20 марта 1945 г. на заседании отделения физико-математических наук АН СССР Г. Г. Леммлейн рассказал о своем открытии. Говорил о том, что поверхность реального кристалла, кажущаяся гладкой, зеркальной, великолепно отражающая свет, в действительности имеет очень тонкий рельеф. Благодаря росинкам можно сделать видимыми в оптическом микроскопе ступеньки, высота которых в 10 раз меньше длины волны видимого света. В пересчете на межатомные расстояния это около 10 атомных ступенек!
Фотография одного и того же места поверхности кристалла. Справа — до декорирования, слева — после декорирования водяными каплями
Декорирование поверхности монокристалла поваренной соли твердыми капельками золота. Фотография получена в электронном микроскопе при увеличении в 40 000 раз
«Метод росы» — великолепная находка естествоиспытателя. Беда только, что роса быстро испаряется и картина декорирования деталей структуры поверхности исчезает. Появилась мысль осаждать на поверхность кристалла росу не водяную, а из другого вещества, которое испаряется медленнее. А можно поступить иначе: осаждать росинки из вещества, которое закристаллизуется, и детали рельефа будут декорированы не жидкими, а твердыми, застывшими капельками. Вещество было найдено — хлористый аммоний. «Метод росы» превратился в «метод инея» — надежный способ обнаружения и исследования тонкого рельефа поверхности.
А потом, как это часто бывает в истории науки, идея начала жизнь, не зависящую от автора. В разных лабораториях изыскивали вещества, с помощью которых можно декорировать детали поверхностного рельефа на различных кристаллах. Например, поверхность каменной соли можно декорировать парами золота, другие кристаллы парами висмута, сурьмы, иных веществ. Таким образом научились обнаруживать неоднородности поверхности, как принято говорить, «на атомном уровне».
В тот же день Леммлейн сделал еще одно открытие: рассматривая кристаллы карборунда, покрытые капельками росы, он заметил, что на некоторых участках поверхности росинки располагаются в форме спиралей. Это не случайные структуры — капельные спирали свидетельствуют об особом механизме роста кристаллов карборунда. Теперь этот механизм подробно изучен и получил название механизма слоисто-спирального роста.
Эта засада не преследовала никаких агрессивных целей: ни пленять, ни тем более убивать росу мы не собирались — просто хотели проследить за тем, как на рассвете появляются росинки на листьях и паутине и как они исчезают с восходом солнца. Следили и за теми росинками, которые выпадают после дождя, когда воздух влажный и теплый. И вооружение у нас было самое мирное: кинокамера, фотокамера и лампа со вспышкой. А наши трофеи — отснятые пленки и свежие наблюдения из числа тех, которые лишенная эмоций оптика не регистрирует.
Вначале немного сведений о росе, заимствованных из школьного учебника. В окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое количество влаги. Есть, однако, предел ее содержанию, и если почему-либо в воздухе влаги оказалось больше этого предельного количества, она начнет выпадать, оседая на различных предметах отдельными каплями. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги может в нем находиться, не выпадая в росу. Если же воздух, содержащий определенное количество влаги, охладить, при некоторой температуре имеющийся в нем запас влаги станет предельным и появится роса. Этот процесс подобен тому, что происходит в стакане воды с растворенной в ней солью. Охлаждая воду, мы увидим, что при некоторой температуре на дне стакана начнут появляться кристаллики соли — подобие росы.
Так с восходом солнца исчезает роса на траве
А так — на паутине
Любопытное наблюдение. Когда солнце, согревая воздух, начинает высушивать росу на траве, создается впечатление, будто росинки становятся крупнее. В какой-то мере это только впечатление, потому что раньше других испаряются мелкие капли, а оставшиеся крупные росинки способствуют впечатлению, будто средний размер увеличился. А в какой-то мере увеличение росинок действительно происходит, во всяком случае может происходить, поскольку избыточная упругость пара вблизи изогнутой поверхности росинок (ΔР) и радиус кривизны их поверхности связаны соотношением ΔР ≈ 1/R, то вблизи крупных росинок ΔРменьше, чем вблизи мелких. И поэтому может происходить перенос влаги от мелких росинок к крупным. Именно об этом было подробно рассказано в очерке «Капля пустоты» на примере реальных капель и на примере пор.
Дождевые росинки обычно крупнее тех, которые возникают на рассвете. Капли падающего дождя редко задерживаются на паутине: иногда они ее рвут, а иногда, задержавшись на мгновение, продолжают свой полет на землю, и лишь капли моросящего дождя оседают на ее нитях. А когда дождь прошел и воздух в избытке напитан влагой, на паутине появляется обильная роса: осевшие из влажного воздуха росинки располагаются вдоль нитей паутины, изгибая их. Самые крупные капли оседают на переплетениях нитей — в узлах паутины. Они и живут дольше других, когда со временем росинки, испаряясь, исчезают с паутины.
Две подборки фотографий, которыми иллюстрируется очерк, небольшая часть наших трофеев.
После лекции о капле, которую я как-то читал юношеской аудитории, ко мне подошел один из слушателей и подарил фотографию. На фотографии была запечатлена росинка на листике травы. Отчетливо видны два ярких пятнышка— блика, создающие впечатление, будто росинку пронзил солнечный луч, сверкающий на входе и выходе из нее.
— Возьмите,— сказал он,— снимок сделан ранним утром, когда солнце только появляется. Много раз я наблюдал, как росинки, осевшие на траве, прокалываются насквозь солнечным лучом. Решил сфотографировать, и будто бы удалось. Странно только, что на входе луча пятнышко менее яркое, чем на выходе.
Он отдал мне фотографию и, немного смущаясь, добавил:
Мне показалось, что травинка с каплей распрямляется по мере того, как восходит солнце. Такое впечатление, будто солнечный луч поднимает каплю и травинке становится легче.
Через некоторое время после этой случайной встречи я постарался разобраться в том, что снято на подаренной мне фотографии. Для этого в лаборатории поставили контрольные опыты, о которых я и расскажу в этом очерке, посвященном росинке в солнечном луче.
Вначале четкое утверждение: два блика, видимые па поверхности капли, конечно же, не соответствуют местам входа и выхода какого-то луча, которого вообще нет, так как солнце посылает пучок света, падающий на всю обращенную к нему поверхность капли. Блики появляются совсем по другой причине.
По отношению к падающему солнечному свету капля играет роль сферической линзы, которая дважды — навходе и выходе — преломляя падающие на нее лучи, приближает их к прямой, идущей от солнца к капле. Поэтому вблизи поверхности капли, обращенной от солнца, там, где лучи выходят из нее, освещенность резко увеличивается. Это и обнаруживается по яркому блику на поверхности капли. От этого блика, как от освещенного участка вогнутого сферического зеркала (с соблюдением известного закона геометрической оптики, который гласит, что «угол падения равен углу отражения»), в объем капли распространяются лучи.
Капля на травинке. Впечатление, будто ее пронзил солнечный луч
Эти лучи могут многократно отражаться от участков сферической поверхности капли, наполняя ее солнечным светом.
Поверхность капли изогнута и спокойна. На ней всегда найдется такой участок, который отразит солнечный луч в наш глаз. На отражающем участке поверхности, обращенной к солнцу, возникнет блик, подобный блику на солнечной дорожке. Блик будет устойчивым, так как форма поверхности капли со временем не изменяется и отражающий участок оказывается недвижимым.
