2

22.37 Б78

УДК 539.2

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

Академик И. К. Кикоин (председатель), академик А. Н. Колмогоров (заместитель председателя), доктор физ. - матем. наук Л. Г. Асламазов (ученый секретарь), член-корреспондент АН СССР А. А. Абрикосов, академик Б. К. Вайнштейн. заслуженный учитель РСФСР Б. В. Воздвиженский, академик В. М Глушков, академик П. Л. Капица, профессор С. П. Капица, академик С. П. Новиков, академик Ю. А. Осипъян, академик АПН СССР В. Г. Разумовский, академик Р. 3. Сагдеев, профессор Я. А. Смородинский, академик С. Л. Соболев, член-корреспондент АН СССР

Д. К. Фаддеев, член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский.

Бокштейн Б. С.

Б78 Атомы блуждают по кристаллу.Под ред. Л. Г. Асламазова.— М.5 Наука. Главная редакция физико - математической литературы, 1984.—208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 28) —30 коп.

Это книга о диффузии, о том, как перемещаются атомы в твердых телах, какие события разыгрываются при этом в металлических сплавах, делая их более прочными и жизнеспособными или, наоборот, приводя к разрушению и гибели. В книге объясняется, почему у атомов появляется тенденция к перемене мест и какую выдающуюся роль в диффузии играют вакансии. Именно они позволяют атому блуждать в кристалле, где господствует порядок, и каждый атом знает свое законное место. Показано, что случайные блуждания подчиняются жестким правилам, позволяющим оценить скорость диффузии. Совокупность этих правил составляет свод диффузионных законов.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие……………………………………………………………………………………………5

Введение………………………………………………………………………………………………..7

Глава 1. ПОЧЕМУ И КАК ОДНО ВЕЩЕСТВО ПРОНИКАЕТ В ДРУГОЕ……………………….9

1.Что такое диффузия?……………………………………………………………………………….9

2.Почему происходит перемешивание

Отступление 1: всемогущая термодинамика (11). Отступление 2: энтропия и вероятность (15). 3. Чем тепловое движение в атомах в твёрдых телах отличается от теплового движения атомов и молекул в газах и жидкостях………………………………………………...25 Отступление 3: мир кристаллов (30).

4.Как это происходит. Модель случайных блужданий…………………………………………...32

5.Скорость диффузии и случайные блуждания…………………………………………………...34

6.Как измеряют коэффициенты диффузии………………………………………………………...38 Отступление 4: металлы под микроскопом (41). Отступление 5: меченые атомы (48). Отступление 6: коррозия – враг металлов (51).

7.Первое знакомство с законами диффузии……………………………………………………….58

Отступление 7: твёрдые растворы (59). Отступление 8: о везении в науке (61). Отступление 9: этот странный водород (64). Отступление 10: поговорим об экспоненте (65).

Глава 2. КАК АТОМЫ БЛУЖДАЮТ ПО КРИСТАЛЛУ……………………………………….….68

1.Гипотеза Френкеля…………………………………………………………………………….…..68

Отступление11: интуиция и модели в науке (72).

2.Атомы и вакансии меняются местами…………………………………………………………...76

3.Почему возникают вакансии и сколько их………………………………………………………79

4.Где возникают вакансии……………………………………………………………………….….84

Отступление 12: дислокация (86) . Отступление 13: усы (89).

5.Как измеряют число вакансий в кристаллах и сколько их…………………………………..…91

Отступление14: современные физические методы исследования (92).

6.Частота скачков вакансий……………………………………………………………………..….98

7.Основной результат……………………………………………………………………………...101

8.Эффект Киркендола……………………………………………………………………………...102

9.Случайны ли случайные блуждания?…………………………………………………………..106

10.К чему мы пришли……...…………………………………………………………………….108

Глава 3. ЗАКОНЫ ДИФФУЗИИ, ИЛИ КАК ЭТО ДОЛЖНО БЫТЬ……………………………..110

1.Атомы преодолевают барьер……………………………………………………………………101

Отступление 15: закон больших чисел и флуктуации (112).

