ZGODOVINA VAKUUMSKE TEHNEKE (IV. del)
Stanislav JužnIČ*
The history of vacuum techniqua (part IV)
ABSTRACT
Artlcl« «Odo with the Ocscnplion of v««um clectroni« In the second half of The 19th-c«ntury, Soedal C0iV«fh is put Ik^ th'j ressaret) in the HabsDurg monarchy.
POVZETEK
Razpravo kon£ujeitic 2 opisom ra?voja vakuurnn v elekVon.ki v druQi polovice Id stcWJa. Posebej poudorj^no porrterrbon prispav«K raziskovalcev iz naža leOahfe domovina, ha&«burike monarhij«,
lavo sleKfcne zračne črpalke, ki bi omogočila raziskovanje praznjenj v razredčeni atmosferi. Enak problem je raziskoval tudi Pluckerjev vzornik, «sli Čas le ostareli Michael Faraday (1791-1867).
Leta 1858 je Pfücker opazoval vpliv nižanja tlaka In magnetnega polja na praznjenje v Geisslerjevih ceveh. Po letu i860 je Plückerjeva raziskovanja nadaljeval njegov učenec Johann Wilhelm Hiltorf (1fl24-1914) (Sparnaay, 1992, 63-66), profesor na univerzi v Munstru.
5) Uporaba vakuuma v elektronjki
a) Geisslerjeve cevi. teorije HiRorfa, Plückerja
Uporaba vakuuma v parnih strojih je bila v stoletju med leti 1760 in 1860 zunaj prevladujočih smeri raziskovanja v fiziki. Nova odkritja v začetku druge polovice 19. stoletja so znova oživila raziskovanje vakuuma.
Leta 1854 je Julius P lücker (1801-1868), matematik in fizik na univerzi v Bonnu, naročil svojemu sJeklopihalcu Heinrichu Qeisslerju (1814-1879) izde-


Silks 1. Julius Plücker {1801-1868)
Stanislav .JuŽnič je orofesof tlake tn mt'iinAirLOva na srednji icb v Kočev|u. Laia 1990 je Oiplomirai ti (olviične f^ikc na FakutiaD za naravoslovce m tehnologijo, magislnral oa idta 1964 IZ zgodovine fizika ns Rios^ki fahurtsti v L)ubi>ani.
a)
b)
Slika 2. ZivosFQbrna zrsčna črpalka, ki jo /e leta 1655 izdelal Geissler (a), in izboljšana ve,T//Ä, ki Jo /e skonstruiral Topler (h) /Vakuum Technik 35, Weft 4+5, st. 129!
b) Raziskovalci vakuuma v državi r>allh prednikov: Topler v Gradcu (1862), Robida v Celovcu, Šubic v Gradcu in Pufuj v Pragi
Geissler je v svoje cevi postavil kovinske spojke iz platine m stekla. Geisslerjeva črpalka ni imela mrtvega teke pri svojem delovanju. Lan ko je dosepala llak do 0,011 mbar.
Leta 1862 je Topler črpalko tako predelal, da mso bile več potrebne zaporne pipe. S Jem je tlak znižal ie za štirinajstkrat. Avgusta Jeta 1868 je btl Topler iZbran za rednega profesorja (eksperimentalne) fizike v Gradcu, kjer je do odhoda v Drsi^den ?7 1B76 poučeval veliko slovenskih študentov. 17.7,1876 je bjl v Gradcu poročne pnča sodelavcu Ludvvigu Soltzmannu (1844-1906) m svoji nekdanji Študentki
Henriette von Aigentler (1854*1936), po rodu štajerski Slovenki.
Novih dognanj seveda niso hkrati sprejeli vsi raziskovalci. Štefanov gimnazijski profesor v Celovcu Karel Robida (1804-1877) je trdil, da je vakuum popoln električni izolator (Robida, 1857, 5). Vendar popolnega vakuuma ni mogoče doseči (1857, 11, 12).
