Когда ученые заглянули в глубь вещества, сжатого со всех сторон высоким давлением, им открылся мир удивительных превращений. На их глазах знакомые вещества исчезали и появлялись новые, с иными свойствами и характерами.
Исследователи сдавили желтый фосфор, и он превратился в черное вещество с новыми физическими свойствами. Оно имело металлический блеск и с несвойственной желтому фосфору резвостью и охотой проводило электрический ток.
Однако химический анализ показал, что черное вещество состоит из тех же самых атомов фосфора, что и желтое. В результате сжатия родился новый, черный фосфор.
Ученые сжали лед и с удивлением обнаружили, что знакомый нам лед — только лишь одна из семи его разновидностей! Один из видов, сжатый высоким давлением, мог плавиться даже на морозе. А другой, стиснутый сорока тысячами атмосфер, невозможно было растопить даже в кипятке!
Так что выражение «холодный как лед» не очень-то отражает положение дел в природе. Кроме льда холодного, как это ни странно, равноправно существует и горячий.
Но особенно изумились исследователи, когда высокое давление превратило серое олово — полупроводник в белое — металл! А когда то же случилось и с теллуром, стало ясно, что это превращение не случайность, а какая-то пока скрытая закономерность.
Началась полоса неожиданностей. Ряд металлов под высоким давлением повел себя более чем странно. Некоторые из них вдруг становились хрупкими, как стекло, или мягкими, как резина, или, наоборот, твердыми, как алмаз. Кусок калия, например, сжатый до 100 тысяч атмосфер, уменьшился в размерах чуть ли не втрое, а рубидия — вдвое.
В обычных условиях цезий податливее алмаза в сотни раз. Образец из цезия можно уменьшить в размерах раз в триста по сравнению с этим кристаллом. Но при 30 тысячах атмосфер цезий вдруг становится таким крепким, что уступает алмазу очень немногим. Податливость его уменьшается в тысячи раз.
При давлении в 100 тысяч атмосфер легче всего сжимается металл барий, но и он немногим уступчивее алмаза, всего раз в десять.
Чем выше было давление, достигнутое при исследовании, чем сильнее сжималось вещество и чем теснее становилось в нем атомам, тем большим становилось число новых, неожиданных явлений.
Белые карлики
Особенно загадочным казалось то, что с ростом давления поведение самых различных элементов становилось все более схожим.
В чем же разгадка этого необыкновенного явления? — недоумевали исследователи. Как это давление уравнивает самые несхожие вещества? Полупроводники делает металлами, мягкие металлы равняет по крепости с алмазом?
Чтобы разобраться в этом, ученые просветили исследуемые вещества рентгеновыми лучами, как просвечивает врач организм больного.
При помощи рентгеновых лучей ученые воочию убедились в необыкновенной силе воздействия высокого давления. Оно способно насильственно приблизить друг к другу атомы вещества, способно сдавить их так, что исчезнут все свободные участки между ними. Такие условия существуют только в звездах. На Земле ученые не добились таких результатов. При космических давлениях молекула превращается в плотно сжатый комок атомов. При давлениях в десятки и сотни миллионов атмосфер начинается переход к так называемому «раздавленному атому».
Кто не слышал о диковинных «белых карликах» — звездах, сжатых силами тяготения до такой степени, что большинство атомных ядер, оголенных, освобожденных от электронных оболочек, как бы слипаются в один гигантский комок. Наперсток такого вещества весит столько, что его не увезет ни один локомотив.
Но ученые уверяют, что и это не предел сжатия материи. Возможно так спрессовать ее, что будут деформироваться даже ядра атомов. Ядерные частицы — нейтроны и протоны, сминая оболочки соседних частиц, вдавливаются в них, ломая и переделывая их структуру. Из такой обнаженной материи должны состоять гиперонные звезды, если они существуют. В таком состоянии материи оголены и прижаты друг к другу даже еще не изученные ядрышки протонов и нейтронов. И наперсток такого вещества весил бы десятки миллиардов тонн.
