Задумывались ли вы над тем, что прямо под руками, может, даже и сейчас, у вас находится весьма мощный потенциальный источник рентгеновского излучения, о котором мало кто знает, потому что «его надо правильно готовить»? А что, если я скажу вам, что это самый обыкновенный скотч? Да-да, та самая банальная клейкая лента, которой мы упаковываем всё подряд! Тем не менее, в определённых условиях она обладает поразительными свойствами, несмотря на кажущуюся странность такого утверждения...
Любая работа с излучениями является крайне опасной, а особенно рентгеновским излучением, и может повредить как вашей жизни, так и жизням окружающих людей! Автор статьи ни к чему не призывает и не гарантирует. Вся информация статьи даётся исключительно в познавательных целях!
Опыты советских учёных
Наверное, некоторые из читателей видели лично или читали где-либо, что существует интересный эффект, который заключается в свечении небольшой зоны контакта при отрыве липких материалов друг от друга. Этот эффект называется адгезолюминесценцией, и впервые у нас в стране был подробно исследован в 1949-1970-х годах советскими учёными, работавшими над вопросами адгезии (прилипания разных тел друг к другу) — Б. В. Дерягиным, Н. А. Кротовой, В. П. Смилгой и другими.
Во время своих опытов, экспериментируя с отрывом различных плёнок, среди которых гуттаперча (высокомолекулярный углеводород, по своему составу идентичный натуральному каучуку), каучук и нитроцеллюлоза от стекла, металлов, а также других поверхностей исследователи наблюдали, что процесс отрыва сопровождается (в месте отрыва) свечением и лёгким треском.
При этом экспериментально было обнаружено, что поверхности после отрыва являются наэлектризованными, где одна из отрываемых поверхностей имеет положительный заряд, а другая — отрицательный. После отрывания же поверхностей это статическое электричество приводит к притягиванию оторванных поверхностей обратно друг к другу. Например, такое притяжение наблюдалось в случае гуттаперчи и стекла/металла, каучука и стекла/металла; а в случае же нитроцеллюлозы и стекла — не было обнаружено.
Было замечено, что подобная электризация имеет связь с силой адгезии: та же плёнка из нитроцеллюлозы, имеющая толщину в 20-30 микрон, весьма слабо прилипала к стеклу и в некоторых случаях даже самопроизвольно от него отваливалась. В то время как гуттаперча и каучук требовали для своего отрыва от стекла или металла приложения существенной силы. После отрыва было замечено, что гуттаперча и каучук имеют отрицательный заряд, в то время как стекло и металл заряжаются положительно.
Немного забегая вперёд: согласно современным представлениям о теории адгезии, сцепление разных тел в основе своей имеет наличие двойного электрического слоя по границе контакта, то есть своеобразного миниатюрного электрического конденсатора. Разъединение зоны контакта приводит к возникновению явлений электризации поверхностей отрыва и пробоям газовой среды (примерно то же самое, что происходит и при разрядах молнии).
Эксперимент производился следующим образом. Брались зеркально отполированные стеклянные пластинки, после чего в течение нескольких дней производилась очистка их поверхности с применением хромовой смеси (состав смеси, к сожалению, не описан), после чего пластинка хранилась в дистиллированной воде двойной перегонки, откуда доставалась только перед опытом.
Непосредственно перед проведением опыта пластинка высушивалась с помощью термостата, после чего её поверхность протиралась порошком активированного угля с помощью деревянной палочки, на которую была намотана вата, с нанесённым на неё хлороформом (это использовалось для обезжиривания).
Вторым способом хранения являлось, после высушивания в термостате, нанесение на поверхность пластинки нитроцеллюлозы, таким образом, чтобы она покрыла и торцы пластинки, чтобы пластинка как бы со всех сторон была залита нитроцеллюлозной плёнкой, герметично запечатана и не соприкасалась с воздухом.
Непосредственно перед проведением опыта пластинку помещали на столик для экспериментов, после чего края плёнки подрезали бритвой, и в получившийся зазор вливали пятипроцентный раствор гуттаперчи в хлороформе (далее процесс подробно в литературе не описан, однако, предполагаю, что такое вливание гуттаперчи в зазор приводило к последующему растеканию её между плёнкой нитроцеллюлозы и стеклом, а так как раствор гуттаперчи содержал растворитель, он, видимо, отслаивал плёнку нитроцеллюлозы от стекла; в любом случае в дальнейшем речь в литературе идёт об использовании гуттаперчевой плёнки, созданной таким образом).
После нанесения гуттаперчевой плёнки на стекло, так как она ещё имела альфа-модификацию, её переводили в бета-модификацию с помощью прогревания в термостате до 70-80°С в течение получаса (время обуславливалось тем, что относительно толстая стеклянная пластинка просто не успеет прогреться за меньшее время).
Приготовленный таким образом образец испытывали через два или три дня, так как экспериментально было выявлено, что в течение этого периода всё ещё идёт процесс резких изменений механических свойств плёнки, а также её адгезии к подложке.
Что же касается металлических пластинок, используемых в экспериментах, то они были отполированы до зеркального состояния и хранились с нанесённым на них слоем вазелинового масла. Перед самым проведением эксперимента поверхность пластинок, так же как и в предыдущем случае, протиралась деревянной палочкой с намотанной на неё ваткой с хлороформом.
После того как было выявлено, что поверхности имеют статический заряд, была разработана пара способов для замера величины этого заряда.
Способ 1: из гибкой проволоки сечением в 0,1 мм изготавливалась рамка размером 0,5х1 см, которая могла бы быть подвешена к крючку весов. Далее эта рамка помещалась на поверхность стекла, и внутрь её заливалась некоторое количество гуттаперчи или каучука. После высыхания состава и образования плёнки её пытались отслаивать, подвешивая нагрузку к концу проволоки рамки. После того как плёнка была оторвана, на участке стекла, от которого она была отсоединена, делали отметку в 1 мм, приклеивали её заново (уже за счёт электростатических сил) и измеряли силу (в миллиграммах) для разъединения склеенных поверхностей в пределах этой полоски в 1 мм.
Способ 2: для эксперимента использовалась длинная полоска гуттаперчи, имеющая размеры 1,5х6,5 см, к концу которой прикрепляли груз и также пытались отрывать, отмечая время отрыва. Отслаивание такой полоски производилось не до конца, а также до определённой отметки, при достижении которой, грузик фиксировался таким образом, чтобы отслоенная плёнка оставалась натянутой, после чего на неё с помощью мягкого воска приклеивалась стеклянная рамочка, а плёнка обрезалась по размеру рамки. После чего эту рамку подносили к стеклу и также пытались её отрывать, замеряя усилие отрыва.
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова – «Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия»
Величина заряда далее рассчитывалась с использованием формулы электрометра Томпсона:
Где:
— заряд;
— сила, необходимая для отрыва, грамм;
— площадь, 
.
Экспериментально было выявлено, что методика замера заряда не влияет на общий вид кривых в последующих графиках, но влияет на величину регистрируемого заряда.
В целом, говоря об экспериментах, было обнаружено, что на величину работы отрыва и величину заряда существенное влияние оказывают как условия приготовления материалов для эксперимента, так и промежуток времени между непосредственно приготовлением материалов и самим проведением эксперимента.
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова – «Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия»
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова – «Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия»
Общим для всех экспериментов было то, что наблюдалось соотношение: чем больше скорость отрыва, тем больше наэлектризовывалась поверхность. Дальнейшее рассеивание заряда поверхности происходило не плавно, а скачкообразно.
Кроме того, было выявлено, что если отрыв производится не с применением постоянной нагрузки, а с постоянной скоростью, и при этом отслеживаются возникающие механические колебания напряжения, то характер этих колебаний имеет квазипериодический характер, при этом амплитуда колебаний различается для разных материалов: для нитроцеллюлозы она очень велика, для каучука существенно меньше, и самая малая — для гуттаперчи. При этом амплитуда колебаний связана со скоростью отрыва: чем она больше, тем меньше и амплитуда колебаний.
