Яков Гегузин - Капля

Все может произойти и по иному механизму. Допу­стим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда бу­дут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики сле­дует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существова­ние в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристал­ла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.

Итак, в объеме кристалла имеется капелька насыщен­ного раствора его вещества. Вначале — о форме этой капельки. Если капля «маленькая» (в том смысле, который обсуждался в очерке об опыте Плато), ее форма будет такой, при которой энергия на границе капелька — крис­талл окажется минимальной. В опыте Плато капля жид­кости граничит с жидкостью, аморфное вещество с аморф­ным веществом. Это значит, что поверхностная энергия границы во всех направлениях одинакова, и поэтому наи­меньшей энергия всей границы будет тогда, когда наименьшей будет ее поверхность. Для этого капля дол­жна принять сферическую форму. Если же жидкая капля расположена в кристалле, аморфное тело граничит с крис­таллом, энергия границы жидкость — кристалл, как и поверхностная энергия границы кристалл — воздух, будет зависеть от направления. В этом случае наименьшей пол­ная энергия границы будет у капли несферической формы. Капля приобретает равновесную огранку, такую, какую продиктует ей равновесная огранка кристалла; например, капля в объеме кристалла каменной соли будет кубиче­ской, в других кристаллах она будет иметь более сложную форму — восьмигранника, пирамид, которые сложены ос­нованиями, и т. д.

«Немаленькая» капля деформируется силой тяжести. Это во всяком случае происходит с каплей, которая свободно лежит на твердой поверхности. И нет основания для того, чтобы капля в кристалле не испытывала на себе действия этой силы. Складывается непростая ситуация: капля стремится расплющиться, так как при этом понизится ее центр тяжести и уменьшится ее потенциальная энергия, а кристалл — сохранить полость, содержащую каплю, та­кой, при которой энергия ее поверхности будет наимень­шей. Любое изменение формы равновесной полости приве­дет только к увеличению ее поверхности, а значит и по­верхностной энергии. В этой противоречивой ситуации капля и кристалл находят оптимальное решение.

Естественно может возникнуть недоумение: неужели капля способна вынудить кристалл изменить свою фор­му? Усилиям наших пальцев массивный кристалл соли не поддается, как же он подчиняется воле капли? Дело в том, что капля может сделать то, чего не могут сделать наши пальцы; она растворит в себе немного соли с боковых поверхности полости и поможет этой соли переместиться на верхнюю поверхность. Таким образом, верхняя по­верхность приблизится к нижней, и центр тяжести пони­зится, а с ним понизится и потенциальная энергия капли.

В ископаемых минералах, в частности в естественных кристаллах солей, тысячелетия подвергавшихся действию силы тяжести, можно найти множество жидких приплюс­нутых включений. Выть может, именно сила тяжести их и расплющила?

Я вспоминаю великолепный кинофильм, который был снят Г. Г. Леммлейном в первые послевоенные годы. Главными героями этого фильма были кристаллы натрие­вой селитры с жидкими включениями — каплями раствора натриевой селитры в воде. Особенно запомнились два эпизода, которые впоследствии Леммлейн описал в одной из своих статей.

Сценарий первого эпизода был следующим. Поверх­ность кристалла натриевой селитры с жидким включени­ем — каплей — ярко освещалась мощной лампой. Неболь­шой участок поверхности, вблизи которого было включе­ние,— зачернен. Оказывается, капля начинает медленно двигаться по направлению к черному пятнышку. Съемка велась в замедленном темпе, чтобы при демонстрации лен­ты с обычной скоростью движение капли можно было отчетливо наблюдать.

Жидкая капля самопроизвольно движется в твердом кристалле по направлению к лампе! Возникают вопросы: к излучаемому ею свету? или к теплу? почему движется? как движется?