RoDida ni mogel opraviti tehtnih poskusov brez primernih Črpalk in tesnil, saj leta 1857 še ni nabavil Geisslerjeve cevi. Zato se je skliceval na poskuse berlinskega profesorja PT. Reisa (1805-1883) iz leta 1838. Ni navedel pcKlobnih raziskovanj berlinskega profesorja Paula Ermana (1764-1851) iz leta 1802. Oba sta menila, da so trajne le magnetne lastnosti snovi (naravnega magneta), ne pa električne. Zato se vsaka snov sčasoma rarelektri.
Domnevo o vakuumu kot Izolatorju je mogoče pripisati tudi zgodnjemu delu Simona šubioa (1830-1903). Na temelju poskusov Avstrijca dr. Retlingerja (Wien. Ber. 43 (1861)) je domneval, podobno kot CIausJus leta 1858, da je povprečna prosta pot molekule obratno sorazmerna gostoti medija. Vendar je Šubic od tod napačno sklepal, da redkejši plini bolje prevajajo električne in toplotne motnje od gcstej^h (1862, 113). Trditev je bila v
S/ika 3. Simon Šubic (1830-1903)
nasprotju 2 Maxwellovo kinetično teorijo iz let 1859 in 1860, po kateri toplotna prevodnost ni odvisna od tlaka in gostote plina MaKwellovo domnevo sta z meritvami potrdila fvlagnus leta i860 v Berlinu in Stefan lela 1870 in 1875 na Dunaju (Strnad 1985, 35, 37),
Že von Guerlcke (1672), Boyle in Hooke (1658) so ugotavljali, da vakuum ne ovira delovanja električne sile. Meritev je potrdi to Faraday evo odkritje fluorescence v novih Gelsslerjevih ceven, ki ga je podrobneje raziskal Plücker leta 1B58.
Praznjenje v vakuumskih ceveh je postalo modna smer eksperimentalnega raziskovanja. V nekaj letih so postale tudi učni pripomoček.
Šubičeva teorija samostojnega prevajanja elektrike v plinih
šubičeva in Hittorfova teorija elektrolize sta temeljili na gibanju in trt<anju molekul (1862, 1O6). Podobne ugotovitve je šubic prenesel tudi na pline Pri tem ga je najbolj zanimalo dogajanje v vakuumski cevi, ki ji na krajilča pritisnemo električno napetost.
šubic je nabavil več Getsslerjevih cevi med 18 elektromagnetnimi instrumenti za zbirko fizikalnega kabineta v PeštI leta 1858/60, le Štiri leta po iznajdbi. Med poučevanjem na dunajski realki Rcssau med leti 1661 In 1864 Šubic nI nabavil Geisslerjevih cevi med skupaj 51 instrumenti za preučevanje elektrike.
Mittels je za fizikalni kabinet gimnazije v Ljubljani nabavil 5 Geisslerjevih cevi Sele leta 1862-63. tri leta za Šubicem. Ob njih je nabavil Še Runmkorfov indukciski aparat in močan magnet s tremi lamelami, ki je lahko vzdignil 7 kg.
Vse te naprave so bile namenjene preučevanju katodnih žarkov v Geisslerjevl cevi, fiuhmkorlov aparat so uporabljali za vir napetosti več kilovoltov. Magnet so uporabljali za odklon žarkov. Trije do štifje členi v Grovejevi bateriji Zn^Cu so dajali zadosten tok, s katerim je bilo mogoče v Ruhmkor-fcvl tuljavi inducirati višjo napetost kot v najmočnejši Leydenski steklenici (Ganot 1877, 800 in 803). To je bilo potrebno za poskuse z Gelssierjdviml cevmi. Komplet z več kot deset Geisslerjevimt cevmi različnih oblik in Ruhmkorfov indukcijski aparat so pozneje nabavili v nižji realki v Kočevju, ustanovljeni leta 1872, ki je med leti 1908-1911 prerasla v v^Jjo. V lamkajšnem fizikalnem Kabinetu so te naprave še danes deloma uporabne.
