Трубка Гейсслера

Трубка Гейсслера — это стеклянный герметичный сосуд с разреженным газом, в который впаяны металлические электроды, предназначенный для наблюдения электрического разряда в газах и демонстрации свечения, вызванного прохождением тока. Относится к классу газоразрядных приборов и является одним из первых экспериментальных устройств для изучения физики плазмы и катодных лучей.

История

Изобретение трубки приписывается немецкому стеклодуву и механику Генриху Гейсслеру (Heinrich Geissler, 1814—1879). В 1850-х годах, работая в Боннском университете, Гейсслер разработал усовершенствованный ртутный вакуумный насос, позволявший достигать значительно более низкого давления (до 0,1 мм рт. ст.), чем прежние конструкции. Это открыло возможность для создания герметичных стеклянных сосудов с сильно разреженным газом.

Первые трубки Гейсслера были изготовлены около 1857 года. Они представляли собой запаянные стеклянные капилляры или колбы различной формы, заполненные разреженным воздухом или другими газами (азотом, водородом, углекислым газом) и снабжённые двумя впаянными платиновыми электродами. При подаче высокого напряжения (от индукционной катушки или электростатической машины) в трубке возникал тлеющий разряд, окрашенный в характерный для данного газа цвет.

В 1859 году немецкий физик Юлиус Плюккер (Julius Plücker), используя трубки Гейсслера, впервые систематически исследовал свечение газов под действием электрического тока и обнаружил, что цвет разряда зависит от химической природы газа и давления. Его ученик, Иоганн Вильгельм Гитторф (Johann Wilhelm Hittorf), в 1869 году с помощью усовершенствованных трубок наблюдал катодные лучи — поток электронов, испускаемый катодом. Эти эксперименты стали основой для дальнейших работ Уильяма Крукса, который создал более совершенную трубку Крукса, и в конечном итоге привели к открытию электрона Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Трубка Гейсслера состоит из следующих основных элементов:

• Стеклянная колба — изготавливается из тугоплавкого стекла (например, боросиликатного) и имеет сложную, часто декоративную форму (спирали, шары, капилляры). Герметично запаяна после откачки газа.
• Электроды — два или более металлических стержня (обычно из платины, железа или алюминия), впаянных в стенки колбы. Один электрод является катодом (отрицательный), другой — анодом (положительный).
• Газовое наполнение — разреженный газ при давлении от 0,1 до 10 мм рт. ст. Используются инертные газы (неон, аргон, гелий, ксенон), а также азот, водород, углекислый газ, пары ртути или натрия. Состав газа определяет цвет свечения.

Принцип работы

При подаче на электроды высокого напряжения (от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт) между ними возникает электрический пробой. Свободные электроны, ускоряясь в электрическом поле, сталкиваются с атомами и молекулами газа, ионизируя их и переводя в возбуждённое состояние. При возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны света. Длина свободного пробега электронов в разреженном газе велика, поэтому они успевают набрать достаточную энергию для эффективного возбуждения.

В зависимости от давления и напряжения в трубке наблюдаются различные типы разряда:

• Тлеющий разряд — характерен для давлений 0,1—10 мм рт. ст. Сопровождается образованием тёмного катодного пространства, отрицательного тлеющего свечения, фарадеева тёмного пространства и положительного столба. Положительный столб даёт основное свечение, цвет которого определяется газом.
• Дуговой разряд — возникает при более высоких токах и низких давлениях, сопровождается интенсивным свечением и нагревом электродов.

Классификация и виды

Трубки Гейсслера классифицируются по нескольким признакам:

По форме и назначению

• Демонстрационные трубки — имеют сложную, эстетически привлекательную форму (спирали, звёзды, цветы). Используются в учебных целях и как декоративные светильники.
• Спектроскопические трубки — имеют прямую или капиллярную форму для получения узкого пучка света, который направляется в спектроскоп. Применяются для изучения спектров излучения газов.
• Трубки с подвижными электродами — позволяют изменять расстояние между электродами во время эксперимента, демонстрируя зависимость разряда от длины промежутка.
• Трубки с несколькими газами — содержат в разных отсеках различные газы, каждый из которых светится своим цветом.

По типу газа

• Неоновые — дают оранжево-красное свечение (наиболее распространённые в декоративных целях).
• Аргоновые — фиолетово-голубое свечение.
• Гелиевые — жёлто-розовое свечение.
• Ксеноновые — голубовато-белое свечение.
• Ртутные — зелёно-голубое свечение (содержат пары ртути, что требует осторожности при обращении).

Применение

Научное и учебное

В XIX — начале XX века трубки Гейсслера были основным инструментом для изучения электрических разрядов в газах. Они использовались в экспериментах по:

• Исследованию спектров излучения химических элементов (спектральный анализ).
• Демонстрации катодных лучей и природы электричества.
• Изучению зависимости разряда от давления, состава газа и формы электродов.

В современной образовательной практике трубки Гейсслера применяются в школьных и университетских лабораториях для наглядной демонстрации явления тлеющего разряда, спектральных линий и свойств газов.

Декоративное и рекламное

Принцип трубки Гейсслера лёг в основу неоновых вывесок и рекламных конструкций. Декоративные трубки с инертными газами (неон, аргон) используются для создания светящихся фигур, надписей и интерьерных светильников. В отличие от современных неоновых ламп, работающих при низком напряжении, классические трубки Гейсслера требуют высокого напряжения и часто питаются от индукционных катушек.

Историческое

Трубки Гейсслера являются ценными музейными экспонатами, демонстрирующими развитие физики и электротехники. Они представлены в коллекциях Политехнического музея в Москве, Музея науки в Лондоне и других научно-технических музеях.

Интересные факты

• Цвет свечения трубки Гейсслера зависит не только от газа, но и от его давления: при очень низком давлении (менее 0,01 мм рт. ст.) разряд исчезает, а стекло начинает флуоресцировать под действием катодных лучей.
• Генрих Гейсслер был не только изобретателем, но и талантливым стеклодувом: он изготавливал сложные по форме трубки, которые сами по себе являются произведениями искусства.
• Трубки Гейсслера сыграли ключевую роль в открытии электрона: эксперименты с катодными лучами в трубках Крукса (прямых потомках трубок Гейсслера) привели к определению удельного заряда электрона.
• В некоторых моделях трубок для создания более яркого свечения использовались люминофоры, нанесённые на внутреннюю поверхность стекла.

Источники

• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• Гольдман А. Г. Газоразрядные источники света. — М.: Энергия, 1966.
• Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Физматлит, 1976.
• Материалы экспозиции Политехнического музея (Москва), раздел «Электричество и магнетизм».