Трубка крукса своими руками

Обновлено: 02.07.2024

ТРУБКА КРУКСА, вакуумная трубка, изобретенная сэром Уильямом КРУКСОМ для исследования электрических разрядов при низких давлениях. В 1897 г. ею пользовался Дж. Дж. Томсон для демонстрации существования ЭЛЕКТРОНОВ. Трубку Крукса использовали также как источник рентгеновских лучей.

Научно-технический энциклопедический словарь .

Смотреть что такое "ТРУБКА КРУКСА" в других словарях:

Электронно-лучевая трубка — Принципиальная схема одного из видов ЭЛТ Электронно лучевая трубка[1] (ЭЛТ), кинескоп электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. В строгом смысле, электронно лучевыми трубкам … Википедия

Электроннолучевая трубка — Принципиальная схема одного из видов ЭЛТ Электронно лучевая трубка[1] (ЭЛТ), кинескоп электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. В строгом смысле, электронно лучевыми трубками называют[2] ряд электронно лучевых… … Википедия

Рентгеновское излучение — Электромагнитное излучение Синхротронное Циклотронное Тормозное Тепловое Монохроматическое Черенковское Переходное Радиоизлучение Микроволновое Терагерцевое … Википедия

Катодный луч — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

РЕНТГЕНОТЕХНИКА — РЕНТГЕНОТЕХНИКА. Содержание: Рентгеновские трубки. 659 Трансформаторы. 665 Работа трубки и требования к аппаратам . 668 Выпрямители тока. 6 70 Аппараты. 671 Методы измерения лучен … Большая медицинская энциклопедия

Электролюминесценция* — Люминесценцией (см.) называется всякое свечением (излучение телами видимых лучей света), не вызванное сильным повышением температуры и происходящее при температуре светящегося тела, значительно более низкой, чем та наименьшая температура (около… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Электролюминесценция — Люминесценцией (см.) называется всякое свечением (излучение телами видимых лучей света), не вызванное сильным повышением температуры и происходящее при температуре светящегося тела, значительно более низкой, чем та наименьшая температура (около… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Кинескоп — О телепрограмме см. Кинескоп (телепередача). П … Википедия

ЭЛТ — Принципиальная схема одного из видов ЭЛТ Электронно лучевая трубка[1] (ЭЛТ), кинескоп электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. В строгом смысле, электронно лучевыми трубками называют[2] ряд электронно лучевых… … Википедия

Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.

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 трубки (также Крукс-Хитторф трубка ) [1] является ранним экспериментальная электрическая газоразрядная трубка , с частичным вакуумом, изобретенной английский физик Крукс [2] и других вокруг 1869-1875, [3] , в которой катодные лучи , потоки из электронов , были обнаружены. [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. Его использовали Крукс, Иоганн Хитторф , Юлиус Плюкер , Ойген Гольдштейн , Генрих Герц , Филипп Ленард , Кристиан Биркеланд.и другие, открывшие свойства катодных лучей, кульминацией чего стало определение Дж. Дж. Томсоном в 1897 году катодных лучей как отрицательно заряженных частиц, которые позже были названы электронами . Трубки Крукса сейчас используются только для демонстрации катодных лучей.

Рентген обнаружил рентгеновские лучи с использованием трубки Крукс в 1895. Термина Крукс труба также используется для первого поколения, холодный катод рентгеновских трубок , [5] , которые произошли от экспериментального Крукса трубок и использовались до около 1920.

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.

СОДЕРЖАНИЕ

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 отрицательный электрод. 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 [6] ). 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.

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 ) [7], 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 создавали не пучки катодных лучей, а только красочный тлеющий разряд. который заполнял трубку, когда электроны ударяли по молекулам 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 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. [8]

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, когда 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 заметными.

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. [9] В 1876 году Ойген Гольдштейн доказал, что они исходят от катода, и назвал их катодными лучами ( Kathodenstrahlen ). [10]

Цветные светящиеся трубки также были популярны на публичных лекциях, чтобы продемонстрировать загадки 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 .

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 .

Когда напряжение, приложенное к трубке Крукса, достаточно велико, около 5000 вольт или больше, [17] оно может ускорить 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 какИван Пулюй заметил, 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. [18] Он понял, что некоторые 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. [19] Рентген был удостоен первой Нобелевской премии по физике (в 1901 г.) за свои открытия.

Многочисленные применения рентгеновских лучей привели к первому практическому применению трубок Крукса, и в мастерских 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 заменили рентгеновские трубки Кулиджа с горячим катодом .

Ойген Гольдштейн в 1876 году обнаружил [22], что катодные лучи всегда испускаются перпендикулярно поверхности катода. [23] 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.

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 никаких изгибов, 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.

Уильям Крукс, физик, химик, ученый.

