Zgodovina Raziskovanja Vakuuma in Vakuumskih Tehnik

ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK

Stanislav Ju`ni~

ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK

DRU[TVO ZA VAKUUMSKO TEHNIKO SLOVENIJE Ljubljana, 2004 Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik Avtor: dr. Stanislav Ju`ni~

Urednika: dr. Peter Panjan, dr. Miha ^ekada

Recenzorja: dr. Jo`e Gasperi~, dr. Janez [etina

Lektorja: dr. Jo`e Gasperi~, dr. Miha ^ekada

Oblikovanje in prelom: Miro Pe~ar

Slika na naslovnici: Knez Janez Vajkard Turja{ki pozorno opazuje Magdebur{ki vakuumski polkrogli tik pred slovitim poskusom v Regensburgu. Avtorica: Ur{ka Ju`ni~

Naklada: 600 izvodov

Tisk: Tiskarna Ple{ko, d. o. o.

Zalo`nik: Dru{tvo za vakuumsko tehniko Slovenije

Za zalo`bo: dr. Janez [etina

CIP - Katalo`ni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knji`nica, Ljubljana

533.5(091) 621.52(091)

JU@NI^, Stanislav Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik / Stanislav Ju`ni~. - Ljubljana : Dru{tvo za vakuumsko tehniko Slovenije, 2004

ISBN 961-90025-6-3

215612416 Predgovor

Pred nami je nova knjiga dr. Stanislava Ju`ni~a, ki je po osnovni izobrazbi fizik, potem pa se je usmeril v zgodovino fizike in iz zgodovine doktoriral. Ker je njegova zadnja knjiga o ìvljenju in delu kranjskega znanstvenika, matematika, astronoma, kartografa jezuita barona Ferdinanda Avgu{tina Hallersteina (1703–1774) iz{la {ele pred enim letom, bi si utegnil kdo misliti, da je pisanje zgodovine znanosti lahko delo ali pa da ga dr. Ju`ni~ povr{no opravlja. To seveda ni tako, saj avtor è na za~etku uvoda k tej novi knjigi "Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik" poudari, da je knjiga nastajala deset let in da so njeni posamezni deli è bili objavljeni v strokovnem ~asopisju. Naslov te knjige rahlo zavaja, saj bralec pri~akuje v njej le opis razvoja vakuumskih tehnik in aparatur, kot so ~rpalke in merilniki. V knjigi je mnogo ve~. @e v prvem, najobse`nej{em in v bistvu centralnem poglavju avtor poda razvoj razumevanja vakuuma od antike do moderne dobe, ki se za~ne sredi 17. stoletja s prvimi na~rtovanimi in ponovljivimi poskusi. Ob tem vzporedno opisuje slovensko vlogo pri tem razvoju, pri ~emer vedno "slovensko" razume kot geografski pojem, ne pa morda jezikoven ali etni~en. Kot "slovensko" obravnava vse, kar se je dogajalo pri nas in kar so ljudje od tukaj naredili drugod. Ob tem na primer poudari, da je è pri prvih poizkusih Guerickeja, "izumitelja" magdebur{kih polkrogel, aktivno sodeloval tudi na{ turja{ki knez, pokaè, da so bile v Ljubljani è ob koncu 17. stoletja dosegljive knjige o vakuumu in da so v jezuitskem kolegiju, v ljubljanskem liceju in kasneje v gimnazijah u~ili o najnovej{ih dognanjih o vakuumu in delali ustrezne poskuse. Druga~na so naslednja poglavja, ki obravnavajo posamezna fizikalna in tehni~na podro~ja, kjer se vakuum uporablja, toda zaradi {iroke potrebnosti vakuuma so to skorajda vsa moderna podro~ja znanosti. Poleg prikaza svetovnega razvoja na posameznem podro~ju poda tudi stanje pri nas in na{ prispevek in na{e raziskovalce. Nedvoumno dokaè, da nismo nikoli veliko zaostajali, da smo sprejemali svetovni razvoj brez velike zamude in ga soustvarjali. Ob odkritju rentgenskih àrkov je bila na{a javnost na primer o tem obve{~ena v strokovnih razpravah v na{em ~asopisju è poltretji mesec po prvi objavi. Lahko bi bili veseli, ~e bi danes na{a javnost tako aùrno sledila napredku

5 znanosti. Avtor prikaè tudi sorazmerno hitro uvajanje tehnolo{kih dose`kov in tehnik pri nas, od televizije do polprevodni{kih in tankoplastnih tehnologij. Predvsem v obdobju po drugi svetovni vojni smo bili pri nas sposobni lotiti se ve~jih projektov in razviti na primer elektronski mikroskop, Van de Graaffov pospe{evalnik ali, zunaj podro~ja vakuuma in te knjige, magnetnoresonan~ni spektrometer. Na àlost teh sposobnosti danes nimamo ve~ v tolik{ni meri. Aparature raje kupujemo, vsakdo pa se ukvarja s svojim vrti~kom. Dr. Ju`ni~ je eden redkih, ~e ne edini pri nas, ki se je resno in profesionalno lotil zgodovine na{e (in tudi svetovne) fizike. Pri tem ga ne zanimajo le velika imena, ampak celotna pot, ki vodi do napredka znanosti in vklju~uje mnoìco majhnih korakov, h katerim so prispevali tudi manj znani znanstveniki in tudi manj{i narodi, med njimi tudi Slovenci. S svojimi raziskavami je dr. Ju`ni~ jasno pokazal, da smo bili na Slovenskem è od samega za~etka razvoja moderne znanosti z dogajanji dobro seznanjeni, da smo najnovej{e dose`ke hitro vklju~evali v pouk na na{ih {olah in da smo vedno imeli ljudi, ki so te dose`ke tudi razumeli in k njim prispevali. Seveda so dela dr. Ju`ni~a znanstvena dela, z mnogimi viri, citati in slikami originalnih aparatur, ter so zato namenjena strokovnjakom, ki imajo osnovno znanje fizike in tehnike ter jih zanima zgodovina. Morda bi bilo treba ob tem misliti tudi na poljudnej{e zapise, ki bi splo{nemu bralcu predstavili na{o zgodovino znanosti in ga prepri~ali, da nismo nikoli v svoji zgodovini bistveno zaostajali za sosedi in da je na{ prispevek k razvoju znanosti glede na na{o velikost sorazmerno velik.

akad. prof. dr. Bo{tjan @ek{ predsednik Slovenske akademije znanosti in umetnosti

6 Beseda urednika

Ko smo v mesecih pred izidom te knjige omenjali prijateljem, da pripravljamo knjigo o zgodovini vakuuma, so bili za~udeni: vakuum, to je vendar prazno, ni~ – kako lahko nekdo napi{e knjigo o praznem, celo o zgodovini praznega? Pa je zgodovina praznega vse prej kot prazna. Za~enja se v antiki, takrat {e kot vpra{anje koncepta, prvi nedvoumni poskusi v 17. stoletju pa so stvar postavili na realna tla. Tako kot pri mnogih drugih podro~jih znanosti je raziskovanje in uporaba vakuuma doìvela prvi razcvet v 19. stoletju, drugi razcvet po 2. svetovni vojni pa je vakuum prinesel v na{a stanovanja: termovka, àrnica, televizor. Danes skoraj ni ve~ tehnologije, v kateri ne bi vsaj del procesa potekal v vakuumu. Dr. Stanislav Ju`ni~ se z zgodovino vakuuma intenzivno ukvarja è 12 let. Veliko je objavil v poljudnoznanstvenih revijah, zahtevnej{im bralcem pa so namenjeni njegovi ~lanki v reviji Vakuumist, kjer jih je objavil è skoraj 50, in v drugih strokovnih in znanstvenih publikacijah. Ta knjiga predstavlja zaokroèn pregled njegovega dela v enotni obliki in na nivoju, ki ga razume vsak z osnovno tehni{ko izobrazbo. Sprehodimo se na kratko po poglavjih. 1. poglavje je najobse`nej{e in se è po zasnovi razlikuje od preostalih. Gre za zgo{~en pregled zgodovine vakuuma in vakuumskih tehnik od antike do danes, s posebnim poudarkom na prelomnih odkritjih, ki so ve~krat zamajala temelje takratne znanosti. V 2. poglavju se sre~amo s "katodnimi àrki", to je curek elektronov, ki so jih odkrili konec 19. stoletja. S tem povezano razpr{evanje katode je kasneje preraslo v danes izjemno pomembno tehnologijo tankih plasti, s katero se podrobneje seznanimo v 3. poglavju,ki je namenjeno uporabi vakuuma v metalurgiji. Naslednji dve poglavji opisujeta "napravi", ki nikoli nista imeli posebne prakti~ne vrednosti, sta pa pomembno prispevali k razvoju znanosti. V 4. poglavju so to (tehni~no zaenkrat neizvedljivi) vakuumski baloni, v 5. poglavju pa t. i. radiometer, bolje znan po imenu "svetlobni mlin~ek". Sledita poglavji o dveh vsakdanjih predmetih, tako samo po sebi umevnih, da nas nekoliko presene~a, koliko raziskav je bilo potrebnih za njihovo uveljavitev. To sta termovka v 6. poglavju in àrnica v 7. poglavju.

7 Naslednja {tiri poglavja so namenjena nekoliko bolj znanstvenim temam. V 8. poglavju je opisano odkritje rentgenskih `arkov, kjer spet ne gre brez vakuuma, v 9. poglavju pa vrsta raziskav, ki so privedla do odkritja elektrona. 10. poglavje je namenjeno odkritju in razvoju elektronskega mikroskopa, 11. poglavje pa pospe{evalnikom delcev. V 12. poglavju se spet vrnemo k bolj vsakdanjim predmetom, govor je o televiziji; v {ir{em pomenu besede obsega tako snemanje (kamera) kot predvajanje (televizor). Osnovna komponenta obeh naprav je vakuumski element – katodna elektronka. Ob{irno 13. poglavje najprej predstavi ionsko implantacijo, na kateri sloni polprevodni{ka tehnologija, po obsegu najpomembnej{a vakuumska tehnologija. Opisan je razvoj tranzistorja, ki je danes v obliki intergriranega vezja osnova vsake elektronske naprave. Knjiga se sklene s 14. poglavjem, namenjeno je plazmi. Ker plazma nastopa tudi v prej opisanih tehnologijah, je to poglavje namenjeno raziskovanju same plazme, danes predvsem v povezavi s fuzijo, pri~akovanim novim virom energije. Na koncu knjige je {e obse`en seznam literature, abecedni seznam v knjigi omenjenih raziskovalcev vakuuma in preko 900 sklicev na literaturo. S tem {e zdale~ niso opisana vsa podro~ja vakuumske tehnike, saj bi glede na njeno raz{irjenost to presegalo obseg knjige. Prepri~ana pa sva, da je avtor naredil dober izbor, tako da bo bralec dobil pravi vpogled na zgodovino raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik.

dr. Miha ^ekada, dr. Peter Panjan Institut "Jo`ef Stefan", Ljubljana

8 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Kazalo

Predgovor ...... 5 Beseda urednika ...... 7 Kazalo ...... 9 Uvod ...... 12 1 Razvoj vakuumske tehnike ...... 13 1.1 Vakuum v antiki ...... 13 1.2 Poskusi z vakuumom sredi 17. stoletja, prva uporaba v barometru...... 14 1.3 ^rpalke v drugi polovici 17. stoletja ...... 21 1.4 Vakuum na Kranjskem konec 17. in v 18. stoletju ...... 46 1.5 Parni stroji ...... 54 1.6 Skokovit napredek vakuumske tehnike v drugi polovici 19. stoletja ...... 56 1.7 Na{i vakuumisti po izumu katodne elektronke ...... 63 1.8 Prodor vakuumske tehnike v industrijo konec 19. in v za~etku 20. stoletja..... 72 1.9 Vakuumisti v "visoki znanosti" druge polovice 20. stoletja ...... 82 1.10 Sklep ...... 83 2 "Katodni `arki" in (katodno) razpr{evanje kovin ...... 85 2.1 Za~etki raziskovanja "katodnih `arkov" konec 19. stoletja ...... 85 2.2 Poskusi z razpr{evanjem kovin in s tankimi plastmi v 19. stoletju ...... 87 2.3 Teorije razpr{evanja kovin ...... 100 2.4 Sklep...... 102 3 Vakuumska metalurgija ...... 103 3.1 Uvod...... 103 3.2 Taljenje kovin v vakuumu ...... 103 3.3 Odplinjevanje kovin v vakuumu ...... 109 3.4 Metalurgija izlo~evanja (redukcije)...... 114 3.5 Tehnologije tankih plasti ...... 115 3.6 Prvih 80 let spektroskopije Augerjevih elektronov za merjenje sestave tankih plasti 122 4 Vakuumski baloni...... 131 4.1 Lanov izum ...... 131 4.2 Vega in prvi poleti z baloni ...... 134 4.3 Prihodnost vakuumskih balonov ...... 136

KAZALO 9 5 Radiometer in prizadevanja za popolni vakuum ...... 139 5.1 Uvod: popolni vakuum ...... 139 5.2 Crookesov radiometer in popolni vakuum ...... 140 5.3 Od radiometra h katodni elektronki: "elektri~ni" radiometer ...... 147 5.4 Radiometer, svetlobni tlak in Stefanov zakon ...... 149 5.5 Radiometer na Slovenskem ...... 150 5.6 Sklep...... 150 6 Termovka: Odkritje in razvoj vakuumske izolacije ...... 151 6.1 Raziskovanje prehajanja toplote skozi vakuum v Angliji 19. stoletja ...... 151 6.2 Prehajanje toplote skozi plin v Evropi 19. stoletja: Stefanov diatermometer .... 152 6.3 Dewarjeva iznajdba termovke ...... 153 6.4 Dewar v tekmi za uteko~injenje plinov ...... 154 6.5 Prehajanje toplote skozi vakuumsko izolacijo pri temperaturah teko~ega zraka . . 156 6.6 Spori za prioriteto pri odkritju termovke ...... 156 6.7 Termovka v Nem~iji in ZDA do srede 20. stoletja ...... 157 6.8 Sodobni nadaljevalci Dewarjevega dela ...... 158 7 @arnica ...... 159 7.1 Prve àrnice ...... 159 7.2 Oglena àrnica...... 164 7.3 Volframova àrnica ...... 167 7.4 @arnica v Angliji, Franciji in Italiji ...... 170 7.5 @arnica v Nem~iji in na Nizozemskem ...... 171 7.6 @arnica v Avstriji...... 172 7.7 Elektri~na àrnica na Slovenskem ...... 175 7.8 Prihodost àrnice ...... 180 8 Rentgenska elektronka ...... 181 8.1 Röntgenove raziskave pred odkritjem àrkov ...... 181 8.2 Odkritje ...... 182 8.3 Spori glede narave rentgenskih àrkov ...... 183 8.4 Eksperimentalna dolo~itev narave rentgenskih àrkov ...... 184 8.5 Odmevi Röntgenovega odkritja v Avstriji in slovenskih deèlah ...... 184 9 J. J. Thomsonovo raziskovanje "negativnih" in "pozitivnih àrkov" ...... 191 9.1 "Katodni àrki" ...... 191 9.2 Thomsonovo raziskovanje "pozitivnih àrkov" (1906–1914) ...... 202 9.3 Raziskovanje sestave atoma ...... 202 9.4 Meritve razmerja e/m pri "pozitivnih àrkih" ...... 203 9.5 Nobelovi nagrajenci med sodelavci Thomsona in Rutherforda...... 205 9.6 Odmevi Thomsonovih raziskav na Slovenskem ...... 206 10 Elektronski mikroskop...... 209 10.1 Svetlobni mikroskop ...... 209 10.2 Poskusi z odklonom elektronov v elektromagnetnem polju ...... 210 10.3 Za~etki elektronskega mikroskopa ...... 210 10.4 "Vzporedna" odkritja ob razvoju elektronskega mikroskopa ...... 213 10.5 Prvi elektronski mikroskop v Ljubljani ...... 215

10 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 11 Pospe{evalniki: Od idej do prvih izvedb ...... 217 11.1 Predzgodovina ...... 217 11.2 Tekma za razbitje jedra...... 218 11.3 Angle`i dobijo tekmo...... 220 11.4 Pospe{evalniki prerastejo v "visoko znanost" ...... 221 11.5 Van de Graaffov pospe{evalnik ...... 221 11.6 Pospe{evalniki elektronov ...... 223 12 Katodna elektronka in drugi vakuumski elementi za televizijo ...... 225 12.1 Poimenovanje televizije ...... 225 12.2 Senzorji in fotocelica ...... 226 12.3 Oja~evalniki in trioda...... 227 12.4 Skenerji...... 230 12.5 Katodna elektronka ...... 231 12.6 "Mehansko" obdobje razvoja televizije ...... 235 12.7 Elektronska televizija v ZDA ...... 241 12.8 Barvna televizija ...... 244 12.9 Televizija v Sloveniji ...... 247 13 Rutherfordovo odkritje ionske implantacije in tranzistor ...... 255 13.1 Uvod ...... 255 13.2 Rutherfordovo raziskovanje ionske implantacije ...... 256 13.3 Odkritje in razvoj tranzistorja...... 269 14 Zgodovina raziskovanja plazme ...... 295 14.1 Uvod ...... 295 14.2 [ibkoionizirana plazma v plamenu ...... 295 14.3 ^etrto agregatno stanje ...... 297 14.4 Kaj sveti v Soncu?...... 298 14.5 Langmuirjevo raziskovanje nihanja plazme...... 301 14.6 Plazma dobi ime ...... 302 14.7 "Pinch"-efekt ...... 306 14.8 Kinetika plazme ...... 307 14.9 Magnetohidrodinamika ...... 308 14.10 Nadaljevalci Langmuirjevega raziskovanja nihanja v plazmi ...... 310 14.11 Zlivanje jeder ...... 312 14.12 Prihodnost raziskovanja plazme in plazemskih tehnologij...... 321 14.13 Sklep ...... 322 14.14 Sirkova plazma in za~etki fizike na ljubljanski Univerzi...... 322 Sklep ...... 325 Abstract ...... 327 Literatura in viri ...... 329 Seznam pomembnej{ih podjetij, ustanov in revij ...... 345 Seznam pomembnej{ih oseb ...... 347 Sklici ...... 355

KAZALO 11 Uvod

Pred vami je knjiga, ki je nastajala v desetletju med letoma 1993 in 2004. Njeni deli so bili objavljeni v Vakuumistu, glasilu Dru{tva za vakuumsko tehniko Slovenije, ~asopisu za vakuumsko znanost, tehniko in tehnologije, vakuumsko metalurgijo, tanke plasti, povr{ine in fiziko plazme. Nekatere raziskave so bile v poljudni obliki prirejene za revijo @ivljenje in Tehnika. Petdesetletnica smrti na{ega izumitelja televizije Codellija in tristo petdesetletnica znamenitega Guerickejevega vakuumskega poskusa v sodelovanju z na{im knezom Turja{kim se zdita leta 2004 prava prilo`nost, da slovenskemu bralcu predstavimo svoje delo. Sku{al sem pokriti kar se da {iroko obmo~je raziskav, ~e jim je bilo moje pero seveda kos. Pri vsaki smeri sodobnih vakuumskih raziskav sem iskal korenine v preteklosti, zato se je morda nabralo nekaj ponavljanja in prepletanja. Vedno znova sem sku{al poudariti pomembnej{e prispevke slovenskih raziskovalcev. Vrstni red posameznih podro~ij v knjigi ne sledi kronologiji izhajanja razprav v Vakuumistu. Odlo~il sem se raje za zgodovinsko metodo. Tako se knjiga za~enja z dalj{im poglavjem o razvoju vakuumskih tehnologij, predvsem ~rpalk in merilnikov, ob katerem so {e posebej poudarjeni slovenski raziskovalci. Nato si posamezna podro~ja raziskav sledijo po ~asovnem zaporedju temeljnega odkritja v njih: "katodni àrki", vakuumska metalurgija in tanke plasti, vakuumski balon, radiometer, termovka, àrnica, rentgenska elektronka, odkritje elektrona, elektronski mikroskop, pospe{evalnik, katodna elektronka v televiziji, tranzistor in plazma. Razen radiometra, balonov, termovke in zadnjih dveh poglavij so vsa druga tesno povezana z uporabo katodne elektronke. O luminiscen~nih snoveh pi{emo le toliko, kolikor jih uporabljamo za televizijske zaslone. Dve izmed razprav v Vakuumistu sta bili objavljeni v sodelovanju z Vinkom Nema- ni~em oziroma Andrejem Pregljem. Vse razprave sta lektorirala Joè Gasperi~ in Miha êkada, uredila pa Peter Panjan in Miha êkada. O Codellijevi televiziji sta mi veliko povedala Franc Jurkovi~ in Branko Ozvald. Ve~ino mojih idej je dobrohotno kritiziral in dopolnjeval na{ najstarej{i vakuumist Alojz Paulin. Pri iskanju pravih besed sta mi vedno prisko~ili na pomo~ èna Nevenka in h~i Ur{ka. Za ureditev in natis knjige je poskrbelo Dru{tvo za vakuumsko tehniko Slovenije. Denar za raziskave in natis sta dala Ministrstvo za {olstvo, znanost in {port Republike Slovenije in Mellonov sklad Univerze v Oklahomi. V veliko spodbudo mi je bila smejo~a se notranjska znanstvenica. Vsem sem globoko hvaleèn; brez njihove pomo~i bi bil svet prazen kot vakuum.

12 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Razvoj vakuumske tehnike

Vpra{anje vakuuma je bilo pomembno v anti~ni in srednjeve{ki filozofiji. Tehnologija vakuuma je v treh stoletjih pre{la pot od laboratorijske zanimivosti do mo~nega raziskovalnega in tehnolo{kega orodja nanotehnologij. V sodobnih teorijah zavzema vakuum ponovno sredi{~no vlogo. Zato je novo tiso~letje gotovo prilo`nost, da si ogledamo prehojeno pot.

1.1 Vakuum v antiki

Sodobno poimenovanje praznega izhaja iz latin{~ine in ne iz gr{kega "kenon", ~eprav so korenine sodobnih nazivov v znanosti ve~inoma gr{ke. Vzrok za izjemo je morda v napa~nem zvoku besede ali pa v prevladujo~em zavra~anju obstoja vakuuma v anti~ni Gr~iji.1 Predvsem pa je v ozadju ~isto preprosta nevednost, saj {tevilni zgodnji raziskovalci vakuuma v 17. stoletju pa~ niso znali gr{ko.

1.1.1 Aristotel Aristotelov u~itelj Platon je zagovarjal obstoj nevidno majhnih atomov, ne da bi opisoval praznine med njimi, kot sta rada po~ela Demokrit in Epikur. Platonisti so imeli vakuum za element neurejenosti, ki ga veliki Demiurg ni uporabil pri svoji organizaciji narave.2 Bil naj bi torej mo`en, toda neobstoje~ element. Podoben prijem so jezuiti pozneje uporabljali ob sporih glede vakuuma v barometru. Aristotel je zavra~al obstoj praznega,3 podobno kot njegov u~itelj Platon in pred njima Parmenid. Lastnosti gibajo~ega se telesa in lastnosti medija so vplivale na hitrost gibanja v Aristotelovem sistemu. V enakem okolju si telesa z ve~jo "silo gibanja" hitreje delajo prostor na poti skozi snov, kar jim omogo~a ve~jo hitrost. V praznem brez snovi ni upornosti sredstva. Zato naj bi se v praznem vsa telesa gibala enako hitro ne glede na

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 13 "silo gibanja"; to pa se Aristotelu ni zdelo mogo~e. Zato je odklanjal prazno, ki se gibanju ne upira, saj je v njem videl mo`nost za neskon~no veliko hitrost. Zamislil si je {tiri osnovne elemente z naravno smerjo gibanja navzgor ali navzdol, pa~ glede na gostoto. V praznem ubogi filozof `al ni na{el oporne to~ke, glede na katero bi lahko opredelil razliko v smeri gibanja.4 Tako se mu je vakuum zameril {e po tej plati. Kritiziral je zagovornike praznega: Levkipa, Demokrita, Melisa, pitagorejce in Ksuta iz Krotona.5 Pozneje se je fizikalni in filozofski atomizem 19. in 20. stoletja skliceval predvsem na Demokrita in Levkipa. Peripatetiki z jezuitskih {ol so vakuum proglasili za nasprotje samemu po sebi. Tako jim je zvenel {e posebno v srednjeve{ki latin{~ini; krstili so ga namre~ za "locatum sine loco", kar je gotovo zvenelo globoko nelogi~no. Galileijeva italijansko pisana fizika se je tak{nemu jezikovnemu nasprotju lepo izognila, ostro pa ga je razkrinkal Valerio Magni leta 1647 s samim naslovom svojega dela "Locus sine locato". S tem je sledil Galileiju, ki je prav tako rad sprevra~al misli velikega u~itelja Aristotela.

1.1.2 Anti~ni raziskovalci po Aristotelu Fizik Strato je `ivel med letoma 340 in 270 pr. n. {. v Aleksandriji in je v Atenah prevzel Aristotelova licejska predavanja. Opisal je postopek za pridobivanje vakuuma; nasprotju z Aristotelom se je ognil z domnevo o dveh vrstah vakuuma. Tehni~no bolj podkovan je bil Heron, Kristusov sodobnik v Aleksandriji, sredi{~u tedanje u~enosti. Sestavil je "parno turbino" za brizganje posve~ene vodne pare v templjih. Po Aristotelu je domneval, da v naravi ni praznega. Kljub temu je v dveh delih "Pnevmatike" prakti~no in teoreti~no dokazoval, da je vakuum mogo~e ustvariti v zaprtih posodah; za ~love{ke izdelke naj bi pa~ veljali druga~ni zakoni kot za produkte narave. Okoli leta 1300 je za~el stra{iti pojem "horror vacui". Obenem pa je Aristotelova aktivna vloga medija pri gibanju vzbujala resne pomisleke v Parizu in Oxfordu {tirinajstega stoletja.6

1.2 Poskusi z vakuumom sredi 17. stoletja, prva uporaba v barometru 1.2.1 Galileijevi u~enci Gilbert je bil eden prvih novodobnih eksperimentalnih raziskovalcev in je prav zato uspe{no zdravil nepredvidljivo angle{ko devi{ko kraljico Elizabeto. @al je bil prepri~an, da se narava izogiba vakuuma; ~eprav je po drugi strani dobro vedel, da nad ozra~jem Zemlje vakuum ne ovira gibanja teles. Dve razli~ni vrsti praznega sta {e nadalje burili duhove. Galilei je omajal Aristotelovo avtoriteto z eksperimentalnim na~inom obravnavanja znanosti. Po Aristotelu je bilo gibanje usmerjeno k ravnovesju, ki so ga opredeljevale lastnosti telesa. Hitrost gibanja se manj{a z nara{~ajo~o gostoto okolice. Galilei je po Stratu prevzel pojem pospe{ka. Pojem vakuuma je lo~il od metafizike in mu pripisal fizikalne lastnosti, kot sta ni~elni gostota in viskoznost. V prvem dnevu pogovorov o dveh novih znanostih je Galileijev Sagredo dokazoval kon~ne hitrosti teles v vakuumu; Aristotel se je torej grdo zmotil. Galilei je priob~il dve novosti:

14 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1) Vsa telesa padajo blizu Zemlje z enakim pospe{kom; padanje ovira snov v okolici. 2) Vakuum je snov z gostoto ni~ in viskoznostjo ni~. Vakuum je opisal kot skrajni primer okolja z najmanj{o gostoto. S tem se je izognil Aristotelovemu strahu pred praznim, ki ga je poloìl na jezik svojemu preprostemu junaku Simpliciju z domnevo, da "prazen prostor sam nasprotuje svojemu nastanku, kar ni v skladu z domnevno gospodarnostjo naravnih pojavov".7 Galilei je uporabil novo pojmovanje "mikroskopskih praznin v snovi", da bi se izognil neposrednemu sporu z Aristotelovo odklonitvijo vakuuma. Tem je pripisal fizikalne lastnosti in tako vpeljal praznoto v fiziko skozi stranska vrata. Filozofski opis praznega je bil nujen, da so se Galileijevi sodobniki lahko lotili raziskovanja vakuuma. @e dolgo so poznali primitivne na~ine ~rpanja. Njihovo izbolj{evanje in sistemati~no raziskovanje se je razmahnilo {ele potem, ko je Galileijev razmislek utemeljil tak{no po~etje. Teorija vakuuma je sprva vodila poskuse, kmalu pa so eksperimenti z mogo~nimi koraki prehiteli svoje razlagalce. Vakuumske igra~ke so postajale gibalo napredka. Galileijevi u~enci niso uporabljali zra~ne ~rpalke, ~eprav so z njo è stari Grki ~rpali pi{~ali v glasbenih instrumentih. Vodne ~rpalke so bile znane v anti~ni Aleksandriji in v rudnikih starega Rima. Opisal jih je sloviti rimski inènir Vitruvij, za njim pa Agricola v znameniti knjigi o kovinah, ki jo je bilo leta 1678 mogo~e kupiti v Ljubljani. S ~rpalkami je bilo v 16. stoletju mogo~e dobiti vakuum 0,33 bar; konstruktorji tega seveda niso vedeli, saj tlaka niso znali izmeriti. Galileija je zanimala sila, potrebna za nastanek vakuuma. Problem je povezoval s ~rpanjem vode navpi~no navzgor z Arhimedovim vijakom in z vodnimi ~rpalkami. Rudarji so mu povedali, da vi{ina ne more prese~i 34 ali 35 ~evljev oz. 18 laktov, po na{e 10 m. Tako je leta 1630 pojasnil G. B. Balianiju neuspe{no gradnjo sifona pri Genovi. V 17. stoletju so tehnolo{ke probleme radi re{evali s posebej zanje pripravljenimi poskusi. Berti je postavil prirejeno "~rpalko" ob svoji hi{i v Rimu leta 1640 in je br`kone neposredno vplival na Galileijeve u~ence.8 Naprava je bila v osnovi barometer na vodo, vendar je morala {e po~akati na pravilno razlago.9 Nad 10 m dolgo svin~eno cev je napolnil z vodo in poveznil z odprtim koncem v zbiralnik. Ni mu uspelo prepri~ljivo pokazati, da izpraznjen prostor ne prevaja zvonjenja iz svoje notranjosti, kar bi sodobnike prepri~alo v obstoj vakuuma. Pomagala sta mu jezuita Zucchi in Kircher,10 ob njima pa br`kone {e Torricelli; le-ta se je prav tedaj mudil v Rimu, kamor so tedaj {e vodile vse poti. Kot se rado zgodi, so vsi ob~udovali poskus, obenem pa je vsak zanj ponujal svojo razlago. Kolikor ljudi, toliko mnenj. Kircher je tisti ~as, leta 1639/40, za~el pou~evati matematiko na Rimskem kolegiju. Pouk je nadaljeval med letoma 1644 in 1646, pozneje pa je v svojih prostorih na kolegiju raje postavil muzej z vakuumsko ~rpalko in drugimi nenavadnimi napravami. Njegova zbirka je postala eno od ~udes ve~nega mesta. O Bertijevem poskusu je poro~al Kircherjev u~enec, nem{ki jezuit Schott, v knjigi, ki so jo prav kmalu prodajali v Ljubljani.11 Tako so na{i predniki v dana{njih slovenskih deèlah zelo hitro izvedeli za prve poskuse z vakuumom (slika 1.1). Galilei je umrl 8. 1. 1642, star skoraj 78 let. Sloviti Torricellijev barometri~ni poskus je br`kone {ele pomladi 1644 in le leto poprej opravil drugi Galileijev u~enec in ustanovitelj florentinske akademije del Cimento, Viviani.12

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 15 Slika 1.1: Bertijeva vakuumska naprava13

Evangelista Torricelli je bil rojen v Faenzi ju`no od Bologne, kjer je kon~al jezuitski kolegij (slika 1.2). Po {tudiju na Univerzi v Rimu je bil Galileijev tajnik in naslednik v Firencah.

Slika 1.2: Evangelista Torricelli14

Gotovo je bil poskus narejen pred 13. 6. 1644, ko ga je Torricelli v Firencah opisal v pismu poznej{emu kardinalu Ricciju. Izvajalce eksperimenta je vseskozi navajal kot "mi", kar je gotovo vklju~evalo vsaj {e Vivianija. Uporabil je stekleno posodo, visoko dve "braccii" (1,2 m). Debeline stekla in {irine cevi ni zapisal. Tak{no posodo so znali izdelati predvsem bene{ki mojstri, ki so mo~no preka{ali vse sodobnike. Tako je moral minister Colbert sredi 17. stoletja z zvija~o izmakniti Bene~anom skrivnost izdelave zrcal za potrebe francoskega dvora. Zaprti vrh Torricellijeve cevi je bil raz{irjen v bu~o, tako kot je bilo v navadi pri tedanjih italijanskih termoskopih, medtem ko so jih Nizozemci ve~inoma izdelovali v obliki ~rke J. Naziv termometer je prvi uporabil jezuit Jean Lierehon v Les Recreationes Mathema- tiques leta 1624 pod psevdonimom G. van Etten. Podobno cev z raz{iritvijo pri zaprtem vrhu je narisal pra{ki jezuit Marcus Marci v pismu Kircherju 25. 1. 1642. Sam Kircher je predloìl uporabo ìvega srebra v termoskopu, saj je poznal njegovo proizvodnjo v na{i Idriji. Tako so bili vsi elementi Torricellijevega poskusa znani, {e preden je bil narejen. Kljub temu mu nih~e v Italiji ni odrekal prioritete. Zato pa je jezuit Fabri trdil, da je è

16 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK okoli leta 1641 opravil podoben poskus na Jezuitskem kolegiju sv. Trojice v Lyonu,15 Magni pa si je prila{~al prvenstvo za svoje poskuse v Var{avi. Torricelli je poro~al: "... Napolnili smo (posodo) z ìvim srebrom. Ustje smo zama{ili s prstom in ga obrnili v posodo C z ìvim srebrom. Pokazala se je praznina, v izpraznjenem delu posode pa se ni ni~ zgodilo. Dolìna vratu (posode) AD je ostala vedno napolnjena do vi{ine ene in ~etrt braccie in enega in~a (skupno 29,75 in~ev ali 760 cm). Da bi pokazali, da je posoda popolnoma prazna, smo posodo pod njo napolnili z vodo do to~ke D. Posodo smo po~asi vzdigovali. Ko je njeno ustje doseglo vodo, smo opazili padec ìvega srebra iz vratu (posode). Velika sila je napolnila posodo z vodo prav do znamenja E. Med poskusom je bila posoda AE prazna in se je te`ko ìvo srebro zadrèvalo v vratu AD. Sila, ki drì ìvo srebro pokonci in proti njegovi naravi prepre~uje padec nazaj v posodo, je domnevno v posodi AE in naj bi izvirala ali iz vakuuma ali iz mo~no razred~enega ìvega srebra. Sam pa menim, da je sila zunanja in da prihaja od zunaj. Na povr{ino kapljevine v posodi pritiska masa 50 milj visokega zraka. Ali naj bomo potem presene~eni, da se ìvo srebro v posodi CE, kjer ni ne potiskano ne vle~eno, saj ni noter ni~esar, dvigne do tolik{ne ravni, da pride v ravnovesje z zunanjim zrakom, ki nanj pritiska. Voda se bo dvignila do skoraj 18 bracciev (10 m) v podobni, vendar mnogo dalj{i posodi. To je mnogo vi{je, kot se dvigne ìvo srebro, saj je ìvo srebro te`je od vode, mora pa priti v ravnovesje z istim tlakom, ki pritiska na obe kapljevini..." Torricelli je sledil obra~anju anti~nih vpra{anj svojega u~itelja Galileija. Namesto da bi raziskal, kako "strah pred praznoto" vle~e stolp idrijskega ìvega srebra navzgor na zaprti strani U-cevi, je pojasnil, da ga z odprte strani potiska navzgor zra~ni tlak. S spremembo vpra{anja je "strah pred praznoto" postopoma izgubil pomen, saj ga je nadomestil pojem

(zniànega) zra~nega tlaka (slika 1.3). 16 Ob vrnitvi iz Firenc in Rima je pomladi 1645 Des- cartesov nekdanji so{olec, minimist Mersenne, v Parizu poro~al o Torricellijevem uspehu. Leta 1645 je kardinal Giovanni Carlo de' Medici predstavil Torricellijev poskus Kircherju in drugim rimskim jezuitom, kot beremo v pet let poznej{em Kircherjevem poro~ilu.17 25. 10. 1647 je Torricelli nenadoma umrl. Poldrugi mesec pozneje, 13. 12. 1647, je Descartes poro~al Mersennu v Pariz, da je postavil merilo iz papirja ob barometer Torricellijevega tipa.18 Kljub tridesetletni vojni so se znanstvene novice {irile celo v po`ganih nem{kih deèlah. Kapucin Magni je è leta 1646 samostojno postavil Torricellijevemu podoben poskus na dvoru Ladislausa in Louise-Marie v Var{avi. Kralji~in tajnik Noyers je o dogodku takoj obvestil francoske fizike. Poljski dvor je bil zelo zavzet za znanost, saj je kraljica v pala~o prinesla enega prvih modelov Pascalovega ra~unalnika in pisala pisma Kircherju. Raziskovalci iz observatorija Ujazdów v bliìni Var{ave so sodelovali s pari{kimi astronomi Boullualdijem, Pierrom Prierrom in Auzoutom. Auzout je leta 1663 demonstriral uporabo Slika 1.3: Torricellijev ìvosrebr- teleskopa brez cevi,19 pozneje pa je raziskoval vakuum. ni barometer 16

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 17 Za znanost se je zanimal tudi zadnji vladar iz dinastije Vasa, Jan Kazimierz. Pred poroko s posko~no polbratovo vdovo Louise-Marie je bil kardinal in jezuit; po odstopu s poljskega prestola pa je raje ìvel v svetovljanski Franciji. Leta 1654 je Magni na dràvnem zboru v Regensburgu opisal svoj poskus Guerickeju, na{emu knezu Turja~anu in drugim radovedneèm. Guerickejev o~e je bil v mladih letih poslanec poljskega kralja, zato je razmere v Var{avi dobro poznal. Poslu{alci niso popolnoma verjeli Magniju, saj so medtem è nekaj sli{ali o Torricellijevih in Viviani- jevih poskusih. Po prepiru je Magni s te`kim srcem priznal Torricellijevo prioriteto.20 Br`kone je Magni prvi podrobno opisal prehajanje svetlobe skozi zrak in skozi vakuum.21 Kot fran~i{kan je bil sicer neprijeten sogovornik jezuitom, {e posebno s svojo ostro kritiko Aristotelovega nasprotovanja vakuumu. Magnijeva kritika Aristotelovega zavra~anja obstoja vakuuma je bila najhuj{i izziv peripatetikom tistega ~asa. Med neprestanimi spori s sholastiki se je Magni zatekel na Dunaj. Bil je na vi{ku ìvljenjske poti in je sku{al priti celo do kardinalskega klobuka. Turja~an bi seveda raje videl kardinalski klobuk na svoji glavi; zato ni podprl starega znanca Magnija. Ni se pretirano jezil, ko je pape`* leta 1661 na prigovarjanje jezuitov izdal ukaz za aretacijo Magnija in njegovo privedbo z Dunaja v Rim.22 Magnijeve ideje so ostale {e dolgo trn v peti vsem zagovornikom Aristotelovega nauka. Vnuk Turja~anovega mitni~arja, Anton Erberg, se je skupaj z drugimi kranjskimi jezuiti {e stoletje pozneje jezil na opis vakuuma davno umrlega Magnija.

