Физические соображения.
Я стремился определить конкретную часть света, которая производила вышеуказанные эффекты. Когда, до входа в экспериментальную трубку, луч заставляли пройти через красное стекло, эффект был значительно ослаблен, но не погашен. Это было также случаем с различными образцами желтого стекла. Синее стекло будучи введенным до удаления желтого или красного, при снятии последнего происходило быстрое осаждение вдоль пути синего луча. Следовательно, в этом случае более преломляемые лучи являются наиболее химически активными. Цвет жидкого нитрита амила указывает на то, что это должно быть так; он слабый, но отчетливый желтый: другими словами, желтая часть луча наиболее свободно передается. Это, однако, не переданная часть любого луча, которая производит химическое действие, а поглощенная часть. Синий, как дополнительный цвет к желтому, здесь поглощается, и отсюда более энергичное действие синих лучей.
Это рассуждение, однако, предполагает, что те же лучи поглощаются жидкостью и ее паром. Это предположение стоит проверить. Раствор желтого хромата калия, цвет которого может быть сделан почти, если не полностью, идентичным с цветом жидкого нитрита амила, оказался гораздо более эффективным в остановке химических лучей, чем либо красное, либо желтое стекло. Но из всех веществ сама жидкая нитритная жидкость наиболее мощна в остановке лучей, которые действуют на ее пар. Слой толщиной в одну восьмую дюйма, который едва заметно влиял на световую интенсивность, поглощал всю химическую энергию концентрированного луча электрического света.
Тесная связь, существующая между жидкостью и ее паром в отношении их действия на лучистую теплоту, была уже в достаточной мере продемонстрирована. Что касается нитрита амила, эта связь более специфична, чем в случаях, до сих пор приведенных; ибо здесь специальный компонент луча, который провоцирует разложение пара, показан как остановленный жидкостью.
Вопрос чрезвычайной важности в молекулярной физике здесь возникает: Каков реальный механизм этого поглощения и где его место?
Я представляю себе молекулу, как и другие, в виде группы атомов, удерживаемых вместе их взаимными силами, но все же способных к движению друг относительно друга. Пар нитрита амила следует рассматривать как совокупность таких молекул. Вопрос, который стоит перед нами, заключается в следующем: в процессе поглощения действуют ли молекулы или их составные атомы? Передается ли живая сила перехваченных световых волн молекуле в целом или ее составным частям?
Молекула в целом может вибрировать только благодаря силам, действующим между ней и соседними молекулами. Интенсивность этих сил, а следовательно, и скорость вибрации, в данном случае были бы функцией расстояния между молекулами. Теперь, идентичное поглощение жидкого и парообразного нитрита амила указывает на идентичный период вибрации как у жидкости, так и у пара, и это, на мой взгляд, равносильно экспериментальному доказательству того, что поглощение происходит главным образом внутри молекулы. Ибо вряд ли можно предположить, если бы поглощение было актом молекулы в целом, что она могла бы продолжать воздействовать на волны того же периода после того, как вещество перешло из парообразного состояния в жидкое.
На самом деле, разложение нитрита амила само по себе в некоторой степени является иллюстрацией этого внутреннего молекулярного поглощения; ибо если бы поглощение было актом молекулы в целом, относительные движения ее составных атомов оставались бы неизменными, и не было бы механической причины для их разделения. Вероятно, именно синхронизм вибраций одной части молекулы с падающими волнами позволяет амплитуде этих вибраций возрастать до тех пор, пока цепь, связывающая части молекулы вместе, не разорвется.
Я предвижу широкую, если не полную, общность того факта, что жидкость и ее пар поглощают одни и те же лучи. Я полагаю, что кювета с жидким хлором лишила бы свет его способности вызывать соединение хлора и водорода более эффективно, чем любой другой фильтр световых лучей. Лучи, которые придают хлору его цвет, не имеют ничего общего с этим соединением, так как лучи, поглощаемые хлором, являются действительно эффективными лучами. Высокочувствительная колба, содержащая хлор и водород в точных пропорциях, необходимых для образования хлористоводородной кислоты, была помещена на одном конце экспериментальной трубки, через которую с другого конца пропускался луч электрической лампы. Колба не взорвалась, когда трубка была наполнена хлором, в то время как взрыв был сильным и мгновенным, когда трубка была наполнена воздухом. Я предвижу для жидкого хлора действие, подобное тому, которое проявляет газ, но еще более энергичное. Если это подтвердится, это будет способствовать мнению, что хлор сам по себе является молекулярным, а не одноатомным.