Подумав, Крукс решил разместить коромысла весов в закрытой колбе с откачанным воздухом, по сути – в вакууме. Тут то и начались чудеса. Эти сверхточные и чувствительные весы реагировали… на свет от лампы. Если лампу зажечь и поднести к колбе сверху, то вес взвешиваемого предмета увеличивался, а если снизу – то уменьшался!

Выводы Крукса, сделанные им по результатам опытов, говорят о том, что причиной вращения лопастей является созданное радиационное давление под воздействием фотонов света. Эту идею первоначально поддерживал и Джеймс Максвелл. Чем не вечный двигатель? Работа, полученная ниоткуда, разве нет?

Артур Шустер первым научно опроверг теорию Крукса в 1876 году. Вкратце он доказал, что сила, вращающая лопасти, возникала внутри колбы, и если бы дело было в давлении света на крыльчатку, то вращение ее зависело бы от того, сколько воздуха в колбе – чем меньше воздуха, тем быстрее должна крыльчатка вращаться (меньше сопротивление), что не соответствовало действительности. А в 1901 российский ученый Петр Лебедев доказал: для того, чтобы вертушка Крукса работала, в колбе должен находится разреженный газ, а в полном вакууме крыльчатка остается неподвижной.

Так почему же работает эта необычная игрушка? Радиометрический эффект! Суть его в возникновении силы отталкивания за счет разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную.

В 1650 году немецкий физик, инженер и философ Отто фон Герике обнаружил, что потираемый руками металлический шар передает свою способность притягивать мелкие предметы льняной нитке, конец которой закреплен очень близко от шара. Длина нитки в опыте фон Герике была примерно 40 сантиметров, однако в 1729 году англичанин Стивен Грей смог передать электричество уже на 8 метров, попутно обнаружив, что для этого подходят не все материалы. Из этих опытов следовало, что электричество может передаваться в веществе на некоторое расстояние. В 1802 году русский физик Василий Петров описал так называемую вольтову дугу — электрический разряд, возникший между двумя электродами из древесного угля в воздухе.

В 1858 году немецкий физик Генрих Гейслер, который, к тому же, был хорошим стеклодувом, расположил электроды с разных концов стеклянной трубки с газом, в которой он добился очень низкого давления при помощи изобретенного им же вакуумного насоса. При пропускании через электроды тока разреженный газ в трубке Гейслера начинал светиться. Трубки Гейслера мгновенно стали популярными — модники конца XIX в. покупали их в качестве оригинальных предметов интерьера. Гейслер экспериментировал с различными газами, которые под воздействием тока светились всевозможными цветами, и формами (всё-таки он был потомственным стеклодувом, в 1855 году даже получил золотую медаль Всемирной выставки в Париже именно за работу со стеклом).

Приблизительно в 1875 году английский физик Уильям Крукс при помощи усовершенствованного насоса достиг еще большего разрежения внутри трубки и обнаружил, что светятся теперь ее стенки. Крукс считал, что это свечение вызвано электрическим током, который движется от отрицательного заряженного электрода — катода — к положительному электроду — аноду, где ударяется об окружающее его стекло и вызывает свечение. Так как электрон к тому моменту открыт еще не был, считалось, что ток распространяется в виде лучей, которые в 1876 году немецкий физик Ойген Гольдштейн назвал катодными.

Крукс показал, что катодные лучи состоят из некоторой субстанции (ударяясь о лопасти легкого колесика, помещенного в трубку, они приводили его в движение) и несут отрицательный электрический заряд (пучок катодных лучей отклонялся в сторону магнитом). В 1892 году немецкий физик Филипп фон Ленард показал, что если в трубке Крукса сделано окошко, закрытое тонкой алюминиевой фольгой, то катодные лучи могут проникать сквозь него наружу и ионизировать воздух в непосредственной близости от него.

Исследованием катодных лучей занимался и немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, который в то время был профессором Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 года работая с трубкой Крукса, чтобы облегчить наблюдение, обернул ее плотной черной бумагой и затемнил комнату. Однако, к своему удивлению, он обнаружил на стоявшем неподалеку экране, покрытом флуоресцентным веществом, светлую полосу. Проведя тщательный анализ ситуации и устранив все возможные причины ошибок, Рентген пришел к выводу, что источником излучения была именно трубка, причем экран флуоресцировал даже на расстоянии около двух метров от нее, что намного превышало дальность действия катодных лучей.

Следующие семь недель Рентген провел, исследуя открытое им явление, которое он назвал икс-лучами (ученый буквально поселился в лаборатории и даже обедал, не отходя от своих драгоценных трубок). Оказалось, что икс-излучение не отражается, не преломляется и способно проникать сквозь многие непрозрачные материалы, причем глубина проникновения зависит от их толщины и плотности. Кроме того, Рентген обнаружил, что открытое им излучение способно засвечивать фотопластины в местах попадания на эмульсию. Одной из первых рентгенограмм (фотографий, выполненных в икс-лучах) стала фотография руки жены учёного Анны. Говорят, взглянув на фото собственных костей, Анна сказала, что увидела свою смерть.

Читайте также: