Un tubo de Crookes (también tubo de Crookes-Hittorf ) [1] es un tubo de descarga eléctrica experimental temprano , con vacío parcial, inventado por el físico inglés William Crookes [2] y otros alrededor de 1869-1875, [3] en el que se descubrieron los rayos catódicos , corrientes de electrones . [4]
El tubo de Crookes, desarrollado a partir del anterior tubo de Geissler , consiste en un bulbo de vidrio parcialmente evacuado de varias formas, con dos electrodos de metal , el cátodo y el ánodo , uno en cada extremo. Cuando se aplica un alto voltaje entre los electrodos, los rayos catódicos ( electrones ) se proyectan en líneas rectas desde el cátodo. Fue utilizado por Crookes , Johann Hittorf , Julius Plücker , Eugen Goldstein , Heinrich Hertz , Philipp Lenard , Kristian Birkeland y otros para descubrir las propiedades de los rayos catódicos, que culminaron en la identificación por parte de JJ Thomson en 1897 de los rayos catódicos como partículas cargadas negativamente, que más tarde se denominaron electrones . Los tubos de Crookes se utilizan ahora solo para demostrar los rayos catódicos.
Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X utilizando el tubo de Crookes en 1895. El término tubo de Crookes también se utiliza para los tubos de rayos X de cátodo frío de primera generación , [5] que evolucionaron a partir de los tubos de Crookes experimentales y se utilizaron hasta aproximadamente 1920.
Los tubos de Crookes son tubos de cátodo frío , lo que significa que no tienen un filamento calentado en su interior que libere electrones como suelen hacer los tubos de vacío electrónicos posteriores . En cambio, los electrones se generan por la ionización del aire residual mediante un alto voltaje de CC (desde unos pocos kilovoltios hasta unos 100 kilovoltios) aplicado entre los electrodos del cátodo y el ánodo en el tubo, generalmente mediante una bobina de inducción (una "bobina de Ruhmkorff"). Los tubos de Crookes requieren una pequeña cantidad de aire en su interior para funcionar, desde aproximadamente 10 −6 a 5×10 −8 atmósferas (7×10 −4 - 4×10 −5 torr o 0,1-0,006 pascal ).
Cuando se aplica un alto voltaje al tubo, el campo eléctrico acelera la pequeña cantidad de iones cargados eléctricamente y electrones libres siempre presentes en el gas, creados por procesos naturales como la fotoionización y la radiactividad . Los electrones chocan con otras moléculas de gas , arrancando electrones de ellas y creando más iones positivos. Los electrones continúan creando más iones y electrones en una reacción en cadena llamada descarga de Townsend . Todos los iones positivos son atraídos por el cátodo o electrodo negativo. Cuando lo golpean, sacan una gran cantidad de electrones de la superficie del metal, que a su vez son repelidos por el cátodo y atraídos por el ánodo o electrodo positivo. Estos son los rayos catódicos .
Se ha eliminado suficiente aire del tubo para que la mayoría de los electrones puedan viajar a lo largo del tubo sin chocar con una molécula de gas. El alto voltaje acelera estas partículas de baja masa a una alta velocidad (alrededor de 37.000 millas por segundo, o 59.000 km/s, aproximadamente el 20 por ciento de la velocidad de la luz , para un voltaje de tubo típico de 10 kV [6] ). Cuando llegan al extremo del ánodo del tubo, tienen tanto impulso que, aunque son atraídos por el ánodo, muchos pasan volando y chocan con la pared del extremo del tubo. Cuando chocan con átomos en el vidrio, hacen que sus electrones orbitales pasen a un nivel de energía más alto . Cuando los electrones vuelven a su nivel de energía original, emiten luz. Este proceso, llamado catodoluminiscencia , hace que el vidrio brille, generalmente de un verde amarillento. Los electrones en sí son invisibles, pero el brillo revela dónde el haz de electrones golpea el vidrio. Más tarde, los investigadores pintaron la pared trasera interna del tubo con un fósforo , un producto químico fluorescente como el sulfuro de cinc , para que el brillo fuera más visible. Después de chocar con la pared, los electrones finalmente llegan al ánodo, fluyen a través del cable del ánodo, la fuente de alimentación y regresan al cátodo.