Leta 1867/68 je Jakop Rumpf, tedanji kustos fizikalnega kabineta gimnazije v Ljubljani, nabavil še elektromagnetni aparat za vrtenje Geisslerjevih cevi. Opis v gimnazfskih Izvestjah je nekoliko zavajajoč. Bržkone gre za üe la Rivejev elektromagnet, prirejen za sukanje In rotacijo svetlobnega loka v Geisslerjevi Lt^vi. Napravo Je pozneje Izpopolnil Se sam Geissier (Ganot 1877, poglavje 892),
Geisslerjave cevi se tako že kmalu po iznajdbi poslale predmet srednješolske fizike. Tedanji srednješolski profesor je lahko mnogo bolj Kot danes kompetentno razmiiljal o problemih sodobne flzike. tudi po eksperlmentaini plati.
Šubic je v svojem srednješolskem učbeniku električni tok v izpraznjeni cevi le omenil kot "krasen', ne de bi sploh opisal kakšen poskus z Geisslerjevimi cevmi (1874, 345). Glede na siceršnjo eks pen mentalno naravnanost učbenika domnevamo, da |e bil Šubic med leti 1872 in 1874 v dvomih glede teorije Gelsslerjevih cevi.
Šubičeva razlaga dogajanja v Geisslerjevl cevi je v mnogočem podobna kot pri elektrolizi. Hitrost razširjanja trkov med molekulami, napetost, prevodnost In dolžina iskre so obratno sorazmerni gostoti plina v vakuumski cevi. Torej imajo redkejši plini večjo hitrost Širjenja molekulskih trkov, so boljši prevodniki in bolj svetijo (1662, 113).
Zgornje ugotovitve vsaj deloma nasprotujejo sodobni kinetični teoriji, ki se je razvila v sedemdesetih letih 19. stoletja. Raziskovanja so pokarala, da toplotna prevodnost plina sploh nI odvisna od njegovega tlaka in gostote na širokem območju, vse dokler pri nizkih tlakih ne postanejo pomembne interakcije na ^vršmi plina (Brush 1976. &4). Vendar leta 1862 Subio bržkone še ni poznal teo<ije prevodnosti plinov Jamesa CIarka Ma>rwelld (1831-1679) iz leta 1859-60, ki jo je CIausius popravil leta 1862. Zato pa je bržkone poznal Heinrich Magnusove (1802-1870) poskuse, ki so leta 1860 končno pokazali, da piin v resnici prevaja topioto (Stmad 19B5, 35).
• IM Hl> •mi" ■1ir«l(tll'\ t«l«T**«il
11 KrKiisii KT |'«>I >»TI"IM«|
tmuoii
i; 11> I E Ii M O
■Kii; •CittuAAuti
iiiNii luiMuhfii »»«nrio
Gi;STAVO FHIDERICO OlILEK
tliOAM I HITIP f I B* tttTIIH» fIfTWiTI • ■ Ii«
• ' «Ml k i« ' M« (t»*rtM. 11 (
l AROLO FRIPERICO DE GERBER
»•n«"* •N.anfal Ttll I •
C A Ro I^OJHI Itz E K
AMPLlSSinVS l*IIILOSOl'IIORUn ORDO
i\ (J>.li ainuMtsTi, ri»iiiui,o«ii«iii>( Tbtl^<,l\^<
aiMO^CU SUBJC

twtTita««» PMII osofMUR «i" iRTTiiB uukalki nAcmnvm
^»«illl
Slika 4. Naslovna stran ŠubiCeve doKlorske diser tacije
Od vseh pojavov v Geisslerjevi cevi je Šubica (1862,
106)	najbolj zanimalo zlaganje električne svetlobe (iskrenje) Bržkone je že tedaj domneval, da gre pn tem iskrenju za zvezno praznjenje električne napetosti v plinu. HittorfJ je leta 1876 menil, da do prasketanja pride )e. Če je napetost prešibka za stalno svetlobo. Takšnemu mnenju so nasprotovali Gassiet 1863, Stokes 1864, de la Rive 1867 m Wiedemman 1872 in 1867 (Hittort 1889, 181).
