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2節 電気の正体

 

真空放電

真空放電の現象としくみ

真空放電の実験

 陰極線の発見から電子の確立まで

陰極線の直進

「羽根車のあるクルックス管の実験」について

蛍光灯

原子の構造


 

真空放電

 1気圧(1013hPa)の空気は非常に絶縁性が高く,放電させるためには数万Vの電圧が必要である。しかし,ガラス管内に電極をとり付け,真空ポンプで管内の空気を抜いていくと,数千Vの電圧で放電するようになる。これを真空放電という。このとき,管内の圧力の程度によって,放電の様子は次のように変わっていく。

(a) 圧力が0.1気圧程度になると放電が始まり,0.01気圧程度になると,赤紫色のひも状のものが管内を揺れ動くようになる。

(b) さらに圧力を減じていくと,ひも状の光った部分はしだいに太くなり,圧力が0.001気圧程度になると,陰極前部に暗部(ファラデー暗部)が現れ,この暗部から陽極までは陽光柱とよばれる発光部分となり,気体に特有な光を出す。この程度 (0.0010.01気圧)の気体放電をガイスラー管という。

(c) 0.00070.0013気圧程度になると,ファラデー暗部が陽極のほうへ伸びて,陽光柱は短くなり,縞模様が現れたり,うろこ状になったりする。

(d) さらに圧力を減じると,陽光柱の長さがしだいに短くなって,陰極グローが管内に伸びてくる。0.00001気圧ぐらいになると,管内の光は消えて暗くなる。

(e) 0.0000010.00001気圧程度の圧力になると,ガラス管壁,とくに陽極付近から緑色の蛍光が発生するようになる。この程度の放電管をクルックス管という。

 

真空放電の現象としくみ

 教科書p.11で見られるように,ガイスラー管中の真空放電の現象は,気体の圧力によってきわめて多彩に変化する。低圧気体中の放電(暗電流,タウンゼント放電,ストリーマ放電,コロナ放電,グロー放電,アーク放電等)や放電の構造(アストン暗部,陰極グロー,ファラデー暗部,陽光柱等)については,各項目ごとの簡単な解説が「理化学辞典」(岩波書店),「物理学辞典」(培風館)にある。総合的な解説や,専門的な個々の事項に関する文献の索引は次の書に詳しい。

電気学会放電ハンドブック出版委員会編「放電ハンドブック」(オーム社)

 

真空放電の実験

 放電管をスタンドに支持し,排気口を真空ポンプに接続する。誘導コイルの放電用電極と放電管の両端を接続して,部屋を暗室にする。

 誘導コイルを放電させ,放電管のコックを開いて,外気と通じたまま真空ポンプを始動させる。装置が正常にはたらいているのを確かめた後,外気に通じるコック(リークコック)を閉じて真空ポンプによって排気する。管内の圧力が下がるにつれて教科書P.117のように変化する。真空ポンプをはたらかせると,放電管内の圧力は短時間に下降していく。放電状態の変化を時間的にゆっくりと観察させるためには,真空ポンプをはたらかせながら,リークコックを手動で操作して放電管内の圧力を調整するのがよい。

 

 実験を終了するときには,真空ポンプのホースの中を真空状態にしたままで,いきなり真空ポンプを止めてはならない。真空ポンプは大気圧の室内に置かれているから,ポンプの動作を止めると圧力差によってポンプ内のオイルがホースに逆流することがある。真空ポンプをはたらかせたままでリークコックを操作して,ホース内の圧力を外気圧に近くしてから,真空ポンプを止めるようにしなければならない。

実験上の注意 (1) 誘導コイルと放電管の極を接続するリード線が,放電管のガラスやスタンドに触れないようにする。

(2) 真空ポンプの吸気口と排気口を間違えないようにする。(逆にすると,放電管内の圧力が急に高くなってガラスが壊れることがある。)

(3) 高校現場に最もよく普及している油回転ポンプ1段でも1×105気圧は容易に得られるから,管内の陽光柱が消えて管壁が淡緑色に輝くまでの 現象が見られるはずである。しかし,ときとしてそれ以前の減圧状態で止まってしまうのは,リークコック以外の箇所からリークが生じているからである。それを発見するには,アルコールを浸ませた綿を,リークの予想される部分(コックの栓,ガラス管とゴム管の接続部,ゴム管など)に接触させてみる。もしも,リークがあれば,アルコール蒸気が放電管内に入って放電の様子が変化するから,リーク箇所を発見できる。

(4) 真空ポンプに接続できる放電管の代わりに,市販のクロス真空管(すでに減圧されている数本の放電管の組み合わせ)を使用してもよい。しかし,実験中はかなり多くの]線が発生するから十分な注意をしなければならない。

 

