Живой кристалл

АТОМНЫЙ ВЗРЫВ В КРИСТАЛЛЕ

Речь будет идти не о кристалле, попавшем в зону атомного взрыва и обезображенного взрывной волной. Имеются в виду совершенно будничные, мирные условия, при которых кристалл сохраняет все отчетливо видимые добродетели: и совершенство формы, и прозрачность. Между тем не вне кристалла, а в нем происходят атомные взрывы: систематически, всегда, планомерно. Происходят и оставляют последствия.

Очерк начат интригующей загадкой, в которой, однако, нет и тени надуманности. Имеется в виду абсолютно реальная ситуация. Практически в любом естественном минерале есть малая, гомеопатическая примесь урана. Некоторые из изотопов урана, как известно, самопроизвольно распадаются. Это значит, что ядро делится (взрывается!), выделяя при этом значительную энергию. Этакая бомба, состоящая из одного атома! Такой взрыв чрезвычайно редко, но происходит самопроизвольно, и после него в кристалле остается (поселяется!) протяженная дефектная область, именуемая «трек». Этому виду дефекта и посвящен очерк.

Осколок распавшегося ядра — это тяжелый ион с отрицательным зарядом g ≈ 20е. Ядро тяжелого элемента можно искусственно заставить распасться на осколки, если выстрелить в него нейтроном и попасть. А ядро изотопа U²³⁵ очень редко, но распадается самопроизвольно, превращаясь при этом в два осколка. Каждый из двух осколков ядра уносит с собой огромную энергию W₀ ≈ 10⁸ эВ. Полученную при взрыве энергию он теряет при столкновениях с электронами и ионами, образующими кристалл. В последовательности таких столкновений и может возникнуть в кристалле дефектная область — трек. Заметим, что высокая степень ионизации осколка обусловлена эффектом, который предсказал Нильс Бор. Он обратил внимание на то, что, обладая большой энергией, а следовательно, и скоростью, осколок может как бы вырваться из наиболее удаленной от ядра части собственной «электронной шубы», так как его скорость может оказаться большей, чем скорость движения удаленных электронов. Эти электроны отстанут от осколка, а он превратится в многозарядный ион.

Из опытов следует, что трек — это не дефект «на атомном уровне», как скажем, вакансия, а дефект макроскопический, размер которого во всех трех измерениях существенно превосходит межатомный: его длина l ≈ 10^-3 см, диаметр 2r ≈ 10^-6 см. В образовании трека принимает участие ≈ 10⁹ атомов, а энергия, ушедшая на его создание, рассчитанная на одну атомную плоскость , пересекаемую треком,

W₁ = W₀ ^.a/l ≈ 3^.10³ эВ.

Эта величина в сотни раз превосходит соответствующую энергию, заключенную в дислокации, также в расчете на одну пересекаемую ею плоскость.

Теоретики давно предсказывали, что, вообще говоря, осколки должны создавать в кристалле треки. А вот экспериментаторам трек в руки не давался. Надежно он был обнаружен лишь в 1959 г. с помощью электронного микроскопа в тонких пленках двуокиси урана, а затем и в кристаллах слюды, и двуокиси циркония, и в щелочно-галоидных, и во многих, многих иных кристаллах. Треки научились обнаруживать не только с помощью электронного микроскопа, в котором они видны потому, что в области собственно трека электроны поглощаются и рассеиваются не так, как в соседних областях.

Треки можно обнаружить и техникой травления, воспользовавшись тем, что искаженная область растравливается легче, чем соседние. На каждом из треков, пересекающих поверхность кристалла, при травлении будет формироваться характерная фигура, и ее можно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. В некоторых кристаллах эту фигуру легко спутать с фигурами травления на дислокациях, но опытный экспериментатор всегда найдет надежные основания для того, чтобы не обмануться.

Физики, изучающие формирование треков в кристалле, вот уже много лет озабочены вопросом: «Суждено ли осколку создать трек в кристалле данного типа?» К сожалению, этот вопрос пока остается без исчерпывающего ответа. Нет еще оснований, зная характеристики осколка и кристалла, в котором он движется, ответить на заданный вопрос словами «да!» или «нет!». Из общих соображений ясно, что трек возникнет лишь в случае, если теряемая им энергия будет сосредоточена в малом объеме, примыкающем к траектории полета, и, следовательно, плотность выделяющейся энергии будет велика и может оказаться достаточной для локального разрушения кристалла, т. е. создания трека.

Самое важное, что удалось установить теоретикам в поисках ответа на вопрос «суждено ли?», состоит в том, что львиную долю, почти 99 %, своей энергии осколок теряет на взаимодействие с электронами. Так как обнаруживаемые экспериментаторами треки — это области искажения решетки, задача сводится к тому, чтобы понять, как энергию, полученную от осколка, электроны передают решетке... Если передают!