Lo anterior sólo describe el movimiento de los electrones. Los detalles completos de la acción en un tubo de Crookes son complicados, porque contiene un plasma de no equilibrio de iones con carga positiva , electrones y átomos neutros que interactúan constantemente. A presiones de gas más altas, por encima de 10 −6 atm (0,1 Pa), esto crea una descarga luminiscente ; un patrón de regiones brillantes de diferentes colores en el gas, dependiendo de la presión en el tubo (ver diagrama). Los detalles no se comprendieron por completo hasta el desarrollo de la física del plasma a principios del siglo XX.
Los tubos de Crookes evolucionaron a partir de los primeros tubos de Geissler inventados por el físico y soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler en 1857, tubos experimentales que son similares a las luces de tubo de neón modernas . Los tubos de Geissler solo tenían un vacío bajo, alrededor de 10 −3 atm (100 Pa ), [7] y los electrones en ellos solo podían viajar una corta distancia antes de chocar con una molécula de gas. Entonces, la corriente de electrones se movía en un proceso de difusión lento , chocando constantemente con las moléculas de gas, sin ganar nunca mucha energía. Estos tubos no creaban haces de rayos catódicos, solo una descarga de resplandor colorido que llenaba el tubo a medida que los electrones chocaban con las moléculas de gas y las excitaban, produciendo luz.
En la década de 1870, Crookes (entre otros investigadores) fue capaz de evacuar sus tubos a una presión más baja, de 10 −6 a 5x10 −8 atm , utilizando una bomba de vacío de mercurio Sprengel mejorada , inventada por su compañero de trabajo Charles A. Gimingham. Descubrió que a medida que bombeaba más aire fuera de sus tubos, se formaba una zona oscura en el gas brillante junto al cátodo. A medida que la presión bajaba, la zona oscura, ahora llamada espacio oscuro de Faraday o espacio oscuro de Crookes , se extendía por el tubo, hasta que el interior del tubo estaba totalmente oscuro. Sin embargo, la envoltura de vidrio del tubo comenzó a brillar en el extremo del ánodo. [8]
Lo que estaba sucediendo era que a medida que se bombeaba más aire fuera del tubo, había menos moléculas de gas que obstruyeran el movimiento de los electrones desde el cátodo, por lo que podían viajar una distancia más larga, en promedio, antes de chocar con uno. Para cuando el interior del tubo se oscureció, pudieron viajar en línea recta desde el cátodo hasta el ánodo, sin colisionar. Se aceleraron a una alta velocidad por el campo eléctrico entre los electrodos, tanto porque no perdían energía en las colisiones, como también porque los tubos de Crookes funcionaban a un voltaje más alto . Para cuando llegaron al extremo del ánodo del tubo, iban tan rápido que muchos volaron más allá del ánodo y chocaron con la pared de vidrio. Los electrones en sí mismos eran invisibles, pero cuando chocaban con las paredes de vidrio del tubo excitaban los átomos en el vidrio, haciéndolos emitir luz o fluorescencia , generalmente de color amarillo verdoso. Experimentadores posteriores pintaron la pared trasera de los tubos de Crookes con pintura fluorescente, para hacer que los rayos fueran más visibles.
Esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores observar que los objetos en el tubo, como el ánodo, proyectaban una sombra de bordes afilados sobre la pared del tubo. Johann Hittorf fue el primero en reconocer en 1869 que algo debe viajar en línea recta desde el cátodo para proyectar la sombra. [9] En 1876, Eugen Goldstein demostró que provenían del cátodo y los llamó rayos catódicos ( Kathodenstrahlen ). [10]
En aquella época, los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas y se creía que eran indivisibles, el electrón era desconocido y lo que transportaba corrientes eléctricas era un misterio. Durante el último cuarto del siglo XIX, se inventaron muchos tipos ingeniosos de tubos de Crookes y se utilizaron en experimentos históricos para determinar qué eran los rayos catódicos (véase más abajo). Había dos teorías: Crookes creía que eran «materia radiante»; es decir, átomos cargados eléctricamente, mientras que los científicos alemanes Hertz y Goldstein creían que eran «vibraciones de éter»; alguna nueva forma de ondas electromagnéticas . [11] El debate se resolvió en 1897 cuando J. J. Thomson midió la masa de los rayos catódicos, demostrando que estaban hechos de partículas, pero eran alrededor de 1800 veces más ligeros que el átomo más ligero, el hidrógeno . Por tanto, no eran átomos, sino una nueva partícula, la primera partícula subatómica en ser descubierta, que más tarde se denominó electrón . [12] Rápidamente se comprendió que estas partículas también eran responsables de las corrientes eléctricas en los cables y transportaban la carga negativa en el átomo.
Los tubos luminosos de colores también eran populares en las conferencias públicas para demostrar los misterios de la nueva ciencia de la electricidad. Se hacían tubos decorativos con minerales fluorescentes o figuras de mariposas pintadas con pintura fluorescente, selladas en su interior. Cuando se aplicaba energía, los materiales fluorescentes se iluminaban con muchos colores brillantes.
En 1895, Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X que emanaban de los tubos de Crookes. Los múltiples usos de los rayos X se hicieron evidentes de inmediato, siendo la primera aplicación práctica de los tubos de Crookes. Los fabricantes médicos comenzaron a producir tubos de Crookes especializados para generar rayos X, los primeros tubos de rayos X.
Los tubos de Crookes eran poco fiables y caprichosos. Tanto la energía como la cantidad de rayos catódicos producidos dependían de la presión del gas residual en el tubo. [13] [14] [15] Con el tiempo, el gas era absorbido por las paredes del tubo, reduciendo la presión. [16] [13] [14] [15] Esto reducía la cantidad de rayos catódicos producidos y hacía que el voltaje a través del tubo aumentara, creando rayos catódicos más energéticos. [15] En los tubos de rayos X de Crookes este fenómeno se llamaba "endurecimiento" porque el voltaje más alto producía rayos X "más duros", más penetrantes; un tubo con un vacío más alto se llamaba tubo "duro", mientras que uno con un vacío más bajo era un tubo "blando". Finalmente, la presión bajaba tanto que el tubo dejaba de funcionar por completo. [15] Para evitar esto, en los tubos muy utilizados, como los de rayos X, se incorporaron varios dispositivos "suavizadores" que liberaban una pequeña cantidad de gas, restaurando la función del tubo. [13] [14] [15]
Los tubos de vacío electrónicos , inventados más tarde, alrededor de 1904, reemplazaron al tubo de Crookes. Estos funcionan a una presión aún más baja, alrededor de 10 −9 atm (10 −4 Pa), a la que hay tan pocas moléculas de gas que no conducen por ionización . En su lugar, utilizan una fuente de electrones más confiable y controlable, un filamento calentado o cátodo caliente que libera electrones por emisión termoiónica . El método de ionización para crear rayos catódicos utilizado en los tubos de Crookes hoy en día solo se utiliza en unos pocos tubos de descarga de gas especializados, como los tiratrones .
La tecnología de manipulación de haces de electrones iniciada en los tubos de Crookes se aplicó prácticamente en el diseño de tubos de vacío, y particularmente en la invención del tubo de rayos catódicos por Ferdinand Braun en 1897 y ahora se utiliza en procesos sofisticados como la litografía por haz de electrones .
