Трубка Крукса - Crookes tube

Трубка Крукса: светлая и темная. Электроны (катодные лучи) движутся по прямым линиям от катода (слева) , как показано тенью, отбрасываемой металлическим мальтийским крестом на флуоресценции правой стеклянной стенки трубки. Анод - это электрод внизу.

Крукс трубка (также Крукс-Хитторф трубка ) является ранним экспериментальной электрической газоразрядной трубкой , с частичным вакуумом, изобретенного английским физиком Крукс и другими вокруг 1869-1875, в которой катодные лучи , потоки электронов , были обнаружены.

Разработанная на основе более ранней трубки Гейсслера, трубка Крукса состоит из частично вакуумированной стеклянной колбы различной формы с двумя металлическими электродами , катодом и анодом , по одному на каждом конце. Когда между электродами подается высокое напряжение , катодные лучи ( электроны ) проецируются по прямым линиям от катода. Его использовали Крукс, Иоганн Хитторф , Юлиус Плюккер , Ойген Гольдштейн , Генрих Герц , Филипп Ленард , Кристиан Биркеланд и другие для открытия свойств катодных лучей, кульминацией чего стало определение Дж. Дж. Томсоном катодных лучей как отрицательно заряженных частиц в 1897 г. позже были названы электронами . Трубки Крукса сейчас используются только для демонстрации катодных лучей.

Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи с помощью трубки Крукса в 1895 году. Термин трубка Крукса также используется для первого поколения рентгеновских трубок с холодным катодом , которые произошли от экспериментальных трубок Крукса и использовались примерно до 1920 года.

Выключение.
Без магнита лучи идут прямо.
С помощью магнита лучи загибаются вверх.
При перевернутом магните лучи загнуты вниз.
Трубка Крукса демонстрирует магнитное отклонение. При удерживании магнита на шейке трубки (справа) лучи изгибаются вверх или вниз, перпендикулярно горизонтальному магнитному полю , поэтому зеленое флуоресцентное пятно кажется выше или ниже. Остаточный воздух в трубке светится розовым светом при ударе электронов.





Как работает трубка Крукса

Схема, показывающая цепь лампы Крукса.

Лампы Крукса - это лампы с холодным катодом , а это означает, что в них нет нагретой нити накала, которая высвобождает электроны, как это обычно бывает с более поздними электронными вакуумными лампами . Вместо этого электроны генерируются за счет ионизации остаточного воздуха высоким постоянным напряжением (от нескольких киловольт до примерно 100 киловольт), приложенным между катодным и анодным электродами в трубке, обычно с помощью индукционной катушки («катушка Румкорфа»). . Для работы трубок Крукса требуется небольшое количество воздуха, примерно от 10 -6 до 5 · 10 -8 атмосфер (7 · 10 -4 - 4 · 10 -5 торр или 0,1-0,006 паскаль ).

Когда к трубке прикладывается высокое напряжение , электрическое поле ускоряет небольшое количество электрически заряженных ионов и свободных электронов, всегда присутствующих в газе, создаваемое естественными процессами, такими как фотоионизация и радиоактивность . Электроны сталкиваются с другими молекулами газа , сбивая с них электроны и создавая больше положительных ионов. Электроны продолжают создавать больше ионов и электронов в цепной реакции, называемой разрядом Таунсенда . Все положительные ионы притягиваются к катоду или отрицательному электроду. Ударяя по нему, они выбивают с поверхности металла большое количество электронов, которые, в свою очередь, отталкиваются катодом и притягиваются к аноду или положительному электроду. Это катодные лучи .

Из трубки удалено столько воздуха, что большая часть электронов может пройти по длине трубки, не столкнувшись с молекулой газа. Высокое напряжение ускоряет эти частицы малой массы до высокой скорости (около 37 000 миль в секунду или 59 000 км / с, что составляет около 20 процентов скорости света при типичном напряжении трубки 10 кВ). Когда они достигают анодного конца трубки, у них такой большой импульс, что, хотя они притягиваются к аноду, многие пролетают мимо него и ударяются о торцевую стенку трубки. Когда они сталкиваются с атомами в стекле, они выбивают свои орбитальные электроны на более высокий энергетический уровень . Когда электроны возвращаются к исходному уровню энергии, они излучают свет. Этот процесс, называемый катодолюминесценцией , заставляет стекло светиться, обычно желто-зеленым. Сами электроны невидимы, но свечение показывает, где пучок электронов попадает в стекло. Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стенку трубки люминофором , флуоресцентным химическим веществом, таким как сульфид цинка , чтобы сделать свечение более заметным. После удара о стену электроны в конечном итоге попадают к аноду, проходят через анодный провод, источник питания и обратно к катоду.

