Tubo de Crookes - Crookes tube

Um tubo de Crookes: claro e escuro. Os elétrons (raios catódicos) viajam em linha reta a partir do catodo (à esquerda) , conforme mostrado pela sombra projetada pela cruz de metal de Malta na fluorescência da parede de vidro direita do tubo. O ânodo é o eletrodo na parte inferior.

Um tubo de Crookes (também tubo de Crookes-Hittorf ) é um tubo experimental de descarga elétrica , com vácuo parcial, inventado pelo físico inglês William Crookes e outros por volta de 1869-1875, no qual raios catódicos , fluxos de elétrons , foram descobertos.

Desenvolvido a partir do tubo de Geissler anterior , o tubo de Crookes consiste em um bulbo de vidro parcialmente evacuado de várias formas, com dois eletrodos de metal , o cátodo e o ânodo , um em cada extremidade. Quando uma alta tensão é aplicada entre os eletrodos, os raios catódicos ( elétrons ) são projetados em linha reta a partir do catodo. Foi usado por Crookes, Johann Hittorf , Julius Plücker , Eugen Goldstein , Heinrich Hertz , Philipp Lenard , Kristian Birkeland e outros para descobrir as propriedades dos raios catódicos, culminando na identificação de JJ Thomson em 1897 dos raios catódicos como partículas carregadas negativamente, que mais tarde foram chamados de elétrons . Os tubos de Crookes agora são usados ​​apenas para demonstrar os raios catódicos.

Wilhelm Röntgen descobriu os raios X usando o tubo de Crookes em 1895. O termo tubo de Crookes também é usado para a primeira geração, tubos de raios X catódicos frios , que evoluíram dos tubos de Crookes experimentais e foram usados ​​até cerca de 1920.

Desligar.
Sem o ímã, os raios viajam em linha reta.
Com o ímã, os raios são dobrados.
Com o ímã invertido, os raios são curvados para baixo.
Um tubo de Crookes demonstrando a deflexão magnética. Com um ímã preso no pescoço do tubo (à direita), os raios são curvados para cima ou para baixo, perpendiculares ao campo magnético horizontal , de modo que a mancha fluorescente verde parece mais alta ou mais baixa. O ar residual no tubo brilha em rosa quando é atingido por elétrons.





Como funciona um tubo de Crookes

Diagrama mostrando um circuito de tubo de Crookes.

Os tubos de Crookes são tubos de cátodo frio , o que significa que eles não têm um filamento aquecido que libera elétrons como os tubos de vácuo eletrônicos mais recentes costumam fazer. Em vez disso, os elétrons são gerados pela ionização do ar residual por uma alta voltagem DC (de alguns quilovolts a cerca de 100 quilovolts) aplicada entre os eletrodos cátodo e ânodo no tubo, geralmente por uma bobina de indução (uma "bobina de Ruhmkorff") . Os tubos de Crookes requerem uma pequena quantidade de ar para funcionar, de cerca de 10 −6 a 5 × 10 −8 atmosfera (7 × 10 −4 - 4 × 10 −5 torr ou 0,1-0,006 pascal ).

Quando alta tensão é aplicada ao tubo, o campo elétrico acelera o pequeno número de íons carregados eletricamente e elétrons livres sempre presentes no gás, criados por processos naturais como fotoionização e radioatividade . Os elétrons colidem com outras moléculas de gás , expulsando os elétrons deles e criando mais íons positivos. Os elétrons passam a criar mais íons e elétrons em uma reação em cadeia chamada descarga de Townsend . Todos os íons positivos são atraídos para o cátodo ou eletrodo negativo. Quando o atingem, eles expulsam um grande número de elétrons da superfície do metal, que por sua vez são repelidos pelo cátodo e atraídos para o ânodo ou eletrodo positivo. Esses são os raios catódicos .