Cuando el voltaje aplicado a un tubo de Crookes es lo suficientemente alto, alrededor de 5.000 voltios o más, [17] puede acelerar los electrones a una velocidad lo suficientemente alta como para crear rayos X cuando golpean el ánodo o la pared de vidrio del tubo. Los electrones rápidos emiten rayos X cuando su trayectoria se desvía bruscamente al pasar cerca de la alta carga eléctrica del núcleo de un átomo , un proceso llamado bremsstrahlung , o golpean los electrones internos de un átomo a un nivel de energía más alto , y estos a su vez emiten rayos X cuando regresan a su nivel de energía anterior, un proceso llamado fluorescencia de rayos X. Muchos de los primeros tubos de Crookes generaron sin duda rayos X, porque los primeros investigadores como Ivan Pulyui habían notado que podían hacer marcas borrosas en placas fotográficas cercanas sin exponer .
El 8 de noviembre de 1895, Wilhelm Röntgen estaba operando un tubo de Crookes cubierto con cartón negro cuando notó que una pantalla fluorescente cercana brillaba débilmente. [18] Se dio cuenta de que algunos rayos invisibles desconocidos del tubo podían atravesar el cartón y hacer que la pantalla emitiera fluorescencia. Descubrió que podían atravesar libros y papeles en su escritorio. Röntgen comenzó a investigar los rayos a tiempo completo y el 28 de diciembre de 1895 publicó el primer artículo de investigación científica sobre rayos X. [19] Röntgen recibió el primer Premio Nobel de Física (en 1901) por sus descubrimientos.
Las numerosas aplicaciones de los rayos X crearon el primer uso práctico de los tubos de Crookes, y los talleres comenzaron a fabricar tubos de Crookes especializados para generar rayos X, los primeros tubos de rayos X. El ánodo estaba hecho de un metal pesado, generalmente platino , que generaba más rayos X, y estaba inclinado en un ángulo con respecto al cátodo, de modo que los rayos X irradiaran a través del costado del tubo. El cátodo tenía una superficie esférica cóncava que enfocaba los electrones en un pequeño punto de alrededor de 1 mm de diámetro en el ánodo, para aproximarse a una fuente puntual de rayos X, que proporcionaba las radiografías más nítidas . Estos tubos de rayos X de tipo cátodo frío se utilizaron hasta aproximadamente 1920, cuando fueron reemplazados por el tubo de rayos X de cátodo caliente de Coolidge.
Durante el último cuarto del siglo XIX los tubos de Crookes se utilizaron en docenas de experimentos históricos para intentar averiguar qué eran los rayos catódicos. [20] Había dos teorías: los científicos británicos Crookes y Cromwell Varley creían que eran partículas de «materia radiante», es decir, átomos cargados eléctricamente . Los investigadores alemanes E. Wiedemann, Heinrich Hertz y Eugen Goldstein creían que eran « vibraciones de éter », alguna nueva forma de ondas electromagnéticas , y que estaban separadas de lo que transportaba la corriente a través del tubo. [21] [11] El debate continuó hasta que J. J. Thomson midió su masa, demostrando que eran una partícula con carga negativa previamente desconocida, la primera partícula subatómica , a la que llamó «corpúsculo» pero que más tarde pasó a llamarse «electrón».
En 1869, Julius Plücker construyó un tubo con un ánodo en forma de cruz de Malta orientado hacia el cátodo. Tenía bisagras para poder plegarse contra el fondo del tubo. Cuando se encendía el tubo, los rayos catódicos proyectaban una sombra aguda en forma de cruz sobre la fluorescencia de la cara posterior del tubo, lo que demostraba que los rayos se movían en línea recta. Esta fluorescencia se utilizó como argumento para afirmar que los rayos catódicos eran ondas electromagnéticas, ya que lo único que se sabía que causaba fluorescencia en ese momento era la luz ultravioleta . Después de un tiempo, la fluorescencia se "cansaba" y el brillo disminuía. Si la cruz se doblaba hacia abajo fuera del camino de los rayos, ya no proyectaba sombra y el área previamente sombreada fluorescía con más intensidad que el área que la rodeaba.
