МОДЕЛЬ Місячна дорога
МОДЕЛЬ: МІСЯЦЯ ДОРОЖКА
У цьому нарисі місячна доріжка – та, яку всі бачили на поверхні води – лише зручна модель. А розповідати я маю намір про будову поверхні кристала, про те, як вона розсіює світло, як на ній утворюється світлова доріжка, подібна до тієї, яку ми бачимо на поверхні хвилюючої води в місячну ніч.
Спочатку про справжню місячну доріжку, ту, що на поверхні води. Згадайте, якщо поверхня води майже спокійна, доріжка виглядає яскравою, окресленою смугою. А от якщо поверхня води хвилюється і на ній виникають хвилі і «баранчики», місячна доріжка розширюється: в центрі вона, як і раніше, може залишатися суцільною і досить яскравою, а в міру видалення до країв вона перетворюється на сукупність миготливих відблисків, які спостерігаються тим далі від осьової лінії доріжки, чим активніше хвилюється поверхня води. При сильному хвилюванні місячна доріжка практично зникає, перетворюється на сукупність миготливих відблисків, безладно розсіяних на поверхні води.
Все, що відбувається з місячною доріжкою природно пояснюється фізичним законом, який навіть школярі, що відстають, легко запам'ятовують у зв'язку з тим, що формулюється він карбовано: кут падіння дорівнює куту відображення! Йдеться про світло, що падає на поверхню, що відбиває. Наше око сприймає промені, відбиті від тих ділянок поверхні води, які опиняються в положенні, що задовольняє сформульований закон. Саме тому на хвилюючій поверхні води ділянка поверхні якоїсь хвилі може бути нами побачена завдяки блику, що спалахнув.
Вивчаючи закономірності відображення світла і радіохвиль від поверхні води, фізики-оптики та радіофізики вирішували, як кажуть вони, «пряме» завдання: яка ширина області, що відбиває (тобто «місячної»доріжки») на поверхні води при даній хвилястості поверхні? Вирішували і «зворотне» завдання: як, знаючи розподіл інтенсивності світла в «місячній доріжці», визначити рельєф поверхні, що хвилюється?
Тут, мабуть, залишивши хвилюючу воду, слід звернутися до поверхні кристала. Замінимо слово "хвилястість" словом "шорсткість". Так ось, на поверхні кристала може бути шорсткість двох різних типів. Перший тип - це так звана "природна" шорсткість. На тих площинах, якими кристал себе обмежує, природна шорсткість не може виникнути. Можливо, доречно сказати так: на природних площинах природної шорсткості не місце, тому що будь-яке відхилення від площини, що природно ограновує кристал, буде пов'язане з підвищенням енергії: ми знаємо, що ці площини тому і природні, що їх наявність обумовлює мінімальне значення поверхневої енергії кристала. А от якщо в кристалі штучно виведена «неприродна» довільно орієнтована площина, кристал вважатиме за доцільне створити на ній шорсткість у фермі ступенів, які ограновані ділянками поверхні з малими значеннями поверхневої енергії. І це ми вже знаємо з нарису про досліди Лукирського. Цей процес, як і кожен супроводжується зменшенням енергії, може відбуватися мимовільно, якщо, зрозуміло, кристал перебуває в умовах, коли взагалі може відбуватися. І на поверхні кристала, як і в його обсязі, є користь від безладдя!
Інший тип шорсткості, назвемо її "неприродною", може бути створений на будь-якій, у тому числі і на природній поверхні кристала. Для цього досить грубо пошліфувати цю поверхню, або обробити різцем, або нанести на неї безліч подряпин - створити подобу поверхніхвилююча вода. Така шорсткість кристалу протипоказана, і за належних умов кристал буде її позбуватися. Скажімо, за високої температури, коли атоми дифузійно рухливі, поверхня кристала оживе: неприродна шорсткість зникне, природна виникне. Спокійними можуть виявитися лише гладкі природні площини, що обмежують кристал, якщо їх попередньо не подряпали. На таких поверхнях «місячна доріжка» повинна бути дуже вузькою і з часом, що не змінюється. Таку доріжку можна спостерігати за погодою, про яку моряки кажуть: «штиль».
Поява «природної» та зникнення «неприродної» шорсткості може відбуватися внаслідок дифузії речовини поверхнею. У цьому процесі спрямовані потоки атомів виникають тому, що кожна наступна форма профілю поверхні має енергію меншу, ніж попередня.
Отже, поверхня живого кристала жива. Її шорсткість може наростати, може згладжуватися, подібно до хвилястої поверхні води, і, як на воді, на поверхні кристала можна спостерігати подобу «місячної доріжки». Як місяць у лабораторії у разі користуються лазером. Вивчаючи зміну «місячної доріжки», створюваної поверхнею кристала, у його відпалу, фізики навчилися отримувати інформацію про дифузійної міграції атомів по поверхні. Втім, це тема окремої розмови. А тут — про красиву аналогію між поверхнею води, що хвилюється, і поверхнею живого кристала.