O ar foi removido do tubo o suficiente para que a maioria dos elétrons pudesse viajar por todo o comprimento do tubo sem atingir uma molécula de gás. A alta tensão acelera essas partículas de baixa massa a uma alta velocidade (cerca de 37.000 milhas por segundo, ou 59.000 km / s, cerca de 20 por cento da velocidade da luz , para uma tensão típica de tubo de 10 kV). Quando chegam à extremidade do ânodo do tubo, eles têm tanto impulso que, embora sejam atraídos pelo ânodo, muitos passam voando por ele e atingem a parede da extremidade do tubo. Quando atingem átomos no vidro, eles colocam seus elétrons orbitais em um nível de energia mais alto . Quando os elétrons voltam ao seu nível de energia original, eles emitem luz. Esse processo, chamado de catodoluminescência , faz com que o vidro brilhe, geralmente amarelo-esverdeado. Os próprios elétrons são invisíveis, mas o brilho revela onde o feixe de elétrons atinge o vidro. Mais tarde, os pesquisadores pintaram a parede interna posterior do tubo com um fósforo , uma substância química fluorescente como o sulfeto de zinco , para tornar o brilho mais visível. Depois de atingir a parede, os elétrons finalmente seguem seu caminho para o ânodo, fluem através do fio do ânodo, a fonte de alimentação e de volta para o cátodo.

Quando a quantidade de gás em um tubo de Crookes é um pouco maior, ele produz um padrão de regiões brilhantes de gás chamado de descarga luminosa .

O acima descreve apenas o movimento dos elétrons. Todos os detalhes da ação em um tubo de Crookes são complicados, porque ele contém um plasma sem equilíbrio de íons carregados positivamente , elétrons e átomos neutros que estão em constante interação. Em pressões de gás mais altas, acima de 10 -6 atm (0,1 Pa), isso cria uma descarga cintilante ; um padrão de regiões brilhantes de cores diferentes no gás, dependendo da pressão no tubo (consulte o diagrama). Os detalhes não foram totalmente compreendidos até o desenvolvimento da física do plasma no início do século XX.

História

Os tubos de Crookes evoluíram dos primeiros tubos de Geissler inventados pelo físico alemão e soprador de vidro Heinrich Geissler em 1857, tubos experimentais que são semelhantes às modernas lâmpadas de néon . Os tubos de Geissler tinham apenas um vácuo baixo, cerca de 10 -3 atm (100 Pa ), e os elétrons neles só podiam viajar uma curta distância antes de atingir uma molécula de gás. Assim, a corrente de elétrons movia-se em um lento processo de difusão , colidindo constantemente com as moléculas de gás, nunca ganhando muita energia. Esses tubos não criavam feixes de raios catódicos, apenas uma descarga luminosa colorida que enchia o tubo quando os elétrons atingiam as moléculas do gás e as excitavam, produzindo luz.

Crookes e seus tubos brilhantes ganharam renome, como mostrado por esta caricatura de 1902 na Vanity Fair . A legenda dizia "ubi Crookes ibi lux", que em latim significa aproximadamente, "Onde há Crookes, há luz".

Na década de 1870, Crookes (entre outros investigadores) foi capaz de evacuar os tubos para uma pressão mais baixa, de 10 -6 a 5x10 -8 atm , utilizando uma melhorada bomba de vácuo Sprengel mercúrio inventado por seu colega Charles A. Gimingham. Ele descobriu que, conforme bombeava mais ar para fora de seus tubos, uma área escura no gás brilhante se formava ao lado do cátodo. À medida que a pressão diminuía, a área escura, agora chamada de espaço escuro de Faraday ou espaço escuro de Crookes , espalhou-se pelo tubo, até que o interior do tubo ficou totalmente escuro. No entanto, o envelope de vidro do tubo começou a brilhar na extremidade do ânodo.

O que estava acontecendo era que quanto mais ar era bombeado para fora do tubo, havia menos moléculas de gás para obstruir o movimento dos elétrons do cátodo, de modo que eles podiam viajar uma distância maior, em média, antes de atingirem um. Quando o interior do tubo escureceu, eles foram capazes de viajar em linha reta do cátodo ao ânodo, sem colisão. Eles foram acelerados a alta velocidade pelo campo elétrico entre os eletrodos, tanto porque não perdiam energia nas colisões, como também porque os tubos de Crookes operavam com uma voltagem mais alta . Quando chegaram à extremidade do ânodo do tubo, estavam indo tão rápido que muitos passaram pelo ânodo e bateram na parede de vidro. Os próprios elétrons eram invisíveis, mas quando atingiam as paredes de vidro do tubo, eles excitavam os átomos no vidro, fazendo-os emitir luz ou fluorescência , geralmente amarelo-esverdeado. Experimentadores posteriores pintaram a parede posterior dos tubos de Crookes com tinta fluorescente, para tornar os feixes mais visíveis.

