Эманация, в физике

Определение "Эманация, в физике" в словаре Брокгауза и Ефрона

Эманация, в физике
Эманация, в физике*

— материальное "нечто", выделяющееся из активных препаратов тория и радия. Учение об Э. тесно связано с новейшим открытием так называемых радиоактивных веществ, вследствие чего является необходимым прежде всего дать краткий очерк истории открытия этих веществ и указать на их свойства. Как известно, в 1895 г. Рентгеном были открыты особые Х-лучи, имеющие способность проникать через непрозрачные для света тела, действовать на фотографическую пластинку, помещенную в светонепроницаемый конверт и заставлять светиться некоторые соли, как, например, платиносинеродистую соль бария. Дальнейшие исследования показали, что лучи Рентгена не отклоняются магнитом, не отражаются, не преломляются и вообще не обнаруживают явлений, свойственных обыкновенным лучам. Кроме того, эти лучи обладают свойством рассеивать электрические заряды; если зарядить электроскоп и на некотором расстоянии от него получать Рентгеновские лучи, то электроскоп разряжается. Если трубку, посредством которой получаются Рентгеновские лучи, закрыть свинцовым экраном, то электроскоп не будет терять своего заряда, так как лучи Рентгена через свинец не проходят. После открытия Рентгена появилось много исследований, цель которых заключалась в том, чтобы найти лучи Рентгена в природе; отыскать такие вещества, которые испускали бы подобные лучи. Первому Нивенгловскому удалось показать, что сернистый кальций (CaS), который имеет способность светиться в темноте, будучи предварительно подвергнуть освещению, испускает кроме видимых лучей еще невидимые, проходящие через картон и металлы. Беккерель, подтвердив исследования Нивенгловского, указал, что, как соединения урана, так и сам уран способны испускать лучи, проходящие через непрозрачные для света тела и действующие на фотографическую пластинку. Лучи урана, подобно Рентгеновским, способны развивать электрические заряды, но действие этих лучей ничтожно по сравнению с лучами Рентгена: в то время как лучи Рентгена оказывают действие на фотографическую пластинку в течение нескольких минут и даже секунд, для лучей урана требуется несколько дней. Вещества, обладающие этими свойствами, были названы радиоактивными, а их свойство испускать лучи, подобные Рентгеновским, радиоактивностью. Действие лучей урана на заряженное тело во много раз слабее, чем действие Рентгеновских лучей. При испытании различных урановых руд было обнаружено различное их действие, причем оказалось, что действие на фотографическую пластинку через непрозрачные тела не зависит от процентного содержания урана; так, например, по исследованию Афанасьева, цейнерит обнаружил более слабое действие, чем самарскит, хотя в цейнерите содержится 55,86 % UO ₃, тогда как в самарските только 11,99 % UO ₃. Кроме урановых руд, Беккерель исследовал различные соли урана, причем ему удалось получить совершенно неактивную соль урана. Это исследование показало, что не сам уран, а какое-то другое неизвестное вещество обладает свойством радиоактивности. Вследствие этого явилась мысль искать в урановой руде активные вещества. Прежде всего удалось супругам Кюри выделить вещество, по химическим свойствам весьма похожее на висмут, но очень активное; это вещество было названо полонием. Кроме полония были найдены еще в урановой смоляной руде радиоактивные соединения свинца и соединения тория. Однако все эти вещества при исследовании спектра их не обнаружили никаких новых спектральных линий (см. Спектральный анализ), вследствие чего существование особых веществ, входящих в состав этих активных препаратов, является сомнительным. После открытия полония супругам Кюри удалось выделить из урановой руды очень активные препараты бария. В этих препаратах они предположили существование особого элемента, весьма сходного в химическом отношении с барием; предполагаемый новый элемент супруги Кюри назвали радием (radiare — излучать). Посредством несколько раз повторенной фракционированной кристаллизации хлористого соединения из солянокислого