1.2.2 Pascal na Francoskem Pascal je raziskoval zra~ni tlak med oktobrom 1646 in aprilom 1652. Najprej je Petit poro~al o Torricellijevem poskusu v druìni Pascalov v Rouenu. Pascal je ponovil poskus ob pomo~i o~eta Etienna, Petita in doma~ih steklopihalcev. S ~rpalko in po Torricellijevi metodi so dokazali, da ìvo srebro ni mogo~e spraviti nad vi{ino dveh ~evljev, treh in~ev in petih linij. Vodo so lahko ~rpali precej vi{e, do 31 ~evljev, olje pa celo do 34 ~evljev. Rezultati so bili v razmerju obratnih vrednosti gostot treh kapljevin. Pascal je pred steklarsko delavnico v Rouenu nemudoma javno razstavil poskuse z veznimi posodami in s Torricellijevim vakuumom nad oljem, vodo ter rde~im vinom. Posebno zadnje je mo~no di{alo mimoido~im. Raziskoval je tudi tlak par vode in vina nad kapljevino v posodah, dolgih nad 12 m. Pokazal je, da tlak pare nad vodo ali hitreje hlapljivim vinom ne vpliva na vi{ino stolpa kapljevine v cevi. Eno izmed demonstracij si je ogledalo celo 500 znanja in drugih dobrin èjnih sosedov. 23. 9. 1647 je Descartes obiskal Pascala; ta je tisti ~as ìvel v Parizu, kjer ga je med bo- leznijo negovala sestra Jacqueline. Ob prvem sre~anju je bilo zbranih veliko prijateljev in ob~udovalcev. V nadaljevanju pogovora je mnenje bolnega Pascala zastopal matematik Roberval. Ostra izmenjava mnenj se je kon~ala drugo jutro z Descartesovim obiskom pri Pascalu, ki si je br`kone tedaj zamislil meritev vi{in z barometrom. Zaradi Magnijevih zahtev po prioriteti je Pascal naslednji mesec pohitel z objavo "Novih poskusov s praznim". Isto~asno je napisal predgovor knjigi o praznem, od katere so se nam ohranili le deli. Jezuit Noël mu je urno poslal svojo kritiko; bil je ugleden rektor kolegija Clermont (pozneje Louis le Grand) in nekdanji Descartesov profesor filozofije na kolegiju Le Fleché. 29. 10. 1647 je Pascal odgovoril Noëlu, da je prostor nad stolpom ìvega srebra

* Aleksander VII., pape` v letih 1655–1667

18 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK prazen, saj si tam te`ko predstavljamo nevidno snov, ~eprav si jo lahko izmislimo. Pascalova misel zveni pou~no celo za dana{nji ~as:23 "…prazen prostor je na sredi med snovjo in ni~em." Torej vakuum vendarle ni kar navadna ni~evost. Januarja 1648 je Noël v knjigi "Polnost praznega" podprl Aristotelovo mnenje. Blaise Pascal mu ni ve~ hotel odgovarjati, temve~ je svoje stali{~e opisal naslednji mesec v pismu le Paieru. Nadaljnjo polemiko z Noëlom je jezno prekinil Pascalov o~e Etienne, saj je Blaise menil, da Noël "hitreje spreminja stali{~a, kot sam lahko odgovori nanje". V latinskem prevodu svoje knjige je Noël pozneje vendarle dal dol`no priznanje poskusom vedno bolj slavnega Pascala. Isto~asno je Angle` Hobbes pisal Mersennu, da Noëlovi poskusi ne zado{~ajo popolnoma. Vendar je bil tudi Hobbes, podobno kot Noël, "plénist". Ni verjel v obstoj vakuuma in je raje trdil, da "nevidna substanca" ostane tudi po ~rpanju. Praznota se mu je zdela nasprotje sama po sebi; to pa ni motilo "vakuiste", med njimi francoskega duhovnika Gassendija, profesorja matematike in astronomije na pari{kem Kraljevem kolegiju od leta 1645. 25. 5. 1648 je Hobbes v franco{~ini pisal Mersennu, tik preden je zapustil Saint-Ger- main. Zatrjeval je, da s Torricellijevim poskusom odstranimo le del zraka; bolj drobna snov ostane, podobno prehajanju dima skozi vodo. Na Hobbsove kritike je Pascal odgovoril kar z zani~ljivim vzklikom: "Hobbes, le kdo pa pozna to ime v Franciji?" Vpra{anje je bilo nadvse àljivo, saj je Hobbes ìvel v Parizu med letoma 1635 in 1640 in se je nato vrnil v Anglijo. Pozneje je sodeloval pri vakuumskih poskusih v Parizu in o njih poro~al v Angliji pomladi 1648.24 15. 11. 1647 je Pascal iz Pariza pisal sodnemu uslu`bencu Périerju, moù svoje starej{e sestre Gilberte. Prosil ga je, naj izmeri vi{ino okoli 4 kg ìvega srebra v barometru na vrhu 1465 m visoke gore Puy-de-Dôme v bliìni Pascalovega rojstnega kraja Clermont- Ferrand v pokrajini Auvergne, 150 km zahodno od Lyona. Rezultat naj primerja z meritvijo ob vzno`ju gore. [ele deset mesecev pozneje, 19. 9. 1648, je Périer s spremljevalci opravil ve~ meritev. Za spremljevalce in pri~e si je vzel ugledne moè iz mesta Clermont: opata Boniera, kanonika Moniera, svetnika dvornega sveta Lavailla in Begonna, za name~ek pa {e zdravnika Laporta. V samostanskem vrtu ob vzno`ju hriba so ob 8. uri zjutraj v treh poskusih z dvema enakima barometroma izmerili enako vi{ino ìvosrebrnega stolpa, vsaki~ po 66 cm.* Nato so eno od obeh cevi, polnih ìvega srebra, nesli na skoraj kilometer** vi{ji vrh. Tam so izmerili za 3 in~e in poldrugo linijo manj (8 cm). Poskus so ponovili {e petkrat na razli~nih krajih in v razli~nih razmerah: v zavetrju in na odprtem, ob lepem vremenu, v de`ju in v megli. Rezultat je bil vedno enak: 23 doimov in 2 liniji (58 cm). Nazaj grede so na ni`jem mestu "nekoliko nad samostanskimi vrtovi" namerili 25 doimov (62,5 cm). Ko so se vrnili v samostanski vrt, jim je o~e Chastain poro~al, da je gladina ìvega srebra v tam shranjeni U-cevi vseskozi stala enako visoko, ~eravno se je vreme menjalo z vetrom, nekajkratnim de`jem in meglo. Périer je nato {e nekajkrat izmeril vi{ino ìvega srebra v cevi, ki jo je imel s seboj na vrhu. Vsakokrat je nameril 26 doimov in 3,5 linije, kar je danes 66 cm. Poskusu v vrtu je prisostvoval opat de la Mare; naslednji dan je predloìl meritev na vrhu zvonika cerkve Notre-Dame-de-Clermont, ki je bil postavljen 27 toisov, torej dobrih 53 m nad vrtom. Ko so se povzpeli na zvonik, se je stolp ìvega srebra tam zniàl za 2,5 linije (5,6 mm). Rezultat jih je kar nekako razo~aral; àl so prepozno ugotovili, da te`kih in nerodnih ìvosrebrnih barometrov sploh ne bi bilo treba

* 26 in~ev (doimov) in 3,5 linije. Pravilen rezultat bi moral biti ve~ji. ** 500 toisov ali se`njev po 1,949 m, torej 974,5 m

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 19 nositi na visoki Puy-de-Dôme, saj so Blaisovo domislico zlahka dokazali è na zvoniku bli`nje cerkve. 22. 9. 1648 je Périer poro~al Blaisu o poskusu in predloìl meritve stolpa ìvega srebra na vsakih 100 toisov (195 m) vi{ine. Pascal je ponovil eksperimente na stolpu Saint- Jacques z vi{ino okoli 25 toisov (49 m). Razlika med gladinama `vega srebra je bila ve~ kot dve liniji (4,5 mm). Na vrhu stopni{~a z okoli 90 stopnicami je nameril razliko 1,1 mm*.25 Tako je celo telesno {ibki Pascal zmogel dovolj mo~i za dokaz svoje teorije. Konec istega leta je Pascal svoje in svakovo pismo objavil skupaj z rezultati meritev z barometrom v razli~nih francoskih krajih: v Parizu, v doma~i pokrajini Auvergne in v obmorskem Dieppu, severozahodno od Pariza. Skupno teò zraka v vsej atmosferi je ocenil na 4 milijone ton**.26 Ta {tevilka je bila seveda zunaj tedanjih ~love{kih predstav in je pri~ala o zmagoslavju matemati~ne fizike. Aprila 1652 je Blaise v pari{kem salonu sorodnice Richelieu demonstriral delovanje lastnega aritmeti~nega ra~unala in razlagal svojo teorijo vakuuma. Raziskave so pozneje prerasle v hidrostatiko, o kateri je leta 1653 spisal razpravi o teì zraka in o ravnovesju teko~in, ki sta bili objavljeni {ele posmrtno leta 1663. Ob teì zraka je dokazal, da vreme vpliva na zra~ni tlak27 in tako utemeljil sodobno vremenoslovje. Da bi si spo~il od napornega pisanja razprav, se je naslednje leto odpeljal na izlet v okolico Pariza. Nenadoma so konji zdivjali, Pascal pa se je "~ude`no" re{il iz ko~ije in nemudoma kon~al svoje poskuse. Matemati~no in fizikalno raziskovanje je zavrgel zaradi podivjanih konj; iste ìvali pa so isto~asno prinesle slavo Guerickeju nekaj sto kilometrov vzhodneje. Tako lahko leto 1654 v resnici upravi~eno imenujemo konjsko leto, glede na znanstvene zasluge, ki so si jih iskri vranci pridobili in jih obenem zapra- vili. 5. 12. 1661 in znova osem dni pozneje je {est let mlaj{i Huygens obiskal bolnega in prezgodaj ostarelega Pascala v Port-Royalu blizu Pariza. Huygens je poro~al, da sta se pogovarjala o sili "razred~ene vode", danes bi rekli pare v parnem stroju, in o teleskopih, uvoènih s Huygensove Nizozemske domovine. V tem ~asu Pascala ni ve~ zanimala fizika, temve~ predvsem bogoslovje; vendar ni posku{al zaplesti Huygensa v teolo{ke pogovore. K temu so si prizadevali prisotni janzenisti, ~eprav Huygensa niso posebno zanimali spori med katoli~ani; bolj ga je ùlila nara{~ajo~a nestrpnost do njegove lastne protestantske veroizpovedi, zaradi katere je pozneje moral zapustiti pari{ke lepote. Spor med zagovorniki "polnega" in prista{i vakuuma je vznemirjal {e znanstvenike naslednjih generacij. Celo mnogi prista{i praznega so menili, da po iz~rpanju zraka nekaj le ostane v posodi. V teorijah Newtona in Huygensa je bil ta "nekaj" eter. Leibniz je {e v svojih zadnjih pismih maja 1716 zavra~al obstoj vakuuma28 in se ni nikoli pokesal. Filozofske posledice praznote so se mu zdele veliko huj{e od domneve o neskon~no majhnem, ki jo je uporabil pri razvoju diferencialnega ra~una.

* pol linije ** 8,5 milijard francoskih funtov

20 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1.3 ^rpalke v drugi polovici 17. stoletja 1.3.1 Guericke in raziskovanje vakuuma v nem{kih deèlah Guericke je prve poskuse z vakuumom opravil è leta 1640, osem let pozneje pa je dal sestaviti zgodnjo ina~ico "magdebur{kih polkrogel".29 Med branjem Descartesovih Principov filozofije (1644) je sklenil, da bo sporen obstoj vakuuma dokazal s poskusi. Tako je Descartes s svojimi napakami spodbudil nasprotnike, naprej Guerickeja, pozneje pa {e Newtona.30 V svoji "prvi ~rpalki" je Guericke napolnil sod za vino ali pivo z vodo, ga dobro zatesnil in nato vodo izpustil skozi nizko pritrjeno bakreno cev. Sod se je s treskom sesul vase, {e preden je voda do konca odtekla. Pozneje je leseni sod nadomestil z bronastim. Leta 1650 je Guericke sestavil zra~no ~rpalko, s katero je {tiri leta pozneje v Regens- burgu izpeljal sloviti poskus z magdebur{kima polkroglama pred cesarjem Ferdinandom III., na{im Turja~anom in drugimi volilnimi knezi. Ni uporabil premi~nih stikov v obliki sto`cev in tulcev. Polkrogli iz brona s premerom 68 cm* je raje zatesnil s prstanom iz koè, pomo~enim v me{anico voska in terpentina, ~eprav je v~asih tesnil kar s smolo. Na~in ~rpanja je pozneje ozna~il kot "hiter"; navadno je najel dva mo~na moà, ki sta ~rpala kar dve ali tri ure. Seveda sta se potila za dober denar, ki ga nadebudnemu ùpanu Guerickeju ni manjkalo. Uporabljal je pet razli~no velikih vakuumskih posod, najve~ja je bila ve~ kot desetkrat ve~ja od najmanj{e.31 Po uspe{nem poskusu v Regensburgu so se mnogi knezi zanimali za nakup ~udovitega stroja. Guericke je napravo prodal Schönbornu,32 ki je ponudil najve~. Peti~ni kupec je bil knezo{kof v Würzburgu in Wormsu ter nad{kof in volilni knez v Mainzu; zato mu od{tetih zlatnikov seveda ni bilo {koda. ^rpalke ni kupil zase, temve~ jo je dal jezuitom z Univerze v Würzburgu. @e 22. 6. 1655 je Schott s poti skozi Mainz pisal Kircherju o Guerickejevi napravi, {e preden jo je leta 1655/56 prevzel skupaj s katedro za matematiko na Univerzi v Würzburgu. Schott je bil Kircherjev prijatelj in u~enec, zato je zelo hitro ugotovil, kak{en zaklad mu je padel v roke. Za~el si je dopisovati z Guericke- jem in objavljati njegove dose`ke. êprav je bil Schott deset let profesor v Würzburgu nedale~ od Guerickejevega Magdeburga, nimamo pri~evanj o njunih morebitnih sre~anjih. Njuna razli~na veroizpoved niti ni bila prehuda ovira, saj je Guerickejev sin vljudno obiskal Schottovega u~itelja Kircherja v Rimu.33 Prvi dve Guerickejevi ~rpalki sta bili kar obrnjeni gasilski brizgalni z bronastim valjem, lesenim batom in bakreno kroglo, ki je bila v drugi ina~ici uporabljena za vakuumsko posodo. Leta 1657 je Schott objavil prve skice Guerickejevih ~rpalk; sprva je sicer nameraval opisati hidravli~ne in pnevmatske naprave iz Kircherjevega rimskega muzeja, pozneje pa je vklju~il {e druge poskuse.34 Delo je posvetil Schönbornu,35 ki je seveda izdatno odprl svojo mo{njo in se je tako znova izkazal za dobrotnika zgodnjih vakuumistov. Zato mu je Schott seveda posvetil {e drugo knjigo leta 1664, saj njegova profesorska pla~a niti pribli`no ni zadostovala za tiskanje tako velikih in bogato ilustri- ranih del. Schott ni priznaval vakuuma; podobno je njegov prijatelj in za{~itnik Nigro Ponte36 iz znane pra{ke zdravni{ke druìne raje prisegal na ìvosrebrne pare nad barometrom. Nigro Ponte je kritiziral alkimiste, zato je Kranjec Rain v Ljubljani objavil knjigo proti njemu in jo posvetil cesarju Leopoldu I. Cesar pa ni po{iljal zlatnikov le na{emu Rainu, temve~ je izdatno podpiral {e nasprotno usmerjene knjige Nigra Ponta in njegovega

* 3/4 jarda

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 21 Slika 1.4: Naslovnica Guerickejeve knjige, v kateri se je {e posebej spomnil na{ega Turja- ~ana37

vzornika Kircherja; le-ta sta jih, seveda, prav tako polnila z veli~astnimi posvetili cesarju. @al danes podobnih cesarjev, knezo{kofov ali vsaj volilnih knezov ni na spregled, tako da smo pisci bolj uboge pare praznih `epov, ~e nam prijazno ne

prisko~i na pomo~ kak{no ministrstvo. 37 Guericke je leta 1662 z uporabo Boylo- vega zgodnjega dela sestavil tretjo ina~ico ~rpalke, "Reiseluftpumpe", brez pomanjkljivosti prvih dveh. Za ~rpanje je uporabljal sistem vzvodov v obrnjeni ro~ni gasilni brizgalni, ki jo je dopolnil z zaklopko na pokrovu in zmanj{al prostornino vakuumske posode. Namesto vode je neposredno ~rpal zrak, kar je bil eden njegovih najpomembnej{ih prispevkov k vakuumski tehniki. Tri originalne Guerickejeve izdelke hranijo danes na Tehni{ki visoki {oli v Braunschweigu, v Tehni~nem muzeju v Malmöju in v Nem{kem muzeju v Münchnu.38 14. 3. 1663 je Guericke kon~al sedem delov svoje knjige, ki jih je zaradi prezaposle- nosti in ob~asnih bolezni izdal {ele desetletje pozneje (slika 1.4). êprav je knez Turja{ki v tem ~asu è pri{el v nemilost, je Guericke objavil natan~en opis njunih prerekanj glede vakuuma. S tem je zgodnji kranjski znanosti postavil mogo~en spomenik, ki novodobne slovenske vakuumiste navdaja s ponosom. Guericke je svoje naprave imenoval "syringes", "antilia pneumatica" in leta 1662 "Reiseluftpumpe". Boyle je svoje ~rpalke krstil za "pneumatic machines". Naziva zra~ne in vakuumske ~rpalke sta se uveljavila pozneje. Schott in Guericke sta kritizirala uporabnost Hookove in Boylove ~rpalke, Angleà pa sta o~itke pridno vra~ala z obrestmi. Del kritike je izviral iz slabe obve{~enosti; Hooke in Boyle sta poznala le prvo ina~ico Guerickejeve ~rpalke iz Schottove knjige. Schott in Guericke sta menila, da je ~rpalka njunih kolegov onstran Rokavskega preliva slabo tesnjena. Kljub temu so si ob~asno drug od drugega izposojali ideje za posamezne dele ~rpalk, ne da bi se menili za avtorske pravice. Samo za svoje eksperimentalne naprave je Guericke zapravil 20 000 talerjev; vsaj tako je potoìl njegov sin, pri katerem je v Hamburgu preìvel zadnjih pet let. Zviti amsterdamski tiskar mu ni izpla~al honorarja, temve~ mu je z muko dostavil zgolj nekaj izvodov knjige.39 Prvi vakuumski poskusi {e niso prina{ali obetavnih dobi~kov, zato pa obilo ~asti. Leta 1666 je cesar Leopold I. povzdignil Guerickeja v plemi{ki stan, tako da se je odtlej ponosno podpisoval s pridevkom "von". Vsemogo~ni turja{ki knez je podprl

22 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK napredovanje svojega prijatelja Guerickeja, ~eprav pri novem cesarju ni bil ve~ tako v ~islih kot svoj ~as pri njegovem o~etu in bratu.

1.3.2 Turja{ki knez, prvi kranjski vakuumist 1.3.2.1 Turja~an in Guericke Minevajo tri stoletja in pol od slovitega Guerickejevega poskusa v bavarskem Regens- burgu. Iskri konji so ob bregovih Donave vlekli vsak sebi dve polkrogli izpraznjene posode: brez uspeha, a z velikim haskom. Le desetletje poprej sta Torricelli in Viviani sestavila barometer; toda florentinski akademiki izuma niso razobesili na veliki zvon v strahu pred morebitno ponovitvijo Galileijeve obsodbe. Tako je preteklo kar nekaj vode, preden so na{i idrijski rudarji za~eli prodajati ìvo srebro za barometre. [ele Guericke, na{ Turja~an in drugi velika{i so v Regensburgu prvi~ javno razpravljali o vakuumskih poskusih. Veljavnost znanstvenih domnev in eksperimentov so presojali tedanji izobra- èni plemi~i, ki so se navadili re{evanja tehni~nih problemov ob sukanju me~ev med tridesetletno vojno. Regensburg je bil tedaj in {e poldrugo stoletje pozneje del na{ega skupnega cesarstva. Ker smo bili Kranjci vedno pravi ljudje na pravih mestih, ne smemo biti presene~eni, da smo tam pomembno posegli med same za~etke vakuumske tehnike. Dràvni zbori so bili sre~anja srednjeevropske smetane, ki niso mogla miniti brez radoìvega kranjskega plemstva. Ko~evski gra{~ak Ungnad je bil svetovalec cesarja Ferdinanda I. na dràvnem zboru v Regensburgu leta 1546. Pozneje je postal ob Turja- ~anih najpomembnej{i podpornik Primoà Trubarja. Deèlni glavar Janez Cobenzl iz Predjamskega gradu pri Postojni se je leta 1594 pridruìl tiso~ osemsto spremljevalcem cesarja Rudolfa II., vnuka Ferdinanda I., na dràvnem zboru v Regensburgu. @al je tam umrl in domovine ni videl nikoli ve~. Bil je vnuk slovitega kranjskega Robina Hooda, Erazma Predjamskega (†1484), in o~e matematika Janeza Rafaela Cobenzla. Janez Rafael se je moderne znanosti nau~il pri Grienbergerju, Claviusovemu nasledniku na Kolegiju v Rimu. Leta 1626 in 1627 je kot svetovalec avstrijskega provinciala in rektor na Dunaju pomembno vplival na {olanje enega junakov na{e zgodbe, Janeza Vajkar- da Turja{kega. Seveda so se tudi leta 1653 in 1654 kranjski plemi~i udeleìli zborovanja v Regensburgu. Najpomembnej{i med njimi je bil novo- pe~eni knez Janez Vajkard Turja{ki (slika 1.5). Bil je pravnuk slovitega vojskovodje barona Herberta Turja{kega, ki je pogumno padel pod tur{ko sabljo, in vnuk njegovega najstarej{ega sina Kri{tofa. Na svet je prijokal kot ~etrti od petih sinov dednega mar{ala Ditriha Turja{kega. Ditrih je podedoval ùèmber{ki grad po poàru, ki je grad uni~il med velikono~no proslavo leta 1591. Leta 1631 je kupil {e bli`nje go- Slika 1.5: Turja{ki knez Janez Vajkard v mlaj- spostvo Vrhkrka, ki ga je po njegovi smrti {ih letih

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 23 podedoval Janez Vajkard. Leta 1625 se je Ditrih med zadnjimi Kranjci vrnil v naro~je Katoli{ke cerkve. Takrat je kupil dve hi{i na vogalu Gosposke in Turja{ke ulice v Ljubljani, ki ju je prezidal leta 1631 in 1632. 16. 9. 1630 je postal dràvni grof, naslov pa so dedovali njegovi sinovi. Tako je na{ junak Janez Vajkard preìvel mladost in prva {olska leta v isti ulici nasproti deèlne hi{e, kjer sta ìvela tudi druga dva kranjska kneza in dunajska ministra, Eggenberg in Portia. Portia je bil poro~en s sestri~no Janeza Vajkarda, tako da so se ob sosedskih vezeh stkale {e sorodstvene. Med letoma 1635 in 1650 je bil kranjski deèlni sodnik, nato pa je postal "ajo", najvi{ji dvorni mojster in vzgojitelj mlaj{ega cesarjevi~a Leopolda. Skupaj s sorodnikom, knezom turja{kim, sta vzgajala oba cesarjeva sinova in jima vcepila kranjskih modrosti. Seveda je po zasedbi prestola Leopold I. precej bolj zaupal svojemu nekdanjemu vzgojitelju Portiji. Ditrihov najstarej{i sin, grof Volk Engelbert Turja{ki, je 9. 7. 1641 kupil gospostvi Ko~evje in Poljane, ~ez nekaj mesecev pa je nadaljeval o~etovo gradnjo v Ljubljani.40 Leta 1649 je postal deèlni glavar, naslednje leto si je dal sezidati grad ob robu tedanjega mesta Ko~evje. 20. 4. 1660 je ob o~etovi severni polovici "kne`jega dvorca" za~el zidati {e ju`ni del na prostoru dana{njega Ple~nikovega NUK-a v Ljubljani in tam uprizoril opero po bene{kem zgledu. Gradnjo je kon~al v dveh letih. Blizu kne`jega dvorca je bratranec Volka Engelberta, grof Janez Andrej Turja{ki s Turjaka, med letoma 1654 in 1659 zdruìl tri stavbe v turja{ko grofovsko pala~o na Gosposki in Krièvni{ki ulici. Danes je tam Mestni muzej na Gosposki ulici {t. 15. Tako so knezi Turja~ani iz Ko~evja ob sorodnikih s Turjaka ìveli v veli~astnih stavbah sredi Novega trga, ki je postajal deèlnoupravni plemi{ki del Ljubljane. Volk Engelbert je svoj dvorec okrasil z najbogatej{o plemi{ko knji`nico na tedanjem Kranjskem, ki so jo njegovi predniki za~eli zbirati na turja{kem gradu v 14. stoletju. Medtem je njegov mlaj{i brat Janez Vajkard vodil politiko cesarja Ferdinanda III., ki so ga jezuiti vzgojili v sposobnega jezikoslovca in skladatelja cerkvene glasbe. Ko je Janez Vajkard kon~al {tudije na plemi{kem kolegiju, mu je cesar zaupal vzgojo svojega najstarej{ega sina in prestolonaslednika Ferdinanda IV. Leta 1637 je Janez Vajkard postal dvorjan. Dve leti pozneje se mu je na dunajskem dvoru cesarice Marije Ane [panske pridruìl starej{i brat Herbert Turja{ki, ki se je leta 1649 poro~il z baronico Moscon s Kr{kega. 17. 9. 1653 je cesar povi{al Janeza Vajkarda v dràvnega kneza. Sve~anost so uprizorili na dràvnem zboru v Regensburgu, tri mesece po kronanju prestolonaslednika. Janez Vajkard je dobil v fevd grofijo Wels v Zgornji Avstriji. Naslednje leto je cesar dal Janezu Vajkardu {e {lezijski kneèvini Münsterberg (Ziêbice) in Frankenstein (Z¹bkowice Œl¹skie) v danes poljskih Sudetih. Na{ Janez Vajkard je postal tajni svetnik, vitez zlatega runa, konferen~ni in dràvni minister. Njegov tekmec Lobkowitz je isto~asno dobil naslov tajnega svetnika in skupaj s Portio krojil cesarsko zunanjo politiko. Poklicne uspehe je Janez Vajkard kronal {e z osebnimi. 20. 11. 1654 je praznoval prisr~no poroko z grofico z gradu Losensteiner pri Steyru v Gornji Avstriji. Njen o~e, dvorjan grof Jurij Ahac, je umrl med zborovanjem v Regensburgu, dva meseca po pokneènju bodo~ega zeta. Kmalu je pobralo {e njegovo èno, plemenito Mansfeld. Seveda je njuno siroto h~i na{ vrli knez hitro potolaìl, saj mu je rodila kar osem otrok. Kranjci so bili pa~ vredni svojega denarja. Guerickejevo poreklo je bilo za spoznanje ni`je od na{ega Turja~ana. Rodil se je v druìni uradnikov in patricijev, ki so ìveli v Magdeburgu od leta 1315. Med njegovimi predniki je bilo kar trinajst ùpanov. [tudiral je filozofijo in pravo na univerzah v Leipzigu, Helmstädtu in Jeni. [olanje je dopolnil na Stevinovi inènirski {oli v Leydenu, nato pa si je {iril obzorja s popotovanji po Angliji in Franciji. Po vrnitvi v rodni Magdeburg se je med tridesetletno vojno leta 1626 za~el ukvarjati s politiko in ~ez

24 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK dvajset let postal eden od petih ùpanov v mestu. Vmes je preìvljal hude ure, {e posebno potem, ko je mar{al Tilly leta 1630 prevzel poveljstvo cesarske armade. 20. 5. 1632 se je Guerickeju posre~ilo pobegniti iz gore~ega Magdeburga le zato, ker je imel njegov tast stike s Tillyjevimi oficirji; ti so dali pobiti dve tretjini od trideset tiso~ Guerickejevih some{~anov. Bosanska Srebrenica tako nikakor ni nov izum. Protestant Guericke je v vojni vihri sluìl kot inènir v {vedski in nato v sa{ki armadi.41 Kljub razumljivi zameri do Tillyja je po vojni sodeloval s svojim cesarjem Ferdinandom III., ki je osebno prevzel poveljstvo armade {tiri leta po Tillyju. Guericke je zastopal koristi svojega mesta na konferenci v Osnabrücku, kjer so se med letoma 1645 in 1648 kon~no dogovorili o miru po tridesetletni vojni. Tam je sre~al Janeza Vajkarda Turja{kega, ki se je na konferenci mudil v cesarjevem spremstvu. Ponovno sta se videla med Guerckejevim obiskom na dunajskem dvoru.42 Zgovorni Guericke je è tedaj rad poro~al o svojih vakuumskih poskusih. Guericke se je dràvnega zbora v Regensburgu udeleìl kot politik, poln znanstvenega ~astihlepja. Cesarju in knezom je kazal poskuse s tlakom zraka in pripovedoval o novih, komaj odkritih pojavih. Nejevernim plemi~em je zagotavljal, da ozra~je nad nami pritiska na vsa votla telesa, ki niso popolnoma zapolnjena z lesom, kamnom in podobnimi snovmi. Zrak zapolni vse praznine; ~e pa do njih ne more, pritiska na prazne posode, da jih preoblikuje. Domiselni ùpan je prvi tehtal zrak, kar bi se marsikomu {e danes zdelo za malo. Uravnovesil je tehtnico z vakuumsko posodo na eni in ute`mi na drugi strani. Ko je posodo izpraznil, je ugotovil, da mora za ravnovesje na nasprotni strani odstraniti nekaj

uteì (slika 1.6). 43 Pri drugem poskusu je {tirikotno posodo iz~rpal in zatesnil z ventilom. Posoda ni zdràla zunanjega tlaka in je razpadla v tiso~ in en kos z ostrim pokom. Okrogla posoda pri podobnem poskusu ni po~ila, saj se ni tako zlahka podala zunanjemu tlaku. Guericke je cesarju Ferdinandu III., kralju Ferdinandu IV., Turja~anu in drugim knezom kazal poskuse v praznem prostoru in mimogrede omenil, da nam zmanjka zraka, ko pihnemo v vakuumsko posodo. Vedel je, da nas lahko doleti marsikaj hudega, saj zunanji tlak ne iztisne le vsega zraka iz ~love{kega ali ìvalskega telesa v vakuumsko posodo, temve~ po{ko- duje telo s ~revesjem vred; zaradi pritiska lahko celo umremo. Turja{ki knez mu nikakor ni verjel na besedo. Ni bil pripravljen opustiti Aristotelovega nauka iz svojih {tudentskih klopi, kjer se je vakuum zdel skregan z zdravo pametjo. Za name~ek celo nedavno umrli Descartes ni priznaval praznega. Na{ vrli Turja~an se je hotel na lastne o~i prepri~ati, kaj se dogaja v vakuumski posodi. Turja{ki knez je prav tedaj napolnil devetintrideset let in je bil skoraj mogo~nej{i od samega prezgodaj ostarelega presvetlega cesarja. Dvom oblastnega kneza je postavil Slika 1.6: Poskus, ki ga je Guericke kazal turja{kemu pod vpra{aj {e vse druge Gueri- knezu leta 1654 v Regensburgu

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 25 Slika 1.7: Takole je Guericke prepri~eval turja{kega kneza, da vakuum res obstaja. Spodaj je Guerickejevo poro~ilo osemnajst let po sporu s Turja~anom. 46 ckejeve poskuse. Bilo je vpra{anje osebnega presti`a: ali bo Guericke prepri~al kneza v tehtnost svojih premislekov? In`enir Guericke ni bil posebno doma v Aristotelovi logiki in se ni rad spu{~al v razprave o naravi vakuuma, ki jih je pogosto premleval njegov tekmec Boyle onstran Rokavskega preliva. V praznem prostoru je videl predvsem uporaben pripomo~ek za pogon strojev; to se je posre~ilo {ele Papinu, ki je dve leti po Guerickejevi smrti prevzel katedro za matematiko na Univerzi v Marburgu, 250 km jugozahodno od Guerickejevega Magdeburga. Guericke se je izognil sholasti~nemu prepiru s Turja~anom in prepustil odlo~itev poskusom.44 Da bi odstranil dvom s svojih eksperimentov, je najel dvajset, trideset in kon~no sto ljudi, ki niso mogli vzdigniti pokrova z izpraznjene vakuumske posode (slika 1.7).45 Izra~unal je, da na pokrov pritiska zra~ni tlak 13 kN, ki ga trideset ali celo

petdeset mo` ne more premagati. O~itno ni imel opravka s posebnimi silaki. 46 Ljudi je nato nadomestil z ute`mi in tako stehtal zra~ni tlak.47 Kranjskemu knezu in drugim presene~enim velika{em je pokazal, kako vakuum "vle~e" vodo navzgor po cevi, ugasne sve~o in zadu{i tiktakanje ure. Ljubiteljem grozdja in njegovih predelanih oblik, ki jih tedaj ni manjkalo in jih ne manjka niti danes, je postregel z nadvse razveseljivo novico: "Kon~no naj bo na tem mestu omenjeno: ko grozdje postavimo v tak{no stekleno posodo, jo izpraznimo in nato shranimo v mrzlem kraju za pol leta, se grozdje glede videza ne bo spremenilo, vendar bo izgubilo ves sok." Uspe{nost vakuumskega konzerviranja je pojasnil: "Od tod sledi, da sok v praznem prostoru izpuhti, medtem ko bi se sicer zaradi tlaka okoli{kega zraka vra~al nazaj in ostajal v notranjosti."48

26 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Vse to vrlemu Turja~anu ni bilo dovolj. Kot pristni vitez svojega ~asa si je èlel zaplet s praznim prostorom razre{iti, kot se spodobi za vnuka vojskovodij iz tur{kih vojskà. Vajeni vite{kih turnirjev so knezi najbolj zaupali svojim iskrim vrancem; zato so prav njim naloìli razre{itev vakuumske uganke. Zborovanje v Regensburgu se je vleklo, zato je bila vsaka zabava dobrodo{la. Sloviti magdebur{ki polkrogli sta bili vrh ve~mese~nih razprav in poskusov v Regensburgu. Pri~akovanje je bilo velikansko, ni manjkalo niti stav za to ali nasprotno stran. Sam cesar, Turja~an in drugi volilni knezi so podalj{ali svoje bivanje v mestu, da bi si ogledali, kaj bodo storili Guerickejevi konji.49 Priprave za prvo veliko razko{no vakuumsko prireditev v zgodovini so se zavlekle, saj je Guericke vse pogoje glede povr{ine in premera krogel ter {tevila vpreènih konj najprej natan~no prera~unal (slika 1.8).50 Hotel je biti popolnoma gotov, da mu na{ Turja~an ne bi mogel spet ~esa o~itati. Ra~uni so ga prepri~ali, da se, bog ne daj, konjem nikakor ne bo posre~ilo razstaviti polkrogli, ko bo iz prostora med njima iz~rpal zrak. Za vsak primer je v ra~unih konjem pripisal skoraj dvakrat prevelike mo~i. Turja~an se je po svoji strani seveda prav tako dobro pripravil, da bi Guericke morda gledalcem ne podtaknil kak{nih

nemo~nih kljuset. 51 Nato so konji vlekli, vlekli... Kon~no so {irokokraki klobuki {tevilnih radovedne`ev, knezov in z rahlo zamudo {e samega Turja~ana zleteli v zrak. Magdebur{ki `upan je zmagal. [e zadnji dvomljivec je moral priznati, da je pri~a novemu poglavju fizike. Seveda so se {tevilna kopja {e pol stoletja lomila nad razlagami vakuumskih pojavov s praznim prostorom, zra~nim tlakom, nevidnimi nitkami ali parami. Vakuum je vstopil v

Slika 1.8: Poskus z magdebur{kima polkroglama, ki si ga je Turja~an ogledal leta 1654 v Regensburgu 51

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 27 srednjeevropsko visoko dru`bo na posebno veli~asten na~in, pod kriti~nim o~esom na{ega turja{kega kneza.