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова – «Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия»
Кроме всего прочего, отрыв плёнок сопровождается также и излучением радиоволн (но это, насколько удалось понять, касается только случая, если процесс происходит при наличии некоторого газа вокруг, т. е. когда дело происходит не в вакууме).
Например, было использовано устройство, представленное на рисунке ниже, где в качестве детектора электромагнитных колебаний была использована ферритовая внутренняя либо внешняя телескопическая антенна радиоприёмника, сигнал из которой подавались на осциллограф.
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга – «Адгезия твёрдых тел»
Эксперимент специально проводился в помещении, стены которого были экранированы, и отрыв плёнок производился с определённой, точно контролируемой скоростью.
Как было обнаружено, возникновение радиоволн начинает регистрироваться при достижении определенной пороговой скорости, и радиоизлучение обладает импульсным характером.
Также было замечено, что отрывание плёнок индивидуальных полимеров даёт гораздо более узкий спектр, если сравнивать с композиционными плёнками, а диапазон и форма импульсов зависят от химического состава поверхностей.
Причиной такого излучения является газоразрядный процесс в зазоре между поверхностями, который представляет собой своеобразный ускоритель частиц из-за наличия полей высокой напряженности.
▍ Наблюдение разряда и его условия
Как было уже сказано выше, большинство опытов, если они проводились в полной темноте, сопровождались явлениями электрического разряда: если плёнка отрывалась рывком, с помощью руки, либо же, используя электромотор, линейная скорость вращения которого превышала 10 см/сек, вдоль всей границы отрыва наблюдалась импульсная вспышка серо-голубоватого цвета и появление вспышки сопровождалось треском, напоминающим звук раздираемой ткани.
Также было выявлено, что подобный разряд является самостоятельным, то есть не требует наличия внешнего ионизатора.
Подобные вспышки наблюдались для следующих пар:
- гуттаперча-стекло,
- желатин-стекло,
- нитроцеллюлоза-стекло,
- гуттаперча-желатин,
- гуттаперча-металл(сталь).
Экспериментально было выявлено, что возникновение подобных вспышек требует соблюдения двух условий:
- Испытуемый образец должен быть сухим — если образцы пролежали некоторое время на воздухе или же были недавно приготовлены, то подобных вспышек не наблюдалось. Для достижения требуемой степени сухости образцы высушивались в сушильном шкафу или выдерживались в течение 7-14 дней над хлористым кальцием.
- Большая скорость отрыва — не менее десятков сантиметров в секунду (иногда требовались скорости в 1-6 м/с).
Выше уже говорилось о взаимосвязи скорости отрыва и интенсивности эмиссии электронов. Как можно видеть по таблице ниже, она полностью подтверждает приведённое выше утверждение, и ниже показано, что с увеличением скорости увеличивается и работа, производимая для отрыва, соответственно, мы имеем резкое возрастание эмиссии электронов:
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга – «Адгезия твёрдых тел»
Кроме того, была обнаружена взаимосвязь между силой адгезии и интенсивностью эмиссии электронов. Если сказать простыми словами: чем плотнее двойной электронный слой в месте контакта, тем сильнее адгезия материалов друг к другу, и тем больше эмиссия электронов при разрыве контакта:
Картинка: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга – «Адгезия твёрдых тел»
Говоря об условиях возникновения эмиссии электронов, можно сказать, что общим условием является следующее: при отрыве плёнки в атмосферных условиях и в условиях среднего вакуума регистрируются просто разряды, параметры которых зависят от характера окружающей среды (искровой пробой, тлеющий разряд и т. д.); в то время как в достаточно в высоком вакууме (
— 
мм рт. ст.) сразу начинается эмиссия электронов, где причиной являются сильные электростатические поля в зазоре.
Следует сказать, что эмиссия электронов наблюдается не только при отрыве пленок, она наблюдается также и при деформации металлов, деформации и раскалывании кристаллов (даже кристаллов поваренной соли).
Современные эксперименты
В 2008 году в журнале Nature вышла интересная статья американских исследователей, которые провели эксперимент, вариация которого, по большому счёту, уже проводилась в семидесятых годах советскими учёными.
