных подробностей: некото­рые капли, пристав к ступе­ни, будут двигаться по спи­рали, оставляя за собой фа­сонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой сту­пенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.

Видоизменим опыт, обра­тив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком до­статочно низким, чтобы кри­сталлик, за которым мы наб­людаем, смог испаряться. До­стичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выклю­чить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по по­верхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет про­исходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, обра­зуя слои, а при испарении — слизывая их.

Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопро­сов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, ос­таваясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.

Жидкая фаза — а капли жидкие! — является проме­жуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразно­го состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кри­сталла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кри­сталла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкно­вений огромного количества блуждающих по ней одиноч­ных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.

Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кри­сталла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавле­ния; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверх­ность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исклю­чены.

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.