Трубка Крукса (также трубка Крукса-Гитторфа ) [1] — ранняя экспериментальная электрическая разрядная трубка с частичным вакуумом, изобретенная английским физиком Уильямом Круксом [2] и другими примерно в 1869–1875 годах [3] , в которой были обнаружены катодные лучи — потоки электронов . [4]
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. Она использовалась Круксом , Иоганном Гитторфом , Юлиусом Плюккером , Ойгеном Гольдштейном , Генрихом Герцем , Филиппом Ленардом , Кристианом Биркеландом и другими для открытия свойств катодных лучей, что привело к идентификации Дж. Дж. Томсоном в 1897 году катодных лучей как отрицательно заряженных частиц, которые позже были названы электронами . Трубки Крукса в настоящее время 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 [5] , которые произошли от экспериментальных трубок Крукса и использовались примерно до 1920 года.
Трубки Крукса являются трубками с холодным катодом , что означает, что в них нет нагретой нити накаливания , которая высвобождает электроны , как это обычно делают более поздние электронные вакуумные трубки . Вместо этого электроны генерируются путем 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 («катушки 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 паскаля ).
Когда к трубке прикладывается высокое напряжение , электрическое поле ускоряет небольшое количество электрически заряженных ионов и свободных электронов, всегда присутствующих в газе, созданных естественными процессами, такими как фотоионизация и радиоактивность . Электроны сталкиваются с другими молекулами газа , выбивая из 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. Когда они ударяются о него, они выбивают большое количество электронов с поверхности металла, которые, в свою очередь, отталкиваются катодом и притягиваются к аноду или положительному электроду. Это катодные лучи .
Из трубки удалено достаточно воздуха, чтобы большинство электронов могли пройти всю длину трубки, не столкнувшись с молекулой газа. Высокое напряжение разгоняет эти частицы с малой массой до высокой скорости (около 37 000 миль в секунду или 59 000 км/с, около 20 процентов скорости света , для типичного напряжения трубки 10 кВ [6] ). Когда они достигают анодного конца трубки, у них такой большой импульс , что, хотя они и притягиваются анодом, многие пролетают мимо него и ударяются о торцевую стенку трубки. Когда они ударяются об атомы в стекле, они выбивают свои орбитальные электроны на более высокий энергетический уровень . Когда электроны возвращаются на свой исходный энергетический уровень, они излучают свет. Этот процесс, называемый катодолюминесценцией , заставляет стекло светиться, обычно желто-зеленым цветом. Сами электроны невидимы, но свечение показывает, где пучок электронов ударяется о стекло. Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стенку трубки фосфором , флуоресцентным химикатом, таким как сульфид цинка , чтобы сделать свечение более заметным. После удара о стенку электроны в конечном итоге направляются к аноду, проходят через анодную проволоку, источник питания и возвращаются к катоду.
Выше описано только движение электронов. Полные детали действия в трубке Крукса сложны, поскольку 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 разноцветных светящихся областей в газе, в зависимости от давления в трубке (см. диаграмму). Детали не были полностью поняты до развития физики плазмы в начале 20-го века.
Трубки Крукса произошли от более ранних трубок Гейсслера, изобретенных немецким физиком и стеклодувом Генрихом Гейсслером в 1857 году, экспериментальных трубок, которые похожи на современные неоновые лампы . Трубки Гейсслера имели только низкий вакуум, около 10−3 атм ( 100 Па ), [7] и электроны в них могли перемещаться только на короткое расстояние, прежде чем столкнуться с молекулой газа. Таким образом, поток электронов двигался в медленном процессе диффузии , постоянно сталкиваясь с молекулами газа, никогда не набирая много энергии. Эти трубки не создавали пучков катодных лучей, только красочный тлеющий разряд , который заполнял трубку, когда электроны ударялись о молекулы газа и возбуждали их, производя 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 усовершенствованный ртутный вакуумный насос Шпренгеля, изобретенный его коллегой Чарльзом А. Джимингемом. Он обнаружил, что по мере того, как он откачивал больше воздуха из своих трубок, в светящемся газе рядом с катодом образовывалась темная область. По мере того, как давление становилось ниже, темная область, теперь называемая темным пространством Фарадея или темным пространством Крукса , распространялась вниз по трубке, пока внутренняя часть трубки не стала полностью темной. Однако стеклянная оболочка трубки начала светиться на анодном конце. [8]
Происходило следующее: чем больше воздуха откачивали из трубки, тем меньше было молекул газа, которые могли бы препятствовать движению электронов от катода, поэтому они могли в среднем проходить большее расстояние, прежде чем ударяться об один из них. К тому времени, как внутренняя часть трубки становилась темной, они могли двигаться по прямой от катода к аноду без столкновений. Они ускорялись до высокой скорости электрическим полем между электродами, как потому, что они не теряли энергию при столкновениях, так и потому, что трубки Крукса работали при более высоком напряжении . К тому времени, как они достигали анодного конца трубки, они двигались так быстро, что многие пролетали мимо анода и ударялись о стеклянную стенку. Сами электроны были невидимы, но когда они ударялись о стеклянные стенки трубки, они возбуждали атомы в стекле, заставляя их испускать свет или флуоресцировать , обычно желто-зеленого цвета. Более поздние экспериментаторы красили заднюю стенку трубок Крукса флуоресцентной краской, чтобы сделать лучи более заметными.