Po Šubicu plin v Geisslerjevi cevi seva svetlobo zaradi greija ob prevajanju elektrike, ki ga povzroča električni upor oziroma notranje trenje. Subic (1862. 109) je povzemal Reitlingerjevo (Wien. Ber. 43(1861), 15) mnenje, potrjeno s spektralno analizo. Vodnik naj bi bil tem svetlejši, Čim večji je njegov električni upor. Kot večina raziskovalcev je tudi Subic (1862.
107)	menil, da v Gelsslerjevih ceveh ni kemijskih reakcij, aH pa so zelo po^sne.
Po Šubicu (1862, 113) velja za prevajanje v plinih'
-	povprečna prosta pot delcev je obratno sorazmerna gostoti plina
-	masa delcev plina je obratno sorazmerna kvadratu njihove hitrosti.
Obe trdlM izhajata Iz kinetične teorije. V plinih je upor sredsNa mnogo manjši kot v kapljevinah, kjer po Šubicu (1862. 92-93) druga trditev ne velja. Tam je hitrost gostejših delcev večja od hitrosti redkejših, če je polmer gosiejših delcev večji ah enak polmeru redkejših.
šubic je temno podnsčje ob kalodi (negativni elektrodi} Qeisslerjeve cevi pojasnil s Širjenjem trkov med molekulami, ki so v njegovi teoriji sinonim za električni tok (1862, 202). Neposredno ob viru gibanja v katodi še ne more biti toliko Irkov z molekulami plina v vakumski cevi, da bi opazili svetlobo. Svetlikanje opazimo v bolj odaljenih delih Geisslerjave cevi.
ŠubiČeve ideje so tu zelo podobne William Cnr^oke-sevim (1832- 1919) iz leta 1869. Vendar ni naravnost zapisal, da je bila dolžina temnega področja ob katodi kar sorazmerna s povprečno prosto potjo molekul v plinu. Temno področje katode danes imenujemo po Crookesu. Ph normalnem praznjenju, kjer gostota električnega toka ni odvisna od njegove intenzitete, velja Crookesova teorija. Dolžina "temnega področja" je tam obratno sorazmerna s tlakom oziroma gostoto plina v cevi. Pri zelo nizkih tlsü<ih se lahko "temno področje" raztegne čez vso cev (Yavorski 1975, 402-403).
Po Šubicu (1862, 112) se plin zgosti v ozkih področjih Gelssierjeve cevi, saj se lam pri enaki masi plinske snovi zmanjša njena prostornina. Pretok snovi skozi cev je torej zvezen, saj nima ne ponorov ne izvirov v cevi s samo dvema elektrodama. Po ŠubiČevem mnenju se torej dejansko zgoščuje plinasta vsebina cevi in ne le njen sevajoči del.
Podobno se je šubicu (1862, 109) zdelo, da je svetilnost sorazmerna z uporom plinastega medija v cevi. Tako plini, podobno kol elektroliti, prevajajo
elektriko z gibanjem ionov To je v nasprotju s sodobno teorijo, po kateri v katodni cevi ne gre za gibanje ionov, temveč za katodne žarke, sestavljene (2 elektronov.
Sodobni teoriji prevajanja v vakuumski cevi je mnogo bliže HIttorfova (1889, 157) teorija. Po njej imamo v plinih, vzporedno z gibanjem ionov, §e dnjg način prevajanja. Ta povzroča svetlikanje v plinu (danes bi rekli prehode med vzbujenimi stanji plinskih atomov).
Ta dnjgi način prevajanja ima pri Hittoffu vse značilnosti sevanja. Čeravno Hittori te analogije ni navedel, je dogajanje v Qeiss'erjevi cevi pri njem povsem analogno toplotnim pojavom. Ti prav taJ<o združujejo oba mehanizma, prevajanje in sevanje. Prav v času, ko je praški profesor fizike Johann Puluj (1845-1918) leta 1888 zasnoval svojo teorijo prevajanja elektrike v razredčenih plinih, je Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) v Berlinu zaznal elektromagnetne valove in s tem dokončno potrdil Maxwellovo teorijo elektromagnetnega polja.
