Войти
Трубка Крукса: свет и темнота. Электроны (катодные лучи) движутся по прямым линиям от катода (слева), как показано тенью, отбрасываемой металлическим мальтийским крестом на флуоресценции правая стеклянная стенка трубки. Анод - это электрод внизу. A Трубка Крукса (также Трубка Крукса – Хитторфа ) - это ранняя экспериментальная электрическая разрядная трубка с частичным вакуумом, изобретенная Английский физик Уильям Крукс и другие в 1869-1875 гг., В которых были обнаружены катодные лучи, потоки электронов.
Разработано на основе ранее трубка Гейсслера, трубка Крукса состоит из частично вакуумированной стеклянной колбы различной формы с двумя металлическими электродами, катодом и анод, по одному с обоих концов. Когда высокое напряжение прикладывается между электродами, 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, чтобы открыть свойства катодных лучей, достигнув кульминации в JJ Томсон в 1897 году отождествил катодные лучи с отрицательно заряженными частицами, которые позже были названы электронами. Трубки Крукса сейчас используются только для демонстрации катодных лучей.
Вильгельм Рентген открыл рентгеновское излучение с помощью трубки Крукса в 1895 году. Термин «трубка Крукса» также используется для первого поколения, холодный катод X- лучевые трубки, которые произошли от экспериментальных трубок Крукса и использовались примерно до 1920 года.
Отключение питания. 
Без магнита лучи движутся прямо. 
С магнитом лучи изгибаются вверх. 
При перевернутом магните лучи загибаются 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 выглядит выше или ниже. Остаточный воздух в трубке светится розовым при ударе электронов. ....
Схема, показывающая цепь трубки Крукса. Лампы Крукса лампы с холодным катодом, то есть в них нет нагретой нити, которая высвобождает электроны, как это обычно бывает с более поздними электронными электронными лампами. Вместо этого электроны генерируются посредством ионизации остаточного воздуха с помощью высокого DC напряжения (от нескольких киловольт до примерно 100 киловольт), приложенного между катодные и анодные электроды в трубке, обычно с помощью индукционной катушки («катушка Румкорфа»). Для работы трубок Крукса требуется небольшое количество воздуха, примерно от 10 до 5 × 10 атмосфер (7 × 10 - 4 × 10 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 присутствует в газе, создаваемом 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 достаточно воздуха, чтобы большая часть электронов могла пройти по длине трубки, не столкнувшись с молекулой газа. Высокое напряжение ускоряет эти частицы малой массы до высокой скорости (около 37000 миль в секунду, или 59000 км / с, примерно 20 процентов от скорости света, для типичного трубочного напряжения 10 кВ). Когда они достигают анодного конца трубки, они обладают таким большим импульсом, 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 на анод, проходят через анодный провод, источник питания и обратно к катоду.
Когда количество газа в трубке Крукса немного больше, это создает узор из светящихся областей газа, называемый тлеющим разрядом.Вышеупомянутое описывает только движение электронов. Подробные сведения о действии 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 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.
Трубки Крукса произошли от более ранних трубок Гейсслера, изобретенных немецким физиком и стеклодувом Генрихом Гейслером в 1857 г., экспериментальные лампы, похожие на современные неоновые лампы. В трубках Гейсслера был только низкий вакуум, около 10 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 много 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 Ярмарке тщеславия. Подпись гласила: «ubi Crookes ibi lux», что на латыни означает примерно «Где Крукс, там и свет». К 1870-м годам Крукс (среди других исследователей) смог откачать свои трубки до более низкого давления. От 10 до 5x10 атм, используя усовершенствованный ртутный насос Sprengel вакуумный насос, 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 конце анода.
Произошло то, что по мере того, как из трубки откачалось больше воздуха, стало меньше молекул газа, которые препятствовали движению электронов от катод, чтобы они могли пройти в среднем на большее расстояние, прежде чем столкнутся с одним. К тому времени, когда 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 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 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 флуоресцировать, обычно желто-зеленый. 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 в 1869 году осознал, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тень. В 1876 году Ойген Голдштейн доказал, что они исходят от катода, и назвал их катодными лучами (Kathodenstrahlen).
В то время атомы были самыми маленькими известными частицами. и считались неделимыми, электрон был неизвестен, и что переносило электрические токи, оставалось загадкой. В течение последней четверти XIX века было изобретено множество оригинальных типов трубок Крукса, которые использовались в исторических экспериментах для определения того, что такое катодные лучи (см. Ниже). Существовало 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»; некоторая новая форма электромагнитных волн. Спор разрешился в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон измерил массу катодных лучей, показав, что они состоят из частиц, но были примерно в 1800 раз легче, чем самый легкий атом, водород. 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 в публичных лекциях, чтобы продемонстрировать тайны новой науки об электричестве. Декоративные трубы были сделаны из флуоресцентных минералов или фигурок бабочек, окрашенных флуоресцентной краской, запечатанных внутри. При подаче питания люминесцентные материалы загорались множеством светящихся цветов.
В 1895 году Вильгельм Рентген обнаружил рентгеновские лучи, исходящие из трубок Крукса. Сразу стало очевидным, что рентгеновские лучи могут использоваться во многих случаях, и это первое практическое применение трубок Крукса. Медицинские производители начали производить специализированные трубки Крукса для генерации рентгеновских лучей, первые рентгеновские трубки.
трубки Крукса были ненадежными и темпераментными. И энергия, и количество производимых катодных лучей зависят 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 «смягчающие» устройства, которые выделяли небольшое количество газа, восстанавливая функцию трубки.