Essa fluorescência acidental permitiu que os pesquisadores notassem que os objetos no tubo, como o ânodo, projetavam uma sombra de borda nítida na parede do tubo. Johann Hittorf foi o primeiro a reconhecer em 1869 que algo deve estar viajando em linha reta do cátodo para projetar a sombra. Em 1876, Eugen Goldstein provou que eles vieram do cátodo e os chamou de raios catódicos ( Kathodenstrahlen ).

Na época, os átomos eram as menores partículas conhecidas e consideradas indivisíveis, o elétron era desconhecido e o que carregava as correntes elétricas era um mistério. Durante o último quarto do século 19, muitos tipos engenhosos de tubos de Crookes foram inventados e usados ​​em experimentos históricos para determinar o que eram os raios catódicos (veja abaixo). Havia duas teorias: Crookes acreditava que eles eram 'matéria radiante'; isto é, átomos carregados eletricamente, enquanto os cientistas alemães Hertz e Goldstein acreditavam que eles eram "vibrações de éter"; alguma nova forma de ondas eletromagnéticas . O debate foi resolvido em 1897, quando JJ Thomson mediu a massa dos raios catódicos, mostrando que eram feitos de partículas, mas eram cerca de 1800 vezes mais leves do que o átomo mais leve, o hidrogênio . Portanto, eles não eram átomos, mas uma nova partícula, a primeira partícula subatômica a ser descoberta, que mais tarde foi chamada de elétron . Rapidamente percebeu-se que essas partículas também eram responsáveis ​​pelas correntes elétricas nos fios e carregavam a carga negativa no átomo.

Os tubos brilhantes coloridos também eram populares em palestras públicas para demonstrar os mistérios da nova ciência da eletricidade. Tubos decorativos eram feitos com minerais fluorescentes, ou figuras de borboletas pintadas com tinta fluorescente, lacradas por dentro. Quando a energia foi aplicada, os materiais fluorescentes acenderam com muitas cores brilhantes.

Em 1895, Wilhelm Röntgen descobriu os raios X provenientes dos tubos de Crookes. Os muitos usos dos raios X ficaram imediatamente aparentes, a primeira aplicação prática para os tubos de Crookes. Os fabricantes de produtos médicos começaram a produzir tubos de Crookes especializados para gerar raios-X, os primeiros tubos de raios-X .

Os tubos de Crookes não eram confiáveis ​​e eram temperamentais. Tanto a energia quanto a quantidade de raios catódicos produzidos dependiam da pressão do gás residual no tubo. Com o tempo, o gás foi absorvido pelas paredes do tubo, reduzindo a pressão. Isso reduziu a quantidade de raios catódicos produzidos e fez com que a voltagem através do tubo aumentasse, criando raios catódicos mais energéticos. Nos tubos de raios-X de Crookes, esse fenômeno era chamado de "endurecimento" porque a voltagem mais alta produzia raios-X "mais duros" e mais penetrantes; um tubo com alto vácuo era chamado de tubo "duro", enquanto um com baixo vácuo era um tubo "macio". Eventualmente, a pressão ficou tão baixa que o tubo parou de funcionar completamente. Para evitar isso, em tubos muito usados, como tubos de raios-X, vários dispositivos "amaciantes" foram incorporados, que liberaram uma pequena quantidade de gás, restaurando a função do tubo.

Os tubos de vácuo eletrônicos inventados mais tarde, por volta de 1904, substituíram o tubo de Crookes. Eles operam a uma pressão ainda mais baixa, em torno de 10 −9 atm (10 −4 Pa), na qual há tão poucas moléculas de gás que não conduzem por ionização . Em vez disso, eles usam uma fonte de elétrons mais confiável e controlável, um filamento aquecido ou cátodo quente que libera elétrons por emissão termiônica . O método de ionização de criar raios catódicos usado em tubos de Crookes é hoje usado apenas em alguns tubos de descarga de gás especializados , como tiratrons .

