Ирина Радунская - Безумные идеи
В последнее время возникла удивительная гипотеза относительно поведения материи в столь сильно спрессованных, звездах. Научный сотрудник Физического института Академии наук СССР Д. Киржниц путем математических расчетов пришел к выводу, что при звездных температурах в миллионы градусов спрессованное вещество, из которого состоят звезды, представляет собою вовсе не раскаленный газ, а... кристалл.
Это предположение кажется просто парадоксальным. Ведь при звездных температурах атомы движутся с огромной скоростью. Их скорость – около 100 километров в секунду (а это ведь в 10 раз превышает скорость космической ракеты) – не позволяет атомам остановиться, удержаться на месте. Так как же они могут связаться в кристалл? Какие силы могут упорядочить, приостановить стремительное движение атомов?
Д. Киржнин, проанализировав полученные уравнения, доказал, что сверхвысокое давление, существующее в центрах звезд, буквально делает чудеса. При сверхвысоких плотностях вещества появляются силы, способные «остановить» атомы, способные выстроить их в порядок, характерный для кристаллического твердого тела.
Именно в центрах «белых карликов» и существуют подходящие для кристаллизации колоссальные сжатия, и поэтому, по мнению ученого, их раскаленная сердцевина – это кристалл. Гипотеза Д. Киржница ставит перед учеными пока неразрешимые вопросы о непостижимом поведении материи под действием колоссальных давлений.
Это происходит при почти крайних давлениях, существующих в природе. Что же удивительного в том, что даже при давлениях, достижимых в лабораториях и не превышающих пока сотни тысяч атмосфер, поведение вещества не похоже на обычное.
Как солдаты в строю
Особенно удивило ученых поведение твердых кристаллических тел, сжатых высоким давлением. Если сжатый газ превращается в жидкость, а жидкость в твердое тело, то как же действует высокое давление на кристаллическую решетку? – не раз задавали себе этот вопрос физики. Просветив одно из кристаллических тел, хлористый рубидий, рентгеновыми лучами, они увидели необычайно любопытную картину.
Хлористый рубидий – одно из распространенных неорганических соединений, по свойствам напоминающее поваренную соль. Атомы хлора и рубидия расположены в его молекуле удивительно конструктивно, словно пчелиные соты. Представить себе эти построения очень просто.
Нарисуйте куб. На пересечении его ребер, в углах, а также в середине граней нарисуйте по одному маленькому кружочку. Эти места занимают атомы рубидия. В середине ребер и в самом центре куба поместите кружочки поменьше. Это атомы хлора. Такая картина соответствует расположению атомов 'в кристаллической решетке хлористого рубидия при атмосферном давлении. Как говорят кристаллографы, атомы хлора и рубидия образуют кубическую решетку с центрированными гранями.
Теперь представьте себе, что на этот крошечный кубик обрушивается молот и сжимает его с силою 5 тысяч атмосфер.
Конечно, вы не сомневаетесь, что кубик смят, уничтожен, от него не осталось даже «мокрого места»! Однако...
...В минувших веках полководцы, готовясь к бою, расставляли армию в строгом порядке, придавая строю наиболее маневренную и боеспособную форму. И атомы в твердом теле, будто солдаты в строю, занимают каждый свое определенное место, создавая причудливый узор кристаллической решетки. Оказывается, эти ажурные построения атомов твердого тела необыкновенно прочны. Даже под очень высоким давлением солдаты-атомы не разбегаются. Под напором противника они дисциплинированно перегруппировываются в более плотные построения, занимая еще более организованную обороноспособную позицию!
Именно это и случилось с атомами в молекуле хлористого рубидия, которые мы подвергли жестокому испытанию. Сжатые чудовищным давлением, они внезапно перестроились и заняли новое положение, более экономичное с точки зрения занимаемого объема. Они образовали новую решетку, тоже кубическую, но в отличие от первой в ней уже нет атомов в центре каждой из граней. Зато в центре каждого куба, образованного восемью атомами рубидия, появилось по дополнительному атому рубидия. Этот тип структуры называется объемно-центрированной решеткой. Точно такие же объемно-центрированные кубы образуют при этом атомы хлора. При таком расположении атомов в кристалле меньше свободного места. Давление упаковало атомы вещества более экономно.