1.3.2.2 Turja{ki knez v politi~nem vakuumu Novica o magdebur{kih polkroglah je hitro ob{la Evropo. 22. 7. 1656 je Guericke poro~al Schottu o poskusu z bakrenima polkroglama v Regensburgu.52 Knez je nagovoril cesarja, da je Guerickeja povabil na Dunaj. Znameniti poskus s konji, ki zaman vle~ejo narazen dve polovici vakuumske posode, je Guericke ponovil na cesarskem dunajskem dvoru leta 1657, kmalu po smrti cesarja Ferdinanda III. Mo~ne kranjske lipicance so spodbujale najlep{e dame cesarstva, toda polkrogel kljub temu niso razdvojili. Na{ knez je bil tedaj è dolgo najmogo~nej{i v cesarskem mestu. Njegov varovanec, kralj Ferdinand IV., se je sicer kmalu po kronanju nalezel koz in umrl. Prestol je prevzel mlaj{i brat Leopold I., ki so ga jezuiti dotlej vzgajali za cerkvene slu`be. Bil je {e mlad, zato je dunajsko politiko slej ko prej vodil Turja~an, njegov svetovalec in prvi minister. Cesar in knez sta se pod Guerickejevim vplivom za~ela zanimati za vakuumsko tehniko, zato sta leta 1658 obiskala Schönborna, Schotta in Jezuitski kolegij v Würzburgu.53 6. 9. 1660 je knez z èno prepotoval Ljubelj in prispel v bratov ljubljanski dvorec. Tam so dru`no pripravili sprejem za cesarja, ki je naslednji dan pri{el v belo Ljubljano na dedno poklonitev. Med 18. in 24. 9. 1660 so obred ponovili v Gorici, kjer je slavnostno govoril Bau~er, prvi zgodovinar slovenskega rodu. Leta 1663 je turja{ki knez kupil grofijo Thengen na Tirolskem in jo s svojim nakupom pokneìl. Za sprostitev je najraje lovil v kranjskih gozdovih. Zato si je 18. 6. 1665 od kneza Portie kupil tedaj {e kranjsko gospostvo Pazin v Istri. Naslednje leto mu je priklju~il sosednji gospostvi Paz in Kra{an, skupaj z bratom Volkom Engelbertom pa sta kupila vsak polovico gra{~ine Belaj pri Pazu, 15 km vzhodno od Pazina. Medtem so minevali dnevi sloge med premogo~nim knezom in vedno bolj samostojnim novim cesarjem. Na{ Turja~an si je èlel kardinalskega klobuka, ki je, àl, zelo redko krasil kranjsko glavo. Cesarja sploh ni obvestil o svojih pogajanjih s papeèm. Obenem je sku{al spremeniti zunanjo politiko Habsburànov, ki so se med tridesetletno vojno in po njej lasali s Francozi. To ni bilo mogo~e v ~asu Italijana Mazarina, ki je dobil kardinalski klobuk leta 1641, stol~ek prvega pari{kega ministra pa dve leti pozneje. Mazarin je skrbel za francosko prevlado v Evropi in kljub smrti Fedinanda III. oviral izvolitev Leopolda I. za cesarja, dokler ni Lobkowitz prepri~al Schönborna, da je glasoval za Habsburàna. Po Mazarinovi smrti in dobrohotnem mirovnem sporazumu s Turki v Vásvaru 10. 8. 1664 se je Turja~anu zdelo, da je pri{el ~as za preobrat. Veliko si je obetal od Maza- rinovega naslednika, ljubitelja knjig Colberta, ki je leta 1665 postal glavni kontrolor francoskih financ in leta 1669 mornari{ki minister. Francoski veleposlanik na Dunaju med letoma 1664 in 1673 general podpolkovnik Grémonville je popolnoma obvladoval dunajsko diplomacijo Lobkowitza in Turja~ana. Poleg tega je bil cesar Leopold I. v tesnem sorodstvu in prijateljstvu s francoskim kraljem. Kljub nepri~akovani francoski okupaciji Belgije 26. 5. 1667 je nekaj mesecev pozneje, 19. 1. 1668, sklenil tajni sporazum s son~nim kraljem Ludvikom XIV. za morebitno delitev {panske dedi{~ine. Po smrti Turja~anovega sorodnika Portie je Lobkowitz prevzel poloàj prvega svetovalca na dvoru. Knezova domnevna skrivna pogajanja s francoskimi diplomati in s papeèm so pri{la na uho cesarju, ki je komaj ~akal, da je lahko nekdanjemu o~etovemu varovancu pristrigel peruti. Na zahtevo {panskega dvora je Turja~ana najprej leta 1669 pred~asno upokojil, za name~ek pa ga je {e obsodil na smrt zaradi izdaje. Francozi so

28 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK bili seveda presene~eni, saj njihova pogajanja s Turja~anom niso segla ~ez meje obi~ajne diplomacije; {lo je predvsem za izmi{ljotino Turja~anovih nasprotnikov. Kakor koli è, prestra{eni Turja~an se je za dve leti skril v Benetkah in ~akal prijetnej{ih dunajskih vetrov.54 Seveda mu gostovanje pri sovra`nem doù ni prineslo ljubezni dunajskih oblastnikov; vseeno ga je dobrohotni cesar oprostil in ga "le" pregnal z dvora. Novi prvi minister in direktor kabineta je postal Lobkowitz. Neprevidni Turja~an je odletel kot petelin po prezgodnjem kikirikanju. Lobkowitz je namre~ kmalu zasukal politiko v kratkotrajno katoli{ko zvezo s Parizom in Madridom. Obdràl je poloàj odstavljenega turja{kega kneza do leta 1674, umrl pa je le nekaj mesecev pred njim. Po Turja~anovi odstavitvi je Leopold I. izigral francoskega kandidata za naslednika poljskega kralja Jan Kazimierza. Poljsko "{lahto" je z dobro kapljico prepri~al, da je 19. 9. 1669 izvolila habsbur{kega kandidata Wisniowieckega; ta se je naslednje leto seveda poro~il z brhko Leopoldovo polsestro Eleonoro Marijo. Grémonville in jezni francoski poslanci so iskali zaveznike med ogrskimi zarotniki, vendar so njihovi na~rti pri{li na uho Lobkowitzu. Zarotni{ka kneza Frankopan in Zrinjski sta se prostovoljno predala dunajskim je~arjem aprila 1770, le nekaj mesecev po Turja~anovem padcu. Hrvata nista imela Turja~anove sre~e in so ju po celoletnem zasli{evanju obglavili. Med na~rti Zrinjsko-Frankopanske zarote je bil tudi prodor osemstotih zarotnikov pod vodstvom brodskega ùpnika Juraja Prpini}a ~ez Kostel do Ko~evja, kjer so upali na podporo Turja~anov zaradi knezovega spora na dvoru. Agresivna Colbertova nizozemska trgovinska politika je prisila na{ega presvetlega cesarja k protiukrepom. Francozi in Habsburàni so leta 1671 {e sklenili pogodbo o nevtralnosti. Naslednje leto pa je izbruhnila nizozemska vojna, prva izmed treh vojn med Ludvikom XIV. in Leopoldom I.

1.3.2.3 Vakuum na Kranjskem Turja{ki knez je imel dovolj pod palcem; morda je nabavil Guerickejevo ~rpalko, ki je bila najve~ji in najdra`ji znanstveni instrument tedanjega ~asa? Morda je vsaj kak{ne manj{e vakuumske priprave pripeljal v svoj ljubljanski dvorec? Gotovo ni kupil prve ~rpalke iz leta 1648 ali one iz leta 1650, ki jo je uporabljal Schott, lahko pa si je priskrbel ~rpalko iz leta 1662. Ve~ ~rpalk je bilo na razpolago {ele po propadu Turja~anove dunajske politike. Po odstavitvi se je turja{ki knez z èno in sedmimi otroci zatekel v svojo grofijo Wels, nato pa v Ljubljano na rodno Kranjsko. Med lovom si je hladil jezo nad opotekanjem svoje sre~e in se zabaval z znanstvenimi {tudijami. 3. 7. 1669 je od Janeza Antona Eggenberga kupil notranjski gospostvi Sne`nik in Lo` ter prevzel postojnsko gra{~ino. Postojnsko jamo je opisal è Cluverij leta 1623 kot "veliko jamo s {ume~o reko v votlem hribu pri Ljubljani". To in druga njegova dela so bila Kranjcem znana, saj so jih leta 1678 v Ljubljani ponujali kar pet.55 Humanist Cluverij se je uveljavil z zemljepisnimi raziskavami antike in Bli`njega vzhoda. Po dolgih potovanjih v Nem~iji, Italiji, Franciji in Angliji je prijateljeval z zdravnikom Thomasom Bartolinom in predaval na leydenski Univerzi, kjer je takoj po Cluverijevi smrti {tudiral Guericke. Postojnsko jamo so v tem ~asu è veliko obiskovali in raziskali podzemski tok Pivke "celo miljo dale~". Zato se je vedoèljni knez "blagega spomina" kot novi gra{~ak lotil lastnih raziskav. Leta 1673 je spustil enega svojih podlo`nikov po vrveh k vodi v reko pod ~evelj debelim naravnim mostom v Postojnski jami. Kmet je bil vajen ribolova in opremljen z ribi{kimi mreàmi, saj so gospodarnega Turja~ana {e posebej privla~ila ugibanja o podzemnem ìvalstvu, ki jih je bral v Agricolovih delih. Privezani mo` je med po~asnim spustom drsal po skali in kon~no prispel do vode. Njegovi pomo~niki so

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 29 se na planem nekoliko zaklepetali in se niso preve~ podvizali, da bi svojega raziskovalca potegnili na varno. Bili so prav veseli, ko se je kon~no skobacal nazaj na most in v mreì prinesel {~uko, krapa in klena. Ribe niso bile posebno rejene, temve~, àlibog, bolj mr{ave. Turja~an je bil vseeno zadovoljen in je hotel naslednji dan ponoviti poskus. Moàkarju je znova ponudil celo krono za trud. Vendar trmasti kmet ni hotel ve~ v globino, tudi ~e bi mu podaril celotno postojnsko gospostvo. Upiral se je na ìve in mrtve: "Ni~ ne povem, kaj sem notri videl in sli{al; pa tudi ne, zakaj no~em ve~ dol!". Bil je tako prepri~ljiv, da si knez ni vedel pomagati ne z besedo, ne s pestjo. Nadaljnje raziskovanje je moral opustiti, saj novih prostovoljcev seveda ni bilo. Tako se je eden prvih na~rtnih kranjskih novodobnih eksperimentov kon~al dokaj klavrno. Leta 1679, poldrugo leto po Turja~anovi smrti, je Valvasor na{el ostarelega jamskega ribi~a in sku{al od njega izvedeti podrobnosti o slovitem spustu.56 @al moàkar tudi to pot ni hotel ni~esar pametnega povedati. Iz njegovega vedenja je Valvasor sklepal, da ga je v jami stra{ila prikazen. Valvasorju je pri raziskovanju pomagal deèlni glavar knez Janez Sigfried Eggenberg, ki je medtem prevzel postojnsko gra{~ino. Valvasor je z njim tesno sodeloval in mu je posvetil zemljevid Hrva{ke na za~etku 12. knjige svoje Slave. Lastnik jame pri Postojni je bil tisti ~as grof Janez Filip Cobenzl, vnuk brata matematika Janeza Rafaela Cobenzla. Leta 1674 se je Turja~an skupaj s sorodniki in sinovi udeleìl obeda v predmestni ljubljanski jezuitski hi{i. Pla~al je stro{ke za pojedino celotnega kolegija; ko so se izdatno podprli, so mize odnesli in poskrbeli za razvedrilo, knez pa je vse bogato obdaroval. Ljubljanske jezuite so podpirali tudi knezovi potomci. Na dan Jezusovega obrezovanja leta 1682 se je sin pokojnega prvega kneza skupaj z drugimi najvi{jimi plemi~i udeleìl obeda pri jezuitih v Ljubljani in izdatno podprl za~etke znanosti in vi{jega izobra- èvanja v Ljubljani. Po smrti neporo~enega brata Volka Engelberta Turja{kega je knez podedoval njegove posesti. Teden dni pred svojo smrtjo je knez zdruìl gra{~ine Poljane, Ko~evje, Vi{njo Goro, Belaj, @uèmberk in kne`ji dvorec v fidejkomis, ki ga je lahko dedoval le prvo- rojenec v druìni. Tako so postali njegovi potomci najve~ji kranjski zemlji{ki posestniki, resni~no sredi{~e njihovega bogastva pa je bilo na ê{kem. Turja{ki knez je seznanil nadobudne Kranjce z za~etki vakuumske tehnike v cesarstvu in pozornim poslu{alcem navrgel {e kak{no pikro o dvornih spletkah. Med lovom je pomo~nikom, tla~anom in plemi~em pripovedoval o nenavadnih lastnostih praznega. Njegove zgodbe so padle na plodna tla, saj so bili med njegovimi poslu{alci dobri lovci, belokranjski uskoki Lienhardt Panian, Anndre Panian in Jurco Panian s Tan~e Gore in Dragovanje vasi. Njihovi potomci so danes med vodilnimi slovenskimi vakuumisti. Za lov in lokalno politiko je Turja~an potreboval zveste kranjske plemi~e. Slu`bo pri knezu so najbolj izkoristili Verderberji, mitni~arji iz Kne`je Lipe v gospostvu Ko~evje. [e preden je gospostvo prevzel Volk Engelbert Turja{ki, so se povzpeli v plemi{ki stan. Ker je zapis "von Verd-erber" zvenel nekoliko nerodno, so se preimenovali v "von Erber" in kon~no v Erberg. Ob Turja~anovi podpori so kmalu prerasli Ko~evsko in postopoma selili svoje posle v Ljubljano. Med poglavitnimi knezovimi poverjeniki je bil Ko~evar Janez Danijel, poznej{i baron Erberg, ded Avgu{tina Hallersteina. Turja{ki knez je Erbergu in drugim druàbnikom ob lovskem ognju in prijetni kapljici pripovedoval o {irnem svetu in o tedaj modnih vakuumskih poskusih. Erbergi so posnemali svoje dobrotnike Turja~ane pri nakupovanju znanstvene literature. Antonov stric, Franc Jakob Erberg, je 5. 2. 1680 kupil in prezidal hi{o na dana{njem Starem trgu {tevilka 9 v Ljubljani in si v njej uredil bogato knji`nico. Ker so mu vsi otroci pomrli, je hi{o in knji`nico s {tevilnimi deli o vakuumu podedoval njegov polbrat Janez

30 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Danijel Erberg,57 ki je v Ljubljani {e naprej uìval podporo turja{kih knezov. Kneza Janeza Vajkarda je nasledil najstarej{i sin, ki se je kmalu po o~etovi smrti leta 1678 poro~il z grofico iz mogo~ne dru- ìne Herbersteinov. Med- tem je Erbergova knji`nica nara{~ala in kmalu dosegla svojo vzornico v bli`njem kne`jem dvorcu (slika 1.9). Karel De`man je vsaj del Erbergove knji`nice kupil za dana{nji Narodni muzej v Ljubljani, turja{ke knji`- ne zaklade pa so leta 1982 Slika 1.9: Ena zadnjih fotografij kne`jega dvorca v Ljubljani, razprodali mimo Kranjcev, posneta po potresu leta 1895 ki imamo seveda slej ko prej preplitve èpe. Leta 1791 so turja{ki knezi dobili vojvodski naslov in z njim pravico kovanja lastnega denarja v ko~evski vojvodini. Tudi turja{ki varovanci Erbergi so skokoma napredovali. Potem ko je bil prvi Turja{ki knez vzgojitelj prestolonaslednika Ferdinanda IV., je postal potomec njegovih nekdanjih mitni~arjev, baron Joèf Kalasanc Erberg, spomladi 1809 vzgojitelj prestolonaslednika Ferdinanda I. @al njuna gojenca nista pretirano blestela na habsbur{kem nebu.

1.3.3 Boyle in Hooke: raziskovanje vakuuma v Angliji Poleg na{ih so tudi angle{ki raziskovalci sredi 17. stoletja razpravljali o praznem. O vakuumu je pisal è najbolj odmeven angle{ki mislec eksperimentalnih znanosti Bacon. @al je fizikalnemu pojmovanju vakuuma nasprotoval celo kralj Charles II., pokrovitelj Royal Society (RS), organizirane novembra 1660 v kolidù Gresham in uradno ustanovljene dve leti pozneje. [e 1. 2. 1662 se je kralj hudomu{no nor~eval iz "tehtanja zraka Greshamovcev". "Tehtanje" ali "me{anje", torej dolo~evanja gostote zraka, se je nepo- sve~enim gotovo zdelo huda izguba ~asa. Gostoto zraka je sicer izmeril è Galilei leta 1613, vendar je dobil pribli`no dvakrat vi{ji rezultat od sedanjega. Pozneje so merili bolj natan~no, saj so v 17. stoletju znali dolo~iti razliko v masi do 6,5 g*.58 6. 5. 1653 je zdravnik iz Halifaxa in poznej{i ~lan RS (Fellow of the Royal Society – FRS) Power opravil Pascalovim podobne meritve na hribu pri Halifaxu.59 Poskuse so pozneje ponovili Ball, Towneley in Boyle na vrhu cerkve v Westminstru. Boyle je januarja 1658 bral o Guerickejevih poskusih v Schottovi knjigi iz leta 1657, zato je Schottu ve~krat pisal.60

* 1 grain

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 31 Robert Boyle je bil rojen na Irskem kot sedmi sin grofa Richarda (slika 1.10). [olal se je doma in potoval po Evropi do leta 1645. Med potovanjem v @enevo naj bi se "spreobrnil k eksperimentalni filozofiji". Od leta 1654 je `ivel v Oxfordu, kjer so se v leta 1656 odprti kavarni Tillyard's sestajali zagovorniki "eksperimentalne filozofije". Julija 1660 je Oldenburg za~el tesno sodelovati z Boylom in njegovim ne~akom. Leta 1660 se je Boyle preselil k sestri v London, vendar je ve~krat dlje ~asa bival v svoji hi{i v Oxfordu. V Oxfordu je v ~asu kuge leta 1664 vodil RS, ki jo je pred tem pomagal ustanoviti, in izdajal Phil. Trans. Aprila 1668 se je dokon~no preselil v London in aktivno sodeloval v RS. Leta 1680 je bil izbran za predsednika RS, vendar polo`aja ni sprejel. Poleg kemije in fizike se je ukvarjal tudi s teologijo.61

Kot pred desetletjem Pascal je tudi Boyle v Ox- fordu svoje poskuse z vakuumom zasnoval znotraj {ir{ega raziskovanja lastnosti teko~in. Pascalov barometerski poskus s Puy-de Dôma je ponovil v laboratoriju. Tako kot tekmec Guericke je tudi Boyle razvil tri ~rpalke, med katerima mu je prvi Slika 1.10: Robert Boyle dve sestavil Hooke. @e londonski proizvajalec naprav Greatorex je sku{al izbolj{ati Guerickejevo ~rpalko. Vendar je bila njegova naprava po Hookovem mnenju prevelika za koristno uporabo. Konec leta 1658 se je Boyle dogovoril za razvoj ~rpalke z Greatorexom in Hookom, ki je bil è leto dni njegov asistent. Hooke je sestavil svoj model, imenovan "pnevmatski stroj ali zra~na ~rpalka".62 Boyle je leta 1660 opisal poskuse, opravljene v prej{njih dveh letih s prvo Hookovo batno ~rpalko. Med glavnimi kritiki Boylovih rezultatov sta bila Linus in poznej{i Newtonov u~itelj More, platonist iz Cambridgea. More je, podobno kot Hobbes, zavra~al bistvo eksperimentalnega programa RS. Pred Morovimi kritikami so Boyla branili ~lani RS Wallis, Flamsteed in Hooke. Zucchi je menil, da je vakuum nad ìvosrebrnim stolpom {e vedno poln ìvosrebrne pare, kar je sprejel Casati, ne pa Gassendi in Valeriano Magni.63 Naziv "merkur" za ìvo srebro so {aljivo povezovali z imenom rimskega boga, ki naj bi bil za{~itnik lopovov in se je zato tihotapil nad gladino ìvega srebra v obliki pare. Naziv barometer je skoval francoski raziskovalec statike Varignon.64

Robert Hooke je bil rojen v dru`ini duhovnika na otoku Wight. [olal se je v Westminstru in na oxfordski Univerzi, kjer se je tako zanj kot za njegovega sorodnika Christopherja Wrena zavzel dr. John Wilkins, ki je bil prvi tajnik RS skupaj z Oldenburgom. Leta 1655 se je Hooke preselil v Oxford, kjer ga je Wilkins pozneje priporo~il Boylu za asistenta. Od 12. 11. 1662 je bil Hooke skrbnik poskusov pri RS in s tem prvi profesionalni znanstvenik v Britaniji. Leta 1664 je postal profesor geometrije na Univerzi Gresham, kjer je stanoval vse do smrti. 11. 1. 1665 je napredoval v dosmrtnega skrbnika poskusov pri RS, kjer je bil po Oldenburgovi smrti med letoma 1677 in 1683 tudi tajnik in urednik Phil. Trans. Hooke je prispeval k razvoju {tevilnih znanosti: fizike, horologije, fiziologije, geologije, astronomije, meteorologije in arhitekture.65

Konec leta 1660 je Boyle pokazal delovanje ~rpalke lepi vojvodinji Newcastla in toskanskemu nadvojvodi ob njunem obisku kolidà Gresham. Takoj po novem letu je dru{tvo, ki se je poldrugo leto pozneje preimenovalo v RS, prosilo Boyla, naj prinese pnevmatski stroj in jim pokaè poskuse. Hooke in Boyle sta poenostavila ~rpanje z uporabo èlezne natezalnice in peresa. Ni jima bila po volji velika koli~ina vode, ki jo je Guericke potreboval za tesnitev. Uporabljala sta zapiralne pipe, namazane z mazivom za stroje in zaklopke, ki jih je bilo

32 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK treba ro~no odpirati in zapirati. Lesen bat je dvigoval in spu{~al bronasti valj. Da bi zagotovila dobro tesnitev, sta med bat in valj postavila "debel kos strojenega usnja za podplate". Njuno mazilo za stroje je bilo br`kone me{anica olivnega olja in drugih zelenjavnih sokov, skuhanih skupaj s PbO. Dodala sta {e malo kuhinjskega olja, s katerim sta omo~ila bat in okroglo stekleno vakuumsko posodo.66 12. 11. 1662 je bil Hooke predlagan za skrbnika poskusov pri RS. S tem je nehal biti Boylov asistent; vendar sta se moà sestajala in si dopisovala vse do Boylove smrti. 1. 4. 1663 je Hooke opisal svojo ~rpalko pred RS.67 Dne 15. 2. 1665 sta Hooke in Boyle opravila poskusa z vakuumsko ~rpalko pred RS. Boyle je zavra~al karteziansko fiziko, podobno kot pozneje Newton. Vakuum je posku{al iz~rpati do te mere, da bi preostala le {e drobnej{a snov od zraka. Nasprotno od Torricellija ali Guerickeja ni posku{al ~rpati do "popolnega vakuuma", temve~ je predvsem raziskoval lastnosti razred~enega zraka. Podobno Noëlu, je tudi Boyle v zraku videl ve~ razli~nih "snovi", kar se je stoletje pozneje v poskusih Scheela, Priestleyja, Cavendisha in Lavoisierja izkazalo za resni~no. Vendar si je Boyle me{anico plinov napa~no predstavljal kot nehomogeno, v nasprotju s poznej{im Daltonovim zakonom.68 Januarja 1671 je Hooke poro~al RS o svoji novi velikanski vakuumski posodi, povezani s ~rpalko. V njej je lahko sedel, saj je Hooke èlel raziskati vpliv zniànega tlaka na ~love{ki organizem. Hooke je bil majhne postave in nekoliko grbast; zato se je zlahka zavlekel v posodo, kjer bi bilo drugim ljudem pretesno. Grbavost se mu je ve~krat otepala, saj se je Newton z njim nesramno po{alil z izjavo, da vidi dlje, ko stoji na ple~ih velikanov. 23. 2. 1671 je Hooke poro~al RS, da je ~etrt ure sedel v iz~rpani posodi in ni ob~util posebnih teàv. ^lani RS so mu naro~ili, naj poskuse ponovi z ìvalmi in z gore~o sve~o. Zlezel je v posodo pri tlaku 0,9 bar, vendar ni ob~util teàv, razen bole~ine v u{esih. 20. 5. 1671 je z mehom iz~rpaval zrak in tlak meril z manometrom. Sve~a je ugasnila veliko prej, preden je ob~util neprijetnosti v u{esih. Sr~ni utrip se mu med poskusom ni pove~al.69 Papin je pomagal Boylu med letoma 1675 in 1680 in sestavil tretjo ~rpalko. Hookovo metodo je izbolj{al tako, da je vakuum napolnil z "umetnim zrakom", CO2, pridobljenim z namakanjem koral v kislini. ^rpalka z dvema valjema je dosegala 0,01 bar. Boylovo knjigo (1682) z opisom ~rpalke je Wilde pred dvesto leti popisal v knji`nici ljubljanskega Liceja; danes jo najdemo v NUK-u, vezano s {estimi deli drugih avtorjev.

1.3.4 Huygensov vakuum na Nizozemskem in v Parizu Stopnjevanju zmogljivosti ~rpalk in manometrov so v naslednjih stoletjih botrovale {tevilne izbolj{ave na zaklopkah, konektorjih in pasteh v vakuumskih sistemih, ki so prispevale k ni`anju tlaka. Te drobne izbolj{ave, predvsem pa natan~no ~i{~enje povr{in, so se pokazale pomembne pri poskusih Huygensa, drugega sina Descartesovega prijatelja, nizozemskega diplomata in pesnika Constantijna Huygensa. Spomladi leta 1661 je Huygens v Londonu obiskal vrstnika Boyla.70 Po ogledu Boylovih naprav je novembra v doma~em Haagu sestavil lastno ~rpalko. Svoje vzornike je mo~no prekosil, saj je "mehur ostal izpraznjen celo no~", torej kakih 8 ur. ^rpal je bolje od Boyla in Hooka, ki sta uporabljala lesen bat. Istega leta je Huygens v Haagu opazil anomalno suspenzijo pri poskusih z "vakuumom v vakuumu" (slika 1.11). O~i{~eno stekleno cev je napolnil z vodo, jo zaprl, obrnil in poveznil v zbiralnik z vodo. Voda v cevi je zaradi nastalega vakuuma stala vi{je od

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 33 Slika 1.11: Huygensova skica poskusa z "vakuumom v vakuumu" iz leta 1660 ali 1673 je pripomogla k spoznanju nujnosti natan~nega ~i{~enja povr{in v vakuumski tehniki.71

gladine zbiralnika. Vse skupaj je postavil pod zvo- nasto posodo, povezano s ~rpalko. Ko je iz~rpal zrak, je pri~akoval poravnanje gladin vode v cevi in zbiralniku. Toda pogosto se gladina vode v cevi

ni spustila, dokler ni naprave rahlo stresel. 71 Boyle, ki se je onstran Rokavskega preliva ukvarjal s podobnimi problemi, sprva ni verjel Huygenso- vim domnevam; rezultat poskusa je pripisal ne~isto~am. Eksperimentov ni mogel ponoviti niti Towneley. Po dveh letih natan~nega ~i{~enja naprave sta Boyle in Hooke le dobila Huygensove rezultate z vodo in z ìvim srebrom. O odkritju je Huygens januarja 1665 poro~al jezuitu Kinnerju iz Prage, ki je novice posredoval Schottu. @al celo natan~ni Nemci niso znali ponoviti Huygensovih poskusov. Huygens svojih rezultatov ni takoj objavil, kar bi mu danes prineslo obilo nev{e~nosti. [ele julija 1672 je eksperiment opisal v pari{ki akademski reviji u~enjakov. êz dve leti je o uspehu poro~al Huygensov nekdanji pomo~nik Papin, ki je anomalno suspenzijo pripisal mehur~kom zraka v kapljevini.72 Pomladi 1672 sta se Newton in Hooke burno sprla glede teorije barv. Huygensov poskus je vsekakor obetal nekoliko manj hude krvi. Tajnik RS Oldenburg je priskrbel prevod Huygensove razprave za avgustovsko {tevilko filozofskih spisov, saj ve~ina ~lanov RS ni znala teko~e brati francosko. Med po~itnicami so se ~lani RS sestajali le neformalno, tako da so Huygensovo razpravo obravnavali pred RS {ele 30. 10. 1672. Posebno zanimanje so pokazali Hooke, Wallis in predsednik RS Brouncker. Iz Wallisovih pisem Oldenburgu je nastala posebna razprava.73 Newton in za njim Huygens julija 1672 sta pojav pripisovala adheziji med dvema trdninama ali med trdnino in kapljevino. Medtem ko je Huygens menil, da adhezijo povzro~ajo delci etra, sta Newton in Nizozemec P. Musschenbroek vzrok pripisala privla~nim silam med molekulami in ne sili teè. Wallis je odklanjal Huygensovo karteziansko fino snov; izid poskusa je pojasnjeval s "pomanjkanjem elasti~nosti" vode ali ìvega srebra. 6. 11. 1672 je tudi Hooke pred RS prebral razpravo o Huygensovem poskusu, ki pa ni bila objavljena. êz dva tedna je Hooke opravil dodatne poskuse, v katerih je voda stala 12 in~ev nad ravnovesno ravnino, preden je za~ela padati. "Huygensov efekt" je Huygensov pari{ki zaupnik Chapelain pojasnil z domnevo o atomih piramidaste oblike, ki prevzamejo glavno vlogo v vodi pod iz~rpanim zrakom. Huygens ga seveda ni pregrobo zavrnil. Sam je v pojavu videl tlak fine snovi, podobno kot Hooke. Pozneje je Laplace poskus pojasnjeval s kapilarnostjo, v 19. stoletju pa so se zanj zanimali Belgijec Dony, Angle` Wartington in za njima Nemec Helmholtz. V 20. stoletju so raziskovanja nadaljevali Nizozemci Kamerlingh-Onnes, Keesom in Casimir leta 1948 v Philipsovih raziskovalnih laboratorijih (slika 1.12).74 Raziskave elektromagnetnih vzrokov "Casimirjevega" efekta so pokazale, da je bil Newton morda med vsemi najbli`je resnici.

34 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Leta 1662 je Huygens sestavil {e drugo ~rpalko, ki je postala model za {tevilne poznej{e izvedbe. Poloàj sestavnih delov prve ~rpalke je to pot obrnil na glavo. Z dodajanjem me{anice olja in vode v bat je povr{ino med batom in valjem laè zavaroval pred vlago ter obenem obdràl dovolj vlage za obro~ iz koè okoli valja. Ko je valj spu{~al, se je zaklopka odprla in prepustila nekaj kapljevine. Vakuumsko posodo in ~rpalko je vpel v kovinsko plo{~o. Ker med Nizozemci ni na{el dovolj izku{enih steklopihalcev, je za vakuum uporabil kar le- karni{ko posodo. Huygens se je leta 1663 ustalil v Parizu in tam razvil novo sredi{~e raziskovanja vakuuma. Zra~no ~rpalko je predstavil skupini de Mont- mora; le-ta je leta 1664 postala temelj Académie Royale des Sciences (AR) s Huygensom kot vodilnim ~lanom, ~eprav brez pomembnega sodelavca Petita. Huygens je Slika 1.12: Hendrik Brugt Gerard Casimir ostal v Parizu dve desetletji s prekinitvami 74 zaradi vrnitve na Nizozemsko junija 1665 in (*1909; †2000) bolezni med letoma 1670 in 1671 ter 1676 in

1678. 75 V poznej{i ina~ici ~rpalke, ki jo je leta 1668 predstavil pred AR, je Huygens kovinsko plo{~o zamenjal z dva in~a debelim lesom. Nanj je vpel èlezno plo{~o, ki je pritrjevala ~rpalko. Uporabljal je bronaste vakuumske posode s {irokimi odprtinami, ki so omogo~ale raznovrstne poskuse. Problem tesnitve med posodo in osnovno plo{~o je re{il z velikimi koli~inami mehke rumene me{anice voska in terpentina. Enak cement je uporabljal Boyle, ki je ostal v pristnih odnosih s Huygensom. Huygens je potrdil veljavnost Boylovega zakona in izpeljal barometri~no ena~bo, ki je stopnjevala njegovo zanimanje za logaritme.76 Enako ena~bo je uporabil Newton v Principih. Delo prvih vakuumistov je bilo pogosto nevarno. 14. 4. 1668, med ~etrtim Huygen- sovim ~rpanjem osemkotne posode pred AR, je pri{lo do eksplozije; delci naprave so leteli meter dale~. Na sre~o ni bil nih~e huje po{kodovan, previdnej{i akademiki pa so pozneje raje opazovali Huygensove vragolije z akademske distance. Naslednji teden je Huygen zbral malce prestra{ene ~lane AR in jim kazal poskus z uro, katere zvonjenje se skoraj ni sli{alo ve~, ko je iz~rpal posodo, s katero je bila pokrita. Podoben poskus z magnetnim odklonom za zvonjenje zvona v vakuumu je prvi predloìl Kircher in za njim Guericke. Leta 1673 je Huygens objavil na~rt za pnevmatsko dvigalo, kjer je eksplozija smodnika zvi{ala tlak v posodi. Zra~ni tlak je porinil bat v posodo in dvignil ute`. Papin je z dvigalom dvignil 4 ali 5 oseb ob navdu{enih vzklikih ~lanov AR in samega Colberta.77 Postopek àl ni bil ponovljiv. Deset let pozneje se je Huygens vrnil na Nizozemsko. Njegovo delo je pozneje nadaljeval eden od izvr{evalcev njegove oporoke de Volder v sodelovanju z delavnico S. van Musschenbroeka, o~eta pozneje slovitega fizika Pietra.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 35 1.3.5 Papinove ~rpalke Hugenot Papin je bil rojen bogatim star{em v Coudraiesu blizu Bloisa, 150 km jugozahodno od Pariza. Leta 1669 je kon~al Univerzo v Angersu. Dve leti pozneje ga najdemo v Parizu, kjer se je mehanskih spretnosti u~il pri urarju Gaudronu. Sodeloval je s Huygensom in postal njegov pomo~nik leta 1672/73. Huygensovi nasveti so mu ob sre~anjih z Leibnizom odprli nova obzorja, tako da je izumil zaporno pipo s tremi potmi ter postal ~lan AR in RS. Tako kot pozneje Huygens je moral drugam, ko je za protestante zmanjkovalo prostora v Franciji è desetletje pred ukinitvijo Nantskega edikta leta 1685. Postal je Boylov pomo~nik v Londonu, leta 1679 Hookov pomo~nik pri vodenju korespondence RS in kon~no skrbnik poskusov pri RS. Med letoma 1688 in 1695 je bil profesor matematike na Univerzi v Marburgu v slu`bi deèlnega grofa Karla Hessenskega. @al je grof za vojno proti Francozom zapravljal preve~ denarja, da bi lahko dovolj dobro pla~eval Papinove izume. Zato je Papin nekaj let potoval po Italiji in Nem~iji. Med letoma 1692 in 1700 se je prerekal z Leibnizom glede mere gibanja. Za predloga sprtih strani sta se pozneje uveljavila naziva gibalna koli~ina (m ·v) in kineti~na energija, ki je bila v Papinovi ~asih obravnavana kot dvakrat ve~ja "ìva sila" (m · v2). Papin je vneto zagovarjal karteziansko stali{~e o ohranitvi m · v. Leta 1707 se je vrnil v Anglijo, vendar sta medtem umrla è oba njegova pokrovitelja, Boyle in Hooke. Zato ni mogel dobiti slu`be pri Newtonovi RS, kjer je tri desetletja prej kuhal kralju Charlesu II. v ekonomloncu. Kon~no mu je ostalo bore malo za pod zob, ko je v precej{njem pomanjkanju umiral v Londonu.78 Pari{ki akademik Mariotte je Papinove ~rpalke maja 1674 ocenil za dvakrat cenej{e, varnej{e in uporabnej{e od Huygensovih. Prodajali so jih za {tiri angle{ke gvineje, kot beremo v poro~ilu Huygensovega mehanika Hubina.79 14. 12. 1687 je Papin predstavil svojo vakuumsko napravo za kroènje vode pred RS, takoj po izvolitvi novega FRS, Kranjca Valvasorja. Takrat so prebrali prvi del Valva- sorjevega pisma o pretoku vode skozi kra{ko podzemlje pod Cerkni{kim jezerom, ki je temeljilo na starej{i teoriji jezuita Kircherja. Najprej je Papin pokazal svoje vakuumske poskuse, nato pa je Newtonov prijatelj Halley ponazoril polnitev in praznitev jezera po Valvasorjevem opisu z uporabo treh povezanih posod, postavljenih na razli~nih vi{inah. Valvasor je gotovo osebno spoznal pomembne raziskovalce vakuuma, ko je med letoma 1658 in 1672 potoval po Nem~iji, Franciji in Angliji. V Parizu je bil leta 1667, vsaj v Toulonu in Lyonu pa ponovno leta 1670. Tako smo bili Kranjci znova nekako zraven pri pionirskih raziskovanjih vakuuma. Po Hookovi smrti je poskuse pri RS pripravljal samouk Hauksbee. Bil je Boylov pomo~nik, vendar ga RS ni stalno zaposlila kot pred njim Hooka. 15. 12. 1703 je na prvi seji RS pod vodstvom novega predsednika Newtona kazal izpopolnjeno zra~no ~rpalko z dvema batoma, ki jo je bilo veliko laè uporabljati. Z Boylovo ~rpalko je opazoval hitrost gibanja teles v vakuumu. Naslednje leto je Hauksbee v dveh minutah izpraznil posodo s prostornino 0,7 L do tlaka 0,0025 bar. Z izjemo Guerickeja so bili vsi za~etniki raziskovanja vakuuma zelo mladi ob za~etku svojega raziskovanja: Torricelli je imel 36 let, Pascal 24, na{ Turja~an 39, Boyle 32 in Huygens 31. Njihovi pomo~niki: Viviani, Hooke, Papin in Hauksbee, so bili seveda {e mlaj{i. Prve raziskave barometra in zra~nega tlaka so opravili v katoli{kih krogih severne Italije in Francije, prve vakuumske ~rpalke pa so razvili protestanti v Nem~iji, Angliji, na Nizozemskem in v Franciji. Ve~ina mladih pionirjev vakuumske tehnike je vsaj med {tudijem veliko potovala, Huygens in Papin pa sta to po~ela è kot uveljavljena raziskovalca. Tako so se podrobnosti o izumih {irile razmeroma hitro, tudi z demonstracijo in

36 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK osebnimi stiki, predvsem pri znanstvenih dru`bah v Firencah, Londonu in Parizu. Te akademije so odigrale vlogo sodobnih vakuumskih dru{tev, ~eprav so bile seveda namenjene vsem panogam znanja. Ve~ini zgodnjih raziskovalcev je bilo raziskovanje vakuuma le del {ir{ih projektov raziskovanja lastnosti teko~in, {e posebno Pascalu in Boylu. Hooke in predvsem Huygens pa sta bila sploh vsestranska fizika. Kljub krvavim verskim vojnam tedanjega ~asa veroizpoved ni bila ovira za {irjenje odkritij. Tako je protestant Boyle izvedel za Guerickejeve poskuse z branjem knjige jezuita Schotta. Ve~ sporov je bilo med samimi britanskimi raziskovalci vakuuma zaradi politi~nih napetosti v ~asu Restavracije. Boyle je s svojim opisom vakuuma naletel na ostrega tekmeca, {tiri desetletja starej{ega filozofa Hobbesa. Spor je bil politi~no obarvan; Boylov starej{i brat Broghill je bil namre~ ~lan {ibke vlade Protektorata po Cromwellovi smrti do maja 1659 in nasprotnik prezbitarijancev. Monarhist Hobbes je nasprotoval avtoriteti tako katoli{ke kot anglikanske cerkve; seveda pa je navdu{eno pozdravil Restavracijo maja 1660. Bil je Baconov tajnik in prijatelj Harveyja. V pari{kem izgnanstvu je kralja Charlesa II. u~il matematiko. Leta 1662 mu je posvetil "Fizikalne probleme", pozneje pa je prejemal kraljevo pla~o, resda precej neredno. Zavrnil je idejo Boylove RS o temeljni vlogi poskusov; tak{no stali{~e je imel za zagovor "obrtni{kega" dela proti filozofskemu, ~eprav je Galileija ob~udoval. Ideja o vakuumu se mu je zdela prevratna celo v politi~nem pomenu. ^eprav Hobbesovih del niso nikoli tiskali pri RS, je njegova kritika mo~no vplivala na poskuse in celo na spreminjanje delovanja Boylove vakuumske ~rpalke. Boylova skupina zmernih puritancev v RS je podpirala parlament proti kralju v strahu pred absolutno monarhijo. Pozneje je bila politi~no uspe{nej{a, saj je dobila RS pravico tiskanja, medtem ko so leta 1668 Hobbesu prepovedali izdajanje politi~nih in religioznih del v angle{kem jeziku, tako da jih je ve~inoma objavljal v Amsterdamu. Zaradi politi~nih nasprotij je leta 1674 Boyle {e posebej sovra`no zavra~al Hobbesova zbrana dela iz leta 1668. Hobbes je imel privla~no silo med staknjenima gladkima marmornima plo{~ama za glavni dokaz proti Boylovemu opisu vakuuma. Pojav so pojasnili {ele Leibniz februarja 1672, Huygens pri AR junija 1672 in Newton v pismu Boylu februarja 1679.80 Vakuumske ~rpalke so bile najdra`ja znanost tedanje dobe. Po ohranjenih slikah so bile Boylove ~rpalke visoke okoli pol metra, torej precej manj{e od Guerickejeve velikanke, name{~ene v dveh nadstropjih hi{e. Tudi velikanski barometri z vodo ali vinom niso bili ravno poceni. Za izdelavo tak{nih naprav je bilo treba veliko izku{enj pri pihanju stekla. Tako Mersenne ni mogel izvesti Torricellijevega poskusa v Parizu, kjer ni imel na voljo sposobnih obrtnikov. Pascal je bil bolj uspe{en, saj so mu pomagali sloviti pihalci stekla iz Rouena. V Magdeburgu, Oxfordu, Londonu, Parizu in na Nizozemskem so med letoma 1647 in 1670 sestavili skupaj 15 ~rpalk:81 • Prva Guerickejeva ~rpalka v Magdeburgu leta 1648. Dve leti pozneje je sestavil ~rpalko, s katero je leta 1654 izpraznil polkrogli za znameniti magdebur{ki poskus v Regensburgu in jo prodal Schönbornu. • Greatorexova izbolj{ava Guerickejeve ~rpalke • Ena ali ve~ ~rpalk v Boylovi hi{i v Oxfordu. Prva med njimi je bila izdelana v za~etku leta 1659 v Londonu in marca prenesena v Oxford. Decembra 1661 so v Oxfordu na~rtovali popolnoma novo ~rpalko. • Eno ali ve~ ~rpalk so imeli v Greshamovem kolid`u v Londonu, kamor jo je dal Boyle prenesti iz Oxforda poleti 1660. Z njo je med letoma 1661 in 1663 znal upravljati le Hooke, operater Mayow pa je jeseni 1667 obiskovalcem kazal njeno delovanje.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 37 • ^rpalka v Halifaxu leta 1661 • Huygens je jeseni 1661 odnesel ~rpalko na Nizozemsko. • Huygens je do marca 1663 sestavil in pozneje upravljal ~rpalko za Montmorovo skupino. Skupina s Pascalovima prijateljema Petitom, Robervalom (do 1658) in drugimi je delovala med decembrom 1657 in majem 1664 v Parizu. • Sredi 1660-ih let so imeli ~rpalko v Cambridgeu. • Huygens je ~rpalko, izdelano pozimi 1667/68, prinesel v prostore AR med marcem in majem 1668. • Drugo Hookovo ~rpalko z `ivosrebrnim manometrom, izdelano leta 1667, je Boyle opisal ~ez dve leti kot "Poskus, ki preiskuje gibanje in ob~utljivost kartezianske fine snovi, imenovane eter." • Tretjo Boylovo ~rpalko je sestavil Papin. • Senguerd je sestavil ~rpalko z enim samim, skoraj vodoravnim batom, ki jo je omenil v "Filozofiji narave" leta 1681 in jo natan~no opisal v drugi izdaji {tiri leta pozneje. Po Guerickejevem zgledu je uporabil po{evno lego valjev in tesnitev z vodo. Zobate tirnice, ~elno kolo in navzkri`no vreteno je povzel po Hooku, pipo z dvojno potjo po Papinu, namestitev elementov pa po Boylu.82 S. van Musschenbroek je po Senguerdovih na~rtih v Leydenu izdeloval priro~no ~rpalko. Njegov sin Pieter van Musschenbroek je prevzel Senguerdovo katedro za fiziko na Univerzi v Leydenu in pripomogel k prodaji ~rpalke po vsej Evropi. Musschenbroekove ~rpalke z za~etka 18. stoletja so med najstarej{imi ohranjenimi,83 saj je ve~ino starej{ih uni~il zob ~asa. • Hauksbeejevo ~rpalko z dvojnim valjem, izdelano po Boylovih in Huygensovih na~rtih iz leta 1675, so prodajali med letoma 1703 in 1709. Posamezni izdelki so na ogled {e danes.