Эта случайная флуоресценция позволила исследователям заметить, что объекты в трубке, такие как анод, отбрасывают тень с острыми краями на стенку трубки. Иоганн Хитторф был первым, кто в 1869 году понял, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тень. [9] В 1876 году Ойген Гольдштейн доказал, что они исходят от катода, и назвал их катодными лучами ( Kathodenstrahlen ). [10]
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 19-го века было изобретено много гениальных типов трубок Крукса, которые использовались в исторических экспериментах, чтобы определить, что такое катодные лучи (см. ниже). Существовало две теории: Крукс считал, что это «лучистая материя»; то есть электрически заряженные атомы, в то время как немецкие ученые Герц и Гольдштейн считали, что это «эфирные колебания»; некая новая форма электромагнитных волн . [11] Спор был разрешен в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон измерил массу катодных лучей, показав, что они состоят из частиц, но были 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 . [12] Вскоре стало ясно, что эти частицы также ответственны за электрические токи в проводах и переносят отрицательный заряд в атоме.
Красочные 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. Многочисленные применения рентгеновских лучей стали очевидны сразу, первое практическое применение трубок Крукса. Производители медицинской техники начали выпускать специализированные трубки Крукса для генерации рентгеновских лучей, первые рентгеновские трубки .
Трубки Крукса были ненадежными и капризными. Как энергия, так и количество производимых катодных лучей зависели от давления остаточного газа в трубке. [13] [14] [15] Со временем газ поглощался стенками трубки, снижая давление. [16] [13] [14] [15] Это уменьшало количество производимых катодных лучей и приводило к увеличению напряжения на трубке, создавая более энергичные катодные лучи. [15] В рентгеновских трубках Крукса это явление называлось «закалкой», потому что более высокое напряжение производило «более жесткие», более проникающие рентгеновские лучи; трубка с более высоким вакуумом называлась «жесткой» трубкой, в то время как трубка с более низким вакуумом была «мягкой» трубкой. В конце концов давление становилось настолько низким, что трубка полностью переставала работать. [15] Чтобы предотвратить это, в интенсивно используемых трубках, таких как рентгеновские трубки, были встроены различные «смягчающие» устройства, которые выпускали небольшое количество газа, восстанавливая функцию трубки. [13] [14] [15]
Электронные вакуумные лампы , изобретенные позднее, около 1904 года, вытеснили трубку Крукса. Они работают при еще более низком давлении, около 10−9 атм (10−4 Па ), при котором молекул газа так мало, что они не проводят ток путем ионизации . Вместо этого они используют более надежный и контролируемый источник электронов, нагретую нить или горячий катод , который испускает электроны путем термоионной эмиссии . Метод ионизации для создания катодных лучей, используемый в трубках Крукса, сегодня используется только в нескольких специализированных газоразрядных трубках, таких как тиратроны .
Технология манипулирования электронными пучками, впервые примененная в трубках Крукса, нашла практическое применение в разработке электронных ламп, в частности, в изобретении электронно -лучевой трубки Фердинандом Брауном в 1897 году, и в настоящее время используется в таких сложных процессах, как электронно-лучевая литография .
Когда напряжение, приложенное к трубке Крукса, достаточно высоко, около 5000 вольт или больше, [17] оно может разогнать электроны до достаточно высокой скорости, чтобы создать рентгеновские лучи , когда они ударяются об 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 они, в свою очередь, испускают рентгеновские лучи, когда они возвращаются на свой прежний энергетический уровень, процесс, называемый 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 работал с трубкой Крукса, покрытой черным картоном, когда заметил, что близлежащий флуоресцентный экран слабо светится. [18] Он понял, что некоторые неизвестные невидимые лучи из трубки способны проходить через картон и заставлять экран флуоресцировать. Он обнаружил, что они могут проходить через книги и бумаги на его столе. Рентген начал исследовать лучи на постоянной основе и 28 декабря 1895 года опубликовал первую научную исследовательскую работу о рентгеновских лучах. [19] За свои открытия Рентген был удостоен первой Нобелевской премии по физике (в 1901 году).