Образование небесно-голубого цвета при разложении нитрита амила.
Когда количество паров нитрита значительно, а свет интенсивен, химическое действие чрезвычайно быстро, и осаждающиеся частицы настолько велики, что делают световой луч белесым. Однако это не так, когда хорошо перемешанный и сильно разреженный пар заполняет экспериментальную трубку. Эффект, который сейчас будет описан, был впервые получен, когда пар нитрита был получен из части его жидкости, которая случайно попала в канал, по которому сухой воздух поступал в экспериментальную трубку.
В этом случае электрический луч проходил через трубку в течение нескольких секунд, прежде чем какое-либо действие стало заметным. Затем разложение заметно началось и медленно продвигалось. Когда свет был очень сильным, облако казалось молочно-голубым. Когда, напротив, интенсивность была умеренной, голубой цвет был чистым и глубоким. В важных экспериментах Брюкке по изучению голубого цвета неба и утренней и вечерней зари чистая мастика растворяется в спирте, а затем капает в хорошо перемешиваемую воду. Когда пропорция мастики к спирту правильная, смола осаждается настолько мелко, что ускользает от самой мощной микроскопической силы. В отраженном свете такая среда кажется голубоватой, в проходящем свете — желтоватой, причем последний цвет при увеличении количества осадка может перейти в оранжевый или красный.
Но развитие цвета в разреженном паре нитрита амила, несомненно, более похоже на то, что происходит в нашей атмосфере. Более того, голубой цвет гораздо чище и больше похож на небо, чем тот, который получен из мутной среды Брюкке. Никогда, даже на небе Альп, я не видел более богатого или более чистого голубого цвета, чем тот, который достижим при соответствующем расположении света, падающего на осажденный пар.
Иодид аллила. — Среди жидкостей, до сих пор подвергавшихся воздействию концентрированного электрического света, иодид аллила по быстроте и интенсивности действия стоит на втором месте после нитрита амила. С иодидом я использовал как кислород и водород, так и воздух в качестве носителя, и обнаружил, что эффект во всех случаях был по существу одинаковым. Столб облака здесь был необычайно красив. Он вращался вокруг оси разлагающегося луча; в определенных местах он был перетянут, как песочные часы, и вокруг двух чаш стекла деликатные облачные нити закручивались в спирали. Он также складывался в извилины, напоминающие извилины раковин. В определенных атмосферных условиях в Альпах я часто наблюдал облака с особым жемчужным блеском; когда водород использовался в качестве носителя пара иодида аллила, подобный блеск проявлялся наиболее изысканно. При соответствующем расположении света пурпурный оттенок паров иода очень сильно проявлялся в трубке.
Замечание, уже сделанное относительно влияния разложения нитрита амила светом на вопрос о молекулярном поглощении, применимо и здесь; ибо если бы поглощение было работой молекулы в целом, иод не был бы вытеснен из аллила, с которым он соединен. Несинхронность иода с волнами невидимого тепла иллюстрируется его удивительной прозрачностью для такого тепла. Не может ли его синхронность с волнами света в данном случае быть причиной его отделения от аллила?
Иодид изопропила. — Действие света на пары этой жидкости сначала более вялое, чем на иодид аллила; действительно, многие красивые реакции могут быть упущены из виду из-за этой вялости в начале. Однако после нескольких минут воздействия начинают формироваться облака, которые растут в плотности и красоте по мере того, как свет продолжает действовать. В каждом эксперименте, проведенном до сих пор с этим веществом, столб облака, заполняющий экспериментальную трубку, был разделен на две отдельные части около середины трубки. В одном эксперименте в центре образовался шар облака, из которого вправо и влево выходила ось, соединяющая шар с двумя соседними цилиндрами. И шар, и цилиндры были одушевлены общим вращательным движением. По мере продолжения действия проявлялись пароксизмы движения; различные части облака с внезапной силой проносились друг сквозь друга. Во время этих движений развивались красивые и гротескные формы облаков. В некоторых местах туманная масса становилась ребристой, напоминая текстуру дерева; продольное движение временами порождало в ней серию изогнутых поперечных полос, причем замедляющее влияние стенок трубки вызывало появление, напоминающее в малом масштабе полосы грязи на леднике Мер-де-Глас. В передней части трубки эти внезапные волнения были наиболее интенсивными; здесь почки облака прорастали и за несколько секунд вырастали в совершенные формы, подобные цветам. Облако иодида изопропила имело свой собственный характер и существенно отличалось от всех других, которые я видел. Великолепный лиловый цвет наблюдался в последних двенадцати дюймах трубки; присутствовал пар иода, и, возможно, именно небесно-голубой цвет, рассеянный осажденными частицами, смешиваясь с пурпуром иода, создавал лиловый. Как и во всех других приведенных здесь случаях, было доказано, что эффекты обусловлены светом; они никогда не возникали в темноте.