SliKa 5. J. 1 Thomson
Že 10 let pozneje se je z J. J. Thomsonovim odkritjem elektrona (leta 1897) pokazalo, da sevanja in prevajanja v plinih le ne moremo pojasniti s samim valovanjem. Katodne žarke v vakuumski cevi sestavljajo delci, ki jim je J, J. Thomson nameril razmerje med nabojem in maso. Delcev se je prijelo ime elektroni, ki jim ga je dal George Johnstone Stoney (1826-1911) že leta 1891. Obveljala je Crookesova domneva o korpuskularnosti katodnih žarkov (Asi-
mov 1076, 403).
Šubičev zapis iz leta 1862 je nastal celo desetletje prej, preden je raziskovanje Getsslerjevih cevi začelo
Slika 6. Thomsonova elekironsks cev /Phtfos. Mag., 44 (1897) 2981
obetati razrešitev problema električne substance in končno zanikanje obstoja električnega imponderabla (Hittorf 1889, 157). Šubic v svoji obravnavi niti ni zapisal bistvenega: da je sevanje, ki izhaja iz katode, negativno nabito in ga je mogoče odkloniti z magnetom.
Nabite žarke danes neposredno povezujemo z deici. Pred sto leti pa jih je veČina nemškfh raziskovalcev interpretfrala znotraj valovne teorije katodnih žarkov, ki so jo poleg Šubica zagovarjali že: Goldstein 1880, E.Wiederman 1880, Hertz 1883-92 in Puluj 1888 {Puluj 1888, 305), S Perrinovimi poskusi leta 1895 je prevladala kcrpuskularna britanska teorija katodnih žarkov raziskovalcev: C. Varelya, W. Crookesa (1878-1879), W. Gieza (1885) in A. Schusterja (1882 in 1884) (Mladenovič 1986. 219-227).
C) Britanski vakuumisti In William Crookes (1B32-1919)
Leta 1876 je Eugen Goldstein (1850-1931) nadomestil točkasto katodo s ploščo, iz katere so pravokotno izhajali katodni žark) Leta 1874 je H,MacLeod sestavil manometer, ki ga je uporabljalo več generacij raziskovalcev.
Leta 1873 je Crookes sestavil radiometer za preučevanje gibalne količine sevanja. Svoja dog* nanja je povezal z raziskovanjem vakuumskih cevi m leta 1876 zasnoval teorijo o Četrtem agregatnem stanju snovi.
Radiometer je 0^1 med leti 1873-1876 zelo popularen v znanstvenih časopisih. Sam Crookes je bil v tem času udeležen tudi pri spi ritual isti čnih raziskavah {Brush 1969 in 1976, 211), kar je gotovo vplivalo na drznost njegovih hipotez. Vendar se je kmalu izkazalo, da razlika tlakov, ki poganja radiometer, izvira iz temperaturnih razlik in ne m err tlaka valovanja.
d) SKLEP: Vakuumska tehnika postane univerzalna znanost
Leta 1879 je Themas Alva Edison (1847-1931) začel s proizvodnjo žarnic z ogljeno nitko pri tlakih tisočinko tor. V Evropi se je podobna proizvodnja uveljavila šele konec stoletja. Vakuumska tehnika je s tem postala temelj velike industrijske proizvodnje.