Многочисленные применения рентгеновских лучей создали первое практическое применение трубок Крукса, и мастерские начали производить специализированные трубки Крукса для генерации рентгеновских лучей, первые рентгеновские трубки. Анод был сделан из тяжелого металла, обычно платины , который генерировал больше рентгеновских лучей, и был наклонен под углом к катоду, так что рентгеновские лучи излучались через боковую часть трубки. Катод имел вогнутую сферическую поверхность, которая фокусировала электроны в небольшое пятно диаметром около 1 мм на аноде, чтобы приблизиться к точечному источнику рентгеновских лучей, который давал самые резкие рентгенограммы . Эти рентгеновские трубки с холодным катодом использовались примерно до 1920 года, когда они были заменены рентгеновской трубкой Кулиджа с горячим катодом .
В течение последней четверти 19-го века трубки Крукса использовались в десятках исторических экспериментов, чтобы попытаться выяснить, что такое катодные лучи. [20] Существовало две теории: британские ученые Крукс и Кромвель Варли считали, что это частицы «лучистой материи», то есть электрически заряженные атомы . Немецкие исследователи Э. Видеман, Генрих Герц и Ойген Гольдштейн считали, что это « эфирные колебания», некая новая форма электромагнитных волн , и они были отделены от того, что переносило ток через трубку. [21] [11] Дебаты продолжались до тех пор, пока Дж. Дж. Томсон не измерил их массу, доказав, что это была ранее неизвестная отрицательно заряженная частица, первая субатомная частица , которую он назвал «корпускулой», но позже переименовал в «электрон».
Юлиус Плюккер в 1869 году построил трубку с анодом в форме мальтийского креста, обращенным к катоду. Он был шарнирным, поэтому мог складываться вниз к полу трубки. Когда трубка была включена, катодные лучи отбрасывали резкую крестообразную тень на флуоресценцию на задней поверхности трубки, показывая, что лучи движутся по прямым линиям. Эта флуоресценция использовалась в качестве аргумента в пользу того, что катодные лучи являются электромагнитными волнами, поскольку единственным известным в то время фактором, вызывающим флуоресценцию, был ультрафиолетовый свет. Через некоторое время флуоресценция «уставала», и свечение уменьшалось. Если крест складывался вниз с пути лучей, он больше не отбрасывал тень, и ранее затененная область флуоресцировала сильнее, чем область вокруг нее.
В 1876 году Ойген Гольдштейн обнаружил, что катодные лучи всегда испускаются перпендикулярно поверхности катода. [22] [23] Если катод представлял собой плоскую пластину, то лучи испускались по прямым линиям, перпендикулярным плоскости пластины. Это было доказательством того, что это были частицы, поскольку светящийся объект, например раскаленная металлическая пластина, испускает свет во всех направлениях, в то время как заряженная частица будет отталкиваться катодом в перпендикулярном направлении. Если бы электрод был выполнен в форме вогнутой сферической тарелки, то катодные лучи фокусировались бы в точке перед тарелкой. Это можно было бы использовать для нагрева образцов до высокой температуры.
Генрих Герц построил трубку со второй парой металлических пластин по обе стороны от пучка катодных лучей, грубую ЭЛТ . Если катодные лучи были заряженными частицами , их путь должен был изгибаться электрическим полем, создаваемым при подаче напряжения на пластины, заставляя пятно света, куда попадают лучи, смещаться вбок. Он не обнаружил никакого изгиба, но позже было установлено, что его трубка была недостаточно вакуумирована, что приводило к накоплению поверхностного заряда , который маскировал электрическое поле. Позже Артур Шустер повторил эксперимент с более высоким вакуумом. Он обнаружил, что лучи притягивались к положительно заряженной пластине и отталкивались отрицательно заряженной, изгибая луч. Это было доказательством того, что они были отрицательно заряжены, и, следовательно, не являлись электромагнитными волнами.
Крукс поместил магнит поперек горловины трубки так, чтобы северный полюс был с одной стороны луча, а южный полюс — с другой, и луч проходил через магнитное поле между ними. Луч был изогнут вниз, перпендикулярно магнитному полю. Чтобы выявить путь луча, Крукс изобрел трубку (см. рисунки) с картонным экраном с фосфорным покрытием по всей длине трубки, под небольшим углом, чтобы электроны попадали на фосфор по всей ее длине, создавая светящуюся линию на экране. Можно было видеть, как линия изгибается вверх или вниз в поперечном магнитном поле. Этот эффект (теперь называемый силой Лоренца ) был похож на поведение электрических токов в электродвигателе и показал, что катодные лучи подчиняются закону индукции Фарадея, как токи в проводах. Как электрическое, так и магнитное отклонение были доказательством теории частиц, поскольку статические электрические и магнитные поля не оказывают никакого влияния на луч световых волн в вакууме.
Крукс поместил крошечную лопастную турбину или лопастное колесо на пути катодных лучей и обнаружил, что оно вращается, когда лучи попадают на него. Лопастное колесо вращалось в направлении от катодной стороны трубки, что предполагает, что сила катодных лучей, ударяющих по лопастям, вызывала вращение. В то время Крукс пришел к выводу, что это показывает, что катодные лучи имеют импульс , поэтому лучи, вероятно, являются частицами материи . Однако позже был сделан вывод, что лопастное 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 ним расширяться, толкая лопасть. Это было доказано в 1903 году Дж . Дж. Томсоном , который вычислил, что импульса электронов, ударяющих по лопастному колесу, будет достаточно, чтобы повернуть колесо на один оборот в минуту. Все, что этот эксперимент действительно показал, это то, что катодные лучи способны нагревать поверхности.
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 «улавливателем», закрытым алюминиевым цилиндром с небольшим отверстием на конце, обращенном к катоду, для сбора катодных лучей. Улавливатель был прикреплен к электроскопу для измерения его заряда. Электроскоп показал отрицательный заряд, доказав, что катодные лучи действительно несут отрицательное электричество.
В 1886 году Гольдштейн обнаружил, что если сделать катод с небольшими отверстиями, то из отверстий на задней стороне катода, обращенных от анода, будут видны потоки слабого светящегося свечения. [24] [25] Было обнаружено, что в электрическом поле эти анодные лучи изгибаются в противоположном направлении от катодных лучей, к отрицательно заряженной пластине, что указывает 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 ). [26]
Ойген Гольдштейн думал, что он придумал метод измерения скорости катодных лучей. Если тлеющий разряд, наблюдаемый в газе трубок Крукса, создавался движущимися катодными лучами, свет, излучаемый ими в направлении их движения, вниз по трубке, будет смещен по частоте из-за эффекта Доплера . Это можно было обнаружить с помощью спектроскопа , поскольку спектр эмиссионной линии будет смещен. Он построил трубку в форме буквы «L», со спектроскопом, направленным через стекло локтя вниз по одному из плеч. Он измерил спектр свечения, когда спектроскоп был направлен на катодный конец, затем переключил соединения источника питания так, чтобы катод стал анодом, а электроны двигались в другом направлении, и снова наблюдал за спектром в поисках сдвига. Он не нашел его, что, как он вычислил, означало, что лучи движутся очень медленно. Позже было признано, что свечение в трубках Крукса испускается атомами газа, сталкивающимися с электронами, а не самими электронами. Поскольку атомы в тысячи раз массивнее электронов, они движутся гораздо медленнее, что объясняет отсутствие доплеровского сдвига.
Филипп Ленард хотел проверить, могут ли катодные лучи выходить из трубки Крукса в воздух. См. схему. Он построил трубку с «окном» (W) в стеклянной оболочке из алюминиевой фольги, достаточно толстой, чтобы выдерживать атмосферное давление (позже названной «окном Ленарда»), обращенной к катоду (C), чтобы катодные лучи попадали в нее. Он обнаружил, что что-то действительно проходило. Поднесение флуоресцентного экрана к окну заставляло его флуоресцировать, хотя до него не доходил свет. Фотопластинка, поднесенная к нему, затемнялась, хотя на нее не попадал свет. Эффект имел очень короткий радиус действия — около 2,5 сантиметров (0,98 дюйма). Он измерил способность катодных лучей проникать сквозь 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 принято как доказательство того, что катодные лучи являются волнами. Позже стало ясно, что электроны намного меньше атомов, что объясняет их большую проникающую способность. За свою работу Ленард был удостоен Нобелевской премии по физике в 1905 году.
корпускулярная теория эфира.
давление постепенное затвердевание время постепенное снижение.
давление уменьшает увеличивает мягкое твердое.
рентгеновская трубка закалка давление исчезает увеличивается.