1.3.6 Manometri Ko je Guericke zvedel za Périerove in Pascalove poskuse, jih je leta 1660 ponovil s prvim uporabnim barometrom na vodo. Cev z vodo je segala do tretjega nadstropja njegove hi{e, v vodi pa je plavala figura iz lesa. ^rpalka je bila name{~ena v dveh nadstropjih njegove hi{e. Sosedje so se sprva muzali na ra~un otro~arij svojega ùpana, ki si je hi{o polnil s ~udnimi napravami. Lepega dne je Guericke opazil, da se je zra~ni tlak mo~no zniàl dve uri pred stra{no nevihto in je urno opozoril some{~ane.84 To~na vremenska napoved, ki jo le redko zmorejo sodobni meteorologi, je Guerickeju seveda prinesla velik ugled. Gospodinje so mu bile globoko hvale`ne, zato je naslednji~ ponovno gladko zmagal na ùpanskih volitvah. Temu bi danes morda lahko rekli znanstveno podprta politi~na kampanja, ki v slovenski politiki àl {e ni najbolj doma. Boyle in Hooke sta merila do 7,9 mbar.85 Guericke je v istem ~asu ocenil tlak pri Torricellijevem poskusu na 13 mbar. Boyle je leta 1660 opisal poskuse, opravljene v letu 1658 in 1659 s prvo Hookovo batno ~rpalko, ob kateri je uporabljal ìvosrebrni manometer v zvonu. Tako se je za~elo ve~ stoletij plodnega tekmovanja med ~rpalkami in manometri glede najni`jih tlakov, ki so jih bili {e sposobni iz~rpati oziroma izmeriti

(slika 1.13). 86 Leta 1662 je Boyle v drugi izdaji "Novih poskusov" objavil meritve tlaka razred~enega zraka in zapisal ugotovitve, ki jih danes imenujemo "Boylov zakon". Mariotte je leta 1679 samostojno opravil Boylovim podobne meritve z manj{anjem gostote zraka pri vi{jih temperaturah. Leta 1699 je Francoz Amontons objavil enak zakon za vse pline.

38 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 1.13: Graf najbolj{ega dose`enega vakuuma med letoma 1660 in 1900 86 z dose`ki na Sloven- skem in vrsto uporabljene vakuumske tehnike

Ve~ino poznej{ih raziskovanj plinskih zakonov so opravili v Parizu: Charles okoli leta 1787, Gay-Lussac leta 1807 in Regnaultova skupina po letu 1840. "Nove poskuse" je skupaj z drugima dvema Boylovima knjigama ponujal ljubljanski knjigarnar Mayr leta 1678 pod naslovom "Traktat o zraku".87 Boyle je tabeliral poskuse z red~enjem zraka do 42 mbar. Zavrnil je Linusov zagovor Aristotela proti tlaku zraka. Po Linusu ìvo srebro v barometru drì 0,76 m visoko nevidna membrana "Funiculus" iz razred~enega ìvega srebra, katere niti naj bi otipali, ko s prstom zatesnimo izpraznjeni prostor. Podobno teorijo o majhnih "vakuumih", ki drìjo 10 m stolp vode pokonci v ~rpalki, je zagovarjal è Galilei v razlagi Heronovega poskusa in zato svoj ~as ni bila tako nenavadna ali celo sme{na, kot se nam zdi danes.88

Kircherjev u~enec Franciscus Linus je bil jezuit angle{kega rodu, v pregnanstvu profesor matematike na angle{kem kolid`u v belgijskem mestu Liège. Po Cromwellovi smrti leta 1658 se je za kratek ~as lahko vrnil v London, kmalu pa je moral nazaj v tujino. Posebno znan je bil po polemiki z Newtonom glede teorije barv, ki jo je objavljal tik pred smrtjo v Phil. Trans.89

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 39 Boyle je pripeljal Linusa na tanek led in s sesanjem dvignil stolp ìvega srebra na odprtem koncu barometra za 2,2 m vi{e kot na zaprtem. Linus se ni dal in je ponovil Pascalov poskus, vendar z nasprotnim rezultatom. Trdil je, da je vi{ina ìvosrebrnega stolpa enaka na vrhu in ob vzno`ju hriba. Seveda kak{nih posebno visokih hribov, razen Ardenov, niti ni imel pri roki; poleg tega pa se je è bliàl sedmemu kriù in ni preve~ rad tovoril te`kega ìvega srebra. [e leta 1711 so Leibiniz, Réaumur in drugi razli~no razlagali zniànje gladine ìvega srebra v cevi ob deèvnem vremenu. Vendar so konec 17. stoletja barometre za prodajo è proizvajali v Angliji, kmalu pa {e drugod po Evropi. Filozofiranje o vakuumu je bilo potisnjeno ob stran, v ospredje so stopali tehni{ki dose`ki.

1.3.7 Getri Naziv "geter" izhaja iz angle{kega glagola "to get". Getri dobro reagirajo s plini in jih tako odstranijo s prostora. Getri so se pojavili è zelo zgodaj, tako da ~rpanje kmalu ni bila ve~ edina pot k vakuumu. Boyle je è leta 1674 in 1684 raziskoval poroznost snovi in okluzijo plinov. Za odstranjevanje sledov vodne pare v vakuumu so sprva uporabljali fosforjev anhidrid. Fontana je leta 1772 odkril adsorpcijo plinov na vro~em lesnem oglju. Bil je duhovnik, profesor logike in fizike v Pisi in nato v Firencah, kjer je bil obenem fiziolog na dvoru velikega vojvode Leopolda I. ^rpalko je sestavil tako, da je èrjavico ugasnil brez stika z zunanjim zrakom. S tem je adsorpcijsko delovanje oglja prihranil za zrak v recipientu. Fontanov doseèk je Ladriani opisal v pismu Angleù Priestleyju, ki je leta 1775 uspe{no ponovil poskuse. Do odkritja so, tako ali druga~e, pri{li {e Scheele (1773) in B. Higgins (1776). Fontanov izum je opisal Nizozemec Ingenhousz po vrnitvi z Dunaja v Anglijo leta 1782. Ingenhousz je sestavil napravo s pokrovom iz bakra in medi, vendar je nasprotno od Fontane menil, da z getranjem ni mogo~e dobiti tako dobrega vakuuma kot s ~rpanjem. Hrvat Domin se je strinjal z Ingenhouszom in napovedal, da bo adsorpcijo mogo~e uporabiti kje drugje.90 Francoz Regnault s Collège de France je vakuum izbolj{al tako, da je posodo pred ~rpanjem napolnil z vodno paro; nato jo je izlo~il s H2SO4, shranjeno v posodici, ki jo je razbil znotraj vakuumske posode. Postopek je ve~krat ponavljal.

Podobno metodo s CO2, kisikom in drugimi plini so pozneje razvili drugi. Leta 1852 je Andrews upo{teval nasvet Davyja in vakuumsko posodo dvakrat polnil ter praznil s CO2, za konec pa je preostali plin fiksiral s pepeliko. Andrewsovo metodo je prevzel Gassiot; s pepeliko je odstranil toliko plina iz katodne elektronke, da je prepre~il razelektritev. Raziskovanje adsorpcije v oglju sta nadaljevala Dewar in Tait leta 1874. Dobila sta vakuum samo z adsorpcijo, popolnoma brez ~rpanja.91 Dewar je pove~al adsorpcijsko mo~ oglja s hlajenjem v teko~em zraku. Dobljeni tlak je ocenil na 3,8 · 10–3 mbar. Finkener je napolnil posodo s kisikom in jo iz~rpal. S segrevanjem bakra do rde~ega `ara je nato spojil preostali kisik v bakrov oksid in dobil tlak 0,033 mbar.92

1.3.8 Zgodnji vakuumski poskusi italijanskih jezuitov Galileijevo fiziko in z njo vakuumske poskuse florentinskih akademikov so veliko po~asneje sprejeli na jezuitskih {olah kot Bo{kovi}evo fiziko sto let pozneje. Jezuiti so vsaj sprva odlo~no odklanjali obstoj vakuuma kot logi~no nemogo~ega in enakega ni~u. Vakuumske poskuse so razlagali po jezuitu Linusu.

40 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Skice v jezuitskih rokopisih so edini podatki o steklenih napravah za vakuumske poskuse, uporabljanih v Italiji in pri nas konec 17. in v za~etku 18. stoletja. Vakuumske ~rpalke, sestavljene v Londonu, Oxfordu, Parizu in na Nizozemskem, so bile razli~ne od {olskih skic italijanskih profesorjev, ki ka`ejo nekatere posebnosti jezuitskega raziskovanja vakuuma (tabela 1.1).

Tabela 1.1: Vakuumski poskusi v italijanskih jezuitskih rokopisih

APUG Kraj in ~as Avtor Vsebina slik dve vrsti ~rpalk, barometri, Robervalov poskus 1093 Rimski kolegij, 1700 Panici "vakuum v vakuumu" 1532 okoli 1700 anonimno magdebur{ki polkrogli, ~rpalka Adiuncta 2 Rimski kolegij, 1706 Guarini poskus z "vakuumom v vakuumu" Manuel 2144a okoli 1720 magdebur{ki polkrogli, ~rpalka, meritve vi{in Esteran

Drugi rokopisi vsebujejo manj uporabne slike. Panici in Guarini sta {e verjela v Linusovo teorijo,93 vendar nista odklanjala vakuuma. Panici je leta 1699/1700 pou~eval fiziko na Rimskem kolegiju; opisal je Boylove poskuse, vendar mu je bila ljub{a razlaga sobratov Linusa in Fabra,94 katerega u~benik so uporabljali v Ljubljani. Priznaval je tlak zraka in navajal Torricellijevo znamenito pismo kardinalu Michelangelu Ricciju. Poleg Boyla je citiral Johna Alfonsa Borellija in rimskega profesorja, jezuita Bene- dictisa. Zanimali so ga dose`ki Bartolija iz Ferrare, ki je bil rektor Rimskega kolegija med letoma 1670 in 1674 in je objavil biografijo Zucchija leta 1682. Panici je popisal meritve mase zraka Galileija, Mersenna in Fa- bra. Poskuse florentinskih akademikov z `ivim srebrom in Galileija z vodo je navajal v podporo svojega mnenja o vakuumu.95 Tako je bil opis vakuuma osnovni del Panicijeve fizike, ki mu je posvetil zadnja 96 poglavja. 97

Slika 1.14: Merjenje vi{ine hriba z barometrom97

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 41 Guarini je bil profesor fizike na Kolegiju v Sieni leta 1703 in profesor matematike na Rimskem kolegiju med letoma 1710 in 1712. [est let po Paniciju je kritiziral Descartesovo teorijo vrtincev, predvsem zaradi Descartesovega nasprotovanja vakuumu. Poro~al je o Torricellijevem poskusu, o Magniju in Linusu. Opisal je Boylovo pnevmatsko ~rpalko in vakuumske poskuse pri florentinski Akademiji,98 predvsem pa Robervalovo teorijo vakuuma. Panici in Guarini sta pou~evala na Rimskem kolegiju. Njune skice kaèjo naprave, ki so jih pozneje razlagali mlademu {tudentu Bo{kovi}u iz Dubrovnika. Pol stoletja po Paniciju in Guariniju je Bo{kovi}eva fizika privzela vakuum za enega svojih temeljev. Vpra{anje vakuuma je bilo odslej postavljeno na popolnoma druga~en na~in kot v starej{em sporu med peripatetiki in atomisti.99 Bo{kovi} se je izognil kartezianskemu jezikovnemu problemu vakuuma ali ni~a. Zato je bil opis vakuuma na Bo{kovi}ev na~in za ve~ino jezuitov edina uporabna pot iz zagate, ki jo je sproìl tedaj è o~iten uspeh vakuumskih poskusov. Prve meritve vi{in z barometri so opravili v Franciji 19. 9. 1648 in pet let pozneje v Angliji. Manj je znanega o meritvah vi{in v Italiji in v habsbur{ki monarhiji. Esteranova risba kaè meritve v Italiji ali v [paniji. S slike lahko ugotovimo, kako so si na posameznih vi{inah hriba sporo~ali ~as v dobi, ko {e niso imeli prenosnih ur (slika 1.14). Roberval in Auzout sta leta 1648 prva opazovala barometer v vakuumu. Kmalu za njima je poskus ponovil Robervalov prijatelj Pascal. Podoben Boylov eksperiment je Schott med vsemi njegovimi dose`ki najbolj cenil.100 Poskus so posre~eno imenovali "vakuum

v vakuumu", pozneje pa je {e posebej zaslovel v Huygensovi izvedbi (slika 1.15). 101 Guarini je kar dvakrat skiciral znameniti Robervalov poskus za svoje {tudente.102 Stolp `ivega srebra se je zni`al, ko so barometer postavili v vakuumsko posodo. Ko so v posodo spustili zrak, se je stolp dvignil na raven, ki je uravnove{ala zunanji tlak zraka (slika 1.16).

Slika 1.15: Vakuum v vakuumu101 (Guarini, 1706, 341/342) Slika 1.16: Jezuitski barometer103

42 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 1.17: Enostavna ~rpalka italijanskih jezuitov104

Slika 1.18: Vakuumske naprave italijanskih jezui- tov105

Slika 1.19: Magdebur{ki polkrogli107

103 Tako Guarini kot njegov anonimni sodobnik sta v svojih rokopisih narisala enostavni vakuumski ~rpalki, podobni zgodnjim Guerickejevim. Na skicah ni mogo~e razlo~iti podrobnosti (sliki

1.17 in 1.18). 104105 Poskuse z Guerickejevimi magdebur- {kimi polkroglami so po jezuitskih u~nih na~rtih obravnavali v poglavju o adheziji in ne v poglavju o vakuumu. Zato so bile na skicah upodobljene ob poskusih s sprijemanjem dveh mar- 106 mornih plo{~ (slika 1.19). 107 Esteranova ~rpalka108 ni bila popolnoma enaka ~rpalkam, ki jih je Hooke Slika 1.20: Vakuumska ~rpalka italijanskih jezuitov109

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 43 Slika 1.21: Jezuitski poskusi v vakuumu111 sestavil za Roberta Boyla v Oxfordu in Londonu konec 1650-ih in v 1660-ih letih 17. stoletja, niti ne tisti, ki jo je sestavil Papin v drugi polovici 1670-ih let. [e bolj se

razlikuje od starej{ih Guerickejevih ~rpalk (slika 1.20). 109 Esteran je svojo napravo po Boylu imenoval "pnevmatsko" in je posami~ skiciral njene sestavne dele. Podobno kot Boyle leta 1669 je Esteran narisal in opisal ve~ deset poskusov v vakuumski posodi. Tako je v vakuumu opazoval delovanje tehtnice, vodo- meta, du{itev `ivali, zvonjenje, adhezijo, barometer, magnete in {e marsikaj drugega 110

(slika 1.21). 111 Panicijevi ~rpalki na Rimskem kolegiju sta bili zelo podobni prvi in drugi Boylovi napravi. Prva Panicijeva skica se je razlikovala predvsem po obliki ogrodja in po zapornem ventilu pod vakuumsko posodo. Nekaj razlik je bilo {e pri pokrovu posode, ki na Panicijevi skici ni dobro viden. Druga Panicijeva skica se mo~no razlikuje od druge Boylove ~rpalke glede na obliko ogrodja, vakuumske posode in premi~nih delov (slike

1.22, 1.23 in 1.24). 112113114 Pred na{im odkritjem opisanih skic jezuitskih profesorjev v italijanski provinci je prevladovalo mnenje, da so v Italiji uporabljali predvsem Torricellijev vakuum pod vplivom

44 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 1.22: Panicijeva vakuumska ~rpalka iz leta okoli 1700112 Slika 1.23: Boylova ~rpalka113

Galileijevih u~encev s florentinske Aka- demije. Ker je bil vakuum v barometru bolj{i od Boylovega, se niso posebno zanimali za ~rpalko, ki bi jim sicer omogo~ala priro~nej{o postavitev poskusov ob veliko ve~jem prostoru za njihovo izvedbo. V Firencah in pri Guerickeju niso izdelali Boylove ~rpalke, ~eprav so njeno sestavo poznali. Tajnik florentinskih akademikov Magalotti se je leta 1678 v Angliji osebno prepri~al o prednosti Boylove naprave pri odpravi mehur~kov v vakuumu. Informacije so se {irile predvsem z osebnimi stiki in s knjigami; zato so florentinski akademiki trdili, da so njihove lastne vakuumske naprave prav tako dobre ali {e bolj{e. Mnenje so si ustvarili na osnovi prvih poro~il o zgodnjem Boylovem delu, podobno kot je Boyle prenizko ocenil Guerickejevo ~rpalko;115 o~itno pa so vsaj v Rimu radi preizku{ali Boylovim podobne ~rpalke. Slika 1.24: Panicijeva vakuumska ~rpalka iz leta okoli 1700114

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 45 V razvoju zgodnjih vakuumskih naprav je {e veliko belih lis. Ker naprave iz 17. stoletja niso ohranjene, je marsikatera podrobnost utonila v pozabo. Rokopisi italijanskih jezuitskih profesorjev nam tako pomagajo zapolniti vrzel v poznanju poskusov, s katerimi so na{i predniki dokazovali obstoj prostora z zni`anim tlakom (slika 1.25).

Slika 1.25: Nekoliko nehuman poskus v Boylovem vakuumu116

1.4 Vakuum na Kranjskem konec 17. in v 18. stoletju 1.4.1 Knjige o vakuumu v Ljubljani konec 17. stoletja Najstarej{e podatke o poznanju vakuuma na nekdanjem Kranjskem nam ka`e raz{irjenost knjig o praznem. Mayrov katalog knjig je leta 1678 strankam v Ljubljani ponujal 2566 na- slovov razli~nih strok. Mayr je prodajal dela tedanjih najpomembnej{ih jezuitskih raziskovalcev vakuuma: {tiri Kircherjeve knjige, pisma in drugi dve Fabrovi117 deli ter {est del profesorja matematike v Würzburgu, jezuita Schotta. Med raziskovalci vakuuma zunaj jezuitskega reda v Mayrovi ponudbi so o~itnej{e predvsem tri Boylove knjige, med njimi Razprava o zraku

Slika 1.26: Stran 51 Mayrove knjigotr{ke ponudbe Ljubljan~anom iz leta 1678, ki vsebuje dve Boylovi deli, sicer uvr{~eni med "Libri medici", ki pa sta po tedanji razdelitvi obsegali tudi kemijo.

46 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK z vakuumskimi poskusi. Poleg tega je Mayr ponujal najpomembnej{i znanstveni ~asopis, Phil. Trans., z Boylovimi in Newtonovimi razpravami (slika 1.26).118 To je bilo glasilo RS, katere ~lan je devet let pozneje postal na{ Valvasor. Med ponujenimi Schottovimi knjigami ni bilo dela "Hidravli~no-pnevmatska mehanika", kjer je leta 1657 prvi~ opisal Gueri- Slika 1.27: Mayrova knjigotr{ka ponudba Ljub- ckejevo ~rpalko. Zato pa je Mayr ponujal ljan~anom iz leta 1678, ki na dnu ponuja {est Tehni{ke zanimivosti iz leta 1664, kjer je Schottovih del o Guerickejevih in drugih Schott v prvem delu opisal poskuse z poskusih120 Boylovo in Guerickejevo zra~no ~rpalko. Peti~ni Ljubljan~ani so si lahko kupili Schottovo popolnoma novo Magijo, kjer je v 7. knjigi o poskusih s plini opisal jezuitsko raziskovanje vakuuma in poskus z magdebur{kima polkroglama (slika 1.27).119 Bogato ilustrirano knjigo so seveda kupili ljubljanski

jezuiti in preverili resni~nost regensbur{kih zgodb turja{kega kneza. 120 Schönleben, sin ljubljanskega me{~ana, je med letoma 1655 in 1663 popisal in kata- logiziral knjige knezovega starej{ega brata, turja{kega grofa Volka Engelberta. Imel je prvo izdajo Kircherjeve Velike umetnosti, katere drugo izdajo je Mayr nekaj mesecev po smrti kneza Janeza Vajkarda ponujal Ljubljan~anom. Leta 1697 so Turja~ani svoj izvod Velikih umetnosti dali ljubljanskim jezuitom, ki so se ravno pripravljali na odprtje ljubljanskih vi{jih {tudijev. Kircher je v tem delu obravnaval Torricellijev poskus z ìvosrebrnim barometrom.121 V Idrijskem rudniku so è dve stoletji kopali ìvo srebro; zato so bili poskusi z njim za Kranjce {e posebej pomembni.

Tabela 1.2: Knjige o vakuumu v Ljubljani med letoma 1678 in 1800

Avtor Naslov Kraj, leto izdaje Knji`nica (signatura) Mayeri Pneumatica Mayr 1678 Augustin Mayr Luft-Luft und Feuer Kunst Ulm: Schultes, 1680 Wilde (1540) Blaise Pascal Traite de l'equilibre des liqueurs 1663, 2: 1698 Erberg 1798 Tractatus philosophicus de Dunaj, 1716; Erberg 1798 (samo druga: Laurentio Gobart barometro Gradec, 1746 Wilde (1494), NUK (8294)) Wilde (1420), NUK Robert Boyle Experimentum Novorum @eneva, 1682 (8340–8346) Opuscula posthuma physica et Descartes Amsterdam, 1704 Wilde (1421) mathematica Jo`ef Anton Disertatio Physico-Medica de Aire Dunaj, 1758 Erberg 1798, Wilde (1432) Haymon Essai de Physique avec une P. van Description de nouvelles sortes de Leyden, 1739 Wilde (1442), NUK (8463) Musschenbroek machines pneumatiques, et un Recueil d'experiences Dissertatio Phisica de corpore F. B. Keri (*1702) generatim, de que opposito eidem Trnava, 1753 Wilde (1483), NUK (8257) vacua Supplicium Mercuri in Barometro Gradec, 1752 Wilde (1568)

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 47 Ne vemo, koliko knjig so Ljubljan~ani kupili pri Mayru, saj poznamo kataloge ve~jih knji`nic na Kranjskem {ele za 18. stoletje. Gotovo pa ponujene knjige o vakuumu ka`ejo, da so se na{i predniki zanimali zanj `e zelo zgodaj. V Ljubljani prodajana Boylova dela {e danes veljajo za temelje sodobne fizike, kemije in vakuumske tehnike; Ljubljana pred tremi stoletji pa~ ni bila provincialno mesto brez stika z napredkom raziskovanja vakuuma v tedanjih evropskih sredi{~ih. Najve~ knjig sta pri Mayru kupovala sin prvega turja{kega kneza in sin njegovega ko~evskega mitni~arja, Franc Jakob Erberg, starej{i brat Janeza Danijela (tabela 1.2).

1.4.2 Pouk o vakuumu na Jezuitskem kolegiju v Ljubljani (1706–1773)

1.4.2.1 Ljubljan~ani za~nejo predavati o vakuumu Mlaj{a sestra Janeza Danijela Erberga, Marija, se je poro~ila s plemi~em Matijo II. Jen~i~em. Kmalu po poroki je Matija leta 1674 postal upravitelj turja{kega gradu Po- ljane. Njegov sin, fizik Sigmund Jen~i~, je na ljubljanskem kolegiju pou~eval med letoma 1701 in 1705 ter znova med letoma 1713 in 1718. Gotovo se je spomnil stri~evih zgodb o Turja~anovih in Guerickejevih poskusih. Zato je v petintrideseti izpitni tezi svoje ljubljanske {tudente fizike opozarjal na razlike v gostoti snovi, ki so omogo~ale delovanje vakuumskih ~rpalk. Na Jezuitskem kolegiju v Ljubljani so za~eli pou~evati fiziko leta 1706; prvi doma~i kranjski avtor fizikalnega u~benika pa je bil {ele Anton Erberg iz Dola pri Ljubljani, bratranec Sigmunda Jen~i~a in sin Janeza Danijela Erberga. Anton je bil profesor v Ljubljani in zadnji dve leti pred smrtjo rektor Ljubljanskega kolegija. Za terezijanske reforme pouka je napisal Splo{no in Posebno fiziko v Aristotelovih poglavjih,122 ki so jih natisnili komaj posmrtno. V prvem delu razgovora O nastajanju in propadanju je navajal svoja lastna in Magnijeva dela. V drugem delu je obravnaval spremembe v snovi. Navedel je vakuumske poskuse Torricellija, Huygensa, Boyla in Guerickeja. O Guerickejevih in Turja~anovih poskusih v Regensburgu je veliko sli{al `e od svojega o~eta in se ni popolnoma otresel Aristotelovih in Turja~anovih dvomov o mo`nosti gibanja kamna skozi vakuum. Raz~lenil je mo`nosti za obstoj vakuuma in v nasprotju z Magnijem zagotavljal, da v naravi telesa ne morejo biti v praznem prostoru.123 Mnenje je bilo {e dokaj raz{irjeno v ~asu mladosti A. Erberga, vendar je bilo ob izidu njegove knjige `e zastarelo.

1.4.2.2 Erbergovo pojmovanje vakuuma, njegova zbirka u~il in poznej{e dopolnitve Ne~ak Antona Erberga, Hallerstein, je leta 1773 skupaj s sodelavci prvi~ predstavil vakuumske poskuse kitajskemu cesarju. V tistem ~asu je pravnuk brata kneza Janeza Vajkarda Turja{kega, Herbert Turja{ki, postal profesor posebne in splo{ne fizike v Ljub- ljani leta 1770. Antonov bratranec, B. F. Erberg, je leta 1754 v Ljubljani izdal Fiziko magnetov znamenitega nizozemskega fizika P. van Musschenbroeka. V istem letu so pri Ljubljanskem kolegiju kupili vsaj tri Musschenbroekove knjige, med njimi Esej o fiziki, kjer je praznemu prostoru posvetil celo poglavje. V nasprotju s kartezijanci je Musschenbroek trdil, da je praznega prostora mnogo ve~ od prostora s snovjo. Menil je, da se voda hitreje hladi v praznem prostoru kot na zraku, kar je napa~no dokazoval s prenehanjem gorenja v praznem prostoru. Napaka je bila posledica nepoznanja vloge kisika pri gorenju, ki so jo raziskali {ele Priestley, Scheele in predvsem Lavoisier po Erbergovi smrti.

48 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Pieter van Musschenbroek je bil rojen v Leydenu v dru`ini protestantskih Flamcev, ki so se pred verskimi razprtijami umaknili na sever. Na leydenski Univerzi je do leta 1715 {tudiral filozofijo, matematiko in medicino pri Nizozemcu Boerhaavu, profesorju medicine, botanike in kemije v Leydenu od leta 1708. Nato je od{el k Newtonu v London. [tudij je nadaljeval v Nem~iji, kjer je leta 1719 dobil diplomo doktorja filozofije in postal profesor filozofije in matematike na Univerzi v Duisburgu. Pri pouku je kazal poskuse. Med letoma 1723 in 1739 je pou~eval na Univerzi v Utrechtu in leta 1734 izdal sloviti u~benik fizike v latinskem jeziku, ki so ga dve leti pozneje izdali kot prvo fizikalno delo v nizozemskem jeziku. Leta 1732 je dobil katedro za astronomijo v Utrechtu, januarja 1740 pa je sprejel katedro za filozofijo doma~em Leydenu.

Vakuumska ~rpalka je bila sestavni del vsakega bolj{ega laboratorija v stoletju po njenem izumu, podobno kot pozneje leydenska steklenica*. O vakuumskih ~rpalkah na Jezuitskem kolegiju v Zagrebu vemo zelo malo.124 Po katalogu izdelovalca znanstvenih naprav Branderja iz Augsburga je bila leta 1753 najcenej{a vakuumska ~rpalka vredna od 150 do 175 fl, skupaj s pripadajo~imi steklenimi deli. Druga je stala 250 fl, najdra`ja pa 350 fl. Najdra`ja ~rpalka je bila izdelana po na~rtu 's Gravesanda, sodelavca P. van Musschenbroeka v Leydenu. Mikroskopi so bili veliko cenej{i, saj je bilo treba zanje od{teti le od 30 do 40 fl.125 17. 9. 1755 je profesor matematike Erberg opisal enainpet- deset instrumentov, potrebnih za pouk matematike in fizike v Ljubljani. Povpre~no so stali po 50 fl, pozneje pa so za njihovo vzdrèvanje vsako leto namenili le polovi~no ceno enega izmed njih. Tako si Ljubljan~ani gotovo niso mogli privo{~iti ve~jega {tevila vakuumskih ~rpalk. B. F. Erberg je bil profesor matematike, filozofije in fizike na vi{jih {tudijih v Ljubljani med letoma 1751 in 1758. Iz njegovih {tudijskih let se je ohranil nedatiran rokopis Fizike, v katerem je obravnaval zrak in strah pred vakuumom. Kar deset poglavij je namenil raziskovanju vakuuma, nadtlaka in upora zraka. Med njimi je bila pnevmatska ~rpalka z lastno skrinjo in dvojno skledo, s katero so iz~rpali zrak iz steklenega poveznika. S podobno napravo je è Boyle dokazoval, da vakuum ne prevaja zvoka. Pri poskusih s ~rpalko je Erberg v Ljubljani poleg poveznika àrel plo{~o in kazal prevajanje toplotnega sevanja skozi vakuum. K ~rpalki je spadalo posebno svetilo. Za tesnitev vakuumske posode so uporabljali smolasto zmes svinca in srebra. Tako je {est Erbergovih ljubljanskih naprav tvorilo komplet za raziskovanje vakuuma (slika 1.28). Za prikaz zra~nega tlaka so uporab-

ljali Guerickejevi magdebur{ki polkrogli. 126 Tako je vnuk knezovega mitni~arja, B. F. Erberg, stoletje po prerekanju med Tur- Slika 1.28: Lesorez iz Boylove knjige s posku- ja~anom in Guerickejem v Regensburgu som zvonjenja v vakuumu, kot so ga po letu nabavil magdebur{ki polkrogli za pouk pri 1755 {tudentom kazali v Jezuitskem kolegiju v ljubljanskih jezuitih. Vsaj tedaj, ~e `e ne v Ljubljani126

* Leydenska steklenica je bila prvi uporabni elektri~ni kondenzator. Imenovali so jo po nizo- zemski univerzi, na kateri je tedaj predaval eden njenih izumiteljev, P. van Musschenbroek. Ob prvem poskusu ga je tako streslo, da ga za vse na svetu ni hotel ve~ ponoviti.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 49 ~asu prvega turja{kega kneza, so lahko Guerickejevemu poskusu ploskali tudi {tiristo kilometrov jugovzhodno od Regensburga, v beli Ljubljani. Magdebur{ki polkrogli sta bili znova popisani leta 1811 med instrumenti za preu~evanje hidrostatike in leta 1847 med instrumenti za raziskovanje plinov. Napravo iz leta 1755 so nadomestili z novo, ki jo je izdelal ljubljanski zvonar Samassa. V naslednjih letih so odpisali Samassovi magdebur{ki polkrogli, ki ju ne najdemo v popisu leta 1866. Tretji Guerickejevi polkrogli v sodobnej{i izvedbi so nabavili za Gimnazijo v Ljubljani v {olskem letu 1867/68. Dvigovanje curka vode s stisnjenim zrakom so po letu 1755 na ljubljanskem Jezuitskem kolegiju kazali v Heronovem vodometu iz brona, ki je bil znan `e v anti~ni Aleksandriji. Erberg je nabavil {e barometer za meteorolo{ka opazovanja in kartezijanskega plava~a, pritrjenega na polprazno votlo kroglo, ki se je pod pritiskom na zama{ek cevi spu{~al s povr{ja proti dnu kapljevine. Erberg je kupil {e Heronovo brizgalno iz bakra. Tako kot magdebur{ki polkrogli so oba Heronova instrumenta odpisali pred letom 1866. Vendar v Heronovem primeru niso nabavili novih naprav, ki se o~itno niso ve~ skladale s sodobnimi u~nimi na~rti. Erbergov "barometer za meteorolo{ka opazovanja" so uporabljali {e leta 1811, ko je Kersnik na Centralnih {olah v Ljubljani popisal u~ne pripomo~ke.

1.4.2.3 Tauffererjeva izdaja Mairanove knjige Re~an Tricarico je leta 1757 pou~eval fiziko v Ljubljani. Dve leti prej je natisnil 30 izpitnih tez v Gradcu, med katerimi je teze iz fizike postavil za enajstimi tezami iz metafizike. Po opisu razlike med fiziko in kemijo so {tudentje morali dokazati obstoj vakuuma in njegovo raz{irjenost. Ob tezah je natisnil {e poljudne fizikalne pogovore francoskega jezuita Regnaulta; le-ta je opisal Torricellijeve poskuse z `ivosrebrnim barometrom, zavra~anje straha pred praznoto v delih Galileija in Kircherja ter poskuse Pascala, Mariotta, Boyla in Guerickeja z vakuumom.127 Ljubljanski profesor fizike Taufferer iz Turna pri Vi{nji Gori je dal leta 1760 natisniti 19 izpitnih tez iz splo{ne in prav toliko iz posebne fizike. Izpit je kon~al z dvema tezama iz biologije. Teze sta branila [kofjelo~an Anton Feichtinger in Ljubljan~an Alojzij Ver- matija Vermesfeld in prvi~ v zgodovini ljubljanskih {ol javno podprla Kopernikov sistem. Taufferer je pojasnil Torricellijeve poskuse z barometrskimi cevmi, elasti~ni eter in prazen prostor v porah teles. Majhni delci teles naj bi z nihanjem povzro~ali toploto in zvok, okoli njih pa naj bi bil prazen prostor. Razred~enje teles nastane zaradi {irjenja por (votlin), ki ga povzro~a vstop ne{tetih delcev ognja. Podobno naj bi zgostitev povzro~alo kr~enje votlin zaradi kohezije. Zaradi motenj v ravnovesju etra naj bi pri{lo do izhlapevanja zelo finih delcev iz votlin snovi. Svoje ideje o vakuumu je povzel po prvih dveh poglavjih prevoda knjige tajnika pari{ke akademije Mairana, ki jo je dal kot promotor natisniti ob ljubljanskih izpitnih tezah. Jean Jacques D'Ortous de Mairan (Dortoux, Dortous, 1678–1771) je opisal vakuum v cevi nad stolpom `ivega srebra. Obravnaval je predvsem meteorologijo; le na prvi strani je opisal delovanje vakuuma v barometru in zra~nega tlaka.