раствора препаратов, супругам Кюри удалось выделить осадки, активность которых была в несколько тысяч раз больше активности урана. Исследование спектра полученного препарата обнаружило присутствие особых линий в спектре, длина волн которых: 3814,7; 4340,8 и 4683,2; пламя бунзеновской горелки при введении в него препарата, содержащего радий, окрашивалось кармино - красный цвет. Г-жа Кюри определила для радия атомный вес 225; таким образом, в периодической системе радий помещается в ряду тория и урана и в группе щелочноземельных металлов. Другой атомный вес для радия дают Рунге и Прехт на основании спектроскопических исследований: по их определению атомный вес радия 257,8, т. е. радий оказывается наиболее тяжелым элементом, и, приняв атомный вес 257,8, придется увеличить число рядов в периодической системе. Трудность определения атомного веса радия заключается в том, что в полученных препаратах радия содержится весьма мало: при обработке 1 тонны руды хлористого радия получается меньше 1 дециграмма. Наиболее сильным препаратом является добытый Гизелем бромистый радий (RaBr ₂), которого из 1 тонны руды получается около 1 г; активность этого препарата в сотни тысяч раз превосходит активность урана. Благодаря такому ничтожному количеству получаемого препарата, цена его весьма велика: 1 мг стоит 12 марок (т. е. около 6 руб.) [1 фунт бромистого радия, если бы можно было его добыть, стоил бы около 2400000 руб.]; кроме того, его добывается так мало, что выделывающая его фабрика очень часто отказывает в высылке из-за израсходования добытого препарата. Благодаря полученному Гизелем весьма активному препарату бромистого радия, исследование свойств радия значительно облегчено. Лучи, испускаемые препаратами радия, неоднородны; их можно разделить на 3 группы: α-лучи, β-лучи и γ-лучи 1) α -лучи весьма сильно поглощаются телами и отклоняются весьма слабо магнитом, 2) β-лучи поглощаются телами, но слабее α-лучей, отклоняются магнитом весьма сильно, причем отклонение в магнитном поле происходит в сторону, противоположную отклонению α-лучей. 3) γ-лучи почти совсем не поглощаются телами и магнитом вовсе не отклоняются.

Прилагаемый рисунок изображает направление лучей в магнитном поле, причем северный полюс магнита надо представить себе расположенным перед плоскостью рисунка, а южный позади. На рисунке видно, что α-лучи отклоняются в ту сторону, куда отклонился бы в этом магнитном поле проводник с током, если бы ток шел в сторону распространения α-лучей, т. е. вверх. Отклонение β-лучей происходит в сторону, противоположную α-лучам. В сторону отклонения β-лучей проводник с током отклонился бы, если бы ток шел по направлению, противоположному β-лучам, т. е. сверху вниз. По своему отклонению в магнитном поле α-лучи похожи на "закатодные" лучи (Kanalstrahlen), β-лучи похожи на катодные, а γ-лучи на лучи Рентгена. Таким образом, в препарате бромистого радия мы имеем как бы Круксову трубку, в которой возможно наблюдать все эти лучи. Действительно, при пропускании тока через Круксову трубку, в ней наблюдается пучок света, распространяющийся из катода прямолинейно и вызывающий на стеклянной стенке трубки в том месте, где он падает, фосфоресценцию. Направление пучка света в этой трубке показывает направление особого рода лучей, так наз. "катодных" (пучок света не есть катодные лучи — это свечение воздуха под влиянием катодных лучей). Катодные лучи отклоняются в магнитном поле, причем их отклонение происходит, как и отклонение β-лучей, в ту сторону, куда отклонился бы подвижный проводник, по которому ток шел бы по прямо противоположному этим лучам направлению. Катодные лучи точно так же испытывают на себе действие и электрического поля: они притягиваются пластинкой, заряженной положительно, и отталкиваются пластинкой, заряженной отрицательно. Заставляя катодные лучи падать на какое-нибудь тело, можно показать, что тело заряжается отрицательно. Из этого следует, что катодные лучи представляют из себя частички, несущие отрицательный заряд. Пользуясь явлениями отклонения в магнитном поле, а также и в электрическом, возможно