Электронные вакуумные трубки изобретенная позже, около 1904 года, заменила трубку Крукса. Они работают при еще более низком давлении, около 10 атм (10 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 управления электронными лучами впервые применяется в трубках Крукса был применен практически при разработке электронных ламп, и в частности, в изобретении электронно-лучевой трубки, сделанном Фердинандом Брауном в 1897 году, и в настоящее время используется в сложных процессах, таких как электронно-лучевая литография.
Рентгеновская трубка Крукса примерно 1910 года. 
Еще одна рентгеновская трубка Крукса. Устройство, прикрепленное к горлышку трубки (справа), является «осмотическим умягчителем». Когда напряжение, приложенное к трубке Крукса, достаточно велико, около 5000 вольт или больше, оно может ускорить электроны с достаточно высокой скоростью, чтобы создавать рентгеновские лучи, когда они ударяются об анод или стеклянную стенку трубки. Быстрые электроны излучают рентгеновские лучи, когда их путь резко изгибается, когда они проходят вблизи высокого электрического заряда ядра атома, процесс, называемый тормозным излучением, или они сбивают внутренние электроны атома. на более высокий энергетический уровень, и они, в свою очередь, излучают рентгеновские лучи, возвращаясь к своему прежнему уровню энергии, 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 управлял трубкой Крукса, покрытой черным картоном, когда он заметил, что ближайший флуоресцентный экран слабо светился. Он понял, что какие-то неизвестные невидимые лучи из 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 (в 1901 году) 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, так что 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 резкие рентгенограммы. Эти рентгеновские трубки с холодным катодом использовались примерно до 1920 года, когда их заменила рентгеновская трубка Кулиджа с горячим катодом.
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 полагали, что они являются частицами «лучистой материи», то есть электрически заряженными атомами. Немецкие исследователи Э. Видеманн, Генрих Герц и Ойген Гольдштейн считали, что это «колебания эфира », некая новая форма электромагнитных волн, и были отделены от того, что проводило ток через трубку. Дебаты продолжались до J.J. Томсон измерил их массу, доказав, что это была ранее неизвестная отрицательно заряженная частица, первая субатомная частица, которую он назвал «корпускулой», но позже был переименован в «электрон».
Юлиус Плюкер в 1869 году построил трубку с анодом в форме мальтийского креста, обращенного 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 попадать лучи, он больше не отбрасывает тени, и ранее затененная область светилась бы сильнее, чем область вокруг нее.
Трубка Крукса с вогнутым катодом Юджин Голдштейн в 1876 году обнаружил, что катодные лучи всегда излучаются перпендикулярно поверхности катода. Если катодом была плоская пластина, лучи выстреливались прямыми линиями, перпендикулярными плоскости пластины. Это было доказательством того, что это были частицы, потому что светящийся объект, такой как раскаленная металлическая пластина, излучает свет во всех направлениях, а заряженная частица будет отражаться катодом в перпендикулярном направлении. Если бы электрод был выполнен в форме вогнутой сферической тарелки, катодные лучи фокусировались бы в точку перед тарелкой. Это можно использовать для нагрева образцов до высокой температуры.
Генрих Герц построил трубку со второй парой металлических пластин по обе стороны от пучка электронно-лучевых лучей, грубую ЭЛТ. Если бы катодные лучи были заряженными частицами, их путь должен быть искривлен электрическим полем, создаваемым, когда напряжение было приложено к пластинам, вызывая пятно света куда попадают лучи, чтобы двигаться боком. 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.
Магнитная отклоняющая трубка Крукса. 
Отклонение электронного луча с помощью стержневого магнита Крукс поместил магнит на шейку трубки, чтобы северный полюс находился с одной стороны луча, а южный полюс - 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 люминофором, покрывающим всю длину трубки, под небольшим углом, чтобы электроны ударяли по люминофору вдоль его длины, 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 доказательствами теории частиц, потому что электрические и магнитные поля не влияют на пучок световых волн.
Лопастная трубка Крукса из его статьи 1879 года О сияющей материи Крукс поместил крошечную лопаточную турбину или гребное колесо на пути катодных лучей и обнаружил, что он вращается, когда на него попадают лучи. Лопастное колесо повернулось 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 имеют импульс, поэтому лучи, вероятно, были материальными частицами. 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 г. Дж. Дж. Томсон, который вычислил, что импульса электронов, ударяющих по лопастному колесу, будет достаточно только для того, чтобы повернуть колесо на один оборот в минуту. Этот эксперимент действительно показал, что катодные лучи способны нагревать поверхности.
Жан-Батист Перрен хотел определить, действительно ли катодные лучи несут отрицательный заряд или же 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. Улавливатель был присоединен к электроскопу для измерения его заряда. Электроскоп показал отрицательный заряд, доказывая, что катодные лучи действительно несут отрицательное электричество.
Специальная трубка с перфорированным катодом, излучающая анодные лучи (вверху, розовые) В 1886 году Гольдштейн обнаружил, что если в катоде есть маленькие отверстия, то возникают потоки слабого светящегося свечения. будет видно, как они выходят 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).
Юджин 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 том направлении, в котором они двигались, вниз по трубке, был бы смещен с частотой из-за эффекта Доплера. Это может быть обнаружено с помощью спектроскопа , поскольку линия излучения линии спектр будет смещена. 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.
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 в него. Он обнаружил, что что-то действительно произошло. Поднесение флуоресцентного экрана к окну заставляло его светиться, хотя свет не попадал на него. Поднесенная к нему фотографическая пластинка будет затемнена, даже если она не подвергается воздействию света. 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.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с трубкой Крукса. |