1.4.2.4 J. Schöttlovo pojmovanje vakuuma po Raigersfeldovih zapiskih iz leta 1763 Raigesfeldi so bili kranjska plemi{ka rodovina tla~anskega rodu iz Rakovice pod Sv. Jo{tom na Gorenjskem. M. Raigersfeld je med letoma 1761 in 1767 {tudiral pravo in kameralistiko pri Sonnenfelsu na Dunaju, ki ga je imel za svojega najbolj nadarjenega {tudenta. Leta 1763 je {tudiral na Terezijanskem jezuitskem kolegiju na Dunaju. Tam je

50 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK poslu{al predavanja fizike nekdanjega ljubljanskega profesorja J. Schöttla, po u~beniku Mad`ara Paula Maka. Raigersfeld je pisal o vakuumu in porah v telesih.128 Najprej je poskusil utemeljiti obstoj vakuuma, {ele v poznej{ih poglavjih pa se je lotil matemati~nih ena~b. Glede vakuuma so bili kartezijanci in Leibniz v nasprotju z zagovorniki Newtona in Epikura. Vendar v popolnoma zapolnjenem prostoru gibanje ni mo`no, saj ni prostora za premik. Vakuum je med zvezdami. V kartezijanskem subtilnem etru je Raigersfeld videl nasprotja. Menil je, da bi oviral gibanja planetov. Ta argument je bil {e ve~krat uporabljen v drugi polovici 19. stoletja. Raigersfeld je imel pore za presledek med dvema ali ve~ delci snovi. V porah je neskon~no ve~ vakuuma kot v samih telesih. Prav tako je v porah veliko ve~ vakuuma kot snovi, razmerje med njima pa je Raigersfeld izrazil s {tevilkami. Te`a je sorazmerna s koli~ino materije; v la`jih telesih je ve~ vakuuma. V ozadju tak{nega razmi{ljanja ~utimo domnevo o enakih atomih z razli~no medsebojno oddaljenostjo v razli~nih snoveh. Pore v telesih omogo~ajo {irjenje zvoka in svetlobe. Delci, ki se gibljejo skozi snov, ob~utijo odbojno silo. Pri drugih medsebojnih razdaljah med delci pride do privla~ne sile129 po Bo{kovi}evi teoriji. Raigersfeld ni navedel novega Bo{kovi}evega dela, saj je s citati tudi sicer zelo skoparil. Njegov profesor J. Schöttl in predvsem Mako sta spadala med najbolj vnete zagovornike Bo{kovi}a v monarhiji.

1.4.2.5 Vpliv Bo{kovi}eve fizike v Ljubljani do leta 1773 Sredi 1750-ih let so jezuiti posodobili pouk fizike na Ljubljanskem kolegiju. Po letu 1753 so nabavili {tevilne fizikalne knjige nejezuitskih avtorjev in utemeljili fizikalni kabinet. 9. 3. 1758 je Ljubljano obiskal sloviti jezuitski fizik Bo{kovi}. Na poti z Dunaja v Benetke je prespal no~ po lepem sprejemu na Jezuitskem kolegiju v Ljubljani (slika 1.29). V tem ~asu je fizika v Ljubljan- skem kolegiju dejansko nehala biti del filozofije ob metafiziki in logiki, saj od leta 1764 dalje profesorjev fizike v Ljubljani niso ve~ menjavali vsako leto, temve~ so fiziko raje predavali po ve~ let za-

pored isti profesorji. 130 Vsi ljubljanski profesorji fizike so bili v zadnjem desetletju pred ukinitvijo jezuitskega reda in tudi po njej zagovorniki Bo- {kovi}eve fizike. Po Bo{kovi}u je bil vakuum sicer ~isto imaginaren, a vendarle ne popolnoma ni~, saj je spreminjal ~isto realne razdalje med ma- Slika 1.29: Vpis v jezuitskem Diarium ministri o obisku Ru|erja sami. Bo{kovi}a v Ljubljanskem kolegiju 9. 3. 1758130

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 51 Dunaj~an Dillherr, predzadnji rektor ljubljanskega kolegija med letoma 1763 in 1766 ter 1769 in 1772, je leta 1746 v Gradcu kot promotor izdal razpravo o barometru. Delo je sestavljalo 220 o{tevil~enih odstavkov. êtrti med njimi je zanikal "horror vacui", deseti pa je pravilno opisal dvigovanje ìvega srebra v barometru zaradi teè zraka. Sledili so opisi poskusov Kircherja, Boyla in drugih raziskovalcev. V 104. odstavku je bila opisana mo`nost za red~enje in zgo{~evanje zraka s ~rpalko oziroma tla~ilko. Koro{ec Janez Krstnik Pogrietschnig je bil profesor fizike v Ljubljani med letoma 1764 in 1768. Leta 1768 je dal objaviti teze za izpit iz fizike, ki so jih {tudentje dali vezati s knjigami slovitih avtorjev, ob ponatis Asclepijeve astronomske razprave in Bo{kovi}eve fizike. Ravnovesje ìvega srebra v barometru je pojasnil brez omembe vakuuma, barometer pa je obravnaval predvsem z meteorolo{kega stali{~a. Bo{kovi}evo in Asclepijevo delo je ob svojih izpitnih tezah v Gradcu ponatisnil tudi Dunaj~an Biwald, najpomembnej{i pisec fizikalnih u~benikov v tedanji habsbur{ki monarhiji. Na Jezuitskem kolegiju v Ljubljani je pou~eval med 23. 10. 1755 in 1757 ter znova leta 1761. Njegove teze za izpit iz fizike so bile pozneje ve~krat ponatisnjene z neznatnimi spremembami. V njih ni bilo posebnih vpra{anj o teoriji vakuuma, toliko bolj pa so Biwaldovi {tudentje morali poznati poskuse s ~rpalkami, sifonom in razli~nimi umetno narejenimi vrelci, s katerimi so opisali delovanje barometra. Neprozornost teles so pojasnjevali s heterogeno zgradbo delov telesa in z neenakomerno porazdelitvijo masnih delcev in praznih prostorov v telesu.

1.4.2.6 Pouk o vakuumu na Liceju v Ljubljani od leta 1773 do ukinitve 20. 10. 1785 Vega je leta 1775 opravil zaklju~ni izpit na Liceju v Ljubljani po osemintridesetih fizikalnih tezah Gregorja Schöttla, sorodnika Janeza Schöttla (slika 1.30). Gregor je leta 1769 za~el pou~evati fiziko v Ljubljani.131 G. Schöttl je leta 1771 v tezah o teko~inah nasploh in {e posebej o vodi obravnaval paro, vendar ni omenil ne parnega stroja ne vakuuma. Leta 1775 je od Vege in drugih {tudentov zahteval opis materije, ki jo poleg snovi sestavljajo tudi pore z vakuumom. [tudentje so opisovali {irjenje svetlobe skozi vakuum in se pri tem sklicevali na demonstracijske poskuse z 20 let prej nabavljenimi napravami, ki so jih spoznali med poukom. Pozneje je Vega s pridom uporabil znanje, ki si ga je pridobil med {tudijem v Ljubljani. Leta 1800 je celo poglavje svojega u~benika posvetil zra~nim ~rpalkam in tla~ilkam, sestav- ljenim iz bata, veznih posod, recipientov ter pip. Posebej je opisal Torricellijeve in Guerickejeve poskuse s polkroglama. Vedel je, da z Gueri- ckejevo ~rpalko ni mogo~e dose~i Slika 1.30: Jurij Vega tako dobrega vakuuma kot v

52 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Torricellijevem barometru. Opisal je 12 poskusov z vakuumom ob uporabi zra~nih ~rpalk: 1) Vi{ino ìvosrebrnega stolpa je ve~al z iz~rpavanjem zraka nad njim. 2) Red~il je zrak v cevi, tako da je {lo ìvo srebro v odprto cev, poveznjeno v posodo z ìvim srebrom. Ko je spustil atmosferski zrak, je ìvo srebro padlo navzdol v posodo. 3) Ko je ~rpal zrak, je nara{~al zunanji tlak na steno steklene posode. Pri velikem razred~enju je lahko pri{lo do deformacije posode. 4) S spu{~anjem atmosferskega zraka v izpraznjeno posodo je izravnaval zunanji in notranji tlak. 5) Opisal je Guerickejev poskus, v katerem 15 konj brez uspeha vle~e vsaksebi izpraznjeni polkrogli. 6 in 7) Sve~a je ugasnila, ìval pa se je zadu{ila v razred~enem zraku. 8) Z red~enjem zraka je zmanj{eval jakost zvoka zvonca v vakuumu, tako da je zvonec skoraj popolnoma potihnil. 9) Opisal je kartezijanski plava~, ki ga je spoznal è med poukom fizike v Ljubljani. 10) Kljub mo~nemu red~enju zraka se voda v recipientih med ~rpanjem le malo segreje. 11) Pivo, mleko in kvasilo izlo~ajo zelo veliko zra~nih mehur~kov v razred~enem zraku. 12) Nekaj vode je izparelo, ko je zrak nad njo mo~no razred~il. Popolnoma prozorna para se je uteko~inila na stenah, ko je v posodo spustil zrak. S tehtanjem izpraznjene votle krogle je dokazoval, da ima zrak teò. Telesa so bila te`ja v vakuumu brez vzgona, ki bi nasprotoval sili teè.132 Po ukinitvi jezuitskega reda je fiziko na Liceju v Ljubljani 12 let (1773–1785) predaval nekdanji jezuit Ambschell iz Györa na Ogrskem. Bil je vnet zagovornik Bo{kovi}eve fizike. Kot ljubljanski rektor ni mogel prepre~iti za~asne ukinitve liceja. V izpitnih tezah je obravnaval barometer in prazne prostore v snovi.

1.4.2.7 Vakuum pri pouku fizike v Ljubljani v prvi polovici 19. stoletja Po ponovni ustanovitvi Liceja v Ljubljani 24. 4. 1788 je za~el fiziko predavati nekdanji jezuit Jernej Schaller, rojen leta 1745 v vojvodini Avstriji. Ob njegovi bolezni ga je od 3. 3. 1803 do jeseni 1806 nadomestil Neumann z Moravske, poznej{i profesor poljudne astronomije na Joanneumu v Gradcu in fizike na Dunaju. Neumann je v Gradcu od 1808 do 1812 izdal u~benik Compendiaria Physica, v nem{kem prevodu Lehrbuch der Physik. Knjigo so takoj po natisu nabavili za licejsko knji`nico v Ljubljani. Nekdanji Neumannov licejski {tudent Kersnik, ded slovitega pisatelja, jo je uporabljal pri latinskem pouku fizike v prvem letniku Filozofske fakultete Akademije v Ljubljani leta 1810/11. Kersnik gotovo spada med slovenske profesorje fizike z najdalj{im sta`em, saj je pou~eval fiziko od 10. 12. 1808 do smrti; skoraj 42 let. Med francosko zasedbo je bil profesor fizike na Écoles centrales v Ljubljani, prestolnici Ilirskih provinc. Leta 1811 je popisal magdebur{ki polkrogli in druge naprave v fizikalno-kemijskem kabinetu v Ljubljani. Po restavraciji je Janez Kersnik leta 1825 pou~eval fiziko na ljubljanskem Liceju po u~beniku piarista Remigia S. Döttlerja. Döttler je prevzel predavanja fizike in mehanike na dunajski Univerzi po Ambschllu (1804–1809) in katedro obdr`al do svoje smrti leta 1812. Döttlerjev u~benik je temeljil na Bo{kovi}evi dinamiki in je razlikoval med splo{no in posebno fiziko. Guerickejeve poskuse, posledice red~enja in zgo{~evanja

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 53 zraka ter izdelavo razli~nih Torricellijevih cevi ali barometrov je obravnaval v prvem poglavju posebne fizike.133 Hummel z Moravske je bil poldrugo desetletje Kersnikov kolega, saj je predaval elementarno matematiko v prvem letniku Liceja v Ljubljani od leta 1835 do odhoda v Gradec. Na gra{ki Univerzi je leta 1850 postal prvi profesor fizike in katedro obdr`al do upokojitve 31. 5. 1867. [e pred imenovanjem za suplenta in leta 1837 za pravega profesorja v Ljubljani je leta 1821 sestavil napravo za izbolj{ano vrenje vina in piva.134 V napravi za vrenje je uporabljal tesnila in recipiente, zna~ilne za tedanje naprave z vakuumom in nadtlakom (slika 1.31).

Slika 1.31: Hummlova naprava za vrenje vina135

1.5 Parni stroji

S parnimi stroji je bila vakuumska tehnika v 18. stoletju prvi~ uporabljena v industriji. Razvoj parnih strojev se je zato iz znanstvenih laboratorijev izobraèncev preselil v delavnice nadarjenih samoukov izumiteljev. Razvoj tehnologije je bil ve~ desetletij prehiter za znanost. Tako je prvo resno teorijo delovanja parnega stroja objavil {ele Carnot v ~asu, ko so bili parni stroji v razvitih delih Evrope è mnoì~no uporabljani.

1.5.1 Vakuumska tehnologija v parnem stroju Vrtavko, ki bruha paro, je znal sestaviti è Heron okoli leta 200. pr. n. {. v Aleksandriji v dana{njem Egiptu. Njegovo zamisel so izbolj{evali Blasco de Garay leta 1543, Solomon de Caus leta 1615, Italijan Giovani Branca leta 1629, Markiz de Worchester leta 1663 in sir Samuel Moreland leta 1682. @e Huygensov raziskovalni program novoustanovljene AR, ki ga je leta 1666 predloìl mogo~nemu ministru Colbertu, je skoraj v isti sapi v prvih to~kah prepletal raziskovanje vakuumske ~rpalke in gibalne sile vodne pare.136 Papin je bil najbolj znamenit med mo`mi, ki so razvijali tako vakuumske ~rpalke kot parne stroje. Izum kuhanja pod visokim tlakom mu je leta 1680 prinesel izvolitev v RS. Idejo je gotovo lahko dobil è

54 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK med slu`bovanjem pri Boylu, ki je è v 1660-ih letih vrel vodo pri sobni temperaturi in tlaku, ni`jem od 1/30 bar. Med letoma 1690 in 1695 je Papin v Marburgu sestavil prvi uporabni parni stroj z batom, ki je lahko dvignil 27 kg. Sestavil je {e slovito ladjo na paro, toda oblasti v Fuldi so jo uni~ile, ker ni pla~al dol`nih pristojbin. Politiki so od nekdaj trdo postopali z velikimi znanstveniki in se brigali za dana{njo in ne za prihodnjo slavo. Po drugih virih naj bi {lo za navadno ladjo brez parnega pogona. Vsekakor je lahkoverni Papin v ladjo vloìl vse svoje imetje, zato je po zaplembi obuboàl. Leta 1698 je na popotovanjih po Nem~iji in Italiji nadaljeval izbolj{ave parnega stroja, vendar ne RS ne drugi premo`ni meceni niso podprli njegovih na~rtov. Danes nas presene~a, da Papin ni uporabljal posebnega bojlerja v svoji napravi, temve~ je njegovo vlogo prisodil kar cilindru, ki ga je moral ob vsakem zamahu bata vle~i v ogenj ali iz njega. Tak{en prijem je bil razmeroma nenavaden v Papinovem ~asu, poleg tega pa Papin ni imel potrebnih izku{enj.137 Angle` Savery iz Devonshira je uporabil Papinovo idejo ter Boylova in Guerickejeva raziskovanja vakuuma. Saveryjevega Prijatelja rudarjev s 500 konjskimi silami so uporabljali predvsem za ~rpanje vode iz rudnikov. Leta 1698 je Savery dobil patent za svojo napravo in sprejel za partnerja svojega soseda, kova~a Newcomena iz Devonshira. Naslednje leto je Savery predal delujo~ model naprave RS, kjer jo je gotovo ocenjeval Hooke. Skica je bila objavljena v Phil. Trans. s Saveryjevimi opombami, Savery pa je bil izbran za ~lana RS. Druga~e od svojih predhodnikov ni bil prav ni~ skrivnosten in je objavil natan~en opis svoje naprave. Newcomen si je è v 1780-ih letih dopisoval s Hookom glede atmosferske in Papinove naprave. Hooke je svetoval uporabo vakuuma pod batom, ki bi omogo~ila uspe{no delovanje atmosferske ~rpalke.138 Leta 1712 je Newcomen sestavil napravo, ki ni uporabljala pare pod visokim tlakom, temve~ je delo opravil kar zra~ni tlak. Bati in valji so morali biti zato zelo dobro tesnjeni, kar je bila pozneje osnovna ideja Vegove izbolj{ave mo`narjev. Newcomenov parni stroj je ostal v splo{ni uporabi od leta 1725 do Wattovih izbolj{av. Podobne naprave sta konstruirala Angle` John Cawley leta 1711 in 1712, pred njim pa [ved Polhem. Vendar rokodelci njihovega ~asa {e niso znali sestaviti posod, ki bi varno delovale pod velikimi parnimi tlaki. Angle` John Kay leta 1733, John Wayatt, Lewis Paul, James Hargreaves leta 1764 in Arkwright s predilnim strojem leta 1769 so omogo~ili uporabo parnih strojev v tekstilni industriji. [kot Watt je leta 1769 prvi uporabil drugo posodo kot kondenzor v Newcomenovemu stroju. S tem se je izognil izgubam starej{ih modelov, pri katerih je morala para v vsakem ciklu znova segrevati tudi vodo, uteko~injeno è v prej{njem ciklu. Tako je pove~al hitrost gibanja bata, ki pred njim ni presegala 20 dvigov v minuti.139 Po Wattovi izbolj{avi ni bilo treba ve~ tako dolgo ~akati na segrevanje posode. Wattova para je potiskala bat izmenoma z obeh strani, kar pri Newcomenu ni bilo mogo~e. [kot Black je bil imenovan za profesorja kemije na Univerzi v Glasgowu istega leta 1756, ko so tja nastavili Watta kot "izdelovalca mehanskih naprav".140 Po za~etni Blackovi podpori se je Watt leta 1774 povezal z angle{kimi poslovneì in za~el proizvajati parne stroje za trg. Leta 1781 je sestavil vzvode, s katerimi je gibanje v eni smeri lahko vrtelo kolo. Izum je odprl nova obmo~ja uporabe parnega stroja, najprej v èlezarstvu.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 55 Do leta 1790 so Wattovi izdelki popolnoma nadomestili Newcomenove, za~eli pa so jih uporabljati v Franciji. Leta 1800 so Angleì uporabljali è okoli 500 Wattovih parnih strojev. Carnot je leta 1824 objavil teorijo delovanja parnega stroja. Knjiga je bila preve~ tehni~na za fizike in preve~ matemati~na za tehnologe; zato so jo pravilno ocenile {ele naslednje generacije. Uporabil je napa~no meritev Delarocha in Bérarda iz leta 1812 o odvisnosti specifi~ne toplote zraka od tlaka. Njune rezultate je raz{iril kar na obmo~je tlakov med 1/1000 in 1000 bar in rezultate tabeliral. V nadaljevanju je domneval, da zrak pri tlaku 1000 bar doseè gostoto vode in se uteko~ini, pri ~emer je zadnja trditev napa~na.141 Visoke tlake iz Carnotove tabele je dosegel {ele dunajski zdravnik Natterer leta 1844, nizke pa Töpler na Univerzi v Jeni 18 let pozneje.

1.5.2 Parni stroji na Kranjskem Zaharias Greyl (Greil), me{~an in trgovec z bakrom iz Augsburga, je v ~asu ustanovitve ljubljanskih vi{jih {tudijev 4. 10. 1705 v Ljubljani opisal izum ognjenega parnega stroja. Izdelan je bil iz bakra in je deloval kro`no po angle{kem vzoru. Napravo je bilo mogo~e uporabiti pri ga{enju in pri ladjah. Podobno napravo so è tri leta uporabljali na Gorenjskem. Greyl je 27. 7. 1717 prosil kranjske deèlne stanove in cesarja za denarno podporo 1000 dukatov. Spisu je priloìl skico naprave.142 Prvi parnik na slovenskem etni~nem ozemlju so preizkusili {ele stoletje pozneje, leta 1818 v Trstu, kjer je leta 1829 ~e{ki Nemec Ressel delal poskuse z vijakom. Leta 1835 so postavili prvi parni stroj na Kranjskem v ljubljanski cukrarni. Pet let pozneje je prvi parnik zaropotal po Ljubljanici z mo~jo 14 KS. Zaradi dobre uprave in prizadevanj turja{kih knezov je bilo Ko~evje v 19. stoletju za Ljubljano eno najnaprednej{ih industrijskih sredi{~ na Kranjskem. Leta 1840 je Pugster postavil parni stroj v ko~evski Glaùti, kjer so Turja~ani vodili steklarno od 1837 do 1852. Leta 1870/71 so tam postavili parno àgo. Leta 1844 je bila na prostorih dana{nje avtobusne postaje v Ko~evju postavljena prva parna àga z mlinom na Kranjskem in druga v slovenskem prostoru. Njena mo~ je bila 20 KS. Tik pred mar~no revolucijo so Turja~ani za~eli postavljati parne stroje v svoji èlezarni na Dvoru. Tako so s pridom izkoristili vakuumsko tehniko, ki jo je pred stoletjema pomagal postaviti prvi knez iz njihovega rodu.

1.6 Skokovit napredek vakuumske tehnike v drugi polovici 19. stoletja 1.6.1 Zastoj v razvoju vakuumske tehnologije do srede 19. stoletja Zaradi dolgoletnega zastoja v prizadevanjih za doseganje ~im bolj{ega vakuuma so Hauksbeejevo ~rpalko brez ve~jih sprememb prodajali {e poldrugo stoletje po izumu. Leta 1850 je na Veliki razstavi v Londonu prvo nagrado dobila ~rpalka Watkinsa in Hilla z dvojno cevjo, naoljeno svileno zaklopko in sto`~astimi bati. Dosegala je tlak 1,3 mbar, kar je bilo le {estkrat bolj{e od dve stoletji starej{ih Boylovih dose`kov. Sicer pa so tedanji `ivosrebrni manometri merili le do 0,7 mbar. Naslednje leto je na Veliki razstavi v Londonu v mednarodni konkurenci zmagala ~rpalka Angle`a Newmana, ki je {e vedno temeljila na Guerickejevemu izumu.143 Sre~anja ob velikih svetovnih razstavah so

56 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK od srede 19. stoletja dalje {irila izbolj- {ave vakuumske tehnike ob sre~avanjih izumiteljev in uporabnikov. Sre~anje ob podobni razstavi je pred pol stoletja pripeljalo do ustanovitve mednarodne organizacije vakuumistov. Nekatere mednarodne razstave so v 1880-ih letih dobile pridevnik "elektri~ne". Za slovenske razmere je predvsem pomembna Elektri~na razstava na Dunaju leta 1883, ki jo je po tehni{ki in znanstveni plati vodil Joèf Stefan. Istega leta je postal predsednik Elektroteh- ni{kega dru{tva na Dunaju, ki je bilo ustanovljeno po vzoru tri leta starej{ega dru{tva v Berlinu in je zdruèvalo tudi vakuumiste. Leta 1852 je profesor kemije na Queen's College v Belfastu, Irec Thomas Andrews, ugotavljal, da je Torricellijev vakuum nad stolpom ìvega srebra v barometru {e Slika 1.32: Thomas Andrews vedno bolj{i od vakuuma, dosegljivega s ~rpalkami, saj je vseboval le ìvosrebrne pare. Le redke tedanje ~rpalke so namre~ dosegale 3,3 mbar. Vendar je bilo v Torricellijevem vakuumu mogo~e opravljati le malo fizikalnih poskusov, denimo padanje prahu v vakuumu ali raz{irjanje zraka v zaprtem balonu, ki so ga v vakuum postavili florentinski akademiki. Torricellijev vakuum je namre~ rezultat enkratnega ~rpanja majhnih prostornin, ki je razmeroma okorno.144 Zato so raziskovalci raje ~rpali in tako ustvarjali vakuum, ki ga je Andrews {e izbolj{al z getranjem. Leta 1850 je na Dunaju obiskal profesorja kemije na Politehniki in glavnega tajnika Akademije, kristalografa Schröterja, nato pa {e Postojnsko jamo in Idrijski rudnik. V Idriji so tiste ~ase nakopali ve~ino ìvega srebra za barometre, tako da je prav tam Andrews dobil ideje za raziskovanje nizkih tlakov (slika 1.32).145 Leta 1861 je Andrews za~el raziskovati visoke tlake. Poizku{al je uteko~initi pline, ki so dotlej veljali za "permanentne" in za~el dolgoletno tekmo za doseganje absolutne temperaturne ni~le. Tudi Schröter se je po sre~anju z Andrewsom posvetil vakuumu in preizku{al zgodnjo ina~ico Geisslerjevih elektronk. Eksperimentiral je s fosforjevo paro v cevi, dolgi 30 cm in {iroki 2 cm, ter drugi, dolgi 40 cm in {iroki le 1 mm. Razdalja med elektrodama je bila 26 cm. Po razelektritvi so se "stene prekrile z rjavo-rde~o do zlato-rumeno tanko plastjo amorfnega fosforja, ki je spominjal na barve tankih teles". Za name~ek je ponovil Hittorfove poskuse iz leta 1865.146 Leta 1859 je pari{ki inènir Giffard uporabil princip dinami~nega tlaka v svoji brizgalki ali ~rpalki na curke vodne pare. Isto~asno je Schimper sestavil ~rpalko na pihanje, ki se je hitro uveljavila pod razli~nimi imeni, tudi kot "razpr{ilna" ~rpalka.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 57 1.6.2 Uporaba vakuuma v elektronki

1.6.2.1 Geisslerjeve cevi, prve uporabne katodne elektronke Uporaba vakuuma v parnih strojih je bila v stoletju med letoma 1760 in 1860 zunaj prevladujo~ih smeri raziskovanja v fiziki. Nova odkritja v za~etku druge polovice 19. stoletja so znova poìvila raziskovanje vakuuma. V drugi polovici 19. stoletja so izbolj- {evali vakuum predvsem na tri na~ine: z bolj{im tesnjenjem v steklenih sistemih brez gumijastih in druga~nih delov, s toplotno obdelavo stekla za odstranjevanje adsorbiranih plinov ter z izbolj{animi ~rpalkami s kapljevinskim batom. Mo~nej{e baterije so omogo~ile opazovanje razelektritev v vakuumu, ki so vzbudile Davyjevo in Petrovo pozornost è v za~etku 19. stoletja. Davyjeva baterija z 2000 pari elementov Zn-Cu je zavzemala prostor ogromne hale, Petrov pa je uporabljal {e 100 parov ve~ pri napetosti okoli 1700 V. Petrov je spreminjal snov, obliko in medsebojno oddaljenost elektrod ter tlak v elektronki. Leta 1804 je poro~al s peterbur{ke Medi- cinskokirur{ke akademije: "Ko nadaljujemo ~rpanje zraka iz zvona in opravimo 5 premi- kov bata, opazimo svetlikanje v ve~ delih zvona in v celotni napravi za dovajanje olja. Svetlikanje je {e izrazitej{e pri ~rpanju do 2 1/2 ~rt navadnega ìvosrebrnega barometra. Pri nadaljnjem ~rpanju postane svetlikanje {ibkej{e in kon~no nevidno."147

Vasilij Vladimirovi~ Petrov iz Obojanska v Kurski guberniji je leta 1785 ob podpori sorodnikov kon~al Kolegij v Harkovu, tri leta pozneje pa u~iteljski seminar v Sankt Peterburgu. Zaposlil se je kot u~itelj fizike in matematike na Kolivansko-Voskresenskem rudarskem u~itelji{~u v sibirskem mestu Barnaul. Leta 1791 je za~el pou~evati v Sankt Peterburgu, dve leti pozneje pa je za naslednjih 40 let pre{el na Medicinskokirur{ko akademijo. Novembra 1802 je sestavil baterijo z 2100 elementi Cu-Zn in napetostjo okoli 1700 V in z njo prvi `arel ogleno oblo~nico. Med letoma 1810 in 1827 je vodil tudi fizikalni kabinet peterbur{ke Akademije, leta 1815 pa je postal njen ~lan.

Davyjevo delo je nadaljeval njegov u~enec Faraday. Plüc- ker ga je obiskal v Londonu leta 1848 in nato nadaljeval tam, kjer je Faraday zaradi bolezni obstal. Tesno sta sodelovala, saj so eksperimentalne naprave Angle`a Gassiota uporabljali v Bonnu in Münstru, va`nej{e objave pa so sproti prevajali na obeh straneh Rokavskega preliva.148 Ob dovolj visoki napetosti je nadaljnji napredek pri raziskovanju katodne elektronke zahteval bolj{i vakuum. Leta 1854 je Plücker naro~il prijatelju Geisslerju izdelavo bolj{e steklene zra~ne ~rpalke za raziskovanje razelek- Slika 1.33: Prva Guerickejeva ~rpalka: eden izmed opazujo- tritev v razred~eni atmosferi. ~ih plemi~ev bi bil prav lahko na{ Turja~an149 Geissler je prav tedaj v

58 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Bonnu odprl delavnico za znanstvene instrumente, ki je bila obenem stehlopiha{ka delavnica in trgovina. Izpopolnil je starej{o Swedenborgovo idejo. V desetletjih po Guerickejevih in Turja~anovih regensbur{kih poskusih so kralji {e imeli odlo~ilno vlogo pri promociji poskusov (slika 1.33). Swedenborg, ~lan [vedske kraljeve akademije znanosti, je zato najprej kralju Karlu II. pokazal svojo novo hidravli~no vakuumsko ~rpalko. Uporabil je mizo z dvema visokima nogama, ki sta dr`ali izpraznjen zaprt

zvon. Jekleno posodo je povezal z jekleno cevjo, skozi katero se je plazilo `ivo srebro. 149

Heinrich Geissler iz Igelshieba v Thüringenu je imel steklopiha{ko delavnico na Univerzi v Bonnu in nato osem let na Nizozemskem. Leta 1854 se je vrnil v Bonn in pozneje zdruìl svojo delavnico s Franzom Müllerjem. Geisslerjev brat je bil znamenit mehanik in je izdeloval meteorolo{ke in druge naprave v Berlinu. H. Geissler je za~el svoje znanstveno delo z meritvami razteznostnih koeficientov, ki jih je uporabil za termometer, v katerem sta se raztega ìvega srebra in stekla med seboj kompenzirala (Plücker, Geissler, 1852, 238–279). Leta 1853 je sestavil aparat za pridobivanje CO2. Leta 1862 je postal ~astni doktor na Univerzi v Bonnu. Nato je sestavil maksimalni ìvosrebrni termometer po vzoru Cassela v Londonu in razli~en od Negretijevega in Zambijevega. Geisslerjev maksimalni termometer je berlinski Akademiji predstavil Heinrich Wilhelm Dove, rojen leta 1803 v Liegnitzu, profesor na Univerzi v Königsbergu (dana{nji Kaliningrad) in pozneje v Berlinu. Leta 1868 je Geissler opisal svetlikanje v katodni elektronki in v ìvosrebrovem vakuumu v Torricellijevem cevi, ki jo je drgnil z ma~jo dlako. Svetlikanje je trajalo eno minuto, njegova barva pa je bila odvisna od temperature in od narave plina v cevi. Svetoval je uporabo pojava v Davyjevih svetilkah. Opazovanj {e ni znal povezati z drugimi, tedaj znanimi luminiscen~nimi pojavi. [est let kasneje je objavil razpravo o spreminjanju fosforja v amorfno obliko v katodni elektronki.

Namesto trdnega bata je tudi Geissler uporabil ìvo srebro v stekleni cevi in è leta 1855 dosegel 0,1 mbar. Njegov poskus je bil ve~kratno ponavljanje Torricellijevega.150 V prvih mesecih leta 1857 so cevi preizku{ali v Plückerjevem fizikalnem kabinetu v Bonnu. Izum je Plücker predstavil Renskemu dru{tvu naravoslovcev in zdravnikov, pozneje pa {e na sre~anju nem{kih naravoslovcev in zdravnikov. V prvih dveh ceveh, ki ju je Geissler dostavil po naro~ilu, je vakuum vseboval predvsem pare ìvega srebra in atmosferski zrak, manj pa eteri~na olja, vodik in fosfor. Uporabljal je elektrodi iz platine. Plücker je takoj uporabil naziv "Geisslerjeva cev",151 napravo pa je podrobneje opisal {ele Mayer naslednje leto v Berlinu.152 Leta 1858 je Plücker opazoval vpliv niànja tlaka in magnetnega polja na razelektritve v Geisslerjevih ceveh. Po letu 1860 je Plückerjeva raziskovanja nadaljeval njegov u~enec Johann Hittorf, profesor Akademije v Münstru.153

Johann Wilhelm Hittorf je bil rojen v trgovski dru`ini v Bonnu, kjer je {tudiral kemijo in fiziko ter doktoriral pri Plückerju leta 1846. Od leta 1852 do upokojitve zaradi slabega zdravja leta 1889 je bil profesor v Münstru, kjer je tudi umrl.

Lastnosti "katodnih àrkov" so v prej{njem stoletju preu~evali z indukcijskimi aparati, ki jih je za~el izdelovati Ruhmkorff. Z majhno napetostjo v bakreni ìci primarnega navitja je induciral velikansko napetost na sekundarnem navitju, ki je imelo dobro izoliran tanek vodnik dolìne do 500 km. S tokom dveh Bunsenovih baterij je bilo mogo~e ubiti zajca.

Nemec Heinrich Daniel Ruhmkorff je bil rojen v Hannovru, vendar je svojo prodajalno instrumentov raje odprl v Parizu leta 1839. Svoje slovite induktorje je za~el izdelovati leta 1848. Podobno napravo je `e leta 1836 izumil duhovnik Nicolas Callan, irski univerzitetni profesor prirodoslovja.154

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 59 Clausius je imel na politehniki v Zürichu sprva indukcijski aparat, ki je dajal le od 3 cm do 4 cm dolgo iskro. Leta 1857 je nabavil Ruhmhorffov aparat, s katerim je bilo mogo~e dobiti iskre dolìne 27 cm. Leta 1862 je Clausius nabavil {e velik elektromagnet za 800 fr. Ruhmkorffove aparate, ki so stali 1000 fr, so imeli pred letom 1861 tudi drugod v nem{ko govore~ih deèlah, denimo na politehniki v Karlsruheju in na Univerzi v Heidelbergu.155 @e naslednje leto so ga nabavili na ljubljanski gimnaziji, ki je tako tesno sledila razvoju. Plücker je ve~ino svojih eksperimentalnih naprav nabavljal v Parizu. Po drugi strani pa sta Plücker in Geissler oskrbovala z napravami za preu~evanje "katodnih àrkov" Gassiota, Töplerja v Gradcu ter svojega nekdanjega {tudenta Hittorfa. Hittorf je leta 1869 z Ruhmkorffovim aparatom sproàl 16 cm dolge iskre v zraku. Prav tedaj je Geissler iz Bonna poslal "lepe velike cevi" v tisti ~as najsodobnej{i avstrijski fizikalni in{titut v Gradcu. V njih je Boltzmann leta 1886 in 1887 opazoval vpliv magneta na elektri~ne naboje. Iz majhnega Ruhmkorffovega aparata so preskakovale 1 cm dolge iskre pri tlaku 1 mm Hg.156 Ruhmkorffov aparat so uporabljali tudi na in{titutu Boltzmannovega u~itelja Stefana na Dunaju. Leta 1867/68 so na Gimnaziji v Ljubljani ponovno nabavili magdebur{ki polkrogli. Naslednje leto so si vrli Slovenci è lahko prebrali opis Guerickejevega poskusa v doma~em jeziku: "...Te polkroglji, ki sta poprej same od sebe narazen padli, ti{~al je zdaj tlak tako drugo ob drugej, da jih {est parov konj, zapreènih z vsake strani v obro~a, ni moglo narazen raztrgati" (slika 1.34).157 @al bralec ni prav ni~ zvedel o Turja- ~anovih zaslugah pri Guerickejevem poskusu, kot je na Kranjskem è od nekdaj navada.

@al je na{ prispevek k zgodnji vakuumski tehniki po~asi tonil v pozabo. 158 @e Guericke (1672), Boyle in Hooke (1658) so ugotavljali, da vakuum ne ovira elektri~ne sile. Z uveljavitvijo Geisslerjevih cevi so razelektritve v razred~enih plinih postale modna raziskovanja elektrike. V nekaj letih so jih razvili v u~ni pripomo~ek. Geissler je v svoje cevi vstavil kovinske prevodnice iz platine. Njegova ~rpalka ni imela mrtvega teka pri svojem delovanju in je lahko dosegala tlak do 0,011 mbar. Leta 1862 je Töpler na Univerzi v Jeni tako predelal Geisslerjevo ~rpalko, da ni ve~ potreboval zapornih pip. S tem je dosegljivi tlak zni`al {e za {tirinajstkrat. Avgusta leta 1868 je bil Töpler izbran za rednega profesorja eksperimentalne fizike v Gradcu. 17. 7.

Slika 1.34: Poskus z magdebur{kimi polkroglami, kot si ga je dve stoletji po prvi izvedbi zamislil Slovenec Ivan Tu{ek (*1835; †1877)158

60 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1876 je bil tam poro~na pri~a sodelavcu Boltzmannu in svoji nekdanji {tudentki, napol Slovenki Jetti. Berlinski eksperimentalni fiziki Jakobi, Steiner, Poggendorff in Magnus niso podpirali raziskovanj "katodnih àrkov" bonnskega profesorja Plückerja in njegovega u~enca Hittorfa. Spor je izviral {e iz let 1832–1834, ko je bil Plücker izredni profesor v Berlinu; Poggendorff mu je pozneje rad vrgel kak{no poleno pod noge. Geissler je svojo ~rpalko predstavil na zborovanju nem{kih naravoslovcev v Giessenu, kjer si jo je ogledal Poggendorff, urednik vodilnega nem{kega fizikalnega ~asopisa Ann. Phys. Septembra istega leta je Poggendorff svojo ina~ico ìvosrebrne ~rpalke predstavil v londonskem Phil. Mag. Poggendorff je idejo ~rpalke na ìvo srebro opisal kot "zelo staro, prav tako staro kot ~rpalka sama. Geisslerja moramo imeti za iznajditelja zato, ker je prvi sestavil prakti~no uporabno ~rpalko."159 Hvalil je Swedenborgovo iznajdbo in s tem manj{al pomen Geisslerjevih in Plückerjevih raziskovanj.160 Seveda pa je imel Plücker prav tako privrènce; med njimi svojega privatnega docenta od leta 1865 Wüllnerja, katerega u~benik je na{ Stefan uporabil kot vir podatkov za svoj znameniti zakon o sevanju.

Emanuel Swedenborg je {tudiral v tujini med letoma 1712 in 1714. Med letoma 1716 in 1747 je bil prisednik [vedskega rudni{kega kolegija. Nato se je upokojil in ìvel kot teozof in vizionar na [vedskem, Nem{kem in Angle{kem. Bil je ~lan [vedske kraljeve akademije znanosti. Svoj izum kotalnega motorja je leta 1719 demonstriral kralju Karlu II. Leta 1721 je objavil {est fizikalnih razprav v latinskem jeziku v Amsterdamu in jih ponatisnil v Leipzigu leta 1722, kjer je na strani 101 narisal in opisal hidravli~no ~rpalko. Swedenborgovi podobno ~rpalko je razvijal Joseph Baader, njegove ideje pa sta uporabila Francoza Cazalet in inènir Michel, ki je kartiral Bavarsko med letoma 1764 in 1770161. Ve~ina sodobnikov ni poznala Swedenborgovega odkritja. Profesor kemije na Medicinski fakulteti Univerze v Halleju, Gren, je v svoji reviji zato ponatisnil Swedenborgovo odkritje v latinskem jeziku s slikami in lastnim komentarjem. Nanj ga je spomnil angle{ki diplomat in pisatelj francoskega rodu, Louis Dutens (*1730 Tours, †1812 London), ~lan RS od leta 1775 in izdajatelj Leibnizovih del.162 Leta 1847 je Strutt baron Rayleigh v Londonu objavil prevod Swedenborgovih del. 25. 1. 2000 je v dvorani SAZU v Ljubljani o Swedenborgu predaval akademik prof. Inge Jonsson, predsednik [vedske akademije za knjièvnost, zgodovino in starine.

