Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

диффузии деффектов вначале падает по экспоненциала

ному закону. Это область классической диффузии. Затем коэффициент диффузии перестает зависеть от температу­

ры. Эта область соответствует ситуации, когда дефекты

почти локализованы, но квантовые законы «подбарьерно­ го» просачивания уже вступают в права. Затем наступает область чисто квантовой диффузии, когда локализованный

дефект превращается в мигрирующий по кристаллу де­

фектен. В этой области коэффициент диффузии быстро

растет с понижением температуры. Еще они предсказыва­

ют, что, если исследовать диффузию примесонов, можно

обнаружить область «плато», где коэффициент диффузии

от температуры не зависит, а с изменением концентрации

примесонов изменяется по закону D ~ 1/С.

Теоретики предсказывают также и те условия, при ко­

торых экспериментаторы могут рассчитывать обнаружить квантовую диффузию дефектонов. Экспериментировать на­ до в области температур как можно ближе к нулю, а в

качестве объектов избирать кристаллы, для которых пара­

метр де Бура близок к единице. Это означает, что кристал­

лы должны быть составлены из легких атомов, связанных

слабым взаимодействием. Может быть объект и иного ти­

па: кристалл не квантовый, состоящий из тяжелых атомов,

однако в нем имеются легкие частицы примесей, связан­

ных слабым взаимодействием с основными атомами крис­

талла,— матрицы. Например, металл, в междоузлиях ко­

торого расположены атомы водорода. Легкий атом при­ меси при низких температурах может превратиться из примеси в примесон, которому дозволена квантовая «под­ барьерная» диффузия.

Измерения экспериментаторов

Как и всякая новая и красивая идея, идея о принципиаль­

ной возможности квантовой диффузии привлекла к себе внимание экспериментатора. Краткие и некраткие сооб­ щения о попытках обнаружить квантовую диффузию ста­ ли появляться в физических журналах одно за другим.

Советы теоретиков, где и как искать проявления кван­ товой диффузии, носили самый общий характер. Экспери­

ментаторам предстояло разумно выбирать объект и при­ думать, как следить за диффузией; как обнаружить в кри­

сталле диффузию, подобную диффузии в газе.

244

Естественно возникает два возможных направления

экспериментирования. Одно из них состоит в том, чтобы

следить за последствиями диффузии вакансионов, т. е.

экспериментировать с кристаллами без примесных атомов,

которые при низкой температуре превращаются в приме-

соны, В экспериментах, выполненных в классической, а не

в квантовой области температур, диффузия вакансий легко обнаруживалась в опытах по ползучести чистых кристал­ лов или по движению макроскопических включений, кото­

рые в них расположены. Видимо, аналогичные экспери­

менты можно ставить и с квантовыми кристаллами, где

роль вакансий будут играть вакансионы. В принципе мож­ но. Практически, однако, в квантовой области все оказы­

вается несравненно более сложным. Очень сложным ока­

зывается осуществление простых по замыслу опытов. Пы­

тались, например, проследить за тем, как металлический

шарик будет тонуть в твердом гелии. Экспериментаторам

не удалось обнаружить перемещения шарика во время

опыта, который длился около 104 сек. Из этого они заклю­ чили, что скорость движения шарика заведомо меньше, чем 2 -10—7 см/сек,— при более высокой скорости они бы смещение обнаружили, их методика гарантировала такую

возможность. Определив верхнюю границу скорости движе­ ния шарика, авторы получили основание указать верхнюю границу концентрации нулевых вакансионов. Она оказалась равной ~ 10~3.

Надежные свидетельства реальности квантовой диффу­

зии были получены при изучении диффузии примесонов:

следили за диффузией примесей атомов Не3 в кристаллах Не4. Об этих исследованиях я расскажу, в основном имея в виду опыты, выполненные в Харьковском институте низ­ ких температур, в лаборатории порфессора Б. Н. Есель-

сона. Опыты харьковчан я избираю по двум причинам.

Первая, главная, состоит в том, что именно в них впервые

были получены систематические данные о диффузии при­

месонов, а вторая — в том, что я харьковчанин и знакомил­

экспериментаторами, получил информацию «из первых

рук».

Мне хочется поделиться с читателем тем впечатлени­ ем, которое на меня произвел современный эксперимент, проводимый при температуре, близкой к абсолютному ну­

245

лю. Он впечатляет не только тем, что экспериментальная

установка оснащена сложными электронными приборами,

множеством дыоаровских сосудов, вставленных друг в

друга, сложным переплетением разноцветных трубок, по

которым из машинного зала к установке подается водород

и гелий. Эксперимент вызывает ощущение торжественно^

сти, будто присутствуешь при вторжении человека в свя-

тая святых природы.

Один из основных результатов опытов состоит в том,

что в широкой температурной области от 1 до 0,4° К коэф­

фициент диффузии Не3 в Не4 оказался не зависящим от температуры. Явно область «плато», где длина свободного

пробега примесона, как это и предсказывали теоретики,

определяется столкновением между примесонами. Кстати,

заметим, что в 13 предыдущих главах читатель привык

мыслить в той области высоких температур, где интервал

в 0,6° никак нельзя было назвать «широкой температур­

ной областью». Она, однако, безусловно широка, когда речь идет о температуре около 1° К.

Следуя за теоретиками, экспериментаторы рассуждали

так: если действительно коэффициент диффузии в области

«плато» определяется примесон-примесонными столкнове­

ниями, то при малых концентрациях примесей коэффи­ циент диффузии примесонов должен уменьшаться с рос­

том концентрации С по предсказанному теоретиками за­

~ 1 /С подтвердился.

Уместно назвать величину коэффициента диффузии

Не3 в растворе Не3 в Н4, полученную в этих опытах при Т =

= 1° К : D ~ 10~8 — 10-9 см?/сек. В «неквантовых» кристал­ лах такое значение коэффициента диффузии не достигает­

ся даже в непосредственной близости от температуры плав­

ления. А при Т = 1° К, диффузия, скажем, меди в никель

ворить «происходила бы». Не происходила бы!

Итак, опыты по диффузии примесонов Не3 и Не4 убе­

дительно свидетельствуют о том, что квантовая диффу­

зия — процесс реальный; представлениями о классической диффузии примесей никак нельзя обусловить ни факта су­ ществования «плато», ни сильную зависимость D от С:

246

О ЧЕМ НЕ РАССКАЗАНО В КНИГЕ

Очерк под таким названием заключал и первое издание этой книги. Ссылаясь на то, что в начале книги читатель

был предупрежден, что рассказ о диффузии в кристаллах

не будет исчерпывающим, я счел себя обязанным пере­

числить в том заключении — пусть бегло, пусть неполно —

диффузионные явления, которые остались за пределами

книги. Это было сделать тем более легко, что незадолго

перед сдачей в издательство рукописи первого издания

япобывал во многих лабораториях, где изучают диффу­

зию в кристаллах. В каждой из них мне рассказывали о

важных результатах, добытых ценой больших усилий, о трудоемких и длительных измерениях, убедительно аргу­

ментируя методику, вовлекая в дискуссию. И почти в каж­

дой из лабораторий в заключение рассказа, как бы на де­ серт, «подавали» какой-нибудь особенно «вкусный» ре­

зультат, «изюминку». У хозяев теплели глаза, когда они

рассказывали о своей находке, ставшей наградой за долгие поиски.

Многое, достойное того, чтобы о нем рассказать в книге,

яувидел в этих лабораториях наяву, о многом сообщили журналы, кое-что было сделано и в нашей лаборатории; все это в книгу не вошло, потому что в одну книгу все войти и не может.

После первого издания книги прошло четыре года —

срок по нынешним темпам развития науки огромный. В эти годы наука о диффузии, как и прочие разделы естест­

вознания, развивалась очень активно. И, конечно же, до­

стижения последних лет могли бы составить содержание совершенно новой книги.

Оставаясь верным замыслу, я во второе издание книги

из множества новинок решил включить лишь те, которые имеют прямое касательство к процессам диффузионного перемещения вещества. Расширив и переработав книгу, я,

248