A tecnologia de manipulação de feixes de elétrons pioneira nos tubos de Crookes foi aplicada praticamente no projeto de tubos de vácuo, e particularmente na invenção do tubo de raios catódicos por Ferdinand Braun em 1897 e agora é usado em processos sofisticados como litografia por feixe de elétrons .

A descoberta dos raios X

Tubo de raios-X de Crookes de cerca de 1910.
Outro tubo de raios-X de Crookes. O dispositivo conectado ao pescoço do tubo (direita) é um "amaciante osmótico".

Quando a voltagem aplicada a um tubo de Crookes é alta o suficiente, em torno de 5.000 volts ou mais, ele pode acelerar os elétrons a uma velocidade alta o suficiente para criar raios-X quando eles atingem o ânodo ou a parede de vidro do tubo. Os elétrons rápidos emitem raios-X quando seu caminho é curvado bruscamente ao passar perto da alta carga elétrica do núcleo de um átomo , um processo chamado bremsstrahlung , ou eles empurram os elétrons internos de um átomo para um nível de energia mais alto , e estes por sua vez emitem X -raios à medida que retornam ao seu nível de energia anterior, um processo chamado fluorescência de raios-X . Muitos dos primeiros tubos de Crookes sem dúvida geravam raios-X, porque os primeiros pesquisadores, como Ivan Pulyui , notaram que eles podiam fazer marcas nebulosas em placas fotográficas não expostas próximas . Em 8 de novembro de 1895, Wilhelm Röntgen estava operando um tubo de Crookes coberto com papelão preto quando percebeu que uma tela fluorescente próxima brilhava levemente. Ele percebeu que alguns raios invisíveis desconhecidos do tubo eram capazes de passar pelo papelão e fazer a tela ficar fluorescente. Ele descobriu que eles podiam passar por livros e papéis em sua mesa. Röntgen começou a investigar os raios em tempo integral e, em 28 de dezembro de 1895, publicou o primeiro artigo de pesquisa científica sobre raios-X. Röntgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel de Física (em 1901) por suas descobertas.

As muitas aplicações dos raios X criaram o primeiro uso prático para os tubos de Crookes, e as oficinas começaram a fabricar tubos de Crookes especializados para gerar raios X, os primeiros tubos de raios X. O ânodo era feito de um metal pesado, geralmente platina , que gerava mais raios-X e era inclinado em um ângulo em relação ao cátodo, para que os raios-X irradiassem através da lateral do tubo. O cátodo tinha uma superfície esférica côncava que focava os elétrons em um pequeno ponto com cerca de 1 mm de diâmetro no ânodo, a fim de aproximar uma fonte pontual de raios-X, que fornecia as radiografias mais nítidas . Esses tubos de raios-X de cátodo frio foram usados ​​até cerca de 1920, quando foram substituídos pelo tubo de raios-X de cátodo quente Coolidge.

Experimentos com tubos de Crookes

Durante o último quarto do século 19, tubos de Crookes foram usados ​​em dezenas de experimentos históricos para tentar descobrir o que eram os raios catódicos. Havia duas teorias: os cientistas britânicos Crookes e Cromwell Varley acreditavam que eram partículas de "matéria radiante", isto é, átomos carregados eletricamente . Os pesquisadores alemães E. Wiedemann, Heinrich Hertz e Eugen Goldstein acreditavam que eles eram " vibrações de éter ", alguma nova forma de ondas eletromagnéticas , e eram separados do que carregava a corrente através do tubo. O debate continuou até que JJ Thomson mediu sua massa, provando que eles eram uma partícula carregada negativamente até então desconhecida, a primeira partícula subatômica , que ele chamou de 'corpúsculo', mas mais tarde foi rebatizada de 'elétron'.