Суть эксперимента заключалась в следующем: была изготовлена вакуумная камера, в которой был создан вакуум с разрежением 
Торр (т. е. другими мм рт. ст., т. к. 1 Торр = 1 мм рт. ст.) и внутри неё были установлены две катушки, одна из которых со скотчем, а другая пустая. После достижения названного выше разрежения в камере включался электродвигатель и скотч начинал перематываться с одной катушки на другую со скоростью в 5 см/сек. Как заявляют сами исследователи, это вполне спокойная скорость, сравнимая со скоростью, с которой обычно человек отклеивает скотч.
В зоне отрыва скотча ожидаемо начали сиять весьма интенсивные голубые вспышки, и, как заявляют сами исследователи, для них было весьма удивительно видеть, что подобный процесс генерирует просто огромный поток рентгеновского излучения!
Например, они подносили к стеклу этой камеры счётчик Гейгера, и у стрелочного счётчика «ложилась» стрелка (т. е. проходила всю градуированную область и ложилась с противоположной стороны!).
Далее, они провели следующий эксперимент: исследователь положил свою руку прямо на стекло вакуумной камеры и сверху на палец положил фотопластинку, аналогичную той, которые используют зубные техники для рентгеновских снимков. Пластинка оказалась засвеченной и показала внутреннюю структуру пальца!
Как рассказывают исследователи в пояснении к этому эксперименту, подобное устройство является самым дешёвым и простым рентгеновским аппаратом, и они сами признают, что до конца не понимают происходящие процессы и как такой, казалось бы, простой механический процесс, может генерировать такое огромное количество излучения!
Говоря об интенсивности излучения, исследователи называют следующие цифры:
- 100 000 рентгеновских фотонов за период в
секунд. - Интенсивность:
- более чем раз в секунду возникают импульсы с энергетикой 10 ГэВ;
- раз в две наносекунды возникают импульсы в 2 ГэВ, и на них приходится более 50% излучаемой энергии;
- остальные импульсы, энергетикой до 10 кэВ, на которых приходится оставшаяся излучаемая мощность.
Посмотреть сам эксперимент можно вот здесь, ниже:
После просмотра видео появилась любопытная мысль: экспериментаторы явно знали о взаимосвязи скорости разматывания и интенсивности эмиссии электронов. И в эксперименте явно специально разматывали скотч на малой скорости, чтобы не облучиться слишком сильно. Жить-то хочется… ;-)
При этом, как они сами признаются, эксперимент у них удачно получился с первого же рулона скотча, который они попытались использовать, и, похоже, процесс можно многократно улучшить, если поэкспериментировать с разными плёнками и клеями, увеличив интенсивность в 10 или даже 100 раз.
Перспективность этого процесса подчёркивалась также и в диссертации, защищённой в 1972 году, Н. П. Князевой, где впервые в Советском Союзе был обнаружен и описан сам факт появления рентгеновского излучения (имеющего длину волны в 0,1-0,3 нм, и интенсивность в 100 кэВ) при высокоскоростном разматывании липких материалов, при этом интересным является то, что там отмечалось, что в ряде случаев подобное явление может наблюдаться и при атмосферных условиях И на этом месте все, кто в жизни часто «скотчит» коробки и т. д. «слегка так» напряглись :-) Правда найти информацию об этих условиях мне пока не удалось....
Однако если сказать об исследователях из эксперимента, видео которого приведено выше, то они утверждают, что в воздушных условиях возникновение подобного излучения невозможно, и вакуум требуется именно для того, чтобы поверхности накопили достаточный потенциал; потому что в противном случае при проведении эксперимента в атмосферных условиях электрический пробой произойдёт раньше, чем поверхности накопят достаточный потенциал, чтобы «выстрелить» друг в друга заряженными частицами с нужной скоростью. Что из этого правда, затрудняюсь сказать. Возможно, что в комментариях читатели скажут больше...