В последнее время возникла удивительная гипотеза относительно поведения материи в столь сильно спрессованных, звездах. Научный сотрудник Физического института Академии наук СССР Д. Киржниц путем математических расчетов пришел к выводу, что при звездных температурах в миллионы градусов спрессованное вещество, из которого состоят звезды, представляет собою вовсе не раскаленный газ, а... кристалл.
Это предположение кажется просто парадоксальным. Ведь при звездных температурах атомы движутся с огромной скоростью. Их скорость — около 100 километров в секунду (а это ведь в 10 раз превышает скорость космической ракеты) — не позволяет атомам остановиться, удержаться на месте. Так как же они могут связаться в кристалл? Какие силы могут упорядочить, приостановить стремительное движение атомов?
Д. Киржнин, проанализировав полученные уравнения, доказал, что сверхвысокое давление, существующее в центрах звезд, буквально делает чудеса. При сверхвысоких плотностях вещества появляются силы, способные «остановить» атомы, способные выстроить их в порядок, характерный для кристаллического твердого тела.
Именно в центрах «белых карликов» и существуют подходящие для кристаллизации колоссальные сжатия, и поэтому, по мнению ученого, их раскаленная сердцевина — это кристалл. Гипотеза Д. Киржница ставит перед учеными пока неразрешимые вопросы о непостижимом поведении материи под действием колоссальных давлений.
Это происходит при почти крайних давлениях, существующих в природе. Что же удивительного в том, что даже при давлениях, достижимых в лабораториях и не превышающих пока сотни тысяч атмосфер, поведение вещества не похоже на обычное.
Как солдаты в строю
Особенно удивило ученых поведение твердых кристаллических тел, сжатых высоким давлением. Если сжатый газ превращается в жидкость, а жидкость в твердое тело, то как же действует высокое давление на кристаллическую решетку? — не раз задавали себе этот вопрос физики. Просветив одно из кристаллических тел, хлористый рубидий, рентгеновыми лучами, они увидели необычайно любопытную картину.
Хлористый рубидий — одно из распространенных неорганических соединений, по свойствам напоминающее поваренную соль. Атомы хлора и рубидия расположены в его молекуле удивительно конструктивно, словно пчелиные соты. Представить себе эти построения очень просто.
Нарисуйте куб. На пересечении его ребер, в углах, а также в середине граней нарисуйте по одному маленькому кружочку. Эти места занимают атомы рубидия. В середине ребер и в самом центре куба поместите кружочки поменьше. Это атомы хлора. Такая картина соответствует расположению атомов 'в кристаллической решетке хлористого рубидия при атмосферном давлении. Как говорят кристаллографы, атомы хлора и рубидия образуют кубическую решетку с центрированными гранями.
Теперь представьте себе, что на этот крошечный кубик обрушивается молот и сжимает его с силою 5 тысяч атмосфер.
Конечно, вы не сомневаетесь, что кубик смят, уничтожен, от него не осталось даже «мокрого места»! Однако...
...В минувших веках полководцы, готовясь к бою, расставляли армию в строгом порядке, придавая строю наиболее маневренную и боеспособную форму. И атомы в твердом теле, будто солдаты в строю, занимают каждый свое определенное место, создавая причудливый узор кристаллической решетки. Оказывается, эти ажурные построения атомов твердого тела необыкновенно прочны. Даже под очень высоким давлением солдаты-атомы не разбегаются. Под напором противника они дисциплинированно перегруппировываются в более плотные построения, занимая еще более организованную обороноспособную позицию!
Именно это и случилось с атомами в молекуле хлористого рубидия, которые мы подвергли жестокому испытанию. Сжатые чудовищным давлением, они внезапно перестроились и заняли новое положение, более экономичное с точки зрения занимаемого объема. Они образовали новую решетку, тоже кубическую, но в отличие от первой в ней уже нет атомов в центре каждой из граней. Зато в центре каждого куба, образованного восемью атомами рубидия, появилось по дополнительному атому рубидия. Этот тип структуры называется объемно-центрированной решеткой. Точно такие же объемно-центрированные кубы образуют при этом атомы хлора. При таком расположении атомов в кристалле меньше свободного места. Давление упаковало атомы вещества более экономно.
