Когда атомы дружат (о свойствах кристалла)



Л. Глузман



   Кристалл.
   Вслушайся в это звонкое слово. Крис – так хрустит льдинка под башмаком. Талл – щелкает апрельская капель. КРИСТАЛЛ.
   Кристалл бывает большим – таким, что ты его и не поднимешь. Кристалл бывает маленьким – едва видимым в сильные микроскопы. Он может быть сладким – это сахарный песок. Он может быть очень горьким – это хинин. Бывают кристаллы дорогие – дороже золота. Это драгоценные камни – алмазы, рубины, изумруды.
   И бывают дешевые кристаллы: они есть в каждой семье. Это соль, которой ты солишь суп. И снежинка, тающая на твоей руке, тоже кристалл.
   Физик скажет: "Кристаллы – это мое дело. Я специалист по приборам ночного зрения". Механик говорит: "Кристаллы – моя забота. Я исследую прочность сверхчистых веществ". "Я изучаю законы прохождения света через кристаллы", – сделает шаг вперед оптик. В эту перекличку ученых вмешаются Химик, Инженер, Электроник, Геолог, Врач... Велика шеренга людей, изучающих кристаллы. Конца-края им не видно.
   Кристалл – по-гречески – лед. А вообще кристалл – это граненое тело геометрически правильной формы. Бывают кристаллы-кубики, как соль и сахар. Бывают кристаллы-пирамиды. Бывают игольчатые кристаллы – морозные узоры на окнах. Каких только форм кристаллов нет!
   Но у всех кристаллов имеется одно общее свойство: атомы, из которых они состоят, расположены в строгом порядке. Словно солдаты, стоят они в тесном строю. И "соседей" у каждого атома одно и то же число. И "живут" они на равных расстояниях друг от друга. И колеблются они все согласованно, как говорят ученые, – в "фазе друг с другом" – куда один, туда и все…
   И такая дружба атомов в кристалле может, как всякая дружба, творить чудеса.
   Мы поднимемся высоко в небо, где кристалл превращает солнечный свет в электричество. Мы спустимся в подвалы астрономической обсерватории, где кристалл охраняет время. Ты увидишь световой луч, обладающий разящей силой стального клинка, и стекло, которое не разобьется, если на него бросить тяжелую гирю.
   Если сжать или растянуть кристаллы, они превращаются в маленькую батарейку. Соедини противоположные грани проводом, и по нему пойдет очень слабый электрический ток. Сильней сжимаешь – сильней ток. Кончил сжимать, стал растягивать – ток изменил направление. Называется это свойство многих кристаллов "пьезоэлектрическим эффектом". От слова "пьезо", по-гречески "давлю".
   Наглядно демонстрировали этот эффект проигрыватели пластинок. На пластинке есть бороздки. То глубже они, то мельче – в зависимости от записанного звука. Движется по ним игла проигрывателя, а ее колебания передаются кристаллу. То сжимается он, то растягивается. Пьезоэффект – тут как тут! Колебания иглы зависят от звука, записанного на пластинку. А колебания кристаллов зависят от колебаний иглы. И получается, что ток, который вырабатывает кристалл, тоже зависит от звука, записанного на пластинке. А дальше – просто. Направляется этот ток в усилитель и превращается потом снова в звук...
   Петь для кристалла – это игра. А пьезоэффект работает и всерьез.
   Есть такой прибор для измерения давления, манометр. Меряют им давление воды в водопроводе, давление воздуха в автомобильной шине, давление пара в котле. Все это давления не очень большие. Мерить колоссальные давления – под силу кристаллу. Больше давление – сильней сжимается он. Сильней сжимается – больший дает ток. А это легко измерить. Кристалл выдерживает огромные механические нагрузки, легко передает свой ток на большие расстояния. И главное – он успевает отметить очень быстрое изменение давления. А как это важно в ракетных исследованиях! Это уже настоящая работа!
   Если хочешь увидеть пьезоэффект своими глазами, найди кусковой сахар и расколи его в темноте. Голубые искорки – электрические разряды, возникают в результате пьезоэффекта. Только по сахару бей, а не по пальцам…
   ...Вот оно – здание института на круглой площади. Войдем туда. Задержись перед этой дверью. Надень специальные очки: в этой лаборатории опасно – здесь работает лазер. Что это такое? Это – усилитель света. Берут кристалл рубина, похожий на незаточенный карандаш. Полируют его и покрывают снаружи слоем серебра. Всюду поверхность кристалла блестит, как зеркало, и лишь в одном месте – на одном торце – слой серебра делается очень тонким, почти прозрачным. Кристалл освещается сильной лампой-вспышкой. Вспышка! И – береги глаза! Из торца, где тонкий слой серебра, вырывается ослепительный красный луч света. Осторожно с этим лучом! Тонкий, как велосипедная спица, он такой горячий, что любое вещество плавится и испаряется под его напором…
   Как же это получается? Откуда берется этот луч и зачем он нужен людям?