Zaradi spora med fiziki s pruskih univerz v Berlinu in Bonnu je bilo Plückerjevo delo bolj kot v doma~i Nem~iji priznano in sproti prevajano v Angliji. Tako ni bilo prave povezave med Plückerjevimi in Hittorfovimi raziskovanji svetlobe v katodnih elektronkah in so~asnimi raziskavami spektralne analize Kirchhoffa in Bunsena na Univerzi v Heidelbergu. Tam sta sprva raziskovala le spektre navadnih kovinskih par in nista opazila, da bi se spekter istega plina lahko spreminjal pri razli~nih pogojih `arenja. Uporabljala sta gorilnik, ki ga je leto pred tem sestavil Bunsen. O svojih raziskovanjih je Kirchhoff prvi~ poro~al berlinskim akademikom oktobra 1859, seveda brez omembe Plückerja. Raziskovanje `arenja par v spektroskopu in v katodni elektronki so povezali {ele v 1870-ih letih, ko je Crookes zaporedoma dosegel uspehe na obeh podro~jih.

Hermann Johann Philipp Sprengel iz Schillerslageja pri Hannovru je {tudiral v Göttingenu od leta 1855 in doktoriral v Heidelbergu leta 1858. Naslednje leto je postal asistent Benjamina Broda na Univerzi v Oxfordu. Od leta 1863 je raziskoval v Londonu kot kemik v Royal College of Chemistry in v bolnicah Guys in St Bartholomew's. V slednji mu je predavatelj kemije William Olding omogo~il raziskovanje, ki ga je br`kone kronal s svojo prvo ~rpalko, v kateri je z ve~kratnim zaporednim padanjem ìvega srebra iz~rpaval zrak iz cevi. ^rpalka je takoj pri{la v uporabo, saj jo je è leta 1866 Graham uporabljal pri raziskovanju difuzije plinov. Bunsen je na Univerzi v Heidelbergu leta 1869 iz Sprenglove ~rpalke sestavil "Wasserluftpumpe", ki so jo Gimingham in drugi razvili v {tevilnih ina~icah. Leta 1865 je Sprenger raziskoval v londonski kemi~ni tovarni. Od leta 1870 je ìvel kot privatnik, ~ez osem let pa so ga izbrali v RS. Leta 1881 je v Londonu in New Yorku na 16 straneh velikega formata objavil razpravo o vakuumski ~rpalki. Umrl je v Londonu.163

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 61 Nemec Hermann Sprengel je leta 1865 v Londonu opisal ~rpalko, v kateri so `ivosrebrne kapljice zajemale in odstranjevale dele plina v stekleni cevi. Nov postopek je bil sicer po~asnej{i od Geisslerjevega, vendar je omogo~al ve~kratno ~rpanje in zato bolj{i kon~ni vakuum do 10–3 mbar.164

1.6.2.2 Britanski vakuumisti in Crookes Leta 1873 je Crookes sestavil radiometer za preu~evanje gibalne koli~ine sevanja. Svoja dognanja je povezal z raziskovanjem vakuumskih cevi in leta 1876 zasnoval teorijo o ~etrtem agregatnem stanju snovi. V tem ~asu je sodeloval pri spiritualnih raziskavah,165 kar je gotovo vplivalo na drznost njegovih hipotez. Radiometer je bil sprva napak sprejet kot dokaz tlaka "katodnih `arkov". Med letoma 1873 in 1876 je bil zelo priljubljen v znanstvenih ~asopisih in je izzval polemiko med Maxwellom in Osbornom Reynoldsom. @al razlika tlakov, ki poganja radiometer, izvira iz temperaturnih razlik in ne meri tlaka valovanja. Program za doseganje popolnega vakuuma je Crookes dokon~no opustil {ele sredi 1880-ih let.

1.6.3 McLeodov kompresijski manometer Stopnjevanju zmogljivosti ~rpalk in manometrov so v naslednjih stoletjih botrovale {tevilne izbolj{ave zaklopk, konektorjev in pasti v vakuumskih sistemih. Profesor fizike in kemije v Parizu, Regnault, je meril tlake, manj{e od atmosferskega, s Hookovim barometrom na kolo, posebej prirejenim za vremenske spremembe. Naprave se je prijelo ime "diferencialni barometer".166 Sredi 19. stoletja so z ìvosrebrnimi manometri lahko merili le tlake malo pod 1 mbar. Izbolj{ane ~rpalke so zahtevale bolj{i merilnik, ki ga je izumil McLeod. 13. 6. 1874 je McLeod stiskal plin nad stolpom ìvega srebra do merljivega vi{jega tlaka, iz katerega je potem po Boylovem zakonu izra~unal prvotni tlak do milijoninke mbar (slika 1.35). Merilnik je povezal s Sprenglovo ~rpalko, vakuumsko posodo in sifonskim barometrom, ki je imel okoli 5 mm {iroko cev. Posodo merilnika s prostornino okoli 48 cm3 je pri vrhu zoìl v cev z merilom. Spodaj jo je povezal z okoli 800 mm dolgo cevjo, povezano z zbiralnikom ìvega srebra. Dotok iz zbiralnika je uravnaval s pipo in opazoval premikanje povr{ine ìvega srebra

skozi teleskop. 167 William de la Rue in Hugo W. Muller sta leta 1878 v pari{kih Annales de Chemie et de Physique objavila razpravo o kombinaciji Geisslerjeve ~rpalke s Sprenglovo in o McLeodovem vakuumskem merilniku. Edison je bral prevod njune razprave in konec leta 1879 nabavil McLeodov manometer za svoj laboratorij v Menlo parku.168 Gaede je raziskoval sistemske napake pri meritvah z McLeodo- Slika 1.35 McLeodov vim manometrom. Razvil ga je v obliko z vrtljivo osjo, ki se 169 –3 manometer167 uporablja {e danes za meritve od 1 do 10 mbar.

62 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Herbert G. McLeod je bil najstarej{i sin londonskega pivovarja. [tudij kemije je za~el leta 1855 pri profesorju G. F. Ansellu na Panopticonu. Leta 1860 je postal Hofmannov asistent za kemijo na novoustanovljenem Royal College of Chemistry oziroma v Royal School of Mines v Londonu. Kot asistent je leta 1863/64 spremljal Hofmanna, ki se je iz Anglije vrnil v Bonn. V Bonnu sta raziskovala Geissler in Plücker, tisti ~as najpomembnej{a raziskovalca katodnih elektronk. Po Hofmannovem imenovanju za profesorja kemije v Berlinu se je McLeod kot priznan raziskovalec razelektritev v vakuumu vrnil v Anglijo na mesto asistenta na Royal College of Chemistry. Leta 1868 je bil izvoljen za ~lana Kemijskega dru{tva, leta 1871 je postal profesor kemije in fizike na Royal Indian Engineering College v Cooper's Hillu in deset let pozneje FRS. Od leta 1868 je bil tudi svetovalec oxfordskega diplomanta, markiza Salisburyja, pri njegovih poskusih v doma~i "Hatfield House", ki jo je tedaj podedoval skupaj z naslovom markiza. Salisbury je bil izbran za FRS leta 1869 in je {e isto zimo ju`no krilo hi{e osvetlil z oblo~nicami. Prav tedaj je McLeod objavil razpravo o ~rpalki, ki jo je Sprengel izumil v Londonu {tiri leta prej. Leta 1873 je Salisbury, ki je bil leta 1866 in 1874 sekretar za Indijo, z McLeodovo pomo~jo objavil v Phil. Mag. raziskave razelektritev v bliìni ìvosrebrnih termometrov. McLeod je pozneje v zapisu ob Salisburyjevi smrti povzel poro~ilo Kayserja, profesorja fizike in direktorja Fizikalnega in{tituta na Univerzi v Bonnu, o Salisburyjevi razpravi kot prvemu dokazu, da lahko plin pri nizki temperaturi oddaja jasen spekter vidne svetlobe. McLeod je leta 1878 in 1879 raziskoval dinamo in elektri~no àrnico ter pomagal tedanjemu zunanjemu ministru Salisburyju osvetliti notranjost hi{e z energijo iz lastne hidrocentrale. Njuno sodelovanje, primer visokega poloàja znanosti v tedanji angle{ki dru`bi, je prenehalo {ele med letoma 1885 in 1902, ko je bil Salisbury s kratkimi presledki ministrski predsednik. Pozneje je McLeod raziskoval {e vpliv svetlobe na vrsto kav~uka, imenovano ebonit. Leta 1915 je zaradi zdravstvenih teàv prenehal aktivno delo. Zadnjih pet let je preìvel v Richmondu v grofiji Surrey, kjer je tudi umrl leta 1923170.

1.7 Na{i vakuumisti po izumu katodne elektronke 1.7.1 Opremljenost slovenskih srednjih {ol med velikim napredkom vakuumske tehnike V drugi polovici 19. stoletja na Slovenskem ni bilo u~nega zavoda, ki bi presegal srednje{olsko stopnjo. Zato pa so bile nekatere na{e {ole, {e posebno ljubljanska gimnazija, med najbolj{imi v monarhiji. Razpolagale so z dobro opremljenimi fizikalnimi kabineti, v katerih ni manjkalo niti naprav za demonstracijo vakuuma. Kersnikovi in Mitteisovi inventurni popisi fizikalnega kabineta v Ljubljani sredi 19. stoletja navajajo povpre~no okoli {tirideset naprav, povezanih z vakuumom in nadtlakom. Naprave so bile masivne in ve~inoma izdelane iz brona, tako da so pre`ivele stoletje demonstracijskih poskusov in {e danes vzbujajo ob~udovanje v Slovenskem {olskem muzeju v Ljubljani, kjer ~akajo na primeren razstavni prostor. Med napravami, povezanimi z vakuumom in nadtlakom po popisih vi{jih {tudijev in pozneje Gimnazije v Ljubljani v stoletju med Erbergom (1755) in Mitteisom (1866), sta bila s 147 fl oziroma 157 fl 50 kr najdra`ja dvostranska zra~na tla~ilka, ki so jo nabavili leta 1858, ter starej{i model parnega stroja (tabela 1.3).

Tabela 1.3: Vakuumske naprave na ljubljanski gimnaziji v 19. stoletju

Naziv naprave Leto nabave Izdelovalec Cena fl:kr Barometri: potovalni z nonijem 1809–45 Hanaczik 28:35 potovalni po Saussurju 1809–45 12:60 kovinski Bourdonov 1865 40: 0 na nateg z nonijem pred 1809 na nateg s termometrom in nonijem 1861 36: 0

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 63 Barometrske cevi: 1809–1845, 1853 Veht 5:77 2 barometra za vaje 1809–45 Fanzoy z receptorjem 1853 Bleichov 1858 s skalo in termometrom 1861 Kapellejev v posodi 1862 Bourdonov kovinski 1865 Aerometri: atmometer iz `elezne plo~evine 1809–45 Freyberger Nicolsonov iz medenine 1809–45 Riebler 1:57 Meisnerjev s stekleno cevjo in stojalom 1809–45 Hanaczik 42: 0 Mohsov iz medenine 1809–45 Hanaczik 2:10 Beaumov iz medenine 1809–45 Hanaczik 1: 5 Beaumov iz stekla, lesa, srebra in bakra 1809–45 Hanaczik Recipienti: 2 zra~no tesnjena; 3 navadni 1809–45 Samassa stekleni Modeli parnih strojev: navadni pred 1809 157:50 Wattov 1867 15: 0 Tla~ilke: zra~na, z vodoravnim {kornjem pred 1809 Samassa zra~na, dva navpi~na {kornja 1809–45 Huck dvostranska zra~na 1858 147: 0 na tlak in vlek 1809–45 Samassa zra~na pu{ka s tla~ilko 1809–45 Samassa Realschova vodna 1809–45 Hanaczik pnevmatska 1809–45 Hanaczik 4:20 na vzvod pred 1809 Hess in na poteg 1809–45 Tischler na vzvod (model) 1858 8:40 na tlak (model) 1858 8:40 Gibanje v praznem: naprava, zatesnjena s smolo 1755 valj za demonstracijo padanja 1809–45 Hanaczik 5:25 Poskusi: Mariottov 1809–45 Hanaczik 7:35 Papinov lonec 1809–45 Hanaczik 14:70 Heronova krogla 1809–45 Fanzoy Heronova brizgalna 1755 magdebur{ki polkrogli 1755, 1809, 1868 Samassa neskon~ni Arhimedov vijak pred 1809 Geisslerjeve cevi s stojalom 1863 12:80 fluorescen~ne cevi pred 1845 7: 0

64 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK V {olah zunaj Ljubljane so prav tako radi nakupovali manometre. Tako so kovinski barometer na Bourdonovo cev kupili na Gimnaziji v Kopru leta 1875, deset let za Gimnazijo v Ljubljani. Z njim so merili upogib elasti~nega elementa zaradi zunanjega tlaka (slika 1.36). Oglejmo si naprave za merjenje tlaka po inventarjih in popisih gimnazij v Kopru in Celovcu v drugi polovici 19. stoletja (tabela 1.4).

Tabela 1.4: Vakuumske naprave v Kopru in Celovcu v drugi polovici 19. stoletja

Naziv naprave Leto nabave Gimnazija navadni barometer s skalo 1852 Celovec Fortinov barometer 1853 Celovec cev z `ivim srebrom pred 1858 Koper aneroidni barometer 1863 Koper Nicholsonov barometer 1864 Koper aneroidni barometer 1870 Celovec naprava za prikaz Torricellijevega zakona 1871 Koper aneroidni barometer 1872 Celovec Fortinov barometer, Bourdonov barometer, manometer 1875 Koper aneroidni barometer s termometrom 1893 Koper barometer 1895 Koper model aneroida, gazometer 1901 Koper

V dobi hitrega razvoja raziskovanja vakuuma po izumu katodne elektronke v drugi polovici 19. stoletja so {ole na Slovenskem dopolnjevale svoje fizikalne kabinete s sodobnej{imi manometri. 22. 9. 1870 so v Ljubljani na prvi samostojni razstavi u~nih pripomo~kov kazali "fizikali~ne aparate v podobah", ki so bile last "c. kr. u~iteljske izobraèvalnice", torej u~itelji{~a. Med drugim so razstavili tudi slike "plinometra in plinohrana".171 Na slovenskem etni~nem ozemlju so se za~eli è zelo zgodaj zanimati za razelektritve. Naprave fizikalnih kabinetov niso bile namenjene zgolj dijakom. ê{ki Nemec Mitteis, ljubljanski gimnazijski profesor fizike med letoma 1853 in 1866, ravnatelj gimnazije in nekaj ~asa tudi realke, je zanimivej{e nabave preizku{al pred izbrano dru`bo izobraènih some{~anov v Dru{tvu Kranjskega muzeja v Ljubljani. Fizik Thomas Schrey, Mitteisov suplent, je 10. 12. 1856 dopolnil Mitteisovo predavanje o razvoju stereoskopa s prika- zom najnovej{ih metod za merjenje jakosti elektri~ne iskre. Schrey je bil rojen leta 1830 v Logatcu, med

Slika 1.36: Bourdonov manometer po ponudbi podjetja Max Kohl iz Chemnitza konec 19. stoletja

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 65 letoma 1862 in 1870 je bil direktor ljubljanske realke, nato pa je {el predavat matematiko in fiziko na realko v Celovec. Mitteis je v {olskem letu 1862/63 za fizikalni kabinet Gimnazije v Ljub- ljani nabavil pet Geisslerjevih elektronk (slika 1.37). Zanje je nabavil Ruhmkorffov indukcijski aparat za 120 fl, kar je presegalo polovico letnih dotacij fizikalnega kabineta.172 Kupil je {e mo~an magnet s tremi lamelami in z njim dvigoval

do 7 kg. 173 Leta 1867/68 je Mitteisov naslednik Jakob Rumpf, kustos fizikalnega kabineta Gimnazije v Ljubljani, nabavil "elektromagnetni aparat za vrtenje Geisslerjevih cevi".174 Br`kone se je za tem nazivom skrivala Geisslerjeva izpopolnitev de la Ri- vovega elektromagneta, prirejenega za sukanje in vrtenje svetlobnega loka v Geisslerjevi elektronki.175 Na Gimnaziji v Kopru so prvo Geisslerjevo elektronko skupaj z Ruhmkorffovim shranjevalnikom nabavili leta 1870, drugo pa leta Slika 1.37: Katodne elektronke v Mitteisovem inventur- 1897. Leta 1906/1907 je kustos nem popisu na Gimnaziji v Ljubljani konec drugega Orlando Inwinkl zbirko krepko do- semestra 9. 8. 1866. Geisslerjeve elektronke in stojalo polnil s Palmierijevim indukcijskim zanje so bile popisane kot 62. in 64. naprava za aparatom, didakti~nim kompletom 173 poskuse iz elektrike. Geisslerjevih elektronk, 6 razli~nimi Geisslerjevimi elektronkami, zbirko 6 Crookesovih elektronk, radiometrom in posebno Crookesovo elektronko za prikaz sence "katodnih àrkov" z malte{kim kri`cem. Kupil je Hittorfovo elektronko in dve rentgenski elektronki.176 Vse naprave so bile namenjene prou~evanju "katodnih àrkov" v Geisslerjevi cevi. Ruhmkorffovo napravo so uporabljali za vir napetosti ve~ kilovoltov, magnet pa za odklon àrkov. Trije do {tirje ~leni v Grovovi Zn-Cu-bateriji so dajali zadosten tok, s katerim je bilo mogo~e v Ruhmkorffovi tuljavi inducirati vi{je napetosti kot v najmo~nej{i leydenski steklenici.177 To je bilo nujno za poskuse z Geisslerjevimi cevmi. Komplet z ve~ kot deset Geisslerjevimi cevmi razli~nih oblik in Ruhmkorffov indukcijski aparat so pozneje nabavili na leta 1872 ustanovljeni Ni`ji realki v Ko~evju, ki je med letoma 1908 in 1911 prerasla v vi{jo realko. Geisslerjeve cevi so tako kmalu po iznajdbi postale predmet srednje{olske fizike. Teda- nji srednje{olski profesor je lahko mnogo bolj uspe{no kot danes raziskoval v eksperimentalni fiziki.

66 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1.7.2 [ubi~evo raziskovanje prevajanja elektrike v plinih na Univerzi v Gradcu

Ivan [ubic iz Poljan nad [kofjo Loko je obiskoval Gimnazijo v Ljubljani med letoma 1867 in 1875. Na Dunaju je {tudiral prirodopis in matematiko in prvi~ poslu{al Stefanova predavanja leta 1878. Usposobljenostni izpit je opravil leta 1881 in se {e istega leta zaposlil na Mahrovi trgovski {oli v Ljubljani kot suplent, pozneje pa {e na realki in gimnaziji. Leta 1888 je dobil dalj{i dopust za {tudij v Tehnolo{kem obrtnem muzeju na Dunaju, kjer je obiskoval {e druge {ole in umetnostne akademije. Avgusta je postal u~itelj in vodja novoustanovljene strokovne {ole za obdelavo lesa ter strokovne {ole za umetno vezenje in {ivanje v Ljubljani. Po zdruìtvi obeh {ol je postal leta 1911 direktor Dràvne obrtne {ole. Tej so se pozneje pridruìli {e novi vi{ji oddelki za gradbeni{tvo in mehaniko, leta 1920/21 pa jo je preuredil v Tehni{ko srednjo {olo. Med letoma 1890 in 1907 je bil svetovalec ob~ine Ljubljana in je kot na~elnik direktorija (upravnega odbora) vodovoda in elektrarne vodil njuno gradnjo. Med letoma 1898 in 1901 je bil deèlni poslanec za Kranj in [kofjo Loko. Kot dolgoletni odbornik Slovenske matice (SM) je med letoma 1904 in 1911 skupaj s Franom Levcem postal na~elnik knji`nega odseka SM. Od leta 1904 je bil nadzornik slovenskih nadaljevalnih obrtnih {ol na Kranjskem, [tajerskem in Primorskem, leta 1922 pa je postal vi{ji nadzornik za trgovsko in obrtno {olstvo. Sedemnajst let je bil konzervator pri Osrednji komisiji za varstvo umetni{kih in zgodovinskih spomenikov. Poleg knjige o elektriki je v Izvestijah ljubljanske gimnazije, Ljubljanskem Zvonu in Letopisu SM objavil {tevilna prirodoslovna dela.

Poljanec [ubic, med letoma 1869 in 1902 izredni profesor na Univerzi v Gradcu, je iz Reitlingerjevih in Clausiusovih (1858) objav domneval, da je povpre~na prosta pot molekule obratno sorazmerna gostoti medija. Vendar je [ubic od tod napa~no sklepal, da redkej{i plini bolje prevajajo elektri~ne in toplotne motnje od gostej{ih. Trditev je bila v nasprotju z Maxwellovo kineti~no teorijo iz let 1859 in 1860, po kateri toplotna prevodnost ni odvisna od tlaka in gostote plina, vse dokler pri nizkih tlakih ne postanejo pomembne interakcije med povr{ino in plinom. Magnus leta 1860 v Berlinu in desetletje po njem Stefan na Dunaju sta potrdila Maxwellovo domnevo.178 [ubic je nabavil ve~ Geisslerjevih cevi med 18 elektromagnetnimi instrumenti za zbirko fizikalnega kabineta v Pe{ti leta 1858/60, le {tiri leta po iznajdbi in tri leta pred Mitteisom v Ljubljani. [ubic je v svojem srednje{olskem u~beniku le omenil "krasen" elektri~ni tok v izpraznjeni cevi, ne da bi opisal kak{en poskus z Geisslerjevimi elektronkami. Ob sicer{nji eksperimentalni naravnanosti u~benika domnevamo, da si [ubic med letoma 1872 in 1874 ni bil na jasnem, kaj sveti v Geisslerjevi cevi. [ubi~eva in Hittorfova teorija elektrolize je temeljila na gibanju in trkanju molekul. Podobne ugotovitve je [ubic prenesel na pline. Pri tem ga je najbolj zanimalo dogajanje v vakuumski cevi z elektri~no napetostjo na kraji{~ih. [ubi~eva hitrost {irjenja trkov med molekulami, napetost, prevodnost in dol`ina iskre so bile obratno sorazmerne gostoti plina v vakuumski cevi; od tod redkej{im plinom vi{ja hitrost {irjenja molekulskih trkov, bolj{a prevodnost in ve~ja svetilnost.179 Zgornje ugotovitve vsaj deloma nasprotujejo sodobni kineti~ni teoriji, ki se je razvila v 1980-ih letih. Toplotna prevodnost plina sploh ni odvisna od njegovega tlaka in gostote na {irokem obmo~ju, vse dokler pri nizkih tlakih ne postanejo pomembne interakcije med povr{ino in plinom. Leta 1862 [ubic br`kone {e ni poznal Maxwellove teorije prevodnosti plinov iz let 1859–1860, ki jo je Clausius popravil leta 1862, ~eprav bi moral poznati Magnusove meritve Maxwellu v podporo.180 Od vseh pojavov v Geisslerjevi cevi je [ubica najbolj zanimalo "zlaganje elektri~ne svetlobe". Gotovo je `e tedaj domneval, da gre pri tem iskrenju za zvezno razelektritev v plinu. Hittorff je leta 1876 menil, da prasketanje povzro~i napetost, pre{ibka za stalno svetlobo. Tak{nemu mnenju so nasprotovali Gassiot leta 1863, Stokes 1864, de la Rive 1867 ter Wiedemman 1872 in 1867.181

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 67 Po [ubicu plin v Geisslerjevi cevi seva svetlobo zaradi gretja ob prevajanju elektrike, ki ga povzro~a elektri~ni upor oziroma notranje trenje. [ubic je povzemal Reitlingerjevo mnenje, potrjeno s spektralno analizo. Vodnik naj bi bil tem svetlej{i, ~im ve~ji je njegov elektri~ni upor. [ubic in ve~ina drugih so menili, da v Geisslerjevih ceveh ni kemijskih reakcij, ali pa so zelo po~asne. Po [ubicu naj bi bila pri prevajanju v plinih povpre~na prosta pot delcev obratno sorazmerna gostoti plina, masa delcev pa obratno sorazmerna kvadratu njihove hitrosti. Obe ena~bi izhajata iz kineti~ne teorije. V plinih je upor sredstva mnogo manj{i kot v kapljevinah, kjer po [ubicu druga trditev ne velja. Tam je hitrost gostej{ih delcev ve~ja od hitrosti redkej{ih, ~e je polmer gostej{ih delcev ve~ji ali enak polmeru redkej{ih. [ubic je temno podro~je ob katodi Geisslerjeve cevi pojasnil s {irjenjem trkov med molekulami, ki so v njegovi teoriji kar elektri~ni tok. Neposredno ob viru gibanja v katodi {e ne more biti toliko trkov z molekulami plina v vakuumski cevi, da bi opazili svetlobo. Svetlikanje opazimo v bolj oddaljenih delih Geisslerjave cevi. [ubi~eve ideje so bile zelo podobne Crookesovim iz leta 1869. Vendar ni naravnost zapisal, da bi bila dolìna temnega podro~ja ob katodi kar sorazmerna s povpre~no prosto potjo molekul v plinu. Temno podro~je katode danes imenujemo po Crookesu. Pri normalni razelektritvi, kjer gostota elektri~nega toka ni odvisna od njegove intenzitete, velja Crookesova teorija. Dolìna "temnega podro~ja" je tam obratno sorazmerna s tlakom oziroma gostoto plina v cevi. Pri zelo nizkih tlakih se lahko "temno podro~je" raztegne ~ez vso cev. Po [ubicu se plin zgosti v ozkih podro~jih Geisslerjeve cevi, saj se tam pri enaki masi plinske snovi zmanj{a njena prostornina. Pretok snovi skozi cev je torej zvezen, saj nima ne ponorov ne izvirov v cevi s samo dvema elektrodama. Po [ubi~evem mnenju se dejansko zgo{~uje plinasta vsebina cevi in ne le njen sevajo~i del. Podobno se je [ubicu zdela svetilnost sorazmerna z uporom plina v cevi.182 Plini naj bi, podobno kot elektroliti, prevajali elektriko z gibanjem ionov. To je v nasprotju s sodobno teorijo, saj se v katodni elektronki ne gibljejo ioni, temve~ elektroni. Sodobni teoriji prevajanja v vakuumski cevi je mnogo bli`je Hittorfova teorija,183 ki plinom, ob gibanju ionov, ponuja {e drugi na~in prevajanja. Ta povzro~a svetlikanje v plinu, danes bi rekli prehode med vzbujenimi stanji atomov plina. Drugi na~in prevajanja je imel pri Hittorfu vse zna~ilnosti sevanja. êravno Hittorf analogije ni navedel, je dogajanje v Geisslerjevi cevi pri njem popolnoma podobno toplotnim pojavom, ki zdruùjejo prevajanje in sevanje. Prav v ~asu Pulujeve (1888) teorije prevajanja elektrike v razred~enih plinih je Hertz zaznal elektromagnetne valove in s tem kon~no potrdil Maxwellovo teorijo elektromagnetnega polja. êt 10 let je J. J. Thomson pokazal, da sevanja in prevajanja v plinih le ne moremo pojasniti s samim valovanjem. "Katodne àrke" v vakuumski cevi sestavljajo delci, pri katerih je J. J. Thomson izmeril razmerje med nabojem in maso. Zmagala je Crookesova domneva o del~ni naravi "katodnih àrkov".184 [ubi~ev zapis iz leta 1862 je nastal celo desetletje prej, preden je raziskovanje Geissler- jevih cevi za~elo obetati razre{itev problema elektrike in odpravo elektri~ne snovi brez teè.185 [ubic v svoji obravnavi niti ni zapisal, da je sevanje iz katode negativno nabito in ga je mogo~e odkloniti z magnetom.

68 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1.7.3 [antlova vakuumska ~rpalka na Gimnaziji v Gorici Slovenec Ivan Tu{ek, profesor na Vi{ji realki v Zagrebu, je leta 1869 objavil skico ~rpalke z dvojnim cilindrom po Hauksbeejevem vzoru, ki je bila {e vedno najbolj u~inkovita tik pred Geisslerjevim izumom: "Vidimo steklen zvon, ki se poveznik (recipient) imenuje; rob se mu z lojem namaè, in povezne se na plo{~o R, na tako imenovani sesaljkin taljer, tako, da ne propu{~a zraku. Plo{~a ima v sredi luknjo, tako da je zvon s pomo~jo cevi v zvezi z obema valjema D in S, kterih bat se vrstoma gori in doli premika s pomo~jo dveh zobatih drogov, kolesa in dvoramnega vóda, s tem je tedaj mogo~e razred~iti zrak v zvonu. Za to so pa potrebne tudi {e pipe, na posebni na~in prevrtane, in zaklopnice (Ventil). Zaklopnice so priprave, ki se same od sebe odpró, ~e zrak od ene strani na-nje tla~i; ki se pa spet same od sebe zapró, ~e tla~i zrak od nasprotne strani. Zatorej se imenuje zra~na sesaljka po tem, kako 186 je narejena, ali sesaljka s pipo ali pa sesaljka z zaklopnicami." (slika 1.38) 187188 Ve~ kot dve stoletji po izumu se je Tu{ku vakuumska ~rpalka {e vedno zdela zelo pomembna. Zato jo je postavil v naslovnico svojega prevoda Schoedlerjeve fizike poleg teleskopa, Voltove baterije, naprave za naelektritev s trenjem, elektroskopa in drugih naprav (slika 1.39). Slovenci smo iznajdljiv narod na prepihu tujih vetrov. Zato smo hitro dognali, da lahko izbolj{amo nem{ke vakuumske ~rpalke. Najbolj se je to posre~ilo [antlu, slovenskemu [tajercu v primorski slu`bi, ki je objavil pet razprav v Izvestjah Gori{ke dràvne gimnazije. Rojen je bil v slovenski druìni kajàrjev v Pesnici pri Lu~anah na Kozjaku. Od leta 1865 je {tudiral matematiko in fiziko v Gradcu pri nekdanjem ljubljanskem profesorju Hummlu in Töplerju. Leta 1872 je postal profesor fizike na Gimnaziji v Gorici. Med prvo svetovno vojno je moral beàti v Kr{ko. [antlova èna, h~i Avgusta in sin Sa{a so bili znani slovenski likovni umetniki.

Slika 1.38: Vakuumska naprava, kot jo je Tu{ek Slika 1.39: Naslovnica Tu{kovega prevoda z predstavil Slovencem187 vakuumsko ~rpalko na desni188

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 69 Leta 1873 in 1876 sta [antel in Bolztmann poro~ila sestri, napol Slovenki Avgusto Aigentler in dve leti mlaj{o Jetti. [antli so ve~krat letovali skupaj z Boltzmanni. [antlo- vemu sinu Sa{i pa so Boltzmanni pomagali med {tudijem na Dunaju. Fizika [antel in Boltzmann sta sodelovala, saj je Boltzmann leta 1883 citiral [antlovo matemati~no obravnavo difuzije plinov.189 Istega leta je [antel sestavil vakuumsko ~rpalko, ki jo je leta 1886 in 1887 Boltzmann v Gradcu upo{teval pri svojih poskusih z Geisslerjevimi cevmi. [antel se je leta 1883 zanimal predvsem za vakuumske ~rpalke. Kot kustos fizikalnega kabineta je kupil Töplerjev model ìvosrebrne zra~ne ~rpalke. Obenem mu je sedmo- {olec Lovisoni Vulmar sestavil in podaril Frikov aparat za priro~no razrezovanje steklenih cevi, ki ga je gotovo uporabljal pri izdelavi svoje ~rpalke. [antel je ob svoji vakuumski ~rpalki omenil Torricellija, Töplerja in Geisslerja. Geissler je leta 1854 v Bonnu s svojo ~rpalko dosegal tlak 0,01 mm Hg. Töpler je bil v Bonnu od leta 1859 nastavljen kot kemik na Landwirtschaftsakademie Poppelsdorf. Leta 1862 je sestavil enostavno barometrsko zra~no ~rpalko za visoki vakuum brez pip, ventilov in odve~nega prostora, ki se je udoma~ila na vseh fizikalnih in{titutih, tudi v Gorici. Z njo je bilo mogo~e za {tirinajstkrat zniàti tlak Geisslerjeve ~rpalke. Med letoma 1868 in 1876 je bil Töpler profesor fizike v Gradcu, kjer je bil njegov Fizikalni in{titut ob odprtju leta 1875 najve~ji na nem{kem govornem podro~ju. [antel je bil Boltzmannov svak in ob~asni sodelavec, Töpler pa Boltzmannova poro~na pri~a. [antel je izdelal zra~no ~rpalko za opazovanje razelektritev v vakuumu. Osnovni problem dotedanjih ~rpalk je bilo slabo tesnjenje pri ventilih ter krhkost tanke steklene stene vakuumske cevi, ki pogosto ni prenesla velikih tlakov. [antlovo pozornost je pritegnilo naznanilo v strokovni fizikalni reviji o visokem vakuumu, doseènem z odtekanjem ìvega srebra po cevi. V tak{nem vakuumu elektri~na iskra ni ve~ pred~asno preskakovala na kratkih razdaljah; zato je bilo mogo~e dosegati visoke napetosti med elektrodama. V [antlovi ~rpalki je prosto padajo~e ìvo srebro ~rpalo zrak iz posode. Dovolj dolg stolp ìvega srebra se je v cevi pod svojo lastno teò z velikim hrupom pretrgal in za sabo pu{~al prazen prostor. V {irokih ceveh je velika hitrost padanja kapljevine v navpi~ni smeri prepre~evala nastajanje zra~nih mehur~kov. [antel je odsvetoval uporabo redkej{ih, bolj hlapljivih kapljevin od ìvega srebra, saj bi morali zanje uporabljati ve~je ~rpalke. V prvem poskusu je steklenico postavil ob zid, visok blizu 2 m. Pri ventilu jo je zatesnil z zama{kom iz kav~uka in skozenj postavil stekleni cevi. Za prvo si je izbral kapilaro s premerom 2 mm, dolgo blizu enega ~evlja in odprto na obeh straneh. Druga cev je bila kraj{a in tanj{a, z zadnjo o{iljeno stranjo, postavljeno v odprtino prve cevi. Spodnji prosti konec ~rpalne cevi je poveznil v lon~ek z ìvim srebrom. Pod spodnjim koncem cevi, v katero je padalo ìvo srebro, je postavil posodo za prestrezanje. Zgornji zbiralnik je napolnil z ìvim srebrom, ki je zelo hitro odtekalo navzdol. V ~rpalni cevi se je ìvo srebro postavilo na barometrsko vi{ino. Pri drugem poskusu je postavil recipient v vrat steklenice z gumijastim zama{kom pod vodoravno cevjo, dolgo 120 cm. Majhno odprtino v steni blizu spodnjega konca cevi je omeh~al s plamenom. Omeh~anega dela se je dotaknil s stekleno palico, napravil ost in z nje odstranil vrh za majhno odprtino. Drugi konec cevi je potopil v ìvo srebro. Pod recipienti zra~ne ~rpalke je postavil prazen kozarec. Ko je [antel nalil ìvo srebro vanj, je za~el ~rpanje. Delovanje ~rpalke je opisal kot zelo dobro, saj "~lovek ne more verjeti svojim o~em, ko opazuje gibanje v

70 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK cevi". Stekleni valj je imel premer 3 cm in vi{ino 15 cm. V obe odprtini valja je [antel postavil gumijaste zama{ke na isti osi. Prostor med zama{ki je uporabil za zbiralnik ìvega srebra. Pokon~ni valj je bil pri vi{ini 2 m oprt na zid ali na prenosno leseno stojalo. V eno od obeh lukenj spodnjem zama{ku je postavil cev a z mo~nimi stenami notranjega premera 2,5 mm pri 140 cm dolìne. Skozi zgornjo luknjo nad cevjo je bila postavljena ~rpalna cev b s koncem v odprtini cevi a. Skozi drugo odprtino spodnjega zama{ka se je po cevi c nastavljal dotok ìvega srebra v notranji prostor. Cevi c in a sta imeli enako obliko. Blizu konca je imela cev c odprtino debeline lasu, ki se je kon~evala v notranjem prostoru A blizu zgornjega zama{ka. ^rpalka b je segala zunaj valja v barometer in se je vzporedno nadaljevala {e 20 cm. Cevi a in e sta tesno druga ob drugi izhajali iz valja A. Pri enaki vi{ini sta bili namo~eni v zbiralnik ìvega srebra B. Pnevmatska cev d je bila po recipientu sekundarne zra~ne ~rpalke tesno povezana z gumijasto cevjo. [antla je predvsem zanimalo: 1) ali bo ìvo srebro teklo navzgor iz posode B v vi{jo posodo A; 2) ali se bosta v tem primeru tokova v ceveh c in a uravnovesila; 3) ali je ~rpanje zraka iz recipientov zadosti hitro za prakti~no uporabo naprave? Na prvo vpra{anje je pritrdilno odgovoril za~etek delovanja ~rpalke. Drugo vpra{anje je porodilo spreminjanje toka ìvega srebra v predhodnih neuspelih poskusih. Ob tretjem vpra{anju je [antel ugotavljal, da je barometer è po 1 minuti pokazal "gostoto ni~"; s prostim o~esom ni bilo ve~ mogo~e zaznati razlike gladin ìvega srebra v krakih. [antel je re{il ve~ino ~rpalnih problemov: 1) Prostor A je le po~asi polnil skozi kapilare debeline cevi c, zato je uporabil debelej{e cevi. 2) Steber ìvega srebra v ravni cevi je segal navzgor v prostor A in dalje navzgor v odprtino pnevmatske cevi. Zataljeni nastavek cevi je odbijal udarce padajo~ega ìvega srebra. 3) Zaradi red~enja zraka v prostoru A je pritiskal zama{ek {e tesneje na valj, tako da je bila ~rpalna cev tesno v prvi cevi. Zama{ka sta lo~evala prostor A v dva neenaka dela, tlak pa ju je premikal drugega proti drugemu. Teàvi 2 in 3 je odpravil z uporabo navpi~ne steklene plo{~e velikosti ovojnice v osi valja A, ki je ovirala pretok zraka. 4) Vi{ino ìvega srebra je uravnaval v notranji posodi, ko je napolnil prostor A do èlene vi{ine. Spodnji konec cevi ni bil potem ni~ ve~ potopljen v zbiralnik ìvega srebra. Tako zrak ni ve~ tekel po ravni cevi in ni spreminjal gladine ìvega srebra. Priporo~al je uporabo recipientov v ~rpalki. Za ~rpanje velikih prostorov Geisslerjeve cevi je bilo treba recipiente priklju~iti naravnost nanjo. V elektronko je postavil 12 cm visoko, rahlo koni~asto stekleno posodo mo~nih sten. Zapiral jo je trikrat preluknjani gumijasti zama{ek z obsegom okoli 3 cm. V eni luknji je bila ~rpalna cev, iz katere se je nadaljeval zakrivljen barometer. V drugo cev je bil postavljen drugi barometer, v tretji pa so bili recipienti. Ko je [antel vpeljal vse tri cevi, je ìvo srebro zalilo prostor v posodi nad zama{kom. S tem je zagotovil konstantno gostoto zraka. Cev recipienta je imela obliko ~rke U z dalj{o kapilaro, dolgo 76 cm. Konec kapilare se je dotikal gladine ìvega srebra, ki je do polovice napolnjevalo posodo. Gladino ìvega srebra je uravnaval z jekleno ìco v zama{ku, ki je nosila jekleni valj. Jekleni valj je navadno plaval nad gladino ìvega srebra, lahko pa ga je potopil skupaj z jekleno ìco.190

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 71 Zrak je ~rpal iz enega recipienta. ^rpalko je najprej ro~no zatalil in prilagodil velikosti dolgega gibljivega bata. Profesorju v poznih tridesetih letih se delo ni zdelo posebno utrudljivo, saj je lahko vmes po~ival. Z batom iz ìvega srebra je ~rpal zrak iz posode. ^rpalko je lahko vsak zlahka sestavil in stekleno cev upognil v ognju. Vse dele je med seboj povezal z gumijastimi zama{ki in jih zlahka nadome{~al po padcu ali zlomu. Cena ni bila visoka, aparat pa je lahko popolnoma razstavil in o~istil. @al se je ìvo srebro izgubljalo med ~rpanjem; zato je okolju prijazni [antel uporabil majhno koli~ino ìvega srebra in s tem omejil onesnaèvanje. Dognal je, da se ìvo srebro po dolgotrajni uporabi prekrije s ~rnim `veplom iz kav- ~ukovih zama{kov, ki maè stekleno steno. Trenje ìvega srebra ob steklene stene posode je povzro~alo elektriko in nastajanje ozona, ki je veliko bolj oksidiral ìvo srebro od navadnega kisika. Zmogljivost ~rpalke je dodatno pove~al z uporabo izhodne cevi velikega notranjega premera. Posebno rad je opazoval pretakanje ìvega srebra skozi papirnati lijak v pokon~ni cevi v zatemnjenem prostoru in ob~udoval fosforescentno svetlikanje. V nadaljevanju razprave iz leta 1883 je [antel obravnaval elektri~no odbijanje kapljevin po "sodelav~evi razpravi", ki je ni natan~neje citiral; morda je imel mislih prav slavnega svaka Boltzmanna. Podobno je pomanjkljivo citiral vir ideje o napravi za pretvorbo toplote Sonca v mehansko energijo. Ideja naj bi bila "leta 1874 objavljena v ve~ strokovnih ~asopisih". [antel je uporabljal tri steklene vakuumske cevi, postavljene med seboj pod koti 60 stopinj. Motor z lopaticami so vrtela izparevanja iz spodaj leè~ega segretega etra, ki je bil speljan po steklenih ceveh. Tak{en "motor" je lahko ve~ mesecev poganjal uro. V stekleni cevi z motorjem ni bilo zraka razen etrovih par. Ob sklepu je [antel ocenil {e izkoristek naprave, podobne starej{emu Crookesovemu radiometeru, ki je sicer uporabljala pare etra. [antla je zanimala pretvorba son~ne energije v mehansko delo, predvsem pa novi na~in prena{anje zvoka, ki ga je od leta 1876 poznal kot Bellov telefon. Pred Bellom ga je razvijal u~itelj naravoslovja v ju`ni Nem~iji, Reis, ki pa mu ni nikoli uspelo nikomur telefonirati.191 [antel je opis telefona zabelil {e z ena~bami o magnetizaciji membrane v njem. Domi{ljija ga je zanesla k vzporednemu telefonskem prenosu slike in zvoka192 pri televiziji. Vsaki raziskavi je posvetil posebno poglavje; prvo poglavje o vakuumski ~rpalki na skoraj desetih straneh je bilo skoraj tako dolgo kot druga tri skupaj. Kot nadarjen izvajalec poskusov in matematik je sodeloval s svakom Boltzmannom, profesorjem splo{ne in eksperimentalne fizike na Univerzi v Gradcu. [antlovo doslej premalo raziskano delo je pomemben slovenski prispevek k napredku vakuumske tehnologije, ki je prav tedaj postajala gibalo tehnolo{kega napredka.

