Невероятные физические опыты - Илья Мельников

Как увидеть атомы

Заглянув в окуляр обычного оптического микроскопа, человек на время оказывается в другом мире. И хотя он смотрит давно в микроскоп, но мир этот не все открыл его взору. И с помощью электронного микроскопа, дающего увеличение в миллион раз, нам пока не все еще удается рассмотреть. Более того, для специалистов, работающих в области исследований поверхности твердого тела, даже эти инструменты не подходят. Здесь нужна иная техника. И вот на помощь ученым пришел протонный микроскоп.

После подготовки прибора, к эксперименту, когда засветился экран, на нем проступили чуть заметные контуры какой-то фигуры. Она была сложена из линий и точек различной толщины и яркости. Увиденные на экране точки представляли собой изображение атомных рядов, а линии – атомные плоскости кристалла. Увидеть в непрозрачном материале его структуру – кристаллическую решетку, которая до того была недоступна даже электронным микроскопам – это настоящее чудо.

В серебристой колонне прибора спрятан мощный ускоритель протонов. Подобно тому как вода низвергается с высоты водопадом, так и протоны, разогнанные внутри прибора до энергии в 150 килоэлектронвольт, обрушиваются на исследуемый образец и как вода, разбившаяся о камни, так и частицы, отраженные от атомов вещества, «рисуют» на экране замысловатую графическую картину.

Протонный микроскоп дает возможность рассмотреть слой материала толщиной в тысячную долю миллиметра. На первый взгляд эта величина кажется небольшой, но для микромира она огромна. Тем более для полупроводниковых структур. Именно в этом тончайшем слое заключена сила современно радиоэлектроники, солнечных электростанций, эмиссионной техники.

Со многими трудностями пришлось столкнуться ученым из НИИ ядерной физики, работавшими над созданием этого уникального прибора. До сих пор подобных приборов не создавалось.

После окончания исследования оператор вынул кассету с фотопластинкой. На ней запечатлен показавшийся несведующему глазу простым мир, который ученому говорит о многом, в частности – о возможности создания новых высокотемпературных соединений, полупроводниковых и других материалов и многого другого.

Как сфотографировать незримое

В любом известном всегда остается доля неизвестного. Например, вся мудрость электронно-вычислительных машин создана человеком. Намагнитили ферритовое кольцо в одном направлении – «ноль», намагнитили в другом – «единица». Это двоичный код, которым записана вся информация в компьютере. А как это – намагнили?

Порой человек использует явление, в природе которого еще не все понятно до конца. Как это происходит в тонкой пленке? Ответ получить очень трудно, так как слишком уж быстро происходит процесс. Для такой скорости нет названия в языке. Даже сверхбыстрая киносъемка не могла остановить то мгновение, за которое происходит перемагничивание тонкой пленки. Тогда физики нашли другую возможность.

Если сфотографировать быстро вращающееся колесо велосипеда – на снимке окажется сплошной диск слившихся в одном движении спиц. Если же осветить это колесо на достаточно краткий миг, можно увидеть спицы застывшими. Это называется «стробоскопический метод».

Но ведь с тем же успехом можно «осветить» пучком электронов магнитную пленку? Тогда процесс перемагничивания станет зримым. После опытов ученые снабдили электронный микроскоп генератором стробирующих импульсов.

Была известна первая стадия перемагничивания, во время которой спин – элементарный магнит, что-то вроде атома в магнетизме, – поворачивался под определенным углом. Но затем начинается вторая стадия, которая затрагивает домены ферромагнетика. Срез ферромагнетика похож на рыбью чешую. Каждая чешуйка – это домен, область, в которой властвуют спины одного направления. Что происходит с доменами, и предстояло узнать.

На серии фотографий видно: стенки доменов расходятся, как концы лопнувшей резинки. Установлена скорость и закономерность этого явления. Создатели новой электронно-вычислительной аппаратуры теперь могут рассчитывать качество работы и быстродействие ЭВМ с учетом нового открытия.

