Tube de Crookes - Définition

Introduction

Photo d'un tube de Crookes. Les électrons circulent en ligne droite de la cathode, sur la gauche, mise en évidence par l'ombre portée de la croix sur la paroi fluorescente, à droite. L'anode est en bas.

Un tube de Crookes est un des premiers tubes à décharge électriques expérimentaux, inventé par le physicien britannique William Crookes et autres entre les années 1869 et 1875 durant lesquelles les rayons cathodiques (autrement dit les électrons), ont été découvert.

Évolution du tube de Geissler, il consiste en un tube de verre sous vide partiel de différentes formes possibles, avec deux électrodes de métal, une à chaque extrémité. Lorsqu'une une forte tension électrique est appliquée entre les électrodes, les électrons traversent le tube en ligne droite depuis la cathode vers l'anode. Il fut utilisé par William Crookes, Johann Hittorf, Juliusz Plücker, Eugen Goldstein, Heinrich Hertz, ou encore Philipp Lenard entre autres afin d'étudier les propriétés des rayons cathodiques, recherche qui culmina en 1897 lorsque J. J. Thomson découvrit que les rayons cathodiques étaient constitués de particules chargées négativement qu'il baptisa « électrons ». Les tubes de Crookes sont utilisés à l'heure actuelle pour montrer (indirectement) les rayons cathodiques.

Le savant Wilhelm Röntgen découvrit les rayons X grâce au tube de Crookes en 1895. L'appellation est aussi utilisée pour la première génération de tubes à rayons X à cathodes froides, qui est issue des tubes de Crookes expérimentaux et qui fut utilisée jusque dans les années 1920.

Principe de fonctionnement

Schéma d'un tube de Crookes.

Les tubes de Crookes étaient des tubes à cathode froide, ce qui veut dire qu'ils ne comportaient pas de filament chauffant comme on en mettra plus tard dans les tubes électroniques pour générer des électrons. Dans le tube de Crookes, les électrons sont générés par l'ionisation du gaz résiduel excité par une tension continue de quelques kilovolts à 100 kV, appliquée entre les deux électrodes. Cette tension est fournie par une bobine de Ruhmkorff. Le niveau de vide du tube doit se situer entre 10^-6 à 5×10^-8 atmosphère (7×10^-4 - 4×10^-5 torr ou 0,1 - 0,005 pascal).

Lorsque qu'une tension élevée est appliquée au tube, le champ électrique induit l'accélération des ions (chargés) présent dans le gaz, qui peuvent être créés par des processus naturels comme la radioactivité. Ils entrent en collision avec les autres molécules du gaz, leur arrachant des électrons et créant ainsi des cations par une réaction en chaîne. Ces cations sont attirés par la cathode, ou électrode négative. Lorsqu'ils la percutent, ils éjectent un grand nombre d'électrons de la surface métallique, qui sont par la suite attirés par l'anode (ou électrode positive). Ces électrons sont les rayons cathodiques.

Les différentes régions possibles de luminescence dans un tube de Crookes.

Seul le déplacement des électrons est décrit ci-dessus. La description détaillée des évènements dans un tube de Crookes est compliquée car ce dernier contient un plasma d'ions positivement chargés, d'électrons et d'atomes neutres en interaction constante. A de plus hautes pressions de gaz, au dessus de 10⁻⁶ atm (0,1 Pa), cela induit des régions de luminescence colorée dans le gaz, selon la pression interne du tube (voir schéma). Ces détails n'étaient pas pleinement compris jusqu'au développement de la physique des plasmas au début du XX^e siècle.