Можно сказать, что давление ловко использовало возможность, которую создают люди, когда хотят сэкономить место при упаковке громоздких предметов. Чтобы перевезти с одного места на другое механизмы, приборы или мебель, мы часто разбираем их на отдельные детали. При этом можно достичь более плотной упаковки.
Давление тоже воспользовалось тем обстоятельством, что атом, эта ажурная конструкция, очень неэкономичен с точки зрения упаковщика. Образно говоря, в атоме так же много свободного места, не занятого ядром и электронами, как в стакане, в котором летает лишь несколько пылинок. Вот давление и разобрало неэкономную конструкцию и сложило из ее деталей более совершенную и стойкую.
Цель достигнута
Рентгеновы лучи, позволившие расшифровать структуру кристаллической решетки хлористого рубидия и других веществ, открыли и тайну алмаза. Они показали, наконец, в чем состоит отличие алмаза от графита.
Оказалось, в графите атомы углерода образуют плоские слои, в каждом из которых атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников, напоминающих бетонные плиты, которыми покрывают взлетные полосы современных аэродромов. Атомы, лежащие в соседних слоях, связаны между собой слабо.
В алмазе атомы углерода образуют пространственную решетку, в которой атомы сильно связаны между собой во всех направлениях.
Ученые убедились, что перегруппировка атомов углерода в более стойкую формацию и рождает алмаз.
Работа закипела с новой силой. Так, значит, строили планы охотники за алмазами, нужно изменить расположение атомов в графите и сделать его таким же, как в алмазе. Вот и все! Для этого надо расшатывать атомы в кристаллической решетке графита высоким давлением до тех пор, пока они не перескочат на свои новые места.
Поиски путей получения искусственных бриллиантов продолжались. Известный американский физик П.В. Бриджмен решил подвергнуть графит очень высокому давлению. Он довел давление до грандиозной в земных условиях величины – до 400 тысяч атмосфер. Но он совершил ошибку – проводил опыты при комнатной температуре, и они не дали желаемого результата.
Советский ученый О.И. Лейпунский путем теоретических изысканий подтвердил, что графит можно превратить в алмаз только при одновременном действии высокого давления и высокой температуры. По его подсчетам, температура должна быть не меньше 2 тысяч градусов Кельвина, а давление не ниже 60 тысяч атмосфер.
И вот трое зарубежных ученых: Гунтер, Гезелле и Ребентиш нагревают графит до температуры в 3 тысячи градусов Кельвина, затем сжимают его под давлением в 120 тысяч атмосфер, и... ничего не получается. По их мнению, опыт длился слишком малое время, и графит не успел перекристаллизоваться в алмаз.
Чем больше бились ученые над проблемой получения искусственных алмазов, тем больше приходили к мысли, что они никогда не были получены в лабораторных условиях. Тем более они не могли быть добыты в условиях, при которых проходили опыты Хэннея и Муассана. Однако исследования продолжались.
Особенно активно поиски путей получения искусственных алмазов велись в США. Ведь там нет таких природных алмазных россыпей, какие есть у нас, в Южной Африке, Индии, Бразилии. В США алмазы ввозились из-за границы и стоили недешево.
Потребность же промышленности в алмазах очень велика.
Алмазные сверла, резцы, фрезы для бурения самых крепких пород, инструмент для правки шлифовальных кругов, наконечники к приборам измерения твердости и чистоты поверхности, пилы для резки гранита и мрамора, подшипники для особо точных приборов и морских хронометров – вот далеко не полный перечень применения алмазов в технике. Это ставило алмазы на одно из первых мест в списке стратегического сырья США. Начиная с 1941 года поиски искусственных алмазов считались одним из центральных научных направлений.
Более четырех лет группа ученых: Бенди, Холл, Стронг и Вентроп, работавших в «Дженерал электрик компани», трудилась над созданием аппаратуры, в которой можно было бы в течение 6...8 часов поддерживать давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 2300 градусов Кельвина. И они добились успеха.