Pn/e monografije o vakuumu so izšle med leti 1906-1926. Z njimi postaneta teor>ja in eksperiment v vakuumu univerzalni del temeljev fizike (Kansky 1993, 7),
Literatura
l^| Asimov Biograp^cai Encyclopedia o> Scaence ana Technology, Lonaon, 1975
/2/ Brush Stephen in Everin, Maywell, Osbonv ß«yno<QS and RaQlometec. HSPS. 19(1969J
/3/ Qanpt, Elements de phyeique. šesti francoski ponatis iz leta 1856
/4/ MWort. O pravaianju eJdktnke v plinih, Pogg. Ann. 136 (1889), 1874, 1679. Ponatis v Physical rT>OTOirs. Physical Sxia^ of London. London, I889
/5/ Kansky Evgen in Janko U., Zgo4ovlr«ki ons tarvoja ve^tuutTiske tehnike, v ztwrmku Vakuumska tehnika za srednješolska predavatelja uradnika Bojana Jenka, Dru&Tvo vakuumsko tehniko, Ljubljana. 1993
/61 MladencMč Milorad. RazvCf liSike. Elektrika m magnetizam, IRO. Gcadevinska knjiga, Baograd, 1dd6
/?/ PulUj J., Radiacijska elektrodna snov m Uko imenovano četrto agregatno stanje. Praga. (eOruar 1868, ponatis v Wien,Bar v štirih delih leta 1889
/8/ Robida Kari, Vibratjgns-Theche der Elektrizität, iz/astja 9imna:He Celovec, 1857. 1.37
/9/ sparnaay M. J., Adver>tures in vacuum, North-Holland. Amsterdam, 1992
/10/ Stmad Janez. Jožef Stefan. Preaak (1985) št 5, 1>64
/11/ ^Oic Simon, Grundzijge anen Molekular-Physik, Wien, 1862, recenzija razprave Karla Robt^e, Erkiaong Oer Lchtersche irjungen, 2eit. Oymn., 12 (1862) 320
/12/ YavOfSky B. in ADetlaf. Handbook of Physics, MIR. Moskva. 1976
NOVICE
Strokovni sestanek slovenskih in hrvaških vakuumistov
Na Inštitutu za kovinske materiala in tehnologijo {IMT) je bilo 26. m^a 1994 2 srečanje slovenskih in hrvaških strokovnjakov s podro^a vakuumske tehniko in tohnologtj Pn/I tovrstni sestanek je bi1 lansko pomlad na Institutu za fiziko v Zagrebu. Todaj je bHo predstavljenih 29 krajših referatov z r^lednjih področij: vakuumska znanost (menfve In pnsizvodnja vakuuma), tanke plast», znanost o površinah, fizika plazmo, vakuumska metalurgija In nanotehnologije.
Letošnje srečanje sta vsob^nsko sestavljali naslednji dve poOročji:
a)	Binhrotron v Trstu in slovenske Žarkovna linija slnhrotronske svetlobe; teme predavanj 90 bilo naslednje:
-	Osnove sinhrotroria in možnosti njegove uporabo (dr M. Pleško)
•	Metoda EXAFS na slovenski žarkovni liniji (dr. I. Arčor)
-	Zahleve za ekspeilmentalno komoro za analizo površin (mag D. Cvetko)
•	Izdelava W in UW elementov po-speševainika (mag. A Pregelj «n M. Drabj
b)	eioMronska mikroskopija
•	Karakteristike 1 mogučnosti elektron-skog mikroskopa JEM 2010/STEM (dr A. Tonejo)
•	Visokorazlučujuča elektronska mikrosk» opija (dr. O. Milat)
•	SEM i EDS mikroanalize (D. Blagovič)
•	Tunelsko mikroskopske raziskave kovinskih oepozitov na plastnih kristalih (dr. M. Remškarj.
Med opoldanskim odmorom je bil organiziran ogled r>ove naprave za ionsko nrtriranje kovin v plazmi (na lnšt»ujtu za kovinske materiale m tehnologijo) m vrstičnega tunelskega mikroskopa ter mikroskopa na atomsko Sik? (na initflutu "Jožof Stefan")
Predstavnik» obeh druStev in inštituta gostitelja so bili z izvedbo ih z udeležbo (47 prisotnih) zelo zadovoljni Po zaključku $0 v pnjatoljskom vzdušju sklenili, da Isodo lota 1995 srečanje organizirali v 'močnerši' zas&dbi ter povabil' vakuumiste iz sosodnjih držav Sr^anje bo najvcnelnojo sočasno s strokovno delavnico mednarodne zvozo za vakuumsko znanost m tehnologije, k' bo na 6rdij pn Kranitj v maju
mag. A,Pregelj