определить как массу частицы, так и её скорость. Эта определения показали, что массы частицы катодных лучей почти в 2000 раз менее массы атома водорода (точнее в 1800 раз), скорость же её около ⅓ скорости света. Таким образом, частица в катодном луче — не атом, а часть атома и при том обладает определенным отрицательным зарядом, вследствие чего она получила название электрона (см. Электрон и Электронная теория). В Круксовой трубке, в которой катодная пластинка в нескольких местах просверлена, можно наблюдать еще особые лучи: "закатодные" или Kanalstrahlen. Эти лучи, наблюдаемые по другую сторону катодной пластинки (почему и названы "закатодные"), как показали опыты, состоят из частиц, заряженных положительно: падая на тело, помещенное на их пути, эти лучи заряжают его положительным электричеством; отклонение этих лучей в магнитном поле происходит в сторону, противоположную отклонению катодных лучей. Масса частицы закатодного луча оказалась близкой к массе того газа, который был в Круксовой трубке, скорость же движения частицы около 1/3000 скорости света. В пространстве, окружающем Круксову трубку, мы имеем лучи Рентгена. Рентгеновские лучи являются результатом ударов электронов о стенку трубки. Определения массы и скорости движения для частиц α-лучей и β-лучей радия дали для α-лучей те же числа, что и для закатодных, а для β-лучей те же, что для катодных. Кроме того, опыты супругов Кюри показали, что β-лучи заряжают тело, на которое они падают, отрицательно, между тем, как препарат радия, покрытый пластинкой слюды для того, чтобы не пропускал α-лучей, заряжается положительно. Таким образом, сходство этих лучей с лучами, существующими в трубке Крукса, является замечательно полным. Лучи радия оказывают различные химические действия: стекло окрашивается сперва в красноватый цвет, а затем, после долгого действия, и в черный; белый фосфор переходит в красный; хлорофилл разрушается, семена теряют способность к прорастанию. Под действием лучей радия (для бромистого радия надо 2 часа, для других препаратов еще больше) на коже образуются язвы, трудно поддающиеся лечению; животные, находившиеся под долгим влиянием радия, погибают и проч. Были попытки излечивать радием волчанку, но данных очень мало, чтобы сказать о результатах. Лучи радия способны вызывать свечение некоторых солей, причем на данную соль действует преимущественно одна какая-нибудь группа лучей, так, например, на платиносинеродистую соль бария действуют преимущественно β-лучи, а на сернистый цинк (обманку Sidot) преимущественно α-лучи. Весьма интересным является прибор, построенный Круксом и названный им спинтарископ (σπινθαρίς — огненный шар): перед картоном, покрытым сернистым цинком, помещается маленькое зернышко бромистого радия на расстоянии 1 мм, и поверхность сернистого цинка рассматривается в лупу. Частицы α-лучей, ударяясь в зернышки сернистого цинка, вызывают их свечение, но так как удары происходят в различные зернышки, то вся поверхность сернистого цинка, находящаяся около зернышка радия, представляется усеянной вспыхивающими искорками. Под влиянием лучей радия увеличивается проводимость воздуха: шарики искромера, соединенного с полюсами катушки Румкорфа, раздвинуты на такое расстояние, чтобы искра между ними не проскакивала; при поднесении к шарикам радия искра проскакивает. Наэлектризованное тело под влиянием лучей радия теряет свой заряд: происходит то же, что и под влиянием лучей Рентгена. Покрывая препарат радия пластинками металлов, мы можем уменьшить его действие на электроскоп, но совершенно уничтожить нельзя: лучи радия проникают даже через пластинку свинца толщиной в 3 см. Для объяснения проводимости воздуха предполагается, что атомы кислорода и азота, находящихся в воздухе, распадаются на частицы, заряженный положительно (ионы), и на частицы, заряженные отрицательно (электроны); воздух, в котором произошло распадение атомов, называется ионизированным. Если в ионизированном воздухе находится заряженное тело, то оно будет притягивать к себе частички, обладающие зарядом противоположного знака, и таким