Загадочный песок

Разнообразие свойств песка достойны удивления. Сухой, он текуч, подобно воде. Однако в отличие от жидкости без труда выдержит вес человека, прогуливающегося вдоль берега. Даже в состоянии покоя песок ведет себя странным образом. Кажется очевидным, что, оказавшись под 30-метровой кучей песка, человек испытывает гораздо большее давление, чем под 3-метровой. Однако это не так. Давление жидкости на дно сосуда возрастает пропорционально высоте ее уровня, давление же сыпучего вещества на основание сначала растет, потом достигает максимума и далее остается неизменным. Силы, действующие между частицами песка, переносят избыточное давление на стенки резервуара.

Проделайте эксперимент. Наберите две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладонями. Обратите внимание на то, что сначала высыпаются песчинки, лежащие непосредственно над отверстием. А затем песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка. Наполните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что мешает раньше высыпаться другим песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях, то есть ближе к нему?

Продолжим эксперимент. Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим горизонтально и засыплем снаружи сухим песком. Конструкция из бумаги будет выдерживать довольно большие нагрузки, прочность ей придает не только трубчатая форма; нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым слоем лежал сухой песок.

Почему песок не расплющивает трубку, даже если сверху надавить на песок ладонью? Дело в том, что под давлением песчинки перестраиваются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В науке это явление носит название «появление арочных структур». В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы, так как он зажат враспор соседними элементами, которым и передает действующую нагрузку. В результате под внешним и внутренним давлением песок утрачивает подвижность и и приобретает свойства твердого тела. Этим объясняется прочность сводов туннелей метро, куполов соборов, арочных проемов.

По этой причине в песочных часах песок пересыпается равномерно, независимо от высоты его столба, в отличие от воды. И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что они не связаны арочными структурами.

Как сделать яйцо послушным

Чтобы яйцо поставить в любом положении, необходимо в концах яйца проткнуть две дырочки величиной со спичечную головку, выдуть содержимое яйца и промыть его хорошенько водой. Скорлупа должна быть совершенно сухой, поэтому яйцо должно пару дней полежать, чтобы высохнуть. Затем одну дырочку заделывают гипсом или клеем с мелом или белилами так, чтобы она не была заметна.

После этого в скорлупу примерно на четверть насыпают чистый и сухой песок и вторую дырочку заделывают таким же образом, как и первую. Сделанное яйцо будет послушным, его можно поставить в любом положении. Следует только слегка встряхнуть яйцо, держа его в том положении, которое оно должно занять. При этом песчинки переместятся, и поставленное яйцо будет сохранять устойчивое равновесие.

Для того чтобы сделать яйцо непослушным, вместо песка нужно в него положить 35–40 самых мелких дробинок и кусочки стеарина от свечи. Дырочки в яйце нужно заделать. Затем яйцо следует поставить на один конец и подогреть. Стеарин растопится, а когда застынет, слепит дробинки между собой и приклеит к скорлупе. Вот и получилось непослушное яйцо. Такое яйцо невозможно уложить, оно похоже на ваньку-встаньку и будет стоять не только на столе, но и на горлышке бутылки, на краю стола, на ручке ножа. Если его разрисовать, раскрасить и приклеить к нему ножки, оно будет очень симпатично выглядеть.

Как образуются сосульки

Когда образовываются сосульки – в оттепель или в мороз? Если в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться вода на крыше? Все не так просто, как кажется. Оказывается, чтобы могли образоваться ледяные сосульки, нужно в одно и то же время иметь две температуры: одну для таяния – выше нуля и другую для замерзания – ниже нуля. На самом деле так и происходит. Снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его до температуры выше нуля, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, потому здесь температура ниже нуля.

В ясный день с небольшим морозцем в 1–2 градуса солнце заливает все своими лучами. Однако его косые лучи не нагревают землю настолько, чтобы снег мог таять. Но на склон крыши, обращенный к Солнцу, лучи падают не полого, как на землю, а круче, под углом, более близким к прямому. Освещение и нагревания лучами тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью, на которую падают.