Когда количество газа в трубке Крукса немного выше, она создает узор из светящихся областей газа, называемый тлеющим разрядом .

Сказанное выше описывает только движение электронов. Полные детали действия в трубке Крукса сложны, потому что она содержит неравновесную плазму положительно заряженных ионов , электронов и нейтральных атомов, которые постоянно взаимодействуют. При более высоких давлениях газа, выше 10 -6 атм (0,1 Па), это создает тлеющий разряд ; узор из светящихся областей разного цвета в газе в зависимости от давления в трубке (см. диаграмму). Детали не были полностью поняты до развития физики плазмы в начале 20 века.

История

Трубки Крукса произошли от более ранних трубок Гейслера, изобретенных немецким физиком и стеклодувом Генрихом Гейслером в 1857 году, экспериментальных трубок, которые похожи на современные неоновые лампы . В трубках Гейсслера был только низкий вакуум, около 10 -3 атм (100 Па ), и электроны в них могли перемещаться только на небольшое расстояние, прежде чем столкнуться с молекулой газа. Таким образом, поток электронов движется в медленном процессе диффузии , постоянно сталкиваясь с молекулами газа, никогда не набирая большого количества энергии. Эти трубки не создавали пучки катодных лучей, а только красочный тлеющий разряд, который заполнял трубку, когда электроны ударяли по молекулам газа и возбуждали их, производя свет.

Крукс и его светящиеся трубки получили известность, как показано на этой карикатуре 1902 года в Vanity Fair . Подпись гласила: «ubi Crookes ibi lux», что на латыни примерно означает «Где Крукс, там и свет».

К 1870-м годам Крукс (среди других исследователей) смог откачать свои трубки до более низкого давления, от 10 -6 до 5x10 -8 атм , используя улучшенный ртутный вакуумный насос Шпренгеля, изобретенный его коллегой Чарльзом А. Гимингхэмом. Он обнаружил, что по мере того, как он откачивал больше воздуха из своих трубок, темная область в светящемся газе образовывалась рядом с катодом. По мере того, как давление снижалось, темная область, теперь называемая темным пространством Фарадея или темным пространством Крукса , распространилась по трубке, пока внутренняя часть трубки не стала полностью темной. Однако стеклянная оболочка трубки начала светиться на анодном конце.

Что происходило, так это то, что по мере того, как из трубки откачивалось все больше воздуха, оставалось меньше молекул газа, которые препятствовали движению электронов от катода, поэтому они могли путешествовать в среднем на большее расстояние, прежде чем столкнуться с одной из них. К тому времени, как внутренняя часть трубки потемнела, они могли двигаться по прямым линиям от катода к аноду без столкновений. Они были ускорены до высокой скорости электрическим полем между электродами, потому что они не теряли энергию при столкновениях, а также потому, что трубки Крукса работали при более высоком напряжении . К тому времени, как они достигли анодного конца трубки, они двигались так быстро, что многие пролетали мимо анода и ударялись о стеклянную стену. Сами электроны были невидимы, но когда они ударялись о стеклянные стенки трубки, они возбуждали атомы в стекле, заставляя их излучать свет или флуоресценцию , обычно желто-зеленую. Позже экспериментаторы покрасили заднюю стенку трубок Крукса флуоресцентной краской, чтобы лучи были более заметны.

Эта случайная флуоресценция позволила исследователям заметить, что объекты в трубке, такие как анод, отбрасывают тень с острыми краями на стенку трубки. Иоганн Хитторф первым осознал в 1869 году, что что-то должно проходить по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тень. В 1876 году Ойген Гольдштейн доказал, что они исходят от катода, и назвал их катодными лучами ( Kathodenstrahlen ).

В то время атомы были мельчайшими известными частицами и считались неделимыми, электрон был неизвестен, а то, что переносит электрические токи, было загадкой. В течение последней четверти XIX века было изобретено множество оригинальных типов трубок Крукса, которые использовались в исторических экспериментах для определения катодных лучей (см. Ниже). Существовали две теории: Крукс считал, что это «сияющая материя»; то есть электрически заряженные атомы, тогда как немецкие ученые Герц и Гольдштейн считали, что это «колебания эфира»; какая-то новая форма электромагнитных волн . Споры разрешились в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон измерил массу катодных лучей, показав, что они состоят из частиц, но примерно в 1800 раз легче самого легкого атома, водорода . Следовательно, это были не атомы, а новая частица, первая обнаруженная субатомная частица, которая позже была названа электроном . Быстро стало понятно, что эти частицы также ответственны за электрические токи в проводах и несут отрицательный заряд в атоме.