Cruz maltesa

Julius Plücker em 1869 construiu um tubo com um ânodo em forma de cruz de Malta voltado para o cátodo. Tinha dobradiças, para que pudesse se dobrar contra o fundo do tubo. Quando o tubo era ligado, os raios catódicos lançavam uma sombra nítida em forma de cruz na fluorescência na face posterior do tubo, mostrando que os raios se moviam em linhas retas. Essa fluorescência foi usada como argumento de que os raios catódicos eram ondas eletromagnéticas, já que a única coisa conhecida por causar fluorescência na época era a luz ultravioleta . Depois de um tempo, a fluorescência ficava "cansada" e o brilho diminuía. Se a cruz fosse dobrada para baixo, fora do caminho dos raios, ela não lançaria mais sombra, e a área anteriormente sombreada ficaria fluorescente com mais força do que a área ao redor.

Emissão perpendicular

Tubo de Crookes com cátodo côncavo

Eugen Goldstein em 1876 descobriu que os raios catódicos eram sempre emitidos perpendicularmente à superfície do catodo. Se o cátodo fosse uma placa plana, os raios eram disparados em linhas retas perpendiculares ao plano da placa. Era uma evidência de que eram partículas, porque um objeto luminoso, como uma placa de metal em brasa, emite luz em todas as direções, enquanto uma partícula carregada será repelida pelo cátodo em uma direção perpendicular. Se o eletrodo fosse feito na forma de um prato esférico côncavo, os raios catódicos seriam focados em um ponto na frente do prato. Isso poderia ser usado para aquecer as amostras a uma alta temperatura.

Deflexão por campos elétricos

Heinrich Hertz construiu um tubo com um segundo par de placas de metal de cada lado do feixe de raios catódicos, um CRT bruto . Se os raios catódicos fossem partículas carregadas , seu caminho deveria ser dobrado pelo campo elétrico criado quando uma voltagem foi aplicada às placas, fazendo com que o ponto de luz onde os raios atingissem se movesse lateralmente. Ele não encontrou nenhuma dobra, mas foi posteriormente determinado que seu tubo foi insuficientemente evacuado, causando acúmulos de carga superficial que mascararam o campo elétrico. Mais tarde, Arthur Shuster repetiu o experimento com um vácuo mais alto. Ele descobriu que os raios eram atraídos para uma placa carregada positivamente e repelidos por uma placa negativa, dobrando o feixe. Isso era uma evidência de que eles tinham carga negativa e, portanto, não eram ondas eletromagnéticas.

Deflexão por campos magnéticos

Tubo de deflexão magnética Crookes.
Deflexão do feixe de elétrons com barra magnética

Crookes colocou um ímã no pescoço do tubo, de modo que o pólo norte ficasse de um lado do feixe e o pólo sul do outro, e o feixe viajasse através do campo magnético entre eles. O feixe foi inclinado para baixo, perpendicular ao campo magnético. Para revelar o caminho do feixe, Crookes inventou um tubo (veja as fotos) com uma tela de papelão com um revestimento de fósforo em todo o comprimento do tubo, em um pequeno ângulo para que os elétrons atingissem o fósforo ao longo de seu comprimento, formando uma linha brilhante na tela. A linha pode ser vista dobrando para cima ou para baixo em um campo magnético transversal. Esse efeito (agora chamado de força de Lorentz ) era semelhante ao comportamento das correntes elétricas em um motor elétrico e mostrava que os raios catódicos obedeciam à lei da indução de Faraday como as correntes nos fios. Tanto a deflexão elétrica quanto a magnética foram evidências para a teoria das partículas, porque os campos elétricos e magnéticos não têm efeito sobre um feixe de ondas de luz.

Roda de pás

Tubo de roda de pás de Crookes, de seu artigo de 1879 On Radiant Matter

Crookes colocou uma minúscula turbina com aletas ou roda de pás no caminho dos raios catódicos e descobriu que ela girava quando os raios a atingiam. A roda de pás girou na direção oposta ao lado do cátodo do tubo, sugerindo que a força dos raios catódicos atingindo as pás estava causando a rotação. Crookes concluiu na época que isso mostrava que os raios catódicos tinham momentum , então os raios eram provavelmente partículas de matéria . Porém, posteriormente concluiu-se que a roda de pás girava não devido ao momento das partículas (ou elétrons) que atingiam a roda de pás, mas devido ao efeito radiométrico . Quando os raios atingem a superfície da pá, eles a aquecem, e o calor faz com que o gás próximo a ela se expanda, empurrando a pá. Isso foi provado em 1903 por JJ Thomson, que calculou que o momento dos elétrons que atingem a roda de pás seria suficiente apenas para girar a roda uma revolução por minuto. Tudo o que esse experimento realmente mostrou foi que os raios catódicos eram capazes de aquecer superfícies.

