La corrente nei gas. Nuove radiazioni. Radioattività.

113. Le due forme di corrente nei gas. I gas sono, nelle condizioni normali, assolutamente isolanti; cosicchè tra due piatti portati a diverso potenziale non ha luogo alcuna corrente.

Quando però un gas venga sottoposto a speciali procedimenti, esso acquista una particolare conducibilità, che si è potuta riconoscere di natura convettiva, come negli elettroliti; l’agente che crea quella conducibilità determina nel gas la produzione di ioni, cioè di nuclei carichi di elettricità positiva e negativa. Gli ioni muovendosi tra i piatti a diverso potenziale, in virtù del campo da questi prodotto, e precipitandosi sui piatti medesimi, tendono a neutralizzarne le cariche, ed obligano la pila ai cui estremi questi son rilegati a rifornirle in continuazione. Si ha così una corrente nel circuito che rilega i piatti alla pila, con lo stesso meccanismo studiato nell’elettrolisi.

Mentre però negli elettroliti la dissociazione elettrica del corpo sciolto fornisce sempre gli ioni necessari al trasporto delle cariche, e ne crea incessantemente dei nuovi, a misura che una piccola parte dei già esistenti si precipitano sugli elettrodi, nei gas la ionizzazione non è spontanea; anzi gli ioni formati dall’agente hanno una tendenza e ricombinarsi, e a perdere la qualità di ioni.

Inoltre essi non son costituiti, come gli elettrolitici, da mezze molecole cariche di elettricità opposte, ma interviene una dissociazione dell’atomo, come è dimostrato dal fatto che il fenomeno può aver luogo anche in alcuni gas la cui molecola è monoatomica, e che in taluni casi gli ioni ottenuti hanno una massa molto minore del più leggiero tra gli atomi materiali conosciuti.

S’intende subito, da quanto precede, che le leggi dei conduttori metallici o elettrolitici non possono più applicarsi ai gas resi conduttori per la loro ionizzazione. E invero mentre l’agente ionizzante (per esempio i raggi speciali emessi dal radio) produce un determinato numero di ioni a ogni minuto secondo, gli ioni prodotti in parte si ricombinano, in parte si depositano sulle pareti del vaso perdendo le loro cariche, e solo i rimanenti viaggiano tra i due piatti. E quando il campo molto intenso riuscirà a ridurre al minimo le prime due parti, e a precipitare sui piatti, per la sua violenza, tutti gli ioni che si van formando, un ulteriore accrescimento della differenza di potenziale tra i piatti non potrà far accrescere ancora il numero di ioni che prendono parte alla conduzione, e la corrente assumerà un valore limite sensibilmente costante, qualunque siano gli ulteriori accrescimenti della differenza di potenziale.

Questa corrente limite, che corrisponde alla totale utilizzazione degli ioni creati dall’agente, dicesi corrente di saturazione; essa non può essere accresciuta che aumentando la rapidità con cui dall’agente son creati nuovi ioni, cioè aumentando il suo potere ionizzante.

I processi di ionizzazione sono stati studiati negli ultimi tempi con grandissima cura ed estensione, per la luce inattesa che ne è venuta alle moderne teorie dell’elettricità, e per gl’importantissimi fenomeni alla cui scoperta si è così stati condotti.

I processi speciali capaci di produrre l’ionizzazione dei gas possono classificarsi nel modo seguente:

a) Ionizzazione per riscaldamento; essa avviene nelle fiamme o al contatto di un solido incandescente.

b) Ionizzazione per urto di altri ioni; esse avviene specialmente quando alcuni centri mobili elettrizzati, gli elettroni di cui abbiamo fatto cenno nel capitolo precedente, animati da grande velocità urtano contro gli atomi neutri del gas.

c) Ionizzazione per la luce ultravioletta; essa ha luogo o direttamente, con assorbimento della luce medesima da parte del gas che ne risulta ionizzato, o indirettamente per gli elettroni che la luce violetta strappa dai solidi su cui cade, e che provocano nel gas circostante la ionizzazione come al caso b).

d) Ionizzazione per i raggi Roentgen, ottenuti come vedremo per mezzo di tubi a gas rarefatto traversati da una scarica elettrica.

e) Ionizzazione per i raggi di Becquerel, che sono certe radiazioni emesse dalle sostanze dette radioattive, come i sali d’uranio, di torio, di radio, ecc.

f) Ionizzazione per processi chimici, quali i processi di lenta ossidazione del fosforo.

