Движение капель, в процессе испарения оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы
Мы увидим еще много и иных подробностей: некоторые капли, пристав к ступени, будут двигаться по спирали, оставляя за собой фасонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой ступенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.
Видоизменим опыт, обратив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком достаточно низким, чтобы кристаллик, за которым мы наблюдаем, смог испаряться. Достичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выключить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по поверхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет происходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, образуя слои, а при испарении — слизывая их.
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.