2.Первая модель барьера…………………………………………………………………………..116

3.Что такое переходное состояние, или умный в гору не пойдёт………………………………118

4.Вторая модель барьера…………………………………………………………………………..121

Отступление 16: о разносторонности ученого (123).

5.Третья модель барьера…………………………………………………………………………...127

6.Четвёртая модель барьера и последняя…………………………………………………………130

7.Кодекс законов о диффузии……………………………………………………………………..132

8.Как это делается по закону, или четыре задачи………………………………………………..132 Отступление 17: металл стареет (135).

Глава 4. ДИФФУЗИОННЫЕ БЕЗЗАКОНИЯ………………………………………………………140

1.Первое нарушение кодекса законов о диффузии………………………………………………140

2.Почему важны границы зёрен…………………………………………………………………..144

Отступление 18: о булатных клинках, пушках и термообработке (144).

4

Отступление 19: рекорды оже-спектроскопии (147). Отступление 20: похвальное слово авторадиографии (157).

3.Границы зёрен – пути ускоренной диффузии…………………………………………………161

Отступление 21: как устроены границы зёрен (163).

4.Второе и третье нарушения кодекса законов о диффузии……………………………………169

Отступление 22: о других путях ускоренной диффузии (171).

5.Как перемещаются атомы по специальным границам зёрен, или эстафетный бег…………175

6.Вниз по температурной лестнице………………………………………………………………177

Отступление 23: о металлических стёклах (179).

7.Четвёртое нарушение кодекса законов о диффузии…………………………………………..183

8.К абсолютному нулю температур………………………………………………………………186

Отступление 24: металлические неметаллы (187).

9.Вверх по температурной лестнице…………………………………………………………….191

Отступление 25 и последнее: где можно узнать ответ на вопрос, почему и как атомы блуждают по кристаллу (197).

Заключение…………………………………………………………………………………………...201 Упражнения…………………………………………………………………………………………..202

.

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Много лет назад дожди на пару дней заперли будущего автора этой книги на одной из карпатских турбаз вместе с несколькими актерами Московского Художественного театра. Выходить было невозможно, мы разговаривали на разные темы. В частности, речь зашла о профессии автора.

—Я занимаюсь диффузией.

—А что такое диффузия?

—Ну, вот, видите ли, если атомы...

—А что такое атомы?

По-видимому, с тех пор автора и не оставляла мечта попытаться ясно и образно рассказать, что такое диффузия на языке непрофессиональном и людям, не обладающим специальными знаниями, хотя, конечно, знающим о существовании атомов.

Ямогу сказать, чего мне еще хотелось. Во-первых, чтобы читателю было интересно, чтобы он проникся красотой этого удивительного и таинственного процесса перемещения атомов в строго организованном и плотно упакованном мире кристаллов. Во-вторых, чтобы стало видно, как разумно устроен этот мир, какие общие законы им управляют, какие многообразные связи в нем возникают. И, наконец, в-третьих, чтобы у читателя появилось ощущение несовершенства наших знаний, ощущение бесконечности процесса познания.

Красота, разум, бесконечность—все эти понятия не противоречат, а дополняют одно другое. Конечно, ученые исповедуют логику, но они, как писал Экзюпери, также «внемлют голосу муз». Хорошая теория одновременно разумна, красива и поэтична. Мне хотелось, чтобы, закрыв книгу, читатель разделил со мной это убеждение.

Японимаю, что мне хотелось многого. Как это получилось — судить читателю. Книга выходит

иживет своей жизнью. Хотя она и твое детище, но ее уже нельзя ни улучшить, ни ухудшить.

Яглубоко благодарен моему отцу, профессору С. 3. Бокштейну. Помимо того, что мои представления о жизни, науке и искусстве в значительной степени формировались под его влиянием, в этой книге просто много его мыслей и наблюдений. Я признателен моему учителю, профессору А. А. Жуховицкому, прочитавшему рукопись и сделавшему ценные замечания. Я выражаю самую искреннюю благодарность профессору Л. Г. Асламазову, без конструктивной и критической помощи которого эта книга, безусловно, не появилась бы на свет.

Автор