   Рождается такой луч в кристалле. Каждая вспышка снабжает атомы внутри кристалла энергией, по-научному говоря, возбуждает их. Возбужденные атомы сами испускают свет. Световые частицы-фотоны носятся внутри кристалла, отражаясь от зеркальных стенок. А выйти из кристалла они пока не могут – серебряные стенки непрозрачны для них. Словно тигр в клетке, мечутся фотоны. От стенки к стенке! От стенки к стенке! Все больше фотонов образуется в этой светопляске. В последний момент лавина фотонов прорывает тонкую серебряную пленку и со страшной силой вырывается наружу. Один американский инженер попал под такой луч на расстоянии свыше трех километров от кристалла... Долго трудились врачи, чтобы вернуть ему зрение.
   А кому нужен лазер? Лазер нужен геологам – бурить световым лучом твердые горные породы. Лазер нужен врачам: световой луч проберется туда, куда не проберется скальпель хирурга. "Дайте нам лазер, – просят космонавты – это идеальное средство связи". С Земли по такому лучу, как по проводу, можно будет передавать электричество.
   Мы все время говорили о кристалле и электричестве. Ты только не думай, что, кроме электричества, кристалл негде применить. Пальцев на руках не хватит, чтобы перечислить, где еще кристалл может работать.
   Есть мерцающие кристаллы. Если посмотреть на такой кристалл в темноте, то нет-нет да и вспыхнет в нем крохотная зеленая звездочка. То в одном месте кристалла проскочит она, то в другом. А вот уже заплясали они гроздьями, словно маленький звездопад…
   В чем дело? Откуда эти вспышки?
   А это кристалл считает гостей. Далеко-далеко, у самого Солнца и еще дальше ежесекундно рождаются мельчайшие частицы вещества. Физики их называют элементарными частицами. Набирая скорость, стремительно несутся частицы к Земле. Те, что попадают на кристалл, зажигают его в момент удара, словно высекают искру. Много вспышек – берегись, космонавт! Там, наверху, в черном небе, тебя не защитит земная атмосфера, и эти частицы могут оказаться смертельно опасными. Много вспышек – быть магнитным бурям, корабли собьются с курса... А предскажет это маленький кристаллик, в темноте мерцающий, словно светлячок…
   Включи утюг. Подожди, пока он нагреется. Поднеси к нему кристалл. Смотри – он светится зеленым огнем, словно кошачий глаз. Убери утюг – свечение погаснет. Словно ничего и не было. В чем же дело? Дело в том, что нагретые тела испускают инфракрасные лучи. У людей от них краснеют лица – видел когда-нибудь поваров у горячей плиты. А наш кристалл от этих лучей светится зеленым светом. Используют его в приборах ночного зрения – так называются приборы, с помощью которых можно видеть в темноте. В темноте нет световых лучей, а инфракрасных – сколько угодно. Они исходят от людей и животных, потому что и животные "горячее" воздуха, который их окружает. Они исходят от домов, от электростанций, от заводов. В городах воздух всегда теплее, чем за городом, поэтому и города посылают на кристалл свои инфракрасные лучи. Усилив свечение кристалла, можно преобразовать это свечение в рисунок предмета, пославшего инфракрасные лучи на кристалл. Смотришь в прибор ночью и видишь, как за полкилометра от тебя стоит человек. Вот ведь удивительный прибор! Есть кристаллы такие, что если посмотреть через него на мяч – увидишь два мяча. Посмотришь на билет в кино – увидишь два билета. Все двоится, если смотреть через этот кристалл. Вот только пока что не нашли ученые, где его применить – разве что очки "волшебные" сделать.
   Много неприятностей доставляют нам стекла. Оконные и дверные стекла. Зеркала. Много стекла вокруг нас, и как назло – непрочное оно. Мячом попал – разбил. Локтем надавил – сломал. А почему так получается? Почему стекло непрочное?
   Потому что атомы в нем не "дружат" между собой. Если в кристалле атомы – как солдаты в строю, то в стекле атомы – толпа пьяниц. Как попало стоят. Куда попало движутся. Внутри стекла – хаос. А ведь во всем остальном стекло – замечательный материал. Прозрачный, не ржавеет. Кислот никаких не боится, кроме плавиковой. Температуры высокие ему не страшны. Вот только хрупкость проклятая мешает…
   Задумались ученые – нельзя ли подружить атомы в стекле? Построить их в порядке. Заставить их колебаться в такт друг другу? Короче говоря – нельзя ли сделать стекло кристаллом?
   Оказалось, можно. Обжигая стекло особым образом, получили ученые новый материал – СИТАЛЛ.
   Ситалл – стекло и кристалл.
   На вид его от простого стекла и не отличишь. И все полезные свойства стекла и ситалла сохранились. А насчет хрупкости – берут лист такого "стекла", кладут на два стула и бросают на него тяжелую гирю. Дзынь-дзынь... Думаешь, это осколки летят? Это гиря, как мячик, по листу прыгает. А на "стекле" – ни царапин, ни вмятин не остается. Вот он какой – ситалл. И стекло и не стекло!
   ...Многое умеет делать кристалл. И многому он еще научится, потому что дружба атомов в кристалле может, как всякая дружба, творить чудеса.

Рисунки А. Януса.