образом будет постепенно терять свои заряд. Ионизация воздуха происходит не только под влиянием лучей радиоактивных веществ или лучей Рентгена, но оказывается, что и атмосферный воздух более или менее ионизирован. Степень ионизации воздуха зависит от различных метеорологических условий. Исследования Эльстера и Гейтеля показали, что потеря электричества заряженным телом в воздухе происходит не вследствие проводимости изолирующих подставок, а вследствие того, что воздух постоянно ионизирован в большей или меньшей степени. По их исследованиям оказалось, что рассеяние электричества наибольшее в местах, где в воздухе не содержится пыли, и в безгранично свободном пространстве это рассеяние гораздо больше, чем в закрытых помещениях. Таким образом, исследования Эльстера и Гейтеля совершенно опровергли старый взгляд на причину потери заряда в воздухе наэлектризованным телом: раньше потеря заряда телом в воздухе объяснялась присутствием в воздухе твердых частиц, что, как видно из вышесказанного, совершенно не согласуется с данными опытов Эльстера и Гейтеля. Дальнейшие опыты их показали, что воздух подвалов и погребов еще более ионизирован, чем наружный воздух. Такая сильная ионизация воздуха в закрытом помещении заставила, прежде всего, искать причину ионизации в радиоактивности самих стен помещений. Опыты, предпринятые с этой целью, показали, что нельзя приписать сильную ионизацию воздуха подвалов и погребов исключительно этой причине. Тогда обратились к исследованию воздуха, находящегося в почве: для этой цели в почве делалось отверстие, в которое вставлялась железная трубка в 1 ¹/₂ м длиной. Воздух вытягивался насосом и подвергался исследованию. Он оказался сильно ионизирован. После этого были наследованы различные почвы, из них многие оказались радиоактивными: наибольшей радиоактивностью обладает глина. Исследования Эльстера и Гейтеля показали, что целебная грязь "Фанго" из Батальи (Сев. Италия) обладает радиоактивностью. Радиоактивность её зависит от присутствия в её составе радия, причем содержание в ней радия весьма мало: чтобы из неё получить 1 г радия, надо обработать 1800 тонн грязи. Таким образом, ионизацию воздуха можно объяснить действием на него воздуха, находящегося в почве и сильно ионизированного: почвенный воздух сообщает ионизацию атмосферному. Действительно, опыты показывают, что тела неактивные способны делаться на время активными под влиянием радия: если в закрытом сосуде поместить радий и около него расположить различные тела, то по прошествии некоторого времени эти тела делаются активными, т. е. способными действовать на фотографическую пластинку и разряжать наэлектризованное тело. Такая активность называется индуктированной и с течением времени совершенно исчезает. Тела могут сделаться активными только при том условии, чтобы сосуд с радием был открыт, иначе никакой активности в телах не наблюдается. Этот факт показывает, что кроме лучей из радия выделяется нечто, что способно сообщать телам вторичную радиоактивность. Тела, обладающие индуктированной радиоактивностью, испускают, как и первично активные вещества, все три рода лучей. Индуктированная активность, приобретенная от препаратов тория, отличается от приобретенной от препаратов радия: первая скорее исчезает, чем вторая. Выше было упомянуто, что д ó лжно принять, что из препаратов тория и радия выделяется нечто, способное сообщать телам индуктированную активность. Это нечто наз. эманацией. Впервые Rutherford наблюдал, что при покрывании окиси тория листочками бумаги, способность воздуха проводить электричество уменьшается менее быстро, если взять толстый слой окиси тория, чем в том случае, если слой окиси тория тонок. Вследствие этого он высказал предположение, что окись тория кроме лучей, спускает "нечто" материальное — какой-то газ, — которое способно проникать через бумагу. Дальнейшие опыты показали, что Э. способна проникать через вату, картон, тонкие пластинки алюминия, золота, серебра и др. Слюда оказалась непроницаемой для Э. Rutherford, исследуя диффузию Э. в воздухе, нашел атомный вес её между 40 и 100.