Eugen Goldstein descubrió en 1876 que los rayos catódicos siempre se emitían perpendicularmente a la superficie del cátodo. [22] [23] Si el cátodo era una placa plana, los rayos salían disparados en líneas rectas perpendiculares al plano de la placa. Esto era una prueba de que eran partículas, porque un objeto luminoso, como una placa de metal al rojo vivo, emite luz en todas direcciones, mientras que una partícula cargada será repelida por el cátodo en una dirección perpendicular. Si el electrodo estaba hecho en forma de un plato esférico cóncavo, los rayos catódicos se enfocarían en un punto frente al plato. Esto podría usarse para calentar muestras a una temperatura alta.
Heinrich Hertz construyó un tubo con un segundo par de placas de metal a cada lado del haz de rayos catódicos, un CRT rudimentario . Si los rayos catódicos fueran partículas cargadas , su trayectoria debería desviarse por el campo eléctrico creado cuando se aplicaba un voltaje a las placas, lo que hacía que el punto de luz donde incidían los rayos se moviera lateralmente. No encontró ninguna curvatura, pero más tarde se determinó que su tubo no estaba suficientemente evacuado, lo que causaba acumulaciones de carga superficial que enmascaraban el campo eléctrico. Más tarde, Arthur Schuster repitió el experimento con un vacío más alto. Descubrió que los rayos eran atraídos hacia una placa con carga positiva y repelidos por una con carga negativa, desviando el haz. Esto era una prueba de que estaban cargados negativamente y, por lo tanto, no eran ondas electromagnéticas.
Crookes colocó un imán a lo largo del cuello del tubo, de modo que el polo norte estuviera en un lado del haz y el polo sur en el otro, y el haz viajara a través del campo magnético entre ellos. El haz se doblaba hacia abajo, perpendicular al campo magnético. Para revelar la trayectoria del haz, Crookes inventó un tubo (ver imágenes) con una pantalla de cartón con un revestimiento de fósforo a lo largo del tubo, en un ligero ángulo para que los electrones golpearan el fósforo a lo largo de su longitud, formando una línea brillante en la pantalla. Se podía ver que la línea se doblaba hacia arriba o hacia abajo en un campo magnético transversal. Este efecto (ahora llamado fuerza de Lorentz ) era similar al comportamiento de las corrientes eléctricas en un motor eléctrico y mostraba que los rayos catódicos obedecían la ley de inducción de Faraday como las corrientes en los cables. Tanto la desviación eléctrica como la magnética eran evidencia de la teoría de partículas, porque los campos eléctricos y magnéticos estáticos no tienen efecto sobre un haz de ondas de luz en el vacío.
Crookes colocó una pequeña turbina de paletas en el camino de los rayos catódicos y descubrió que giraba cuando los rayos la golpeaban. La rueda de paletas giraba en una dirección que se alejaba del lado catódico del tubo, lo que sugería que la fuerza de los rayos catódicos que golpeaban las paletas estaba causando la rotación. Crookes concluyó en ese momento que esto demostraba que los rayos catódicos tenían momento , por lo que los rayos probablemente eran partículas de materia . Sin embargo, más tarde se concluyó que la rueda de paletas giraba no debido al momento de las partículas (o electrones) que golpeaban la rueda de paletas, sino debido al efecto radiométrico . Cuando los rayos golpeaban la superficie de la paleta, la calentaban y el calor hacía que el gas que estaba a su lado se expandiera, empujando la paleta. Esto fue demostrado en 1903 por JJ Thomson , quien calculó que el momento de los electrones que golpeaban la rueda de paletas solo sería suficiente para girar la rueda una revolución por minuto. Todo lo que realmente demostró este experimento fue que los rayos catódicos podían calentar superficies.