Il metodo generale di osservazione di queste correnti nei gas è il seguente: due larghi piatti, A, B (fig. 141) molto bene isolati, e immersi nel gas da studiare, son rilegati attraverso un galvanometro molto sensibile G, ai poli di una pila P composta di molti elementi, capace perciò di produrre una differenza di potenziale elevata tra A e B. Finchè il gas non è ionizzato nessuna corrente traversa il circuito, mentre il galvanometro accusa e misura le correnti ottenute quando il gas tra A e B è sottoposto all’agente ionizzante. Quando poi la corrente, per la scarsa intensità dell’agente, è troppo debole rispetto alla sensibilità del galvanometro, si ricorre a dei metodi speciali, fondati sull’uso degli elettrometri; ma noi non possiamo occuparcene.

La corrente, come si è detto, aumenta in principio al crescere della f. e. m. della pila, ma si raggiunge a un certo punto un regime, detto di saturazione, a partire dal quale la corrente conserva un valore sensibilmente costante; nella curva della fig. 141, è appunto riprodotto l’andamento della corrente in uno di questi casi; lungo l’asse delle ascisse son riportate le forze e. m. della pila, mentre l’intensità della corrente è rappresentata dalle corrispondenti ordinate.

Ma un fenomeno importante ha luogo quando la f. e. m. tra i piatti viene molto accresciuta. La corrente che si era conservata per un buon tratto sensibilmente costante, a un certo punto (fig. 142) torna rapidamente ad aumentare; ed acquista un valore elevatissimo al di là di una certa f. e. m., come se il gas fosse divenuto improvvisamente un assai buon conduttore. Contemporaneamente si producono in una parte del gas dei sorprendenti fenomeni luminosi; esso viene solcato da una scintilla di breve durata, se i piatti erano in comunicazione con un condensatore carico ad alto potenziale, e si produce un fenomeno luminoso continuo, una specie di scintilla permanente, se i piatti sono rilegati a una pila di altissima forza elettromotrice.

Questo fenomeno del passaggio d’una intensa corrente per una f. e. m. abbastanza elevata avviene anche se tra i piatti, o in generale tra gli elettrodi, non agisce una speciale sorgente ionizzante; e perciò anche nell’aria ordinaria, che del resto non è mai del tutto sprovvista di ioni. Le scintille che noi abbiamo visto scoccare tra i poli di una macchina elettrostatica sono appunto dovute a queste correnti di cui adesso ci occupiamo. Ma occorrono, per produrle, differenze di potenziale elevatissime fra gli elettrodi, crescenti con la loro distanza quasi nello stesso rapporto.

La distanza esplosiva, cioè la distanza d a cui devon portarsi gli elettrodi perchè scocchi la scintilla, e la differenza di potenziale necessaria per produrla sono riportate in questa tabella, che si riferisce a due elettrodi sferici di 1 cm. di diametro.

Da quanto abbiamo detto risulta che la corrente nei gas può avere due forme ben diverse:

1^a quella per la quale il gas acquista una grande conducibilità, e si porta all’incandescenza, sotto l’azione di un campo elettrico molto intenso,

2^a l’altra, di molto minore entità, che si ottiene sotto l’azione di campi elettrici non elevatissimi, ma con la presenza indispensabile d’un agente ionizzante.

Si ammette, dopo una lunga serie d’investigazioni in proposito, che nella prima forma (detta anche auto-corrente, o corrente autonoma, poichè non è necessaria la presenza di uno speciale ionizzatore), la corrente abbia ancora forma convettiva, e sia dovuta a una intensissima, quasi illimitata ionizzazione creata, come nel caso b, dai pochi ioni già presenti nel campo; questi, sollecitati con glande slancio dall’intenso campo esistente tra gli elettrodi, si muoverebbero con velocità grandissima, provocando con gli urti contro gli atomi incontrati per via la formazione di nuovi ioni, i quali alla loro volta ne generano degli altri nel loro cammino verso gli elettrodi e così via.

In questo caso, cioè, l’urto degli ioni esistenti contro gli atomi neutri dà origine a una grande produzione di ioni, che bastano a rendere il trasporto della elettricità molto rapido, come avviene nei liquidi per la spontanea dissociazione molecolare.