Э. способна оседать на телах и делать их временно активными: если поставить окись тория в банку, в которой помещены различные тела, то по прошествии нескольких дней тела оказываются активными, т. е. способны разряжать наэлектризованное тело. Активность эта с течением времени исчезает. Э. особенно энергично оседает на телах, наэлектризованных отрицательно, вследствие чего необходимо принять, что частицы Э., по крайней мере, в воздухе имеют положительный заряд. Э. содержится также и в воздухе: сильно заряженная отрицательно длинная проволока после трехчасового пребывания в воздухе делается весьма активной. Весьма сильно выделяют Э. препараты тория, препараты же радия выделяют ее при нагревании или же находясь в растворе. В закупоренном сосуде с раствором бромистого радия можно заметить свечение стенок сосуда благодаря Э., находящейся над раствором. Пользуясь тем, что частицы Э. вызывают свечение сернистого цинка (обманка Sidot), возможно наблюдать распространение Э. по трубке, присоединенной к сосуду с раствором радия, если стенки трубки покрыты сернистым цинком.

Э. способна, подобно газу, сгущаться при понижении температуры. Впервые это замечено Rutherford'oм, который наблюдал сгущение Э., погружая трубку, содержащую Э., в жидкий воздух. Это сгущение Э. легко наблюдать, если поместить Э. в два сосуда, соединенных между собой трубкой с краном. При обыкновенной температуре оба сосуда светятся одинаково. Если один из них погрузить в жидкий воздух, то, вследствие сгущения при низкой температуре, большая часть Э. сосредоточивается в сосуде, помещенном в жидкий воздух. Когда сосуд пробыл достаточное время в жидком воздухе, закрывают кран, соединяющий оба сосуда, и вынимают сосуд из жидкого воздуха. Оказывается, что свечение сосуда, бывшего в жидком воздухе, гораздо интенсивнее другого сосуда. Rutherford заметил, что Э. тория сгущается легче, чем Э. радия. Температура сгущения Э. тория около —120°Ц, тогда как Э. радия сгущается около —150°Ц. Таким образом, Э. от препаратов тория отличается от Э. препаратов радия. В последнее время были начаты исследования природы Э. Rutherford и Soddy на основании своих исследований природы радиоактивных веществ пришли к заключению, что Э. представляет из себя инертный газ: она не вступает ни в какие химические реакции, как это наблюдалось до сих пор лишь в газах аргонной группы. Ramsay вместе с Soddy занялись летом 1903 г. исследованием спектра Э. Для этого Э., полученную из раствора 50 мг бромистого радия, переводили в U-образную трубку, погруженную в жидкий воздух; трубка промывалась чистым кислородом и затем выкачивалась. К U-образной трубке была припаяна "разрядная трубочка" (плюккеровская трубка, употребляемая при спектральных исследованиях), через которую после удаления Э. из жидкого воздуха обнаружен какой-то новый спектр, принадлежащий Э.; по виду спектр был похож на спектр газов группы аргона. В течение 4 дней (с 17 по 21 поля) трубка не подвергалась исследованию. Когда 22 июля трубка была подвергнута исследованию, то в спектре Э. были обнаружены желтая, зеленая, 2 синие и фиолетовая линии, принадлежащие спектру гелия. Кроме того, были замечены еще линии, природа которых осталась неизвестной. Так как в опытах Ramsay Э. получалась из раствора, то против этих опытов можно было сделать много возражений. Однако опыты Dewar и Curie подтвердили опыты Ramsay. В опытах Curie 400 мг бромистого радия, высушенного от могущей содержаться в нем влаги, были запаяны в кварцевый сосуд с припаянной к нему кварцевой трубкой. В приборе производилась пустота, и после этого радий был подвергнут сильному нагреванию; при этом нагревании кварцевый сосуд был доведен до красного каления, и бромистый радий расплавился. Выделившийся газ был собран в особую трубочку. При исследовании спектра были обнаружены линии азота. Кварцевый сосуд, в котором помещался бромистый радий, был