В упомянутой выше диссертации отмечалось, что подобный механический способ получения рентгеновских лучей является весьма перспективным, так как можно изготовить источник рентгеновского излучения с регулируемой коротковолновой границей, смещение которой регулируется всего лишь скоростью вращения роликов (видимо, подразумевается ролик наматывающий и ролик разматывающий). Там же отмечается, что изготовление подобного устройства открывает большие возможности по применению его в промышленности, как настраиваемого источника рентгеновского излучения для дефектоскопии.
Однако вернёмся к описанному выше эксперименту… Как же подобное устройство вообще работает в своей основе? По мнению авторов эксперимента, выглядит это приблизительно следующим образом…
Если начать отрывать липкую плёнку от поверхности и производить это в атмосферных условиях, то на самой плёнке и на поверхности, от которой она отрывается, образуются локальные области положительных и отрицательных зарядов:
Картинка: skullsinthestars.files.wordpress.com
Когда поверхности достаточно сильно разделены и их потенциалы возросли до некоторого порогового значения, электроны отрываются и стремятся перелететь с одной стороны на другую, противоположно заряженную, попутно сталкиваясь в процессе с молекулами газа, которые начинают светиться, и цвет этого свечения зависит от типа газа.
Теперь, если откачать воздух из камеры, где это всё происходит, электронам уже ничего не будет мешать для перелёта с одной стороны на другую. При этом, если разность потенциалов достаточно большая, то они в процессе сильно ускорятся и затормозятся о противоположную поверхность, в результате чего и возникает так называемое тормозное рентгеновское излучение (насколько мне удалось понять по физике процесса, электрон отклоняется другими электронами или ядром атома той поверхности, к которой он подлетает; а излишки своей энергии по закону сохранения энергии он сбрасывает и излучает в пространство в виде фотона рентгеновского излучения — здесь могу быть не совсем прав, это то, насколько мне удалось понять сам процесс):
Картинка: skullsinthestars.files.wordpress.com
Таким образом, получается, что система из этих двух поверхностей, находящаяся в вакуумированном объёме, по сути работает как механическая электронно-лучевая трубка!
Подробную статью об этом эксперименте в журнале Nature (на англ. языке) удалось найти вот здесь. Так что желающие могут прочитать её в оригинале и ознакомиться со всеми техническими подробностями. Кому интересно, вот тут есть ещё одно исследование 2014 года (тоже на англ. языке).
Таким образом, подытоживая, можно сказать, что некоторые удивительные явления находятся у нас буквально на расстоянии вытянутой руки. Говоря же о реализуемости подобного аппарата (рентген-аппарат на базе скотча), нетрудно заметить, что он более чем реален. И единственной проблемой является получение высокого вакуума в 
мм рт. ст.
Насколько удалось выяснить, бытовые вакуумные насосы двойного действия позволяют получать вакуум около 0,0023 мм.рт.ст — хотя, может и такой вакуум будет достаточным для эмиссии электронов, — нужны эксперименты… По крайней мере, если мы будем более смелыми в научном смысле и не будем брать за догму изложенное выше, оглядимся вокруг, то мы увидим, что люди получают эмиссию электронов даже в обычной стеклянной бутылке, откачанной простым одноступенчатым вакуумным насосом:
То есть в теории можно попробовать откачать воздух в некой ёмкости подобным насосом и начать разматывать в этой ёмкости рулон скотча, например, с помощью шагового двигателя.
Но если всё же исходить из классических данных, то необходимо будет получить вакуум в 0,001 мм. рт. ст. Значит потребуются дополнительные ухищрения. Тем не менее, сам процесс весьма занятен, а на выходе мы получим мощный регулируемый источник рентгеновского излучения.
Кто заинтересовался, весьма рекомендую к прочтению: Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга – «Адгезия твёрдых тел» — очень интересно.
P.S. И напоследок: будете в космосе — скотч не разматывайте. А то мало ли что… :-)
Список использованных источников
- Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова – «Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия».
- Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга – «Адгезия твёрдых тел».
- Журнал Nature, октябрь 2008 — «Correlation between nanosecond X-ray flashes and
stick–slip friction in peeling tape». - Юрий Евдокимов, «Независимая газета» – «Рентгеновское излучение с ручным приводом».
Автор:
DAN_SEA
