Материал: Фейнмановские лекции по физике. Вып. 7 Физика сплошных сред

A dynamical model of a crystal structure

BY SI B L A W R E N C E B RAGG, F .R .S . A N D J . F . N Y E

Cavendish Laboratory, Univtrsity of Cambridge

(Received 9 January 1947— Read 19 June 1947)

[Plates 8 to 21]

ЗЪ* ayxttl ftructure of a metal ii represented by an assemblage of bubbles, a millimetre or laaa in diameter, floating on the surface of a soap solution. The bubbles are blown from a fine. pipette beneath the surfkoe with a oonatant air pressure, and are remarkably uniform in aixe. They are held together by surface tension, either in a single layer on.4he surfaoe or in a threedimensional mass. An assemblage may oontain hundreds of thousands of bubbles and persists for an hour or more. The assemblages show structures which have been supposed to exist in metals, and simulate effects which have been ebeerved, such aa grain boundaries, disloca­ tions and other types of fault, dip, recrystalliiation, annealing, and strains due to ‘foreign*

1. T H E BU BBLE M ODEL

Model* of crystal structure have been described from time to time in which the atoms are repieeented by small floating or suspended magnets, or by circular'disks floating on a water surface and held’together by the forces of capillary attraction. These models have certain disadvantages; for instance, in the case offloating objects in contact, frictional forces impede their free relative movement. A more serious disadvantage is that the number of components is limited, for a large number of components is required in order to approach the state of affairs in a real crystal.

Здесь воспроизведены лишь первые четыре параграфа статьи из Proceeding$ of the Roval Sovietу of London, Vol. 190, p. 474 (1947). Нумерация листов, на которых размещены рисунки, в оригинале и переводе не совпадает. Литерату­ ра, приведенная в конце статьи, дана в переводе в подстрочных примечаниях.—

Прим. ред.

272

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Л. Брэгг и Дж. Най

Кристаллическая структура металла моделируется скоплением пузырьков диаметром 1 мм и меньше, плавающих на поверхности мыльного раствора. Пу­ зырьки выдуваются из маленькой пипетки, расположенной ниже поверхности раствора; давление воздуха в пипетке постоянно, и размеры пузырьков чрез­ вычайно мало отличаются друг от друга. Пузырьки удерживаются вместе за счет поверхностного натяжения, выстраиваясь в один слой на поверхности или образуя трехмерную массу. Скопление может содержать сотни тысяч пузырьков

исохраняется в течение часа или более. Скопление образует структуры, ко­ торые, как предполагают, имеются в металлах, и имитируют эффекты, которые уже наблюдались, такие, как формирование границ между зернами, дислокаций

идругих типов дефектов, процессы скольжения, явления рекристаллизации

иотжига, возникновение напряжений, связанных с «посторонними» атомами.

/. Пузырьковая модель

Время от времени предлагались модели кристалла, в которых атомы представлялись маленькими плавающими или подвешен­ ными магнитами, или же кружками, плавающими на поверхности воды и притягивающимися за счет капиллярных сил.

Эти модели имеют серьезные недостатки; например, в случае плавающих и соприкасающихся объектов силы трения мешают их свободному относительному движению. Более серьезным недо­ статком является ограниченное число компонент, потому что приблизиться к положению дел в реальном кристалле можно толь­ ко с большим числом компонент.

273

В настоящей работе описано поведение модели, в которой ато­ мы представлены маленькими пузырьками диаметром от 0,1 до 2 мм, плавающими на поверхности мыльного раствора. Эти ма­

ленькие пузырьки достаточно устойчивы для экспериментов дли­ тельностью 1 час и более, они скользят друг по другу без трения и могут быть приготовлены в больших количествах. Ряд сним­ ков для этой статьи был сделан на скоплениях, насчитывающих 100 000 пузырьков и более. Модель ближе всего соответствует поведению металлической структуры, потому что все пузырьки только одного типа и держатся вместе за счет общего капилляр­ ного притяжения, которое изображает силу связи свободных электронов в металле. Краткое описание этой модели было дано в работе Брэгга 1).

2. Способ образования пузырьков

Пузырьки выдуваются из тонкой пипетки, расположенной под поверхностью мыльного раствора. Наилучшие результаты мы получили с помощью раствора, состав которого нам сообщил мистер Грин из Королевского института: 15,2 см3 олеиновой

кислоты (двойной дистилляции) тщательно взбалтывается с 50 см* дистиллированной воды. Все это тщательно смешивается с 73 см* 10% -ного раствора триэтаноламина, и всю смесь доливают водой до 200 см3, К этому добавляют 164 см* чистого глицерина.

Смеси дают отстояться и берут чистую жидкость внизу. В неко­ торых экспериментах ее разбавляли в тройном количестве (по объему) воды для уменьшения вязкости. Отверстие пипетки рас­ положено примерно на 5 мм ниже уровня раствора. Постоянное давление воздуха (составлявшее 50—200 см водяного столба)

поддерживается с помощью двух колб Винчестера. Обычно пу­ зырьки удивительно однородны по размерам. Иногда вдруг они выходят беспорядочным образом, но этого можно избежать, ме­ няя пипетку или давление. Ненужные пузырьки легко уничто­ жить, проведя над поверхностью слабым пламенем. На фиг. 1 (см. стр. 274) показан наш прибор. Мы сочли удобным зачернить дно сосуда, потому что в этом случае детали структуры, такие,

как границы зерен и дислокации, проявляются более ярко.

На фиг. 2 (лист. 1, стр. 282) показана часть «плота» или дву­

мерного кристалла из пузырьков. О правильности расположения можно судить, если взглянуть на снимок под небольшим углом к плоскости страницы. Размер пузырьков меняется с апертурой

*> W. Ь. В г a g g, Journ. Sci. Instr., 19, 148 (1942).

275