1.8 Prodor vakuumske tehnike v industrijo konec 19. in v za~etku 20. stoletja 1.8.1 Napredek v Evropi in ZDA Mnoì~na uporaba vakuuma v industriji se je za~ela z àrnicami konec 19. stoletja in v nekaj desetletjih prevetrila vse pore moderne tehnologije. Edison je zelo hitro prevzel Crookesovo vakuumsko tehniko in jo uporabil v industriji. Leta 1879 je za~el proizvajati àrnice z ogleno nitko pri tlakih tiso~inko milibara. V Evropi se je podobna proizvodnja

72 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK uveljavila {ele konec stoletja. Vakuumska tehnika je s tem postala temelj velike industrijske proizvodnje, {tevilni raziskovalci pa so vakuumsko tehniko uporabljali v temeljnih raziskavah. ^rpalke s trdnimi bati so mo~no izbolj{ali za industrijo àrnic. Tako je Nemec Fleuss leta 1892 vloìl in naslednje leto dobil nem{ki patent za batno ~rpalko, tesnjeno z oljem, ki je imela mehansko premakljive zaklopke. Izuma se je v Guerickejevo ~ast prijelo ime "Gerykova ~rpalka" in je dosegala 2,6 · 10–4 mbar. Imela je prednost pred starej{imi ~rpalkami s kapljevinskim batom, saj jo je lahko poganjal motor. Uporabljali so jo v industriji àrnic, vse dokler ni 7. 9. 1905 Gaede, asistent na Univerzi v Freiburgu, patentiral motorne ~rpalke s kro`nim delovanjem in ìvosrebrnim batom. Z njo je dosegal 10–6 mbar; zato je bila nadvse uporabna v industriji àrnic in katodnih elektronk. Stekleno ohi{je starej{ih ~rpalk je Gaede nadomestil s kovinskim, vrtljivi boben pa si je dal narediti iz porcelana.

Max Paul Wolfgang Gaede je bil sin pruskega topni{kega oficirja in se je zato pogosto selil po Nem~iji (slika 1.40). V Freiburgu je {tudiral najprej medicino in nato leta 1901 diplomiral iz fizike pri Franzu Himstedtu, ki se je odlikoval s poskusi v elektrodinamiki. Kot Himstedtov asistent je 26. 2. 1904 prvi~ opisal lastne poskuse v vakuumu. Po vojni je leta 1919 dobil redno profesuro v bli`njem Karlsruheju. Njegovi izumi so bili nepogre{ljivi v fizikalnih laboratorijih. Zato ga je Lenard leta 1926 predloìl za Nobelovo nagrado, vendar [vedov ni prepri~al. êprav je bil Lenard visok nacisti~ni veljak, so nacisti~ne oblasti Gaedeja 30. 6. 1934 vseeno na zelo poniùjo~ na~in spravile ob profesuro na univerzi. Da bi vendarle lahko nadaljeval delo, mu je Leybold namestil laboratorij in trgovino v doma~i hi{i. Vendar se je Gaede leta 1940 skupaj z laboratorijem raje preselil v München, kjer je kmalu po koncu vojne umrl.

193 Gaede je {e sveò iznajdbo demonstriral na 77. sre~anju nem{kih naravoslovcev in zdravnikov v Meranu na spodnjem Tirolskem ob veliki pozornosti in {tevilnih ponud- bah. Gaedejevo poro~ilo s sre~anja je pozneje prebral 11 let starej{i kemik Alfred Schmid, sin lastnika strojne trgovine E. Leyboldovih dedi~ev. Prav tisti ~as je bilo podjetje v teàvah, ker so tekmeci dobili licenco za proizvodnjo "Gerykovih ~rpalk". Zato se je Schmidt februarja 1906 s prvim vlakom odpravil v Freiburg, 23. 4. 1906 podpisal pogodbo z Gaedejem ter za~el eno najbolj plodnih sodelovanj med znanstvenikom in industrijo, ki je trajalo osemintrideset let. @e naslednje leto je Leybold opremil Gaedeju laboratorij s strojno trgovino, ki je leta 1912 postal del univerze. Istega leta je Gaede izumil "molekularno" ~rpalko. Prvih 60 ~rpalk nove vrste je Leybold prodal {e istega leta, skupno 300 pa do leta 1923. "Molekularne" ~rpalke so razvijali naslednja tri desetletja in z njimi dosegali 10–7 mbar. Leta 1913 je Gaede raziskoval nasprotni tok ìvosrebrne pare in zraka v vakuumskem sistemu, ~rpanem z rotacijsko ~rpalko. Podob- ne raziskave so opravili {e drugi; tako so ruski profesor Borowik in Gaede leta 1915 ter Lang- muir leto pozneje neodvisno izumili difuzijsko ~rpalko z ìvosrebrno paro. To je bila prva Slika 1.40: Wolfgang Gaede (*1878; vakuumska ~rpalka brez premikajo~ih se delov, †1945)193

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 73 Slika 1.41: Graf najbolj{ega dose`enega vakuuma med letoma 1900 in 2000194 z dose`ki na Sloven- skem in uporabo vakuumske tehnike

ki jo je Langmuir patentiral leta 1919 in 1921, Gaede pa leta 1923. Oba sta uporabila poseben samostojen polo`aj pri vodilnem industrijskem podjetju svoje dr`ave kot

podlago za izjemna odkritja (slika 1.41). 194 Leta 1928 je C. R. Burch iz Metropolitan-Vickers v Angliji izumil difuzijsko ~rpalko z oljem (slika 1.42). Difuzijske ~rpalke s kon~nim tlakom do 10–8 mbar so najpogosteje uporabljali za visoki vakuum, posebno v ameri{ki industriji elektronk med letoma 1920 in 1940. S trga so jih izpodrinile ~rpalke na ionsko napr{evanje leta 1958. Niànje tlaka v vakuumski elektronki zaradi razelektritve je opazil è Plücker stoletje pred njegovo uporabo v ~rpalki: "Nekateri plini reagirajo ... s platinsko katodo in nastale spojine se odlagajo na stenah. Tako se pribliàmo ... absolutnemu vakuumu". Willows je leta 1902 napovedal kemi~ne spojine s steklom v stenah; vendar je Vegard njegove domneve zavrgel.195

74 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 1.42: Naslovnica C. R. Burchove razprave, Nature, 1948196

196

1.8.2 Razvoj manometrov Z McLeodovim manometrom so tlak dolo~ali posredno iz meritev vi{jega tlaka. Poznej{i raziskovalci so idejo posrednega merjenja {e stopnjevali. Izkazalo se je, da tlak plina lahko dolo~imo posredno iz popolnoma druga~nih lastnosti plina: toplotne prevodnosti, viskoznosti, radiometrskega pojava in razelektritev. Prva dva na{teta pojava sta po Maxwellovi kineti~ni teoriji neodvisna od tlaka za povpre~ne proste poti molekul, veliko manj{e od posode; to pa pri vakuumu ne velja.197 Viskoznost, radiometrske in elektri~ne pojave je za posredno merjenje tlaka uporabljal `e Crookes sredi poletja 1876 vzporedno z McLeodovim manometrom.198 Kljub temu so uporabne manometre razvili {ele dve desetletji pozneje.

1.8.2.1 Merilniki tlaka na viskoznost Avstralski fizik Sutherland je leta 1896 sku{al obnoviti raziskovanje pojavov v radiometru. Po njem imenujemo ena~bo, ki opisuje spreminjanje viskoznosti s temperaturo. Naslednje leto je opisal dolo~anje tlaka v vakuumu z merjenjem viskoznosti plina. Njegovo idejo je uporabil Hogg leta 1906, sedem let pozneje pa Langmuir, ki je obenem objavil zakon termoionske emisije. Uporabljal je vlakno iz kremena, ki je nihalo v plinu. S po- jemanjem amplitude nihanja je meril tlak plina. Langmuirjev opis je sodelavec Dushman leta 1915 uporabil v merilniku z vrtljivim valjem za meritve do 10–7 mbar (slika 1.43).199 Leta 1916 je Langmuir opisal svojo ina~ico manometra in visokova- Slika 1.43: Dushmanov merilnik z vrtljivim kuumsko ~rpalko. valjem200

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 75 200

Saul Dushman je bil rojen v ìdovski druìni v Rostovu v Rusiji, ki se je leta 1892 odselila v Kanado (slika 1.44). [tudiral je v Torontu, kjer je leta 1912 tudi doktoriral iz fizikalne kemije. Nato je od{el k General Electric (GE) v Schenectady, kjer je vseskozi tesno sodeloval z Langmuirjem. Leta 1917 je postal dràvljan ZDA. Med letoma 1923 in 1925 je vodil raziskovanja v prvi General Electricovi tovarni àrnic "Edison Lamp Works" v Harrisonu, New Jersey. Od leta 1928 do upokojitve 1948 je bil pomo~nik direktorja raziskovalnega laboratorija GE. Leta 1949 je izdal knjigo o znanstvenih temeljih vakuumske tehnike, ki je postala nepogre{ljiva na svojem podro~ju in so jo ponatisnili v posodobljeni obliki leta 1962.

201 Beams je v 1950-ih letih pove~al zanimanje za manometre na viskoznost. Pokazal je, da lahko Slika 1.44: Saul Dushman201 tlak v vakuumu dolo~imo z merjenjem frekvence vrtenja lebde~e jeklene krogle v magnetnem polju. Frekvenca je bila okoli 1 MHz. Tako je lahko v principu meril do 10–9 mbar. Pozneje je napravo izpopolnil Fremery, danes pa jo uporabljamo za meritve med 10–2 mbar in 10–7 mbar.202 Vendar manometri na viskoznost niso bili veliko uporabljani pred izbolj{avami Steckelmacherja leta 1973.

1.8.2.2 Uporaba radiometrskega pojava za merjenje tlaka Dewar je leta 1907 poro~al o hlajenju radiometra na temperaturo teko~ega zraka, vodika in helija. Menil je, da je z njim mogo~e natan~neje meriti tlak kot z McLeodovim manometrom. Priporo~al ga je za ugotav- 203

ljanje plinastih produktov radioaktivnih teles. 204 Knudsen je marca 1910 na Univerzi v Kopenhagnu sestavil manometer na radiometrski pojav, ki v njegovem ~asu sicer {e ni bil popolnoma pojasnjen, ~eprav so v grobem poznali odvisnost vrtenja radiometra od tlaka (slika 1.45). Knudsen je meril celotni tlak v prostoru, ne pa delnih tlakov kot McLeod, ki, denimo, ni mogel meriti tlaka `ivosrebrne pare. Zato je Knudsen svojo napravo imenoval "absolutni manometer" v spomin na "absolutni elektrometer", ki ga je leta 1855 opisal poznej{i Lord Kelvin. Knudsen je meril navor zaradi prenosa gibalne koli~ine od segretih molekul plina na eni strani do hladnej{ih molekul na drugi strani plo{~. Vzporedno k segreti kovinski plo{~i je postavil gibljivo kovinsko plo{~o kot ro~ico torzijske tehtnice za merjenje odbojne sile. Plo{~i sta bili zelo tanki, debeline 2,5 μm oziroma 100 μm. Zato je odsev premika plo{~e na majhnem zrcalu opazoval skozi teleskop.

Slika 1.45: Eden izmed Knudsenovih manometrov na radiometrski pojav iz leta 1910

76 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Martin Knudsen je bil rojen na otoku Fyn (slika 1.46). [tudiral je na Univerzi v Kopenhagnu in bil tam profesor med letoma 1912 in 1941. Med njegovimi pomembnimi prispevki k vakuumski tehniki je tudi po njem imenovani absolutni manometer, o katerem je poro~al na 1. Solva- yevem kongresu. Leta 1909 in 1915 je dopolnil Hertz- Knudsenovo temeljno ena~bo za hitrost izparevanja. Objavil je prvi posredni dokaz Maxwell-Boltzmannove porazdelitve molekul po hitrosti. Med raziskovanjem toka plinov skozi ozke cevi je odkril zakon difuzije molekul in dopolnil teorijo radiometra.205

206 Pri Knudsenovih poskusih je bila razdalja med plo{~ama veliko manj{a od povpre~ne proste poti molekul. Med iz~rpavanjem plina odbojna sila med plo{~ama nara{~a obratno sorazmerno s tlakom do neke najvi{je vrednosti, nato pa se manj{a sorazmerno s tlakom. Podobne ugoto- Slika 1.46: Martin Knudsen206 vitve so objavili è Crookes in drugi leta 1875 in 1876. Vendar je Knudsen prvi izpeljal enostavno ena~bo za sorazmernost odbojne sile in tlaka pri znanem kvadratnem korenu razmerja temperatur. Tako je lahko od~ital velikost tlaka iz meritve odbojne sile med plo{~ama. Sestavil je ve~ manometrov. Prvi je imel bakren valj polmera 1,63 cm, najbolj priro~ni pa cev iz stekla debeline 0,41 cm, {irine 1,4 cm in vi{ine 2,95 cm. Temperaturo je meril z ìvosrebrnim termometrom. ^rpal je z Gaedejevo ìvosrebrno ~rpalko do –3 tlaka 4–5·10 mbar vodika, kisika ali CO2, ki ga je obenem preverjal {e z McLeodovim manometrom.

Poljski vitez Marian von Smolan Smoluchowski je bil rojen v okolici Dunaja, kjer je {tudiral pri Stefanu in leta 1894 promoviral. Nekaj ~asa se je izpopolnjeval v laboratorijih Gabriela Lippmanna v Parizu, Lorda Kelvina v Glasgowu in Warburga v Berlinu. Pou~eval je na avstrijskih univerzah. Med letoma 1898 in 1913 je bil profesor na Univerzi v Lvovu, nato pa v Krakovu, na koncu kot rektor. Leta 1898 je s povpre~no prosto potjo v kineti~ni teoriji molekul pojasnil preskok temperature (in hitrosti) med povr{ino plo{~e in plinom. Pojav sta odkrila Kundt in Warburg pri merjenju razred~enega plina, postavljenega med plo{~i razli~nih temperatur, na Univerzi v Strasbourgu leta 1875. V letih 1905 in 1906 je Smoluchowski po Boltzmannovi metodi opisal Brownovo gibanje, so~asno in neodvisno od Einsteina v Bernu. Leta 1907 in 1908 je s statisti~no teorijo pojasnil opalescenco. Bil je med najpomembnej{imi zagovorniki Boltzmannovega opisa drugega zakona termodinamike. Umrl je v Krakovu med prvo svetovno vojno za epidemijo kolike.207

Poljak Smoluchowski z Univerze v Lvovu je nemudoma objavil teorijo toka razred~enega plina in novembra 1910 opisal delovanje Knudsenovega merilnika z Maxwellovo kineti~no teorijo. Pohvalil je Knudsenove meritve, vendar je kritiziral njegovo teorijo, po kateri v ozkem pasu nad robom ve~ji tlak zaradi vi{jih hitrosti molekul prevlada nad zmanj{anjem tlaka zaradi manj{e proste poti ob oviri in tako pove~a skupni tlak. Spor je bil nadaljevanje starej{e polemike Maxwella in Meyerja z Univerze v Breslauu (dana{nji Wroc³aw) z irskima raziskovalcema Stoneyjem iz Galwaya in njegovim ne~akom Georgeom Francisom FitzGeraldom iz Dublina, ki sta trdila, da je odboj med loputama radiometra povr{inski pojav. Maxwell in za njim Knudsen sta pravilno pisala, da "do tlaka zaradi neenakosti temperatur pride le blizu 208 robov plo{~, kjer drugi odvod temperature po prostornini ni enak ni~". 209 Smoluchowski je Knudsenovemu manometru odrekal absolutno veljavne rezultate, saj naj bi bila meritev pri majhnih temperaturnih razlikah med plo{~ama odvisna od materiala plo{~e (slika 1.47). Vendar je bilo Knudsenovo poro~ilo o "absolutnem radio-

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 77 Slika 1.47: Naslovna stran Smoluchowskove kritike Knud- Slika 1.48: Gaedejev molvakuum- senovega absolutnega manometra209 meter211 metru" s silo, sorazmerno tlaku, sprejeto `e na 1. Solvayevem kongresu med 30. 10. in 3. 11. 1911 v Bruslju. Tam sta z na{ih habsbur{kih univerz sodelovala le Einstein iz Prage in Hasenöhrl z Dunaja, Smoluchowskega pa ni bilo. Knudsenov manometer je leta 1934 izbolj{al Gaede, ki ga je imel najraje med vsemi 210 merilniki (slika 1.48). Danes ga uporabljamo le v posebnih okoli{~inah. 211

1.8.2.3 Toplotna prevodnost pri merjenju tlaka Knudsen in Smoluchowski sta nadaljevala spor glede absolutne veljavnosti meritev Knudsenovega manometra; v plodni debati sta leta 1911 pre~esala {e delovanje manometra na toplotno prevodnost, ki ga danes imenujemo po Piraniju. Nista omenjala Stefanovih meritev z diatermometrom, temve~ predvsem meritve toplotne prevodnosti Kundta in Warburga iz leta 1875. Potrdila sta, da do okoli 1 mbar toplotna prevodnost ni odvisna od tlaka v skladu z Maxwellovo napovedjo. Knudsen je raziskoval {e ni`je tlake, pri katerih povpre~na prosta pot molekul plina mo~no prese`e velikost posode. Kundt in Warburg sta merila plin med plo{~ama z razli~nima temperaturama in odkrila temperaturni skok med povr{ino plo{~e in plinom; pojava ni bilo mogo~e pojasniti brez Smoluchowskove (1898) kineti~ne teorije molekul.

Marcello Pirani je bil Berlin~an italijanskega rodu (slika 1.49). Po {tudiju na tehni{ki Univerzi v Berlinu se je tam pridruìl Nem{kemu fizikalnemu dru{tvu, ki so ga vodili Max Planck in drugi. Po doktoratu se je oktobra 1904 zaposlil v tovarni àrnic Siemens & Halske v Berlinu. Od leta 1918 je bil tudi profesor na tehni{ki Univerzi v Berlinu in po ustanovitvi Osrama leta 1919 vodja njegovih raziskovalnih laboratorijev. Za razsvetljavo je okoli leta 1930 namesto àrnic za~el uporabljati razelektritve v razred~enih plinih. Leta 1930 je è proizvajal svetilke s 70-odstotnim izkoristkom, naslednje leto pa je za~el prodajo svetilk z natrijevo paro in nato fluorescen~nih svetilk. Leta 1936 je Pirani zaradi nasprotovanja nacisti~nim oblastem od{el v Anglijo k General Electric Co. v Wembley, kjer so è leta 1923 raziskovali njegov manometer. Leta 1953 se je vrnil v München in dve leti pozneje k Osramu v Berlin.

212 Piranijevemu izumu so botrovale nerodnosti pri delu z McLeodovimi merilniki pri Siemens & Halskeju v Berlinu. Tam je Pirani pri raziskovanju tantalovih àrnic uporabljal kak{nih 50 McLeodov. V vsakega so nalivali okoli 2 kg ìvega srebra; zato je pogosto prihajalo do razbitja in je bilo strupeno ìvo srebro razlito vsepovsod po tleh

78 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK laboratorija: "Zadal sem si nalogo razviti enostaven, cenen vakuumski merilnik, ki bi lahko nadomestil McLeodovega. Projekt ni bil namenjen le tehniki hitrega ugotavljanja majhnih sprememb tlaka v visokem vakuumu, temve~ je imel {e velik zdravstveni pomen. Znano je, da je vedno te`je odstraniti {kodljivo `ivo srebro z delavnic." V stiski se je redoljubni Pirani `e junija 1906 namenil razviti napravo za posredno dolo~anje tlaka v vakuumskih posodah z merjenjem toplotne prevodnosti plina. Sprememba elektri~ne upornosti segretega vodnika v vakuumu je merila toploto, izgubljeno s prevajanjem skozi plin. Tako je dobil mero za tlak. Nekaj mesecev pred Piranijem sta W. Voege v Hamburgu in Slika 1.49: Marcello Pirani (*1880; pozneje Rohn razvila †1968)212 podobne manometre z uporabo termo~lena ali termistorja, katerih izhodna napetost je odvisna od tlaka. Nove naprave so marsikje nadomestili McLeoda (slika 1.50).213 V 1930-ih letih so razvili postopke za ra~unanje tlaka iz izmerjene toplotne prevodnosti plina z bimetalnim termometrom ali s hitrostjo izparevanja v Dewarjevi posodi.214

Slika 1.50: Voegejeva naprava za meritve izmeni~nega toka od 0,001 A do 0,1 A, s katerim je dolo~al tlak preko prevodnosti razred~enih plinov215

1.8.2.4 Mehanski manometer Leta 1929 sta Ameri~ana A. R. Olsen in L. L. Hurst opisala manometer na kapacitanco za merjenje tlakov med 10 mbar in 10–4 mbar; tako sta kronala razvoj posrednih merilnikov tlaka. Njunemu podobne mehanske manometre na Bourdonovo cev je obravnaval `e Lorenz leta 1917 in z upogibom cevi meril tlake od 1 bar do 30 mbar. Z mehanskimi manometri na membrano so merili tlake do 0,1 mbar.216

1.8.2.5 Ionizacijski merilniki na vro~o katodo Merilniki nizkih tlakov so pred prvo svetovno vojno zaostajali za dose`ki ~rpalk. Uporabni manometri so bili le McLeodov, Knudsenov in Langmuir-Dushmanov z vrtljivim valjem.217 Zadnja dva sta bila zapletena, po~asna in nista merila dovolj nizkih tlakov. Zato so iskali bolj{e re{itve. [ele izum ionizacijskega merilnika na vro~o katodo je omogo~il razvoj sodobnih vakuumskih manometrov. Von Baeyer je leta 1909 na Univerzi v Berlinu nadaljeval Lenardovo raziskovanje po~asnih elektronov iz segrete Wehneltove oksidne katode in pokazal, da je triodo mogo~e uporabiti kot manometer v vakuumu. Von Baeyerjeve raziskave je izbrskal iz pozabe {ele Redhead leta 1984, tako da so za izumitelja ionizacijskega merilnika dolgo ~asa imeli O. E. Buckleyja, ki je leta

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 79 1916 pri Ameri{ki telefonski in telegrafski dru`bi meril podtlak s pogostostjo ionizacij na vro~i triodi. Tri platinske elektrode, zataljenev6cmdolgo stekleno elektronko, je uporabljal za katodo, anodo in zbiralnik (kolektor) pozitivnih ionov. V popolnem vakuumu elektroni letijo od katode k anodi, tako da tok ne te~e na zbiralnik. V plinu pa elektroni s trki ustvarjajo pozitivne ione. Ti letijo proti zbiralniku, ki je negativen glede na katodo. Buckley je meril od tlaka odvisno razmerje med kolektorskim in anodnim tokom v obmo~ju med 10–2 mbar in 5 · 10–4 mbar. Rezultate so potrdile vzporedne meritve z McLeodovim in Knudsenovim manometrom. Podobno razmerje je dobil v zraku, vodiku in ìvem srebru. Ker v triodi ni bilo premi~nih delov, vibracije niso motile meritev. Ionizacijski merilnik je bil mnogo cenej{i, hitrej{i in enostavnej{i od svojih predhodnikov, saj je tlak dolo~ala meritev na galvanometru. Omogo~al je merjenje tlaka kovinskih par, kjer so starej{i merilniki radi odpovedali. Marsikdo je rad posegel po miniaturnih izvedbah ionizacijskega merilnika, ki so pri{li prav v dobi vesoljskih poletov. Buckleyjev merilnik se je uporabljal do srede 20. stoletja za meritve do 10–8 mbar in manj, ki jih je dosegel npr. Paul A. Anderson v Washingtonu leta 1935 pri merjenju kontaktne napetosti med barijem in volframom po Kelvinovi metodi.218 Pri ni`jih tlakih so meritev motili mehki rentgenski àrki, ki nastajajo zaradi obstreljevanja anode z elektroni in povzro~ajo stalni tlak okoli 10–8 mbar. Zanje so vedeli proizvajalci katodnih elektronk, ne pa njim sorodni raziskovalci vakuumske tehnologije pred letom 1947. Neodvisnost preostalega toka od tlaka sta sicer opisala è E. K. Jaycox in H. W. Weinhart leta 1931 ter Wayne B. Nottingham z MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) {est let pozneje, vendar njihovih meritev niso uporabili za novo obliko ionizacijskega manometra. Zaradi neodvisnosti preostalega toka od tlaka pod 10–8 mbar ni ve~ veljala linearna odvisnost toka ionov od tlaka pri dani emisiji elektronov, ki jo je Dushman izmeril le med 10–2 in4·10–5 mbar. Problem je bil jasno za- stavljen v Nottingamovem referatu na 7. konferenci fizikalne elektronike na MIT-u leta 1947. Naslednje leto so problem ponovno obravnavali. Poleti 1948 je Alpert iz Westinghousovih raziskovalnih laboratorijev prosil Bayarda, naj razi{~e Nottingamovo domnevo. Ni bilo treba ve~ dolgo ~akati na re{itev, ki jo je Alpert predstavil leta 1950 pri MIT-u. Namesto valjaste plo{~e v osi ~rpalke je uporabil ionski zbiralec iz tankega vodnika v osi ~rpalke, ki je mo~no zniàl pretok mehkih rentgenskih àrkov iz mreìce (slika Slika 1.51: Naslovnica Alpertove razprave, Review of Scientific 1.51). Z zmanj{anjem povr- Instruments, 1950219 {ine ionskega zbiralca je

80 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK lahko meril do 10–11 mbar, kar je bil tlak zaradi preostalega toka rentgenskih `arkov na

tanki vodnik. 219 Kolektorji so lovili ione plina in tako niàli tlak, ki naj bi ga merili; to je bila seveda huda pomanjkljivost ionizacijskih manometrov. Alpert je problem izrabil za izbolj{avo ~rpalke. Obenem je predloìl uporabo popolnoma kovinskih zaklopk za izolacijo sistema od ~rpalk, uporabljenih pri vi{jih tlakih, in uporabo ionizacijskega merilnika za glavno ~rpalko pri nizkih tlakih. S tem je dotlej samostojen razvoj ~rpalk in merilnikov po treh stoletjih zdruìl v enotno napravo. Tekmovanje med proizvajalci vakuuma in njegovimi merilci se je prevesilo v sodelovanje.

Paul Aveling Redhead je dvajsetleten kon~al {tudij fizike v Cambridgeu. Do leta 1947 je raziskoval mikrovalovne katodne elektronke za britansko ministrstvo za mornarico, nato pa je od{el k Nacionalnemu raziskovalnemu svetu v Kanado.

Daniel Alpert je doktoriral iz fizike na Stanfordu leta 1941. V Westinghousovih laboratorijh je vodil raziskovalno skupino, dokler ni leta 1959 od{el na Univerzo Illinois.

Odkritje Bayard-Alpertovega manometra je pokazalo, da so `e leta 1931 dosegali 10–9 mbar, ~eprav tako nizkega tlaka niso znali izmeriti.220 Alpertove ideje so razvijali v ~rpalkah s pastmi, ki so molekule plina lovile na povr{ine znotraj sistema, ne da bi jih odstranjevali. Izbolj{ave so kmalu zni`ale mejo vakuuma od 10–8 mbar na 10–11 mbar v Redheadovem moduliranem merilniku iz leta 1960 in "extractorju" iz leta 1966 (slika

1.52). 221 Slika 1.52: Prvotna oblika Bayard- 1.8.2.6 Ionizacijski merilniki na hladno katodo Alpertove ionizacijske ~rpalke z vlak- nom A, mre`ico B in kolektorjem C221 Penning je uporabil hladno katodo pri podjetju Philips leta 1937. V medsebojno pravokotnem elektri~nem in magnetnem polju je dobil Towsendovo razelektritev, katere tok je bil pogosto nelinearna funkcija tlaka. Penningov manometer je meril do 10–6 mbar, izbolj{ave po 2. svetovni vojni pa delujejo do 10–12 mbar.222 Enostavne merilne naprave te vrste so veliko uporabljali, saj so McLeoda preka{ale s hitrimi, neprekinjenimi in dobro vidnimi rezultati. Zaradi nelinearnosti in ob~asnih napak Penningove meritve niso zelo natan~ne, obne- sejo pa se v industriji za tlake med 10–2 mbar in –7

10 mbar (slika 1.53). 223 Za Manhattanski projekt izdelave atomske bombe med 2. svetovno vojno so Backus in sodelavci razvili ionizacijske merilnike na hladno katodo. Leta 1943 ali 1944 so izumili merilnik netesnosti v vakuumskem sistemu z masnim spektromet- Slika 1.53: Shema Penningovega ionizacijskega merilnika s hladno katodo rom, ki so ga za~eli prodajati konec vojne.

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 81 V 1950-ih letih so dognali, da kri`anje polj odpravi pomanjkljivosti Penningovega manometra, spremenjena oblika katode pa izbolj{a lovljenje elektronov. Izpopolnjeni manometri na hladno katodo so lahko merili do 10–14 mbar. V tabeli 1.5 je pregled razvoja merilnikov tlaka do sredine 20. stoletja.

Tabela 1.5: Vakuum do sredine 20. stoletja

Merilno obmo~je Leto Izumitelj Vrsta merilnika in merjena koli~ina (mbar) pred 1660 Boyle, Hooke neposredni, kapljevinski 1000–0,1 1874 McLeod kompresijski 102–10–7 1897 Sutherland viskoznostni, s torzijsko tehtnico 1–10–4 1906 Hogg viskoznostni, s torzijsko tehtnico 1–10–4 1906 Pirani toplotna prevodnost 1000–10–4 1906 Voege toplotna prevodnost, s termo~lenom 1000–10–4 1909 von Baeyer ionizacijski na vro~o katodo 10–3–10–8 1910 Knudsen prenos gibalne koli~ine 10–10–3 1913 Langmuir viskoznostni, na nihajo~e vlakno 1–10–4 1917 Lorenz neposredni, mehanski, na Bourdonovo cev 1000–30 1929 Olsen, Hurst neposredni, mehanski, kapacitivni 10–10–4 1937 Penning ionizacijski, na hladno katodo 10–3–10–6 1946 Downing, Mellen ionizacijski, na hladno katodo, radioaktivnost 300–5·10–4 1950 Bayard, Alpert ionizacijski, na vro~o katodo 10–4–5·10–12

1.9 Vakuumisti v "visoki znanosti" druge polovice 20. stoletja êprav so prve monografije o vakuumski tehniki in tehnologiji objavljali è raziskovalci prej{nje generacije med letoma 1906 in 1926, so {ele ob teh uspehih vakuumisti za~eli obravnavati svoje delo kot samostojno panogo znanosti in enega temeljev fizike. Morda je desetletjem zamude pri razvoju tega ob~utka botrovala zavezanost razli~nim panogam u~enosti, ki tvorijo vakuumsko tehniko in tehnologijo, zakrivajo~ skupni imenova- lec vakuumskih raziskav. Tako se je {ele E. Holweck leta 1939 uspe{no zavzemal za ustanovitev nacionalnih vakuumskih dru{tev. Njegova pobuda je zaradi vojne morala po~akati na neko sobotno popoldne v novembru 1944, ko so se francoski vakuumisti sestali v sloviti pari{ki gostilni blizu Saint Germaina. Ob dobri kapljici so se prerekali, ali naj ustanovijo zvezo ali raje znanstveno dru{tvo. Konec ve~era je prevladalo zadnje mnenje in 10. 3. 1945 je 19 ~lanov ustanovili dru{tvo. Osem let pozneje so ustanovili podobno organizacijo v ZDA. 18. 6. 1953 se je na pobudo Fredericka A. McNallyja v New Yorku sestalo 53 raziskovalcev in ugotovilo potrebo po ustanovi za razpravljanje o problemih in uporabi tehnologije visokega vakuuma. [est dni pozneje je bil organiziran prvi sestanek Committee on Vacuum Techniques, ki so jo formalno ustanovili 19. 10. 1953 v Massachusettsu. Prvi nacionalni simpozij z 295 udeleènci in 35 razpravami je bil med 16. in 18. 6. 1954 v Asbury Parku, New Jersey. Naziv se ni zdel dovolj udaren, zato so ~ez tri leta ~lani izglasovali

82 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK spremembo imena v American Vacuum Society, Inc. (AVS). Od 2000 do 3000 ~lanov AVS med letoma 1964 in 1980 je v za~etku 1990-ih let ~lanstvo podvojilo. Septembra 1964 so pri AVS ustanovili strokovni ~asopis Journal of Vacuum Science and Technology, ki je kmalu postal glavno branje raziskovalcev praznega. 5. 5. 1958 so Japonci ustanovili vakuumsko dru{tvo ob vedno tesnej{ih stikih s podobnimi organizacijami Francije, ZDA, Zahodne Nem~ije, [vedske, Italije in Belgije. @e leta 1948 je ~lan Francoskega vakuumskega dru{tva Robert Champeix na~rtoval Medna- rodno vakuumsko konferenco za leto 1949 ali 1950, vendar je predlog padel v vodo zaradi gmotnih zagat. Pobudo je prevzela belgijska sekcija za vakuumsko tehniko, ustanovljena leta 1954, ki se je leta 1956 resno zavzela za mednarodni vakuumski kongres. IOVST (International Organization for Vacuum Science and Technology) je bil ustanovljen 13. 6. 1958 na 1. mednarodnem kongresu o vakuumski tehnologiji pod vodstvom Emila Thomasa v Namurju v Belgiji. To je bilo prvo veliko mednarodno sre~anje 522 vakuumistov iz 26 dràv, povezano s tedanjo svetovno razstavo v Bruslju. Na njem so sodelovali tudi Slovenci, ki so è nekaj mesecev kasneje ustanovili predhodnico Dru{tva za vakuumsko tehniko Slovenije (DVTS) kot sekcijo za vakuumsko tehniko pri Elektrotehni{kem dru{tvu Slovenije. IOVST je bil 8. 12. 1962 preimenovan v IUVSTA (International Union for Vacuum Science, Technique and Applications), ko je postal mednarodno zdruènje dràvnih vakuumskih organizacij z 10 ustanovnimi ~lani s sedeèm v Bruslju. Sredi 1960-ih let so {tevilne dràve è imele profesionalna vakuumska dru{tva ali nacionalne odbore, posve~ene vakuumu. Slovenska Vakuumska sekcija je jeseni leta 1960 organizirala prvo jugoslovansko posvetovanje o vakuumski tehniki z nad 100 udeleènci in z 48 strokovnimi referati. To je bil prodoren za~etek velikih uspehov. Dru{tvo za vakuumsko tehniko Slovenije je za~elo septembra leta 1981 izdajati svoje glasilo "Vakuumist", ki je z leti preraslo v strokovno revijo pod ve{~im urednikovanjem Andreja Preglja in za njim Petra Panjana. Vakuumisti imamo pod Alpami obetajo~o prihodnost.

1.10 Sklep

Organizacije vakuumistov so strokovna dru{tva; pomagajo pri premagovanju te`av prestrukturiranja, ko se odpirajo nova podro~ja uporabe vakuumskih tehnologij. Seveda organizacija ne more vplivati na omejitve, ki jih postavlja narava sama. Tako je leta 1977 C. Benvenuti v CERN-u dosegel 10–14 mbar, kar `e nad dve desetletji ostaja najni`ji vakuum, dosegljiv pri sobnih temperaturah. Neuspe{nost pri doseganju vedno bolj{ega vakuuma je podobna zastoju med letoma 1920 in 1950.224 Kdo jo bo presegel?