отпаян в то время, когда в приборе была произведена пустота. Затем он был переслан в Париж, где Deslandres исследовал спектр газа, находящегося в нем. Полученный спектр оказался совершенно сходным со спектром гелия. Исследование спектра было произведено 20 дней спустя, после того как сосуд был запаян. Новейшие исследования Гимштедта и Траубенберга показали, что Э., подобно газу, растворяется в жидкостях и распространяется в газах, следуя закону Дальтона. Таким образом, Э. надо считать особым веществом, которое вследствие распадения атомов может превращаться в гелий. Опыты Рамзая и Кюри показывают, что предположение Резерфорда, выведенное им из своих наблюдений, что Э. должна с течением времени превратиться в гелий, блистательно подтверждается. Относительно явлений, наблюдаемых в радиоактивных веществах, Резерфорд держится того взгляда, что во всех радиоактивных веществах постоянно происходит распадение атомов, благодаря чему и освобождается громадное количество энергии, свойственной всем радиоактивным веществам. Эта энергия выделяется в виде лучей α, β, γ, а также в виде теплоты: по опытам Кюри и Лаборда оказалось, что хлористый радий имеет температуру на 1½° выше окружающей среды, так что по их вычислениям 1 г радия выделяет в 1 час 100 малых калорий теплоты. Рунге и Прехт, исходя из этих данных, вычислили, что частицы, выбрасываемые радием в виде α и β-лучей, до того малы, что убыль в весе у радия возможно заметить спустя громадное число лет (1 г радия в 1000 лет теряет в своем весе 1 мг.). Академик H. H. Бекетов, сравнивая некоторые химические процессы с явлениями, представляемыми радием, приходит к заключению, что все атомы элементов образованы скоплением более тонкой материи. Это скопление материи происходит по определенному закону (периодический закон Менделеева), и чем больше материи входит в атом, тем менее становится прочность атома, так как вместе с накоплением материи в атоме происходит накопление и энергии. Допуская предел накопления материи в атоме, вместе с тем необходимо допустить предел прочности такого скопления. Таким образом, чем больше атомный вес элемента, тем менее прочность этого элемента. Следов., все радиоактивные вещества должны обладать наибольшим атомным весом, что и есть на самом деле: ат. вес урана 238,5, тория 232,5, радия 225. Кроме того, все вещества должны быть радиоактивны, причем с увеличением плотности тела должно наблюдаться увеличение и радиоактивности. Опыты подтверждают и это заключение (опыты Струтта, Леннана и Буртона показали это). По опытам Леннана в Буртона свинец обладает большей радиоактивностью, чем олово, и последнее большей, чем цинк, т. е. убывание радиоактивности идет в том же порядке, как и убывание плотности.

Литература. Статьи о радиоактивных веществах разбросаны по разным научным журналам. В обзорах о радиоактивности можно найти указания на литературу. Из книг, представляющих такие обзоры, можно указать: J. J. Thomson, "Conduction of Electricity through gases" (1903); "M émoires de l'Akadémie des Sciences de l'Institut de France" (Becquerel); краткое изложение явлений радиоактивности в брошюре: К. Гофман "Радий и его лучи". В журнале "Физическое Обозрение" за 1903 г.: П. Кюри, "Новейшие исследования о радиоактивности"; Рамзай и Содди, "Получение гелия из радия". В том же журнале за 1904 г.: Ф. Индриксон, "Радиоактивность". В "Журнале Русского Физ.-Хим. Общ" за 1902 (т. 34), за 1903 г. (т. 35) и за 1904 г. (т. 36) обзоры Залкинда, рефераты различных статей и самостоятельные статьи; в томе 35 за 1903 г. статья Н. Н. Бекетова, "О химической энергии в связи с явлениями, представляемыми радием". Статьи о получении гелия из радия: Ramsay и Soddy в "Physikalische Zeitschrift" (т. 4, стр. 651, 1903) или в "Proceedings of the Roy. Soc." (72, стр. 204,1903); статья Dewa r et Curie в "Comptes rendus" (138, стр. 190, 1904, № 4)

Ф. Индриксон.