Цветные светящиеся трубки также были популярны на публичных лекциях, чтобы продемонстрировать тайны новой науки об электричестве. Декоративные трубки были сделаны из флуоресцентных минералов или фигурок бабочек, окрашенных флуоресцентной краской, запечатанных внутри. При подаче питания флуоресцентные материалы загорались множеством светящихся цветов.

В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи, исходящие из трубок Крукса. Сразу стало очевидным, что рентгеновские лучи могут использоваться во многих случаях, и это было первое практическое применение трубок Крукса. Медицинские производители начали производить специальные трубки Крукса для генерации рентгеновских лучей, первые рентгеновские трубки .

Трубки Крукса были ненадежными и темпераментными. И энергия, и количество производимых катодных лучей зависели от давления остаточного газа в трубке. Со временем газ абсорбировался стенками трубки, снижая давление. Это уменьшило количество производимых катодных лучей и привело к увеличению напряжения на трубке, создавая более энергичные катодные лучи. В рентгеновских трубках Крукса это явление было названо «закалкой», потому что более высокое напряжение давало «более твердые», более проникающие рентгеновские лучи; трубка с более высоким вакуумом называлась «жесткой» трубкой, а трубка с более низким вакуумом - «мягкой». В конце концов давление стало настолько низким, что трубка полностью перестала работать. Чтобы предотвратить это, в часто используемые трубки, такие как рентгеновские трубки, были включены различные «умягчители», которые выделяли небольшое количество газа, восстанавливая функцию трубки.

Электронные вакуумные лампы, изобретенные позже, примерно в 1904 году, заменили лампу Крукса. Они работают при еще более низком давлении, около 10 -9 атм (10 -4 Па), при котором так мало молекул газа, что они не проводят ионизацию . Вместо этого они используют более надежный и управляемый источник электронов, нагретую нить накала или горячий катод, который высвобождает электроны за счет термоэлектронной эмиссии . Ионизационный метод создания катодных лучей, используемый в трубках Крукса, сегодня используется только в нескольких специализированных газоразрядных трубках, таких как тиратроны .

Технология манипулирует электронных пучков впервые в Круксом трубок был применен практически в конструкции вакуумных ламп, и в особенности в изобретение электронно - лучевой трубки по Ferdinand Braun в 1897 году и в настоящее время используется в сложных процессах , таких как электронно - лучевой литографии .

Открытие рентгеновских лучей

Рентгеновская трубка Крукса примерно 1910 года.
Еще одна рентгеновская трубка Крукса. Устройство, прикрепленное к горлышку пробирки (справа), представляет собой «осмотический умягчитель».

Когда напряжение, приложенное к трубке Крукса, достаточно велико, около 5000 вольт или больше, оно может ускорять электроны до достаточно высокой скорости, чтобы создавать рентгеновские лучи, когда они попадают на анод или стеклянную стенку трубки. Быстрые электроны испускают рентгеновские лучи, когда их путь резко изгибается, когда они проходят вблизи высокого электрического заряда ядра атома , процесс, называемый тормозным излучением , или они выбивают внутренние электроны атома на более высокий энергетический уровень , а те, в свою очередь, излучают X -лучей, когда они возвращаются к своему прежнему уровню энергии, этот процесс называется рентгеновской флуоресценцией . Многие ранние трубки Крукса, несомненно, генерировали рентгеновские лучи, потому что ранние исследователи, такие как Иван Пулюй, заметили, что они могут оставлять туманные следы на близлежащих неэкспонированных фотопластинках . 8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген управлял трубкой Крукса, покрытой черным картоном, когда он заметил, что соседний флуоресцентный экран слабо светился. Он понял, что какие-то неизвестные невидимые лучи от трубки могут проходить через картон и заставлять экран светиться. Он обнаружил, что они могут просматривать книги и бумаги на его столе. Рентген начал постоянно исследовать лучи и 28 декабря 1895 года опубликовал первую научно-исследовательскую работу по рентгеновским лучам. Рентген был удостоен первой Нобелевской премии по физике (1901 г.) за свои открытия.

Многочисленные применения рентгеновских лучей привели к первому практическому применению трубок Крукса, и мастерские начали производство специализированных трубок Крукса для генерации рентгеновских лучей, первых рентгеновских трубок. Анод был сделан из тяжелого металла, обычно платины , который генерировал больше рентгеновских лучей, и был наклонен под углом к ​​катоду, поэтому рентгеновские лучи проходили через боковую часть трубки. Катод имел вогнутую сферическую поверхность, которая фокусировала электроны в маленькое пятно диаметром около 1 мм на аноде, чтобы приблизиться к точечному источнику рентгеновских лучей, который давал самые четкие рентгенограммы . Эти рентгеновские трубки с холодным катодом использовались примерно до 1920 года, когда их заменила рентгеновская трубка Кулиджа с горячим катодом .