 陰極線の発見から電子の確立まで

 低圧(105107気圧)で気体を閉じ込め,電極間に高電圧をかけると,電子やイオンが気体中を高速で飛び交うようになる。そして,正イオンが陰極に衝突するなどにより,陰極から大量の電子が飛び出してくるようになる。これが電極間の電圧で加速されると,気体を電離して電子や正イオンの数がなだれ状に増大し,高速電子の束が陽極に向かって流れるようになる。これが陰極線である。

 真空放電はファラデーなどが調べていたが,本格的な研究は,1855年にガイスラー(H.Geiβler1814-1879)が性能のよい水銀真空ポンプを発明したことから始まる。それを用いたプリュッカー(J.Plucker1801-1868)は,1858年,低圧で陰極に近いガラス管壁が緑色の蛍光を発し,その場所が磁石によって動くことを発見した。

 プリュッカーの弟子であったヒットルフ(J.W.Hittorf1824-1914)は,陰極と蛍光を発するガラス管壁との間に物体を置き,その影ができることを観察し,陰極から直進する一種の放射線が出ていると考えた(1869)。この実験をゴルトシュタイン(E.Goldstein1850-1930)がより詳しく行い,この放射線を「陰極線」と命名した。彼は,陰極線の性質は陰極物質の性質によらないこと,陰極線は化学反応を起こすことができること,などを発見した。

1879年に真空ポンプを改良したクルックス(W.Crookes1832-1919)は,陰極線を金属はくに当てるとその部分が白熱状態まで熱せられることを発見し,「羽根車のあるクルックス管の実験」を行い,残留気体の負イオンの流れが陰極線の正体であると考えた。この「気体イオン説」では,1895年に陰極線を受けた金属箱が負に帯電することをペリン(Perrin)が示し,1897年までにシュスター(Schuster)などが磁界による陰極線の屈曲実験から陰極線粒子の比電荷をほぼ正しく測定していた。

一方,ヘルツ(H.R.Hertz1857-1894)は,陰極線が運ぶ負電荷の検出実験や静電界による陰極線の屈曲を調べる実験を行ったが,いずれも否定的な結果に終わり,エーテルの振動(すなわち電磁波)が陰極線の正体であるとした。そして,1891年には,陰極線が金属はくを透過できることも発見した。ヘルツの弟子のレナード(P.E.A.Lenard1862-1947)は,陰極線を薄いアルミはくの窓を通して放電管の外に取り出すことにも成功した(1894)。これらの結果は「気体イオン説」では説明できなかった。

1897年,トムソン(J.J.Thomson1856-1940)は,陰極線の磁界による屈曲が残留気体の種類によらないことを見いだし,陰極線の正体は原子よりも小さな粒子であると考えた。そして,陰極線の当たった固体の温度上昇を調べる実験と磁界による屈曲実験を組み合わせることにより,陰極線粒子の比電荷(正確には比電荷の逆数)を測定した。そして,静電界による陰極線の屈曲実験がヘルツによって失敗したのは,偏向板間の残留気体のイオンが原因であると解釈し,静電界による陰極線の屈曲実験を,より真空度の高い放電管で行った。これに成功したトムソンは,磁界による屈曲実験と組み合わせて,陰極線粒子の比電荷(の逆数)を測定し,残留気体の種類を変え,陰極の金属をアルミニウムと白金の2通りで行い,得られる値が一定で変化しないことを確かめた(1897)

 ところで,同じころ,別の角度から原子内に荷電粒子が存在することが示されつつあった。1896年,ゼーマン(P.Zeeman1865-1943)は磁界中のナトリウムのスペクトルのD線が広がる現象(ゼーマン効果)を発見した。彼は,物質分子中には単振動する荷電粒子が存在するという「ローレンツ(H.A.Lorentz1853-1928)の電子論」をもとにして,その荷電粒子の比電荷を求めた。そして,スペクトル線の広がりが,ローレンツの理論通りにスペクトル線の分離であることを確認し,ナトリウム以外の物質でも実験を行った。1897年,ラーモア(J.Larmor1857-1942)は,ゼーマン効果が「原子が正負の荷電粒子でできている」ことの証拠と考え,測定された比電荷の値がトムソンの実験結果とほぼ同じであることも指摘した。

 電子の確立には,電気素量の測定が大きな役割を果たした。トムソンの弟子のタウンゼント(J.S.E.Townsend1868-1957)は,1897年に,電気分解によって生じた気体イオンを用いて帯電した霧粒子をつくり,気体イオンの電荷を求めた。トムソンは,同様な実験を1898年に行い,続いて光電効果によって放出される電子そのものの電荷を測定し,それが水素イオンの電荷と同じオーダーであることを確認した。これより,電子の質量は原子と比べてかなり小さいことになり,電子がすべての原子の構成要素である微小な粒子であることが明らかになった。

 

