Капля

Гегузин Яков Евсеевич

Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопро­сов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, ос­таваясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.

Жидкая фаза — а капли жидкие! — является проме­жуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл

подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразно­го состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кри­сталла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кри­сталла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкно­вений огромного количества блуждающих по ней одиноч­ных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.

Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кри­сталла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавле­ния; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверх­ность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исклю­чены.

Почему же капли не «примерзают» к поверхности кри­сталла? Это, действительно, странно — ведь жидкость великолепно смачивает собственную твердую фазу. Пом­ните рассказы о капле ментола, осушенной ментоловой иглой, и о первой капле талой воды, рожденной снегом? Капле на поверхности горячего кристалла полагалось бы растечься, а не оставаться сферической! Видимо, между жидкой каплей и поверхностью кристалла имеется тончай­шая газовая прослойка, и капля существует на ней, буду­чи как бы подвешенной в воздухе.

И еще: появлению жидкой капли на поверхности испаряющегося или кристаллизующегося из газовой фазы кри­сталла паратолуидина могут способствовать пары воды в атмосфере, окружающей кристалл. С водой паратолуидин образует сплав, который становится жидким при температуре ниже 44 °С. Паратолуидиновой капле, со­держащей немного воды, проще быть жидкой при темпе­ратуре ниже 44° С, чем капле чистого паратолуидина.

На второй вопрос ответ получился некатегорическим, но вполне правдоподобным.

Теперь о расширении шлейфов. Вот здесь полная яс­ность. Расширяются они потому, что шлейф создается не только движущейся каплей, но и одиночными атомами, которые при росте кристалла оседают на боковых торцах положительного, а при испарении кристалла отрываются от боковых торцов отрицательного шлейфа. Чем дальше участок бокового торца шлейфа от движущейся капли, тем больше времени с ним взаимодействуют одиночные атомы и тем шире он.

Закон сохранения вещества в процессе создания каплей шлейфа, конечно же, не нарушается. Создавая положи­тельный шлейф, капля живет дольше, чем можно было ожидать, по причине очевидной: она себя расходует на создание шлейфа, но при этом питается за счет тех атомов, которые оседают на ней из паровой фазы. Вопрос о за­коне сохранения

вещества в нашем перечне был послед­ним, и ответом на него можно закончить рассказ о каплях со шлейфом.

Капельный след

Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, дви­жущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить се­бя исследованиям в области физики атмосферных явле­ний. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.

В судьбе капель его интересовало все: как они зарож­даются и растут, как испаряются, как меняются под влия­нием различных внешних обстоятельств.

О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, мо­жет быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и уз­ких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементар­ных заряженных частиц. Этому прибору — он называется камерой Вильсона — суждено было сыграть исключи­тельную роль в развитии физики в XX веке.

Первые исследования Вильсона были посвящены изуче­нию механизма зарождения капель. У него были талант­ливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию ка­пель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым порш­нем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стака­не образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воз­дух немного охлаждается, так как для того, чтобы расши­риться в пустой объем, освободившийся вследствие сме­щения поршня, воздуху надо потратить часть своей энер­гии. То количество влаги, которое до расширения насы­щало воздух под поршнем, после расширения, когда воз­дух охладился, частично оказывается в избытке и выпа­дает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над по­верхностью моря), то в момент расширения туман не воз­никает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель — «ядра Айткена».

Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тща­тельно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.

Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождае­мое тщательным измерением коэффициента скачкообраз­ного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему ( К ) . Резуль­тат: Айткен прав до значений К <= 1,252.