Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Если вы растопите лед, превратите его в воду и заморозите ее, то получите примерно то же, с чего начали: воду (забудем о потерях тепла на испарения и прочие мелочи). С песком всё иначе. Если вы расплавите его до жидкого состояния, а затем эту жидкость охладите, вы не получите твердого вещества, с которого начали. Под воздействием высокой температуры атомы в твердом веществе расходятся и начинают активно двигаться. Расплавленный песок вы можете разливать, как жидкость, заливать его в формы и создавать из нее различные изделия. Но, даже когда стекло остынет, атомы не займут в нем упорядоченного положения, которое свойственно твердому веществу. Внутри стекла создается случайная структура, нечто среднее между хаосом и упорядоченностью твердого вещества[104]. Такое состояние называется аморфным, или полутвердым, а также состоянием замерзшей жидкости. В книгах часто говорится, что стекло – жидкость (это ошибка, причину я объясню ниже).

В замкнутом пространстве

Чтобы было легче представить себе, что происходит внутри стекла, можно провести аналогию с толпами людей. Вообразите, что несколько сотен одетых в деловые костюмы человек быстро двигаются по платформам вокзала в час пик. Замените людей атомами – и вы получите картину движения атомов газа. А теперь вообразите себе толпу людей, которые двигаются внутри театрального фойе перед началом спектакля. Они значительно ближе друг к другу, протискиваясь к кассам, гардеробу или буфету. Они могут двигаться, но в замедленном темпе. Это аналог жидкости. Выстройте людей в колонны и шеренги, как солдат. Это будет твердое вещество. Атомы в нем все равно могут немного двигаться, но, будучи тесно связанными, они не способны покинуть структуру, и сама она не может существенно измениться.

Что же такое аморфное вещество? Что произойдет, если в 4:00 утра вы поднимете по тревоге роту солдат и дадите им ровно минуту на то, чтобы одеться и подготовиться к построению? Между всеми последующими криками и бегом, между наполовину натянутой формой и на четверть проснувшимися лицами, ровно через 60 секунд вы подаете команду «Стой!» и заставляете людей замереть на месте. При этом многие из них будут находиться в промежуточном состоянии между порядком и хаосом. Вы увидите некоторые признаки сбора людей в строй, вы увидите, что многие из них двигаются в правильном направлении. Это будет гораздо ближе к структуре твердого вещества, чем жидкости. Но всё же это не будет строгой и правильной кристаллической решеткой, которая образовалась бы, если бы вы дали людям больше времени. Аморфное вещество как раз представляет собой состояние перехода к твердому веществу. Стекло – не единственный пример.

Вы можете создать аморфный лед, если очень быстро заморозите воду. В повседневной жизни мы редко встречаемся с этим, но такое вещество существует во Вселенной: это космический лед, из которого в основном состоят кометы[105].

Стекло находится где-то посередине между твердым веществом и жидкостью, но это не значит, что оно сможет когда-нибудь затвердеть окончательно. Оно настолько твердо, насколько возможно. Но неправильно говорить, что полутвердая субстанция подобна жидкости, текущей с очень малой скоростью. В детских научных книжках часто можно прочесть, что у старых окон низ толще, чем верх, потому что стекло медленно «стекает» вниз. Доказано, что это неправда. Ученые считают, что причиной заблуждения стал традиционный метод изготовления стекла (так называемого кронгласа): толстое стекло раскатывали в большие круги, резали по размеру, а затем вставляли в оконные рамы. Оно часто было неравномерной толщины, и обычно его помещали в раму толстым концом вниз[106].

Почему окна разбиваются вдребезги?

Стекло часто ведет себя, как актриса из погорелого театра. Оно как будто все время призывает: «Посмотрите на меня, посмотрите же на меня!» Но при первой же беде оно трескается, раскалывается и разлетается вдребезги. Большинство твердых тел так себя не ведут. Ударьте кулаком по столу – он даже не подумает рассыпаться. Ударьте свою машину о стену, и вы отделаетесь царапинами на корпусе и разбитым бампером, но не будете сидеть в обломках рассыпавшегося автомобиля. Так что же особенного в стекле?

Как мы видели в предыдущей главе, все свойства веществ и материалов зависят от их внутренней структуры. У металлов она плотная, с близко расположенными и плотно взаимодействующими атомами. Их расположение можно немного изменить, приложив значительную энергию. Например, металлическому изделию можно придать другую форму с помощью кувалды или пресса. Поскольку атомы в железе обладают некоторой подвижностью, они способны поглощать энергию внешнего воздействия на них вроде ударов молота. Стекло же имеет открытую, аморфную структуру. Атомы в нем расположены в случайном порядке и не связаны тесно между собой. Если в стекло попадает пуля, его атомы не могут быстро восстановить свою структуру. Они не способны поглотить или рассеять энергию снаряда. Поэтому структура распадается. Стекло треснет, даже если слегка ударить по нему.

«Пуленепробиваемое стекло» – терминологическая нелепица. Такого материала не существует. То, что продается под таким названием, не является ни «пуленепробиваемым», ни «стеклом». Этот материал можно назвать «пулесопротивляющимся». Изготавливается он из нескольких слоев стекла и пластмасс наподобие пленки. Если выстрелить в него, энергия пули рассеется по слоям. Появятся трещины, но пленка предупредит распадание на куски и поглотит большую часть энергии летящего тела. Если даже пуля пробьет такой материал насквозь, ее скорость и кинетическая энергия значительно уменьшатся.

Между теплом и холодом

Все повара знают, что не нужно ударять по стеклу (а тем более стрелять по нему), чтобы разбить его. Опустите горячее стекло в холодную воду, и оно легко треснет. Причина снова в его аморфной структуре. Она не может быстро измениться под воздействием высокой температуры, чтобы поглотить ее энергию. Погрузите бокал в горячую воду, и он вберет в себя очень мало ее энергии. Разные атомы в его структуре изменят свое положение друг относительно друга на разную величину. Быстро охладите бокал, и «разошедшиеся» атомы не будут способны быстро занять прежние места. Именно этим «сбоем» в структуре стекла будет объясняться трещина[107] – и рассыпание бокала на куски.