陰極線の直進

 クルックス管では,陽極が管の横についているようなものでも,陰極線は陰極面に垂直に直進する。これは,電界が電極に近接した場所で強く,陰極面から出た電子は主として陰極付近で加速されるためである。

 陰極線の直進性を示す実験としては,教科書p.128の写真にある十字板入りクルックス管がある。しかし,かなりの量の]線が出る放電管もあるので,できれば写真やビデオ等で済ませたい。実験する場合は,放電時間を短くする,生徒を遠ざけて観察させる,教師側にしゃへいの金属板をおく,などの配慮をするように注意する。

参考文献;

田原隆志,新見克彦,草間朋子,吉澤康雄「学校教育における放電管の使用状況と放射線管理のあり方」(物理教育Vol.35No.3)

 

 

大森儀郎「クルックス管から漏洩する]線の実態とその対策」

 

(物理教育Vol.43No.1)

 

◆「羽根車のあるクルックス管の実験」について

 クルックスは,放電管中のガラスの線路上を回転できるようにした羽根車に陰極線を当てる実験を行い,それが回転するのは陰極線が圧力を及ぼすためと考えた。このようなクルックス管は,今でも右図のように市販されている。しかし,羽根車が回転するのは,陰極線の当たった面が温度上昇によって分子運動が盛んになり,残留気体の分子との衝突によって受ける反作用が羽根の裏側の面よりも大きくなるために起こる「ラジオメーター効果」であるので,実験を行う場合はクルックスのような説明をしないように注意する。

 

参考文献;

矢野淳滋「クルックス管の中で羽根車の回るわけ」(物理教育Vol.24No.2)

      

児島昌雄「電子概念を導入する陰極線の実験における問題点一羽根車入りクルックス管を中心として−」(科学教育研究Vol.5No.3)

 

蛍光灯

蛍光物質を内側に塗ったガラス管の内部にアルゴンなど希ガスと水銀を封入し,ガラス管の両端にフィラメントをとり付けたものが蛍光灯である。

蛍光灯の回路に電流が流れると両極間に高い電圧がかかり,フィラメントから熱電子が放出され,放電が生じる。この熱電子が水銀原子に衝突すると,水銀原子の電子が最もエネルギーの低い基底状態から,エネルギーの高い励起状態にいったん持ち上げられる。しかしその後ただちに励起状態から基底状態に戻り,その際、エネルギー差に応じた波長の紫外線を放出する。放出された紫外線はガラス管の壁に塗られた蛍光膜に当たって、蛍光を発することになる。この場合どうして高電圧が生じるかというと,グローランプと呼ばれる小さな電球が放電を起こす仕組みになっている。すなわちグローランプの内部にはバイメタルとよばれる2種類の金属を張り合わせたものでできた可動電極とそれからわずかに隙間をおいて置かれた固定電極がある。回路に電流を流すと両極間に放電が生じる。そうすると次第にバイメタルが加熱され2種類の金属の膨張率の違いで変形し,ついには固定電極に接触する。そうして回路が閉じるとフィラメントに電流が流れ,熱電子が飛び出す。

またグロー放電が止まるので可動電極は冷え,固定電極から離れる。この瞬間に安定器内のコイルに自己誘導のために高い電圧がコイルの両端に発生し,ガラス管の両極間に放電が始まる。安定した放電が持続するためには安定器内のコイルが放電の電流の増加を抑えるはたらきをしている。

参考文献:兵藤申一著 「身のまわりの物理」裳華房

原子の構造

 陰極線の実験で物質を構成する原子の内部には負の電気をもった電子が存在することが明らかになった。そこで全体として電気的に中性の原子の内部にどのようにこの負の電気を帯びた電子とそれをちょうど打ち消すだけの正の電気が分布しているかが大きな問題となった。J.J.トムソンは正の電気は原子全体に球状に一様に広がり,その中に負の電気をもった電子がいわばスイカのたねのように散らばっているという原子の模型を考えた。一方,長岡半太郎は正の電荷の球のまわりに土星の輪のように電子が回っているという土星模型を提唱した。その後,ラザフォードはラジウムから出る放射線のα粒子を薄い金ぱくに衝突させる実験で,α粒子が大角度に散乱される頻度が予想外に大きいことから,原子の中心には正の電荷をもった重い芯である原子核が存在することを明らかにした。こうして,原子の中心には原子のほとんどの質量をになう正の電荷を帯びた原子核があり,その周りにちょうどその正の電荷を打ち消すだけの数の電子が回っているという原子の構造が明らかにされた。原子核と電子は電気的な引力を及ぼし合っているが,しっかりと束縛されている電子と原子の一番外側を回っていて比較的に自由に動き回れる電子がある。このような電子が金属内を自由に動き回ることにより電気を運ぶ役割をする自由電子であって,これが電気の正体となっている。


 

 

 








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