Формы, принимаемые некоторыми из этих актинических облаков, как я предлагаю их называть, вследствие вращений и других движений, обусловленных разницей температур, совершенно поразительны. Я ограничиваюсь здесь скудным описанием еще одного из них.
Трубка была заполнена чувствительной смесью, через нее был пропущен луч, при этом линза была расположена так, чтобы создать конус очень интенсивного света. Прошло две минуты, прежде чем что-либо стало видимым; но по истечении этого времени слабое голубоватое облако, казалось, повисло на наиболее концентрированной части луча.
Вскоре после этого второе облако образовалось на пять дюймов дальше по экспериментальной трубке. Оба облака были соединены тонким шнуром того же голубоватого оттенка, что и они сами.
По мере продолжения действия света первое облако постепенно разрешалось в серию параллельных дисков необычайной тонкости, которые вращались вокруг оси, перпендикулярной их поверхностям, и, наконец, сливались в винтовую поверхность с наклонной образующей. Это постепенно превращалось в пленочную воронку, из узкого конца которой «шнур» тянулся к облаку впереди.
Последнее также претерпевало медленную, но непрерывную модификацию. Сначала оно разрешилось в серию слоев, напоминающих слои электрического разряда. Через некоторое время, и в результате изменений, за которыми было трудно следить, оба облака представили вид серии концентрических воронок, вставленных одна в другую, причем внутренние были видны сквозь внешние. Те, что находились в дальнем облаке, напоминали по форме бокалы для кларета. Таким образом, до шести воронок были установлены концентрически, причем обе серии были соединены деликатным шнуром облака, о котором уже упоминалось. Впоследствии образовались другие шнуры и тонкие трубки, которые закручивались в деликатные спирали вокруг воронок.
При усилении света вдоль соединительного шнура он уменьшался в толщине и становился белее; это было следствием увеличения его частиц. Шнур в конце концов исчез, в то время как воронки растаяли в две призрачные пленки, по форме напоминающие зонтики. Они были едва видны, имея чрезвычайно нежный голубой оттенок. Они казались сотканными из голубого воздуха. Сравнить их с паутиной или марлей означало бы уподобить их чему-то бесконечно более грубому, чем они сами.
Во всех случаях пламя далекой свечи, если смотреть на него сквозь облако, было заметно не затуманенным.
.
.
.
.
§ 2. О голубом цвете неба и поляризации света неба.
[Сноска: В моих «Лекциях о свете» (Longman) поляризация света будет объяснена кратко, но, надеюсь, ясно.]
1869.
После сообщения Королевскому обществу вышеприведенного краткого отчета о новой серии химических реакций, вызванных светом, эксперименты по этой теме были продолжены, причем количество веществ, на которые таким образом воздействовали, было значительно увеличено.
Теперь, однако, я прошу обратить внимание на два вопроса, затронутых попутно на предыдущих страницах — голубой цвет неба и поляризация света неба. Откладывая историческое рассмотрение предмета до более подходящего случая, я хотел бы лишь упомянуть сейчас, что эти вопросы составляют, по мнению наших самых выдающихся авторитетов, две великие нерешенные загадки метеорологии. Действительно, именно интерес, проявленный к ним сэром Джоном Гершелем в письме исключительной спекулятивной силы, адресованном мне, заставил меня заняться рассмотрением этих вопросов так скоро.
Аппарат, с которым я работаю, состоит, как уже было сказано, из стеклянной трубки длиной около ярда и внутренним диаметром от 2,5 до 3 дюймов. Исследуемый пар вводится в эту трубку способом, уже описанным, и на него воздействует конденсированный луч электрической лампы, пока не будет установлена нейтральность или активность вещества.
До сих пор моей целью было сделать химическое действие света на пары видимым. Для этой цели были выбраны вещества, по крайней мере один из продуктов разложения которых под действием света имеет настолько высокую температуру кипения, что как только вещество образуется, оно осаждается. Градуируя количество пара, это осаждение можно сделать любой степени тонкости, формируя частицы, различимые невооруженным глазом или далеко выходящие за пределы досягаемости наших самых мощных микроскопических сил. У меня нет оснований сомневаться в том, что таким образом можно получить частицы, диаметры которых составляют лишь малую долю длины волны фиолетового света.