Cobrar

Jean-Baptiste Perrin queria determinar se os raios catódicos realmente carregavam carga negativa ou se apenas acompanhavam os carregadores, como pensavam os alemães. Em 1895 ele construiu um tubo com um 'catcher', um cilindro de alumínio fechado com um pequeno orifício na extremidade voltada para o cátodo, para coletar os raios catódicos. O coletor foi conectado a um eletroscópio para medir sua carga. O eletroscópio mostrou uma carga negativa, provando que os raios catódicos realmente carregam eletricidade negativa.

Raios anódicos

Tubo especial com cátodo perfurado, produzindo raios anódicos (topo, rosa)

Goldstein descobriu em 1886 que se o cátodo for feito com pequenos orifícios, fluxos de um brilho luminoso fraco serão vistos saindo dos orifícios na parte de trás do cátodo, voltados para o lado oposto ao ânodo. Foi descoberto que em um campo elétrico esses raios anódicos se dobram na direção oposta dos raios catódicos, em direção a uma placa carregada negativamente, indicando que eles carregam uma carga positiva. Esses foram os íons positivos que foram atraídos para o cátodo e criaram os raios catódicos. Eles foram chamados de raios do canal ( Kanalstrahlen ) por Goldstein.

Doppler shift

Eugen Goldstein pensou ter descoberto um método para medir a velocidade dos raios catódicos. Se a descarga luminescente vista no gás dos tubos de Crookes fosse produzida pelos raios catódicos em movimento, a luz irradiada deles na direção em que se moviam, descendo o tubo, seria deslocada em frequência devido ao efeito Doppler . Isso pode ser detectado com um espectroscópio porque a linha de emissão de espectro seria deslocado. Ele construiu um tubo em forma de "L", com um espectroscópio apontado através do vidro do cotovelo para um dos braços. Ele mediu o espectro do brilho quando o espectroscópio foi apontado para a extremidade do cátodo, depois mudou as conexões da fonte de alimentação para que o cátodo se tornasse o ânodo e os elétrons se movessem na outra direção, e novamente observou o espectro procurando por uma mudança. Ele não encontrou nenhum, o que ele calculou significava que os raios estavam viajando muito lentamente. Mais tarde, foi reconhecido que o brilho nos tubos de Crookes é emitido por átomos de gás atingidos pelos elétrons, não pelos próprios elétrons. Como os átomos são milhares de vezes mais massivos do que os elétrons, eles se movem muito mais devagar, o que explica a falta de deslocamento Doppler.

Janela lenard

Tubo lenard

Philipp Lenard queria ver se os raios catódicos podiam passar do tubo de Crookes para o ar. Veja o diagrama. Ele construiu um tubo com uma "janela" (W) no envelope de vidro feito de folha de alumínio espesso o suficiente para manter a pressão atmosférica (mais tarde chamada de "janela Lenard") voltada para o cátodo (C) para que os raios catódicos atingissem isto. Ele descobriu que algo realmente aconteceu. Segurar uma tela fluorescente contra a janela fez com que ela ficasse fluorescente, embora nenhuma luz a atingisse. Uma chapa fotográfica presa a ele seria escurecida, mesmo que não fosse exposta à luz. O efeito teve um alcance muito curto de cerca de 2,5 centímetros (0,98 pol.). Ele mediu a capacidade dos raios catódicos de penetrar em camadas de material e descobriu que eles podiam penetrar muito mais longe do que os átomos em movimento. Uma vez que os átomos eram as menores partículas conhecidas na época, isso foi primeiro tomado como evidência de que os raios catódicos eram ondas. Mais tarde, percebeu-se que os elétrons eram muito menores do que os átomos, o que explica sua maior capacidade de penetração. Lenard recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1905 por seu trabalho.

Veja também

Referências

links externos