Эксперименты с трубками Крукса

В течение последней четверти XIX века трубки Крукса использовались в десятках исторических экспериментов, чтобы попытаться выяснить, что такое катодные лучи. Существовало две теории: британские ученые Крукс и Кромвель Варли считали, что это частицы «лучистой материи», то есть электрически заряженные атомы . Немецкие исследователи Э. Видеманн, Генрих Герц и Ойген Гольдштейн считали, что это « колебания эфира », некоторая новая форма электромагнитных волн , и они были отделены от того, что переносило ток через трубку. Споры продолжались до тех пор, пока Дж. Дж. Томсон не измерил их массу, доказав, что они были ранее неизвестной отрицательно заряженной частицей, первой субатомной частицей , которую он назвал «корпускулой», но позже был переименован в «электрон».

Мальтийский крест

Юлиус Плюкер в 1869 году построил трубку с анодом в форме мальтийского креста, обращенным к катоду. Он был откидным, поэтому его можно было сложить на дне трубы. Когда трубка была включена, катодные лучи отбрасывали резкую крестообразную тень на флуоресценцию на задней стороне трубки, показывая, что лучи движутся по прямым линиям. Эта флуоресценция использовалась в качестве аргумента в пользу того, что катодные лучи были электромагнитными волнами, поскольку единственное, что, как известно, могло вызывать флуоресценцию в то время, было ультрафиолетовым светом. Через некоторое время флуоресценция «устанет» и свечение уменьшится. Если крест был загнут вниз, чтобы не попасть на пути лучей, он больше не будет отбрасывать тень, и ранее затененная область будет флуоресцировать сильнее, чем область вокруг нее.

Перпендикулярное излучение

Трубка Крукса с вогнутым катодом

Ойген Гольдштейн в 1876 году обнаружил, что катодные лучи всегда испускаются перпендикулярно поверхности катода. Если катодом была плоская пластина, лучи испускались прямыми линиями, перпендикулярными плоскости пластины. Это было доказательством того, что они были частицами, потому что светящийся объект, такой как раскаленная металлическая пластина, излучает свет во всех направлениях, а заряженная частица будет отталкиваться катодом в перпендикулярном направлении. Если бы электрод был выполнен в виде вогнутой сферической тарелки, катодные лучи фокусировались бы в точку перед тарелкой. Это можно использовать для нагрева образцов до высокой температуры.

Отклонение электрическими полями

Генрих Герц построил трубку со второй парой металлических пластин по обе стороны от пучка электронно-лучевых лучей, грубую ЭЛТ . Если катодные лучи были заряженными частицами , их путь должен искривляться электрическим полем, создаваемым при приложении напряжения к пластинам, заставляя пятно света, на которое попадают лучи, перемещаться в сторону. Он не обнаружил никакого изгиба, но позже было установлено, что его трубка была недостаточно откачана, что привело к накоплению поверхностного заряда, который маскировал электрическое поле. Позже Артур Шустер повторил эксперимент с более высоким вакуумом. Он обнаружил, что лучи притягиваются к положительно заряженной пластине и отталкиваются отрицательной, изгибая луч. Это было доказательством того, что они были заряжены отрицательно, а значит, не были электромагнитными волнами.

Отклонение магнитными полями

Магнитная отклоняющая трубка Крукса.
Отклонение электронного луча с помощью стержневого магнита

Крукс поместил магнит на горлышко трубки, так, чтобы северный полюс находился с одной стороны луча, а южный - с другой, и луч проходил через магнитное поле между ними. Луч загибался перпендикулярно магнитному полю. Чтобы показать путь луча, Крукс изобрел трубку (см. Рисунки) с картонным экраном с люминофорным покрытием по всей длине трубки под небольшим углом, чтобы электроны ударяли по люминофору по всей его длине, образуя светящуюся линию. на экране. Было видно, что линия изгибается вверх или вниз в поперечном магнитном поле. Этот эффект (теперь называемый силой Лоренца ) был подобен поведению электрических токов в электродвигателе и показал, что катодные лучи подчиняются закону индукции Фарадея, как токи в проводах. И электрическое, и магнитное отклонение были доказательством теории частиц, потому что электрические и магнитные поля не влияют на пучок световых волн.