Во всех случаях, когда пары используемых жидкостей достаточно разрежены, независимо от того, что это за жидкость, видимое действие начинается с образования голубого облака. Но здесь я должен предостеречь себя от всякого недопонимания относительно использования этого термина. «Облако», о котором здесь идет речь, совершенно невидимо при обычном дневном свете. Чтобы его увидеть, оно должно быть окружено темнотой, будучи освещенным только мощным лучом света. Это голубое облако отличается во многих важных деталях от самых тонких обычных облаков и могло бы по праву занять промежуточное положение между такими облаками и истинным паром. С этим объяснением термин «облако», или «зарождающееся облако», или «актиническое облако», как я предлагаю его использовать, не может, я думаю, быть понят неправильно.
Я пытался разложить углекислый газ светом. В экспериментальной трубке образовалось слабое голубоватое облако, обусловленное, может быть, а может и нет, остатками какого-то ранее использованного пара. При взгляде сквозь это облако через призму Николя, при горизонтальной линии зрения, было обнаружено, что когда короткая диагональ призмы была вертикальной, количество света, достигающего глаза, было больше, чем когда длинная диагональ была вертикальной. Когда пластинка турмалина удерживалась между глазом и голубоватым облаком, количество света, достигающего глаза, когда ось призмы была перпендикулярна оси освещающего луча, было больше, чем когда оси кристалла и луча были параллельны друг другу.
Это был результат по всей экспериментальной трубке. При вращении кристалла турмалина вокруг трубки, с его осью, перпендикулярной освещающему лучу, количество света, достигавшего глаза, во всех его положениях было максимальным. Когда кристаллографическая ось была параллельна оси луча, количество света, пропускаемого кристаллом, было минимальным.
Таким образом, из освещенного голубоватого облака исходил поляризованный свет, причем направление максимальной поляризации было под прямым углом к освещающему лучу; плоскость вибрации поляризованного света была перпендикулярна лучу. [Сноска: Это все еще нерешенный вопрос; но вероятности настолько в его пользу, и, на мой взгляд, настолько предпочтительнее иметь физический образ, на котором ум может остановиться, что я без колебаний использую фразеологию в тексте.]
Тонкие пластинки селенита или кварца, помещенные между Николем и актиническим облаком, демонстрировали цвета поляризованного света, причем эти цвета были наиболее яркими, когда линия зрения была под прямым углом к экспериментальной трубке. Обычно используемая пластинка селенита была круглой, самой тонкой в центре и равномерно увеличивающейся в толщине от центра к краям. При помещении в правильное положение между Николем и облаком она демонстрировала систему великолепно окрашенных колец.
Облако, о котором здесь идет речь, было первым, с которым работали описанным способом. Однако его можно значительно улучшить выбором подходящих веществ и применением в надлежащих количествах выбранных веществ. Можно использовать бензол, сероуглерод, нитрит амила, нитрит бутила, иодид аллила, иодид изопропила и многие другие вещества. Я возьму нитрит бутила в качестве иллюстрации средств, принятых для обеспечения наилучшего результата в отношении данного вопроса.
И здесь можно упомянуть, что пар, который в одиночку или в смеси с воздухом в экспериментальной трубке сопротивляется действию света или показывает лишь слабый результат этого действия, может при нахождении в близости с другим газом или паром проявлять энергичное, если не бурное действие. Случай аналогичен случаю с углекислым газом, который, будучи рассеянным в атмосфере, сопротивляется разлагающему действию солнечного света, но при нахождении в соприкосновении с хлорофиллом в листьях растений его молекулы разрываются.
Сухой воздух пропускали через жидкий нитрит бутила до тех пор, пока экспериментальная трубка, которая была предварительно откачана, не наполнилась смесью воздуха и пара. Видимое действие света на смесь после пятнадцати минут воздействия было незначительным. Затем трубку наполнили наполовину атмосферой смеси воздуха и пара, а вторую половину атмосферы составил воздух, который пропускали через свежую коммерческую хлористоводородную кислоту. При пропускании луча через эту смесь трубка на мгновение была оптически пустой. Но пауза составила лишь малую долю секунды, и плотное облако немедленно осадилось на луч.