Jean-Baptiste Perrin quería determinar si los rayos catódicos en realidad llevaban carga negativa o si simplemente acompañaban a los portadores de carga, como pensaban los alemanes. En 1895 construyó un tubo con un "captador", un cilindro de aluminio cerrado con un pequeño orificio en el extremo que da al cátodo, para recoger los rayos catódicos. El captador se conectó a un electroscopio para medir su carga. El electroscopio mostró una carga negativa, lo que demuestra que los rayos catódicos en realidad llevan electricidad negativa.
Goldstein descubrió en 1886 que si el cátodo está hecho con pequeños agujeros, se verán corrientes de un brillo luminoso tenue que saldrán de los agujeros en el lado posterior del cátodo, de espaldas al ánodo. [24] [25] Se descubrió que en un campo eléctrico estos rayos del ánodo se doblan en la dirección opuesta a los rayos catódicos, hacia una placa cargada negativamente, lo que indica que tienen una carga positiva. Estos eran los iones positivos que eran atraídos por el cátodo y creaban los rayos catódicos. Goldstein los llamó rayos canal ( Kanalstrahlen ). [26]
Eugen Goldstein pensó que había descubierto un método para medir la velocidad de los rayos catódicos. Si la descarga luminosa que se observa en el gas de los tubos de Crookes se producía por los rayos catódicos en movimiento, la luz irradiada desde ellos en la dirección en la que se movían, hacia abajo del tubo, se desplazaría en frecuencia debido al efecto Doppler . Esto se podía detectar con un espectroscopio porque el espectro de la línea de emisión se desplazaría. Construyó un tubo con forma de "L", con un espectroscopio apuntando a través del vidrio del codo hacia abajo de uno de los brazos. Midió el espectro del resplandor cuando el espectroscopio apuntaba hacia el extremo del cátodo, luego cambió las conexiones de la fuente de alimentación para que el cátodo se convirtiera en el ánodo y los electrones se movieran en la otra dirección, y nuevamente observó el espectro buscando un cambio. No encontró ninguno, lo que calculó que significaba que los rayos viajaban muy lentamente. Más tarde se reconoció que el resplandor en los tubos de Crookes es emitido por átomos de gas golpeados por los electrones, no por los electrones mismos. Como los átomos son miles de veces más masivos que los electrones, se mueven mucho más lento, lo que explica la falta de efecto Doppler.
Philipp Lenard quería ver si los rayos catódicos podían pasar del tubo de Crookes al aire (véase el diagrama). Construyó un tubo con una "ventana" (W) en la envoltura de vidrio hecha de papel de aluminio lo suficientemente grueso como para soportar la presión atmosférica (más tarde llamada "ventana de Lenard") orientada hacia el cátodo (C) para que los rayos catódicos lo alcanzaran. Descubrió que algo sí pasaba. Al sostener una pantalla fluorescente frente a la ventana, esta emitía fluorescencia, aunque no le llegaba luz. Una placa fotográfica colocada frente a ella se oscurecía, aunque no estuviera expuesta a la luz. El efecto tenía un alcance muy corto de unos 2,5 centímetros (0,98 pulgadas). Midió la capacidad de los rayos catódicos para penetrar láminas de material y descubrió que podían penetrar mucho más lejos que los átomos en movimiento. Dado que los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas en ese momento, esto se tomó primero como evidencia de que los rayos catódicos eran ondas. Más tarde se descubrió que los electrones eran mucho más pequeños que los átomos, lo que explica su mayor capacidad de penetración. Lenard recibió el Premio Nobel de Física en 1905 por su trabajo.
Teoría corpuscular del éter.
presión endurecimiento progresivo tiempo progresivamente menor.
presión reduce aumenta blando duro.
La presión de endurecimiento del tubo de rayos X desaparece a medida que aumenta.