Гребное колесо

Трубка гребного колеса Крукса из его статьи 1879 года о лучистой материи

Крукс поместил на пути катодных лучей крошечную турбину с лопатками или крыльчатку и обнаружил, что она вращается, когда лучи попадают в нее. Лопастное колесо вращалось в направлении от катодной стороны трубки, предполагая, что сила катодных лучей, падающих на лопасти, вызывала вращение. В то время Крукс пришел к выводу, что это показывает, что катодные лучи обладают импульсом , поэтому лучи, вероятно, являются частицами материи . Однако позже был сделан вывод, что лопаточное колесо вращается не из-за импульса частиц (или электронов), ударяющих по лопастному колесу, а из-за радиометрического эффекта . Когда лучи попадают на поверхность лопасти, они нагревают ее, и тепло заставляет газ рядом с ней расширяться, толкая лопасть. Это было доказано в 1903 году Дж. Дж. Томсоном, который рассчитал, что импульса электронов, ударяющихся о лопастное колесо, будет достаточно только для того, чтобы повернуть колесо на один оборот в минуту. Этот эксперимент действительно показал, что катодные лучи способны нагревать поверхности.

Заряжать

Жан-Батист Перрен хотел определить, действительно ли катодные лучи несут отрицательный заряд или они просто сопровождают носители заряда, как думали немцы. В 1895 году он сконструировал трубку с «ловушкой», закрытый алюминиевый цилиндр с небольшим отверстием на конце, обращенном к катоду, для сбора катодных лучей. К ловушке прилагался электроскоп для измерения его заряда. Электроскоп показал отрицательный заряд, доказывая, что катодные лучи действительно переносят отрицательное электричество.

Анодные лучи

Специальная трубка с перфорированным катодом, излучающая анодные лучи (вверху, розовая)

В 1886 году Гольдштейн обнаружил, что если в катоде есть небольшие отверстия, то будут видны потоки слабого светового свечения, исходящие из отверстий на обратной стороне катода, обращенных в сторону от анода. Было обнаружено, что в электрическом поле эти анодные лучи отклоняются в противоположном направлении от катодных лучей к отрицательно заряженной пластине, указывая на то, что они несут положительный заряд. Это были положительные ионы, которые притягивались к катоду и создавали катодные лучи. Гольдштейн назвал их канальными лучами ( Kanalstrahlen ).

Доплеровский сдвиг

Юджин Гольдштейн думал, что он придумал метод измерения скорости катодных лучей. Если бы тлеющий разряд, наблюдаемый в газе трубок Крукса, создавался движущимися катодными лучами, свет, излучаемый ими в том направлении, в котором они двигались, вниз по трубке, был бы смещен по частоте из-за эффекта Доплера . Это может быть обнаружено с помощью спектроскопа, потому что спектр линии излучения будет смещен. Он построил трубку в форме буквы «L», со спектроскопом, направленным через стекло локтя вниз по одной из рук. Он измерил спектр свечения, когда спектроскоп был направлен в сторону катода, затем переключил соединения источника питания, так что катод стал анодом, а электроны двигались в другом направлении, и снова наблюдал за спектром, ища сдвиг. Он не нашел ни одного, что, по его расчетам, означало, что лучи движутся очень медленно. Позже было установлено, что свечение в трубках Крукса исходит от атомов газа, попадающих под электроны, а не от самих электронов. Поскольку атомы в тысячи раз массивнее электронов, они движутся намного медленнее из-за отсутствия доплеровского сдвига.

Окно Ленарда

Трубка Ленарда

Филипп Ленард хотел посмотреть, могут ли катодные лучи выходить из трубки Крукса в воздух. См. Диаграмму. Он построил трубку с «окном» (W) в стеклянной оболочке из алюминиевой фольги, достаточно толстой, чтобы выдерживать атмосферное давление (позже названное «окно Ленарда»), обращенное к катоду (C), чтобы катодные лучи попадали Это. Он обнаружил, что что-то действительно произошло. Поднесение флуоресцентного экрана к окну заставляло его светиться, хотя свет не попадал на него. Фотопластинка дотянул до него будет затемнена, даже если он не был выставлен свет. Эффект имел очень короткий диапазон около 2,5 см (0,98 дюйма). Он измерил способность катодных лучей проникать в листы материала и обнаружил, что они могут проникать гораздо дальше, чем движущиеся атомы. Поскольку атомы были самыми маленькими частицами, известными в то время, это сначала было воспринято как доказательство того, что катодные лучи были волнами. Позже выяснилось, что электроны намного меньше атомов, что объясняет их большую проникающую способность. Ленард был удостоен Нобелевской премии по физике в 1905 году за свою работу.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки