Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

Важным обстоятельством является то, что при нагревании кри­ сталла, построенного вполне упорядоченным образом, порядок постепенно нарушается, т. е. процент атомов, сидящих в «чужих» местах, растет. Существует температура, выше которой дальний порядок, даже «испорченный», т. е. частичный, существовать не может. Эта температура называется лямбда-точкой (название грече­ ской буквы Я). Для сплава железо — кобальт Я-точка находится при 770 °С. Переход от порядка к беспорядку означает, что тепловое движение взяло верх над «стремлением» атомов располагаться с со­ хранением дальнего порядка.

Имеется много общего между процессом стирания различий между «чужими» и «своими» местами и процессом плавления. Оба эти процесса заключаются в исчезновении дальнего порядка. Од­ нако при плавлении исчезает дальний порядок в расположении центров атомов, а при переходе через Я-точку — лишь порядок в расположении атомов различных элементов.

Основной же особенностью строения сплавов типа железо — кобальт является возможность существования частичного дальнего порядка. Такой частичный дальний порядок может существовать только в отношении распределения атомов железа или кобальта, но не в отношении расположения центров атомов.

Так же как и в случае плавления, уничтожение дальнего порядка не означает исчезновения порядка вообще — ближний порядок остается.

Ближний порядок в отношении распределения атомов у кристал­ лов железо — кобальт заключается в «стремлении» атомов кобальта окружить себя атомами железа (и наоборот). Если взять любой атом и перечислить его восемь ближайших соседей, то окажется, что число атомов другого элемента не будет равно половине общего числа, т. е. четырем. В зависимости от совершенства ближнего порядка атом железа может быть в среднем окружен пятью, шестью или семью атомами кобальта.

Исследования сплава меди с золотом показали, что ближний порядок в нем весьма совершенный и сказывается не только на числе ближайших соседей, но и на числе ближайших к ближайшим и т. д. Если провести ряд сфер около любого атома золота, то ока­ жется, что в первой сфере будут находиться практически лишь одни атомы меди, во второй — лишь одни атомы золота. Далее со­ вершенство ближнего порядка начнет постепенно нарушаться, но будет чувствоваться предпочтение к атомам определенного элемента даже на десятой сфере!

Очень тонкими исследованиями, производимыми при помощи рентгеновских лучей, удалось показать, как происходит «рожде­ ние» дальнего порядка в кристаллах сплавов. Опыты на сплавах кобальт — платина показали, что области дальнего порядка растут в беспорядочном кристалле, как зародыши кристалла растут в жид­ кости. Эти зародышевые области располагаются вполне опреде­ ленным образом по отношению к осям кристалла.

§ 2 4 1 . Жидкие кристаллы

Представителей жидких кристаллов надо искать среди органи­ ческих и биоорганических веществ. Молекулы веществ, образующих жидкие кристаллы, обладают всегда удлиненной формой. Жидкие кристаллы встречаются среди вирусов; дают их липоиды — ве­ щества, входящие в состав живых тканей.

Вещество, образующее жидкие кристаллы, существует в таком виде в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить — станет кристаллом.

Свое название эти вещества получили по той причине, что они причудливым образом сочетают в себе свойства жидкости и кри­ сталла. Они обладают текучестью и образуют капли. Однако капли эти могут иметь не шарообразную, а удлиненную форму. Каждая капелька несколько похожа на кусочек желе. Подробное исследо­ вание показывает, что расположение молекул в капле обладает порядком, несвойственным обычным жидкостям.

Обнаружены два типа жидких кристаллов. В первом из них рас­ положение молекул обладает ближним порядком, однако все моле­ кулы располагаются параллельно друг другу. Еще более своеобра­ зен порядок расположения молекул в другом типе жидких кристал­ лов. В них молекулы располагаются слоями. Каждый слой состоит из параллельных молекул, расположенных одна по отношению к другой в ближнем порядке. Сказанное поясняет схема на рис. 277.

Рис. 277.

Жидкие кристаллы образует растворенное в воде мыло. Те каче­ ства мыла, которые делают его моющим средством, непосредственно связаны с его способностью образовывать жидкие кристаллы. Моле­ кула мыла имеет палочковую форму (поперечный размер около 4 А, длина 30—40 А). На одном конце молекулы сосредоточен отрица­ тельный электрический заряд. Этот полярный конец тяготеет к молекулам воды.

Мыльный раствор является жидким кристаллом; он состоит из большого числа двойных слоев молекул, отделенных слоями воды (рис. 278). В двойных слоях полярные концы молекул обращены наружу — к воде. Молекулы мыла внутри слоя расположены тесно, но в ближнем порядке. Если в воде немного мыла, то двойные слои мыльных молекул разделены большими слоями воды. Продолжая растворять мыло в воде, мы будем создавать все большее число двой­ ных слоев. Раствор станет насыщенным, когда толщинао водяного слоя станет равна примерно 20 А. Двойные слои, образую­ щие жидкий кристалл, обладают большой подвижностью. Когда мы моем руки, слои легко скользят один по отношению к дру­ гому и вдоль кожи. Полярные концы моле­ кул забирают грязь с рук и отдают ее воде.

§ 242. Полимерные вещества

Своеобразной структурой обладает боль­ шое число органических веществ, построен­ ных из гигантских молекул (состоящих из многих тысяч атомов). К таким веществам принадлежат пластмассы, капрон, искус­ ственный шелк. Молекулы этих веществ состоят из повторяющихся вдоль цепи групп

атомов (отсюда и название «полимер»). Часто расположение атомов внутри молекулы обладает дальним порядком.

Высокополимерные вещества с боковыми химическими связями между цепями существенно отличаются по своим свойствам от так называемых линейных полимеров, в которых такие связи отсут­ ствуют. Полимеры с боковыми химическими связями между це­ пями представляют собой жесткую систему. Атомы располо­ жены довольно рыхло и в расположении атомов нет никакой пра­ вильности.

Пластмассы такого сорта идут на изготовление пуговиц, по­ суды, арматуры и т. д. Для физического исследования значительно больший интерес представляют линейные полимеры, обладающие любопытными свойствами. Хотя до сих пор имеется ряд неясностей, все же основные черты структуры этих веществ можно считать уста­ новленными.

При затвердевании расплава или непосредственно в химическом процессе длинные молекулярные цепи располагаются параллель­ ными пучками. Так как отвердевание (или возникновение) начина­ ется одновременно из огромного числа мест, то образуется множе­ ство пачек цепей, которые сталкиваются при росте, обходят друг друга и в конце концов могут принять достаточно причудливые, запутанные формы. Роль пачки в линейном полимере в какой-то

степени аналогична роли кристаллика в поликристаллическом веществе.

Однако отличие пачки от кристаллика весьма существенно. Дело в том, что степень упорядоченности группы параллельных цепей, образующих пачку (этих цепей тысячи или десятки тысяч), может

лимерные вещества, идущие на изготовление искусственного волокна.

§ 242а. Биологические макромолекулы

Молекулы, ответственные за жизнедеятельность организма, яв­ ляются также линейными молекулами, состоящими из сотен тысяч

имиллионов атомов.

Всостав ядра клетки входит молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), являющаяся носителем наследственности. Эти мо­ лекулы существуют в виде двойных спиралей. К основной цепи атомов, составляющей костяк спирали, прикрепляются в некотором порядке молекулярные радикалы четырех сортов. Порядок их следования вдоль цепи кодирует генетическую информацию. Цепь содержит порядка 106 радикалов. Число различных перестановок четырех элементов в таком миллионном ряду непредставимо огром­ но. Понятно, какую богатейшую информацию несет на себе длин­ ная макромолекула и что не только особенности биологического вида, но и все особенности индивидуума могут быть зашифрованы кодом порядка следования радикалов в молекуле ДНК-

При делении клетки двойные спирали расплетаются и, переходя к потомству, передают ему наследственные черты кодом последова­ тельности молекулярных радикалов.

Двойные спирали Д Н К могут быть выделены, и структура их может быть исследована. Однако в настоящее время мы умеем опре­ делять порядок следования атомов и атомных групп лишь в упоря­ доченных кристаллических структурах. Молекула Д Н К в принципе неупорядочена, и поэтому физическими методами (спектральными и, главным образом, рентгеновскими) удалось лишь установить принципы ее построения. Разработка методов установления после­ довательности радикалов в Д Н К для данного организма, т. е. объек­ тивного описания наследственных признаков на молекулярном уровне, дело будущего.

Клетка — основной кирпичик живого — является фабрикой белковых молекул, выполняющих разнообразные жизненные функ­ ции. Производство белковых молекул осуществляется, так сказать, под руководством молекулы ДНКБелковые молекулы строятся из 20 сортов аминокислот. При этом порядок их соединения, строго определенный для белка данного сорта, диктуется молекулой ДНК . Молекула Д Н К играет роль линейной совокупности сотен и тысяч матриц, печатающих разные белковые молекулы. Некоторые из них одинаковы для данного биологического вида, другие несут на себе отпечаток особенностей индивидуума.

Молекулы белков могут быть выделены и кристаллизованы. Кристаллы белков, несмотря на то, что их молекулы содержат ты­ сячи атомов, удается изучить методами рентгеноструктурного ана­ лиза и установить их структуру. Задача эта исключительно сложна, и не удивительно, что к настоящему времени известна структура лишь шести белков.

Поразительным является сам факт образования кристаллов молекулы такой сложности. Причудливо разветвленное следование