Мы подошли к началу лесенки, ведущей в бесконечно интересную проблему формирования дефекта под влиянием облучения. Говорят так: радиационного дефекта. Откажем себе в удовольствии пойти по этой лесенке. Для этого, быть может, представится случай в другой книге, а сейчас, в связи с разговором о треках, поговорим лишь о двух ситуациях, которые отчетливо выяснились при теоретическом исследовании проблемы «суждено ли?».

Первая ситуация осуществляется, когда осколок движется в металлическом кристалле, который можно представить как совокупность двух подсистем: свободные электроны и ионы. Все происходящее в этом случае легко понять, учитывая следующее: электроны получают от осколка энергию, почти в 10² раз большую, чем ионы решетки; теплоемкость электронного газа почти в 10² меньше, чем теплоемкость решетки; масса иона почти в 10⁵ раз больше массы электрона. Три приведенные цифры означают, что электроны, получив много энергии и обладая малой теплоемкостью, нагреются до очень высокой температуры, а поделиться ею с ионами, которые в десятки тысяч раз тяжелее, электроны практически не смогут, как не делится своей энергией с «тяжелой» стенкой легкий мячик, который ударяется и отскакивает от нее с практически неизменившейся скоростью, а значит, и энергией. Электроны, которые были поблизости от траектории осколка, благодаря своей подвижности скоро рассеют полученную энергию между себе подобными, а решетка, не получив энергии, останется «холодной», невозмущенной, бездефектной. Точнее говоря, решетка какую-то долю энергии получит. Однако эта энергия будет распределена в таком большом объеме, что нагреется решетка незначительно.

Такая неожиданная ситуация складывается в металле: атомный взрыв происходит, а последствий в кристалле никаких! Теоретики это предвидели, экспериментаторы в этом убедились! Говорят так: чистые, совершенные металлы значительно более радиационно стойки, чем, например, диэлектрики.

Вторая ситуация осуществляется, когда осколок движется в ионном кристалле типа NаСl. В таком кристалле, как известно, свободных электронов нет. Все они «приписаны» к определенным ионам, которые размещены в узлах решетки. Кристалл состоит из ионов двух сортов: у ионов одного сорта имеется лишний электрон, а у ионов другого сорта одного электрона недостает по сравнению с тем количеством, которое необходимо для нейтрализации заряда ядра. В кристалле они представлены поровну, и поэтому он электрически нейтрален.

Заряженный осколок ядра, двигаясь в кристалле, взаимодействует с электронами, встречающимися на его пути. В результате анионы, потеряв один электрон, превратятся в нейтральный атом, потеряв два электрона, — в положительно заряженный ион, а катионы, теряя электроны, будут увеличивать свой положительный заряд. В этом процессе вдоль траектории полета осколка в кристалле образуется цилиндрическая зона с повышенной плотностью положительного заряда. Такая зона может взорваться по причине очевидной: одноименные положительные заряды стремятся отделиться друг от друга, разлететься в разные стороны. А это и означает, что произойдет взрыв. Лучше выразимся осторожнее: может произойти.

Можно приблизительно оценить то внутреннее давление, которое «взрывает» цилиндр, заполненный положительными зарядами, расположенными вдоль траектории осколка. Допустим для простоты, что все ионы цилиндра несут один положительный заряд. Значит, они отталкиваются с силой

F ≈ e²/a²

(a — межатомное расстояние). Если эту силу отнести к площади a², приходящейся на один атом в решетке, мы получим интересующую нас оценку давления:

Р ≈ е²/a⁴.

Так как е = 4,8• 10^-10 г^-1/2 •см^3/2/с, a = 3•10^-8 см, то Р ≈ 10¹¹ дин/см². Мы получили давление огромное, безусловно достаточное, чтобы взрыв произошел и трек образовался! Здесь необходимо оправдать осторожность, подчеркнутую в одной из предыдущих фраз. Она обусловлена тем, что не обязательно все ионы вдоль цилиндрического канала окажутся задетыми пролетавшим осколком. В этом случае расстояние между отталкивающимися ионами l будет больше, чем a. По этой причине величина Р, которая ~ 1/l⁴ , может оказаться малой, недостаточной для взрыва.

У читателя возникает недоумение: ведь осколок и в металле может разбросать электроны, и в металле может возникнуть цилиндрический сгусток положительного заряда, и в металле этот сгусток может взорваться. Оказывается, что образоваться такой цилиндр действительно может, а вот взорваться попросту не успеет, так как электроны, удаленные из цилиндра, из-за их большой подвижности возвратятся в цилиндр, нейтрализуют в нем заряд, а следовательно, устранят причину взрыва. Подвижность электронов в металле несравненно больше, чем в ионном кристалле, именно поэтому в металле взрыв не успеет произойти.

Если в ионном кристалле все происходит так, как мы это себе представили и описали в очерке, на интересующий нас вопрос применительно к ионному кристаллу ответ будет положительным: осколку в ионном кристалле создать трек суждено! В рассмотренных нами предельных ситуациях — металл и ионный кристалл — проблема «суждено ли?» прояснилась. А вот в иных структурах дело обстоит много сложней, и проблема остается проблемой.