RAZVOJ VAKUUMSKE TEHNIKE 83 84 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK "Katodni `arki" in (katodno) razpr{evanje kovin

2.1 Za~etki raziskovanja "katodnih `arkov" konec 19. stoletja

"Katodni àrki" so staro ime za curek elektronov. Poskusi v izpraznjenih ceveh so v drugi polovici 19. stoletja postavili vpra{anje narave "katodnih àrkov". Druga generacija raziskovalcev je zelo odmevno oìvila raziskovanje "katodnih àrkov" v 1890-ih letih. Angleì so ve~inoma pisali o delcih, Nemci pa o valovih.225 Nacionalno obarvana, tudi osebna nasprotja med raziskovalci so postala tako ostra, da so Nemci celo proglasili Angleà Crookesa za {arlatana.226

2.1.1 Zagovorniki valovnega modela

Helmholtzov krog zagovornikov valovnega modela je z najvidnej{im predstavnikom Hertzom ugotavljal, da so lastnosti "katodnih `arkov" zelo podobne lastnostim svetlobe. Za oboje velja: 1) izlo~ajo se iz segretih in nekaterih hladnih povr{in 2) {irijo se premo 3) lahko povzro~ijo fluorescenco stekla 4) magnetno polje jih ne odklanja 5) {irijo se v vseh smereh glede na orientacijo svetle~e povr{ine 6) lastnosti svetlobe v splo{nem niso odvisne od lastnosti segretega svetila 7) prena{ajo energijo 8) prena{ajo gibalno koli~ino

"KATODNI @ARKI" 85 Odklanjanje "katodnih `arkov" v magnetnem polju so pojasnjevali z deformacijo "etra" v njem. [irjenje izklju~no v pravokotni smeri glede na povr{ino vira so pripisovali z elektriko povezanim posebnostim nastanka "katodnih `arkov".

2.1.2 Korpuskularni model in Crookes Za zagovornike korpuskularnega modela "katodnih àrkov" je bil osnovni problem njihovo premo~rtno {irjenje. Za name~ek je Hertz leta 1891 in 1892 s "katodnimi àrki" prebijal tanko plast zlata, srebra, aluminija in razli~nih litin, kar dotlej znane vrste delcev niso mogle. Seveda pa so imeli tudi angle{ki zagovorniki delcev svoje adute, ki so izhajali predvsem iz Crookesovih meritev. Kemik Crookes se je lotil fizike pod Faradayevim vplivom. Crookesovo matemati~no znanje je bilo pomanjkljivo, zato mu je pogosto pomagal tedaj vodilni angle{ki teorijski fizik Stokes. Crookesu se je medplanetarni prostor zdel orja{ka izpraznjena cev s Soncem namesto katode in atmosfero Zemlje kot stekleno povr{ino cevi. ê je imel pri Newtonu àrek svetlobe poleg lastnosti delca nekatere lastnosti vala, je Crookes oba nasprotujo~a si opisa zdruìl na na~in, ki spominja na sodobno kvantno mehaniko. Po Crookesu naj bi bila svetloba iz delcev v vakuumu, valovanje pa drugje. Tedaj Crookes {e ni poznal Hittorfovih raziskovanj, opravljenih v Bonnu leta 1869.227 Leta 1876 in 22. 8. 1879 je na kongresu Britanske dru`be v Sheffieldu proglasil sevanje za ~etrto agregatno stanje snovi: "Raziskovaje to ~etrto stanje snovi, kot da smo ujeli pod svoj nadzor majhne nedeljive delce, o katerih lahko dovolj utemeljeno domnevamo, da so fizikalna osnova Vesolja. Videli smo, da je po nekaterih svojih lastnostih snov sevanja materialna kot ta stol, po drugih lastnostih pa ima naravo izsevane energije. Kaè, da se resni~no dotikamo podro~ja, kjer se Materija in Sila zlivata v eno, tistega meglenega podro~ja med znanim in neznanim, ki se mi je vedno zdelo posebno privla~no. Drznem si domnevati, da bodo najve~ji problemi prihodnosti na{li svojo re{itev v tem mejnem podro~ju in celo za njegovimi mejami; zdi se mi, da se tu skriva Poslednja realnost, neoprijemljiva, daljnose`nega vpliva, ~udovita." Leta 1880 sta [kot Tait in za njim {e Goldstein napovedala, da se Crookesovim domnevnim molekulam pri velikih hitrostih v "katodnih àrkih" spremeni valovna dolìna sevanja zaradi Dopplerjevega efekta. Meritve niso potrdile obetavne napovedi.228 Podoben pojav so astronomi v 20. stoletju opazili na nebesnih telesih kot rde~i premik. Celo Stokes ni podpiral ideje o korpuskularnih lastnostih svetlobe, saj je bil vzgojen v generaciji, ki je mukoma ovrgla podoben koncept v Newtonovi ina~ici. Br`kone pa je prav Stokes usmeril trinajst let mlaj{ega Crookesa k ideji o ~etrtem agregatnem stanju snovi. Posebno posre~ena je bila Crookesova domneva, da v tem stanju "materija prehaja v silo" oziroma energijo, kar je posebno pod`galo nem{ke kritike.229

2.1.3 Valovi in delci obenem Rezultati na Nem{kem opravljenih poskusov niso podpirali britanskih korpuskularnih teorij. Vodilni nem{ki teorijski fizik Helmholtz je napovedal longitudinalne valove v "etru". Nekaj ~asa se je zdelo, da so jih na{li v "katodnih `arkih". K odkritju longitudinalnih valov v "etru" so bili sprva usmerjeni Hertzovi poskusi, ko je med letoma 1887 in 1889 meril ve~ generacij iskano elektromagnetno valovanje. Novembra in decembra

86 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 1895 je Röntgen raziskal àrke, ki nastanejo ob interakciji "katodnih àrkov" s stekleno steno vakuumske cevi. Sprva je napa~no menil, da je na sledi dolgo iskani longitudinalni komponenti elektromagnetnega valovanja v "etru".230 Crookesov model àrkov, ki imajo pri nekaterih poskusih lastnosti valovanja, pri drugih pa lastnosti delcev, je bil objavljen v poznem 19. stoletju. Skozi velika vrata fizike je pri{el {ele v kvantni mehaniki s snovnim valovanjem Louisa de Broglieja po letu 1923. Maxwellovim sodobnikom bi se gotovo zdel nenavaden, {e bolj pa Grovu in drugim starej{im raziskovalcem. Grove je leta 1842 je na predavanju pred Royal Institution (RI) zagovarjal valovno teorijo toplote, ki je bila pod vplivom uspehov Fresnelove optike. Druga~e kot ve~ini sodobnikov se mu je zdel "eterski fluid" odve~; navadna snov naj bi zadostovala za prenos vibracij v prostoru.231 Hertz (1888), J. J. Thomson (1897), Einstein (1905) in drugi so raje poudarjali povezanost svojih odkritij z Maxwellovo teorijo (1873), kot da bi izpostavljali razlike v opisu strukture "etra" in elektrike.232 Dose`ki Britancev so spodbujali Nemce, ki so jim izzive vra~ali, {e posebno s Planckovo (1900) in Einsteinovo (1905) del~no teorijo kvantov in fotonov: "Leta 1900 je Planck, profesor teorijske fizike v Berlinu, preiskaval matemati~ne razmere pri toplotnem àrenju in na{el, da u~inek ne raste enakomerno, ampak v sko- kih, v sunkih."233 Tako smo Slovenci kmalu prebirali o sklenitvi spora med zagovorniki valov in delcev v kompromis, ki velja {e danes.

2.2 Poskusi z razpr{evanjem kovin in s tankimi plastmi v 19. stoletju 2.2.1 Odkritje razpr{evanja kovin v Angliji Tanke plasti so opazili è po eksplozijah vodnikov, skozi katere so praznili leydenske steklenice. Angle` John Canton je nana{al kovinski vodnik na steklo, slonovo kost in les. Po eksplozijah je dobil mavri~ne barve kolobarjev, ki pa niso bili tako pravilni kot pri Priestleyjevih poskusih. Drgnjenje ali naelektritev steklene podlage nista vplivala na poskus. Priestley je poskuse s stranskimi eksplo- zijami opazoval tudi v vakuumu, ~eprav njegova ~rpalka ni bila najbolj{a. Nasprotno od drugih eksplozij tu snov ni odletela le v eni smeri.234 Tako bi è tedaj "lahko" opazili razpr{evanje kovin; vendar so bile koli~ine razpr{e- nega materiala majhne, pojavi so potekali na atomskem nivoju in jih pred Voltovim odkritjem elektri~ne baterije v za~etku 19. stoletja ni bilo mogo~e dovolj dolgo opazovati. Pojav so skoraj stoletje po Priest- Slika 2.1: Shema naprave, s katero je Grove raziskoval leyju podrobneje opazovali med razelektritve v plinih in prvi~ opazil pojav razpr{evanja raziskovanjem "katodnih àrkov" katode

"KATODNI @ARKI" 87 Slika 2.2: Naslovnica Grovove razprave o odkritju razpr{evanja kovin236 kot spremljevalni, ve~krat mote~i pojav. Povr{ina katode je izpostavljena obstreljevanju z ioni iz plazme, ki izbijajo atome iz katode. Razpr{evanje, ki ga po angle{ko imenujemo sputtering, je Grove prvi~ povezal s kovinskimi plastmi na stenah steklene elektronke po razelektritvi (slika 2.1). Le malo za njim je o podobnih raziskavah poro~al na{ Robida. Leta 1848 sta Grove in Gassiot skupaj raziskovala taljenje platinskih elektrod. Pari{ki akademik César Mansuète Despretz je Grova opozoril na mo~nej{e induktorje, ki jih je Ruhmkorff sestavljal v svoji pari{ki delavnici. Z izpopolnjeno opremo se je Grovu v Londonu posre~il znameniti poskus, o katerem je takoj po novem letu 1852 pisal RS. Poro~ilo, ki je tlakovalo pot sodobnim tehnologijam tankih plasti, je objavil na prvoaprilski dan {aljivcev (slika 2.2). Prvi je opazil nabiranje kovine na zidovih izpraznjene cevi po razelektritvi Ruhmkorffovega induktorja. Made` kovinskega oksida je bil podobne barve kot pri tedaj modnem fotografskem postopku prav tedaj umrlega Francoza Daguerra. Grove je fotografijo dobro poznal, saj sta jo è pred desetletjem raziskovala z Gassiotom; nedavno pa je kot pravnik na sodi{~u branil "daguerrotipski" patent v Angliji. Tako je imel Grove redko prilo`nost, da je svoje pravni{ke in pozneje sodni{ke izku{nje uporabil v eksperimentalni fiziki. Ko je elektrodi zamenjal, je lahko made` popolnoma odstranil. V zaprti cevi ni bilo drugih kovin, zato je domneval, da "katodni àr- ki" razpr{ujejo delce kovine iz elektrode, ki se potem nabirajo na steklu Slika 2.3: Prikaz sence "katodnih àrkov" z malte{kim kri`cem ob strani (slika 2.3). Made`

88 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK je opazoval z akromatskim mikroskopom pri dvestokratni pove~avi. Zavedal se je, da je na sledi novemu pojavu, s katerim bo posvétil v pomembno podobnost med elektrolizo in razelektritvami v vakuumu. V dodatku k razpravi je ~ez tri tedne ponudil {e nekaj razlag, povezanih z interferenco po analogiji z Nobilijevimi raziskavami tankih plasti pri elektrolizi.235 Prerokoval je veliko zanimivih odkritij in dokazoval, da gre za dejanski prenos atomov platine med

razelektritvijo. Njegove pomembnej{e razprave so Nemci sproti prevajali v Ann. Phys. 236 S podobnimi poskusi se je ukvarjal Faraday leta 1854 in o njih poro~al prijatelju Plückerju v Bonnu. Tri leta pozneje je Faraday opazoval razpr{evanje med "eksplozijo" kovinske `ice v vakuumu, isto~asno pa sta tanke plasti preu~evala {e Plücker in na{ Robida. Prve raziskave so dajale predvsem kvalitativne ugotovitve o trajanju nalaganja tanke plasti in o njeni legi glede na elektrodi. Zato je Faraday usmeril Gassiota k raziskovanju interakcij "katodnih `arkov" s kovinami. Gassiot je bil bogat trgovec z vinom, podobno kot je bil mlaj{i Joule pivovarnar; tako je dobra kapljica imela odlo~ilno vlogo pri tedanjih angle{kih odkritjih. Gassiot je 4. 3. 1858 dokazal, da se "majhni delci" izlo~ajo vstran iz negativne elektrode, druga~e kot v voltni celici; zato svetloba razelektritve induktorja nikakor ne more izvirati iz emanacij delcev kovine.

Williama Roberta Grova so v kraju Swansea v Walesu sprva u~ili doma~i u~itelji, nato pa je obiskoval Brasenose College v Oxfordu in diplomiral leta 1832 (slika 2.4). Pravo je {tudiral v Lincoln's Innu do leta 1835. Med letoma 1840 in 1847 je bil profesor "eksperimentalne filozofije" pri RI, kjer je uporabljal celice Zn-Pt za osvetlitev pri svojih predavanjih. Leta 1846 je objavil odmevno knjigo o zakonu o ohranitvi energije. Od leta 1853 je slu`boval kot pravnik predvsem pri tehni~nih primerih in postal sodnik Visokega sodi{~a v Londonu. Leta 1872 ga je kraljica povzdignila v plemi{ki stan. Zaradi slabega zdravja je leta 1887 slu`bo opustil in se posvetil znanosti. Temeljna na~ela tehnologije gorivne celice H2-O2 je januarja 1839 objavil [vicar Christian Friedrich Schönbein v Phil. Mag. Grovovo baterijo s HNO3 so najpogosteje uporabljali v telegrafskih napravah, dokler niso ugotovili, da izlo~a zdravju nevaren NO2. Grovova "plinska voltna celica" iz leta 1839 pa je bila prednica sodobnih gorivnih celic. V njej je postopek elektrolize obrnil in spajal kisik z vodikom za pridobivanje vode in elektrike.

John Peter Gassiot je bil bogat trgovec z vinom in ljubiteljski znanstvenik. V 1860-ih letih je priskrbel Maxwellu naprave, potrebne za dokaz o enakosti elektromagnetne in svetlobne hitrosti. Gassiot je bil podpredsednik RS. Med prvimi v Angliji je nabavil Geisslerjeve katodne elektronke in izdelal lasten induktor.

Druga~e od Davyjevih in drugih raziskovanj razelektritev se v Geisslerjevi cevi kovinski delci razpr{ujejo iz negativne elektrode, pozitivne pa ne dose`ejo. Po Gassiotu razpr{evanje katode iz platine ne more povzro~ati svetlobnih pojavov pri razelektritvi elektronke, saj nima enake smeri v prostoru. Prepre~il je nastajanje kovinske used- line na stekleni steni okrog katode izpraznjene cevi, pred katero je postavil dodatno odprto cev z manj{im premerom. Katoda je potem ostala hladna in nepo{kodovana. Crookes je dognal, da Slika 2.4: William Robert Grove tankih plasti ni mogo~e na enostaven na~in lo~iti od podlage ali dobiti s stiskanjem.237

"KATODNI @ARKI" 89 2.2.2 Meritve na Nem{kem in v Avstriji

2.2.2.1 Plücker v Bonnu Plücker je v eksperimentalna raziskovanja vnesel matemati~nega duha in opisal vakuum kot nedosegljivo limito. Po raziskovanju razelektritev v razred~enih plinih se je ob bo`i~u 1857 in znova ~ez nekaj mesecev pohvalil, da zna med razelektritvijo "pozlatiti, posrebriti ali pobakriti steklene stene izpraznjene cevi z galvanskim tokom". Gassiotove meritve je imel za potrdilo svojega mnenja, da delci kovine izhajajo le iz negativne elektrode. Na delih notranje stene zaprte izpraznjene steklene posode namre~ vedno najdemo enako vrsto kovine kot na negativni elektrodi. Stena posode tako potemni zaradi nabiranja izredno tanke plasti platine s katode.

Julius Plücker iz Elberferlda v renski Prusiji je {tudiral v Berlinu in Parizu (slika 2.5). Leta 1825 je doktoriral in postal privatni docent za matematiko in fiziko v Bonnu, leta 1828 pa izredni profesor prav tam. Kljub kritikam, da ima univerza `e dovolj matematikov, je Plücker s svojo matemati~no obravnavo fizikalnih problemov privla~il mnogo {tudentov. Leta 1834 je Plücker dobil redno profesuro v Halleju, naslednjo leto pa je postal profesor ~iste matematike in mehanike v Bonnu. Po smrti svojega profesorja mehanike in eksperimentalne fizike K. D. von Münchowa je leta 1836 za~asno prevzel tudi fizikalni kabinet. Ker prusko ministrstvo dolga leta ni moglo dobiti primernega profesorja fizike, je pri{lo do ene najzanimivej{ih kombinacij v zgodovini znanosti: matematik Plücker je poleti 1842 predaval poln te~aj eksperimentalne fizike in pri~el raziskovalno delo. Tako si pri Plückerju izmenoma sledijo pomembne raziskave v geometriji in eksperimentalni fiziki. Ker ni imel laboratorija za {tudente, je po tedanji navadi vabil {tudente v svoj doma~i laboratorij, kjer mu je nekaj ~asa pomagal Hittorf iz Bonna, pozneje profesor v Münstru. Po Plückerjevi smrti je Clausius prevzel katedro in laboratorij za fiziko v Bonnu.

238 Nabiti napr{eni delci so se ~isti ali pome{ani z delci plina odlagali na stene posode. Plücker jih je odklanjal z magnetom in po~rnil le posamezne dele cevi. Poro~al je o posebno lepih zrcalih iz platine na ravni podlagi. Opazil je, da se iz segrete platinske katode delci razpr{ujejo proti anodi. Zato se notranjost dovolj majhne izpraznjene cevi prekrije z lepim zrcalom, na katerem je kemijsko lahko dokazal platino. Menjaval je primesi plinov v izpraznjeni cevi in ugotavljal, da pri razelektritvah v fluoru in boru ne nastanejo tanke plasti. Preu~eval je zelo tanko plast platine modre barve, podobno tankim plastem zlata. Lepa zrcala je dobil s cinkovo elektrodo in z njimi gotovo navdu{il bonnske lepotice. Raziskoval Slika 2.5: Julius Plücker238 je tvorbo tankih plasti pri razli~nih debelinah in dolìnah elektrode v cevi.239 Ne da bi poznal Grovova raziskovanja240 je objavil, da je obstreljevanje s "katodnimi àrki" mogo~e uporabiti za napr{evanje zelo tankih plasti kovin: "Stena posode po~rni od drobnih kovinskih delcev. Pri ve~jih debelinah plasti se naredijo lepa kovinska zrcala. Pri manj{ih debelinah kaè platina zaradi velike razpr{enosti modro barvo. Na videz je enaka drobnim delcem zlata, ki jih je Faraday raziskoval leta 1857. S cinkom dobimo lepo zrcalo na delih steklene cevi nasproti

90 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK elektrode iz cinka. To zrcalo ima osen~ene neprozorne meje v cevi. Tako lahko z novo vrsto poskusov spoznavamo nove opti~ne mo`nosti tanko napr{enih kovin. Po~rnitev stekla zmanj{amo, ~e tanko àrilno ìco negativne elektrode nadomestimo z debelej{o. Potem ne pride ve~ do tolik{nega segrevanja z elektri~nim tokom. Mo~nej{i tok kovinskih delcev iz negativne elektrode v obliki tanke ìce ni samo posledica manj{e povr{ine, temve~ tudi ve~jega segrevanja, zaradi katerega je elektri~ni tok bolj osredo- to~en. Geissler je v~asih elektrodo iz platine le deloma postavil v notranjost cevi. Po~rnitev je opazil le na delu notranje stene tanke steklene cevi v dosegu elektrode."241 Wright, profesor eksperimentalne fizike na Yalu, je leta 1877 zasnoval Plückerjevemu podoben na~in nana{anja tankih plasti kovine, ki ga uporabljamo {e danes.242 [tiri leta pozneje so ga sprejeli med ~lane National Academy of Sciences (NAS). Proces razpr{evanja kovin z ioni iz plazme ni ve~ le {kodljiv pojav, ki uni~uje katode in onesnaùje plazmo, npr. v fuzijskih reaktorjih. Znamo ga med drugim uporabiti za ~i{~enje in jedkanje povr{in trdnih snovi, za nana{anje tankih plasti in za analize povr{in.

2.2.2.2 Hittorf v Münstru Plücker je raziskoval predvsem spektre razred~enih plinov, njegovega u~enca Hittorfa v Münstru pa je zanimala elektri~na prevodnost plinov pri nizkih tlakih in visokih temperaturah. Pri razdalji med elektrodama od 1 mm do 2 mm je zaàrel elektrodo iz platine, debelo 1/2 mm. Kovina iz katode je napr{ila zrcalo na steklo.243 Razpr{evanje platine z elektrode na steklo je manj motilo meritve pri uporabi ve~jih cevi, kot je bila Ruhmkorffova s 40 cm dolgo iskro na razstavi v Parizu. Tam je spomladi 1867 eksperimentiral Plücker, septembra pa Hittorf.244 Leta 1884 je Hittorf ugotavljal, da se ve~ina kovin razpr{uje iz katode è pred tali{~em. Platina se razpr{i, ko dobi spirala prevodnega toka v cevi barvo rumenega àra. Za 2 mm debele katode iz aluminija je potreboval kar 1000 med seboj povezanih Bunsenovih baterij pri tlaku 3–4 mbar. Ob lepi morsko zeleni barvi tlivne razelektritve je v nekaj sekundah pokril stekleno steno z debelim sivim zrcalom. ê katode iz aluminija ni razpr{il do konca, je postala njena povr{ina hrapava, polna tankih konic. Anoda je ostala nespremenjena. Hittorf je opisal napr{evanje uporabnih zrcal iz bakra. @al potreb po tako dragih zrcalih sprva ni bilo, zato so imeli raziskovalci pojav za motnjo. Le malo pruskih plavolask je lahko sanjalo o tak{nih ogledalih med svojim lepotilnim orodjem. Nasprotno od Puluja in drugih sodobnikov Hittorf {e ni razlikoval med naparevanjem in napr{evanjem. Napa~no je uporabljal izraz "naparevanje" za ionsko napr{evanje, pri katerem vsak ion izbije dolo~eno {tevilo atomov iz katode, ki se potem nalagajo na steno posode. Mehanizem razpr{evanja so pojasnili {ele pol stoletja po odkritju, {e nadaljnja polovica stoletja pa je pretekla pred prvimi kvantitativnimi modeli.

2.2.2.3 Robida v Celovcu Najpomembnej{a fizika slovenskega rodu poznega 19. stoletja, Stefan in Klemen~i~, nista objavljala razprav o "katodnih `arkih", ~eprav je Stefan spodbujal poskuse asistenta Puluja na Dunaju. Ve~ je o Geisslerjevih ceveh objavljal Simon [ubic. Odmeve Crookesovih raziskovanj najdemo celo pri Zochu v Sarajevu.

"KATODNI @ARKI" 91 Najpomembnej{i slovenski raziskovalec katodnega razpr{evanja je bil Stefanov gimnazijski profesor in razrednik, benediktinec Karel Robida iz Celovca. Menil je, da je vakuum popoln elektri~ni izolator, ~eprav popolnega vakuuma ni mogo~e dose~i.245

Karel Lucas Robida iz Male vasi pri Je`ici, ki je danes del Ljubljane, je gimnazijo in nato licej obiskoval v Ljubljani do leta 1824. Leta 1829 je opravil redovni{ke zaobljube in sprejel redovni{ko ime Karel v benediktinskem samostanu St. Paul v Labotski dolini, tik ob tedanji koro{ki de`elni in slovenski jezikovni meji. Leta 1830 je Robida kon~al teolo{ke {tudije in opravil izpite za u~itelja. Benediktinci so med letoma 1807 in 1871 vodili Licej in nato Gimnazijo v Celovcu. Robida je med letoma 1830 in 1845 pou~eval na Gimnaziji v Celovcu, po Kobentarjevi smrti pa je leta 1847 prevzel stolico za fiziko na Liceju. V Celovcu je predaval fiziko in matematiko 27 let, do upokojitve leta 1874. Objavil je skupaj 10 fizikalnih razprav in prvo knjigo o fiziki v slovenskem jeziku (1849). Objavljal je tudi teolo{ke, poljudnoznanstvene in prakti~ne spise, ve~inoma v slovenskem jeziku.

Robida ni mogel opraviti tehtnih poskusov brez primernih ~rpalk in tesnil, saj leta 1857 {e ni nabavil Geisslerjeve elektronke. Zato se je skliceval na poskuse berlinskega profesorja Riessa iz leta 1838, ki so bili sicer na zelo slabem glasu pri dunajskih raziskovalcih. Ni omenil podobnih raziskovanj berlinskega profesorja Ermana iz leta 1802. Oba sta menila, da so trajne le magnetne lastnosti naravnega magneta, ne pa elektri~ne, saj se vsaka snov s~asoma razelektri. Robida je tri desetletja pred Hertzom objavil kvalitativne meritve detekcije elektromagnetnega valovanja iz naelektrenega elektroskopa Fechnerja in iz suhega ~lena Zambonija. Grailichov asistent na dunajskem Fizikalnem in{titutu, Blaserna, leta 1858 ni mogel ponoviti Robidove zaznave elektromagnetnih valov s Fechnerjevim elektro- skopom po drgnjenju kovinske plo{~e z violinskim lokom. Zato je zavrnil domnevno odkritje elektromagnetnih valov, Grailich pa je naravnost o~ital Robidi nevestno eksperimentiranje. Stefan se ni oglasil, ~eprav je tesno sodeloval z Grailichom kot dunajski docent za matemati~no fiziko in po Grailichovi nenadni smrti prevzel njegov poloàj. Robida je z vibracijsko teorijo longitudinalnih valov elektrike pojasnjeval tudi pojave pri razelektritvi petdesetih elementov Grovove celice skozi elektrodi iz platine v iz~rpani posodi. Kot prvi slovenski raziskovalec je razpr{il koni~asto elektrodo iz platine in "naredil bel okrogel made` iz velikanskega {tevila zrn platine, ki so se pri visoki temperaturi prijela plo{~e... Made` je bil tem bolj bel, ~im tesneje so delci platine leàli drug na drugem".246 Robidova razprava je bila objavljena le pet let za Grovovim odkritjem razpr{evanja kovin in nekaj mesecev pred Plückerjevimi opisi;247 zato se spodobi, da preberemo opis Robidovih poskusov: "Odloèna izlo~ena snov tvori kolobar zelo pravilne oblike na negativni plo{~i pri koni~asti pozitivni (elektrodi). Sredi{~e kolobarja je projekcija konice na plo{~o. To se zgodi tako pri vodoravni kot pri navpi~ni postavitvi plo{~e, tako da gre za dolo~eno usmeritev gibanja snovi od pozitivnega proti negativnemu polu. S (praznjenjem) petdesetih elementov Grovove celice v mo~no iz~rpanem zraku, ko je plo{~a iz platine pozitivna, konica pa negativna, se na prvi pojavi sprva modrikasti, popolnoma okrogli made` takoj pod Nobilijevimi kolobarji.* Na atmosferskem zraku opazimo isti made` pol manj{ega premera in mnogo manj ìvih barv. Ko pola obrnemo, dobi plo{~a od pozitivno naelektrene konice bel okrogli made`, sestavljen iz velikanskega {tevila zrn platine, ki so se pri visoki temperaturi prijela plo{~e. Made` je v razred~enem zraku veliko ve~ji kot v vakuumu. Konice iz èleza, srebra in bakra dajejo podobne rezultate.

* Nobili je bil profesor fizike v Nadvojvodskem muzeju v Firencah

92 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Pozitivne elektrode iz srebrnih in bakrenih plo{~ kaèjo zelo razlo~ne vdolbine. Konica in plo{~a iz bakra dajeta lok v lepi zeleni svetlobi. ê sta obe konici iz enake kovine, bo le pozitivna àrela po vsej dolìni.

Christian Ernst Neef je bil do svoje smrti profesor v Frankfurtu na Maini. Leta 1839 je sestavil po njem imenovano standardno prekinjalo za majhne indukcijske tuljave. Delovalo je po enakem sistemu kot kladivo pri elektri~nem zvoncu. Neef je raziskoval predvsem v elektromedicini. Po Goethejevem vzoru je od leta 1824 v Frankfurtu razvijal sodelovanje med prirodoslovjem, tehniko in industrijo. Bil je doktor medicine in zdravnik v mestni bolni{nici, direktor botani~nega vrta, soustanovitelj Dru{tva nem{kih naravoslovcev in zdravnikov ter ustanovitelj in prvi predsednik Fizikalnega dru{tva.

Neef je eksperimentalno dolo~il, kateri pól izlo~a svetlobo in kateri toploto. Z mikroskopom je razlo~il dve razli~ni vrsti svetlobe. Prvo sestavljajo nemerljivo majhne to~ke ìvahnega leska, ki obti~ijo na platini, ko je plo{~a ali konica platinskega vodnika negativni pol. Svetlobne to~ke so zelo tanke konice hrapave povr{ine, katerih svetlobo pri elektriki, pridobljeni s trenjem, imenujemo svetlobo konice. Drugo vrsto svetlobe je Neef imenoval ogenj, ki se kaè v {ibki vijoli~ni barvi. Na konici se kaè kot svetle~a ovojnica, na plo{~i pa leì v njeni ravnini. Podoben svetlobni pojav se premika tudi od negativnega pola; ~im manj izrazit je, tem bolj je bel. îm izrazitej{i je, tem bolj se kaè vijoli~en. Ker svetloba nastopa izklju~no na negativnem polu, se po Neefu toplota izlo~a predvsem na pozitivnemu polu. Pari{ki matematik Moigno je trdil, da izvir svetlobe najbolj vidimo pri uporabi Ruhmkorffa. Krogli iz platine sta v vakuumu pola indukcijskega toka. Negativna krogla je svetla in relativno mrzla, pozitivna pa temna in relativno topla. Z vibracijsko teorijo pojasnimo termi~no delovanje elektrike. Intenzivno nihanje izvirov toka se zdruì v malo{tevilne elementarne valove, ki nosijo delce, neprimerne za elektri~no nihanje. Zato pride do pozitivno elektri~nega toplotnega in negativno elektri~nega svetlobnega nihanja. Nihanje delcev snovi povzro~a toploto. Od tod imamo toploto pri trenju, trku, udarcu. Toplotno nihanje, ki povzro~a elektriko, smo si è ogledali. Nasprotno tu opazujemo elektri~no nihanje, ki povzro~a toplotno nihanje. Pri taljenju elektri~nih vodnikov povzro~a elektri~no nihanje s toplotnim nihanjem nara{~anje prostornine in premikanje delcev. Pri tem je temperatura vodnika pod tali{~em in se odbijajo è staljene povr{inske plasti. Zdi se, da te plasti kopi~ijo snov le na negativni elektrodi, odvzemajo pa jo na pozitivni. Moigno ni opazil segrevanja pozitivne elektrode in tudi ne odletavanja nihajo~ih delcev v smeri nihanja, ki se nana{ajo na negativno elektrodo. Svetlobno nihanje, pri katerem manj intenzivno sevanje svetlobe vzbuja elektri~no nihanje, smo omenili v elektrokemiji. Svetlobno nihanje se zaradi elektri~nega nihanja usmerja proti negativnemu polu. Svetlobni valovi nastajajo iz elektri~nih elementarnih valov in prekrijejo povr{ino negativne plo{~e pola ter ovijejo konico negativnega pola. Opisano razlago elektri~nega toka potrjuje nastanek kolobarjev ali okroglih madeèv na elektrodi. ê je ena elektroda plo{~a, druga pa konica, potem se sredi{~e kolobarja sklada s podalj{kom konice. Made` na pozitivni plo{~i je v razred~enem zraku ìvo moder in ve~ji kot na atmosferskem zraku. Made` na negativni plo{~i je sestavljen iz zrn platine in je v razred~enem zraku ve~ji kot v vakuumu. Svetloba se laè {iri v redkej- {em, toplota pa v gostej{em zraku. Made` je tem bolj bel, ~im tesneje delci platine leìjo drug na drugem, in tem bolj vijoli~en, ~im bolj se razmahne svetlobno nihanje… " (slika 2.6)248 Nedvomno je na{ Robida opazoval katodno razpr{evanje, saj se je material iz negativne konice odlagal na pozitivni elektrodi.249 Zaradi Grailichove kritike to Robidovo delo ni

"KATODNI @ARKI" 93 Slika 2.6: Naslovnica Robidove razprave o vibracijski teoriji elektrike, tiskane v Izvestjah Gimnazije Celovec leta 1857

imelo posebnega odmeva. Veliko ve~ji vpliv je imela Robidova poznej{a ato- mistika in {e posebno polemika s Clausiusom v znameniti matemati~no- fizikalni reviji iz Leipziga, ki je gotovo vplivala tudi na Robidovega gimna- zijskega dijaka Stefana.

2.2.2.4 Reitlinger in Wächter na Dunaju Stefanov dunajski predstojnik Ettings- hausen je `e zelo zgodaj nabavil katodne elektronke za svoj in{titut.250 Opazil je, da je barva vakuuma v elektronki odvisna od vrste vsebovanega plina. V o`jih delih elektronke je zaznal prekinjeno svetlobo, v {ir{ih pa lepe plasti. @e Plückerjeve raziskave so pokazale odvisnost spektra od vrste plina in od debeline katodne elektronke. Ettingshausen je naro~il Reitlingerju, naj ta pojav razi{~e in mu je izro~il ve~ elektronk in Ruhmkorffovo napravo. Pri meritvah je Reitlingerju pomagal Luka @erjav. Ena izmed ugotovitev ve~letnega raziskovanja je bila, da je vakuum izolator za svetlobo in toploto.

Avstrijec Edmund Reitlinger je najprej {tudiral matematiko in astronomijo, nato pa pravo. Leta 1855 je {tudiral fiziko pri W. Webru na Univerzi v Göttingenu, kamor se je Weber leta 1849 vrnil iz Leipziga po dvanajstih letih pregnanstva zaradi podpisa politi~ne peticije. Leta 1858 je Reitlinger doktoriral pri Ettingshausnu na Dunaju in postal naslednje leto skupaj s Stefanom docent na dunajskem Fizikalnem in{titutu. Reitlinger je raz{iril svoja predavanja na zgodovino fizike, induktivno logiko in teorijo fizikalnega raziskovanja, ko je po Machovem odhodu v Gradec prevzel njegova predavanja za {tudente medicine. Leta 1863 je bil med kandidati za izrednega profesorja v Gradcu. Leta 1865 ga je Mach znova brez uspeha priporo~al za von Langovega naslednika v Gradcu, naslednje leto pa je Reitlinger postal profesor na dunajski Politehniki in tudi na Tehni{ki visoki {oli poleg Victorja Pierra in ^eha Fingerja, ki je pred tem med letoma 1870 in 1874 pou~eval na Vi{ji realki v Ljubljani.251

Reitlinger je leta 1861 naravnal optiko tako, da je lahko obenem opazoval dva spektra iz razli~no {irokih delov Geisslerjeve elektronke in ju primerjal med seboj. Potrdil je domnevo o kovinski naravi vodika in opazil zelo lepo sloje, ki jih je imenoval "biserne". 252

Na porazdelitev svetlih in temnih plasti je vplival z magnetom (slika 2.7). 253 Reitlinger in @erjav sta 24. 7. 1862 predloìla razpravo, ki je kronala ve~ kot leto dni trajajo~e poskuse v Fizikalnem in{titutu. Ugotovila sta, da se plasti gostijo pri ve~jih napetostih, da so barve madeèv odvisne od uporabljene katode, da so plasti svetlej{e v bolj{em vakuumu, {irina plasti pa je odvisna od vrste plina v vakuumu in od dolìne elektronke.254

94 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Svetle in temne plasti pri razelektritvah v katodni elektronki je opisal `e dekan Naravoslovne fakultete v Marseillu, Morren, v pismu Moignu, ki so ga prevedli tudi v nem{~ino. Francoz Abria je domneval, da so plasti v vakuumski elektronki mehanski in ne elektri~ni pojav. Reitlinger in @erjav sta domnevala, da plasti v Geisslerjevi elektronki povzro~ajo razlike elektri~ne prevodnosti.255

Auguste Morren je bil prvi profesor fizike v laboratorijih fizike in kemije Fakultete znanosti v Marseillu, ustanovljene leta 1854. Bil je pionir spektroskopske analize. Leta 1859 je opravil prvo direktno analizo ogljikovodika, ~eprav so pozneje odkritje pripisali tri leta poznej{emu Bertholetovemu raziskovanju.

Morrenovo in Abrijevo odkritje plasti je neodvisno ponovil Quet, rektor Akademije v Besançonu, isto~asno pa Grove leta 1852. Gassiot je plasto- vitost opazil {e pri zvezni razelektritvi zelo mo~ne voltne baterije. Leta 1861 je domneval, da gre za nihanje, od- Slika 2.7: Naslovna stran razprave Reitlingerja in Luke @erjava visno od upornosti medija. Riess je leta 1856 delil razelektritve na zvezne in nezvezne glede na prevodnosti medija. Quet in francoski `elezni{ki tehnik Séguin, Montgolfierjev ne~ak, sta delila plasti na pozitivne in negativne. Profesor fizike na Univerzi v @enevi, de la Rive, je leta 1862 izmeril, da temni prostor v katodi bolje prevaja od svetlega. Profesor v Leipzigu in urednik Ann. Phys. G. H. Wiedemann ter Richard Rühlmann, profesor na Gimnaziji v Chemnitzu, sta plasti pojasnila z velikimi hitrostmi, pri katerih delci plina za~no prevajati. Plasti razelektritve v razred~enih plinih sta nadalje raziskala Hittorf (1869) in Crookes (1878–1879).256 Reitlinger je ostro kritiziral Riessovo domnevo o zveznem prevajanju temnih plasti in nezveznem prevajanju svetlih plasti v izpraznjeni elektronki.257 Po Reitlingerju se zaradi slabe prevodnosti svetle plasti bolj grejejo in prav zato svetijo, kot ka`ejo poskusi s spektralno analizo. Riess pa je menil, da je razlika v svetlosti posledica razli~ne gostote plina v elektronki. Reitlinger ni pojasnil nastanka plasti snovi v elektronki.258 Puluj je menil, da so vsi delci razli~nih mas v svetlem delu elektronke usmerjeni pro~ od katode, medtem ko se v temnem podro~ju gibljejo v poljubni smeri. Ker imajo v ravnovesju oboji enako energijo, je v svetlem delu elektronke trikrat ve~ delcev kot v temnem.259 Torej je vzrok za manj{o svetilnost manj{e {tevilo delcev in ne manj{e {tevilo trkov, kot je verjel Crookes.

"KATODNI @ARKI" 95 Johann Puluj je bil leta 1875 asistent na c. k. Pomorski akademiji na Reki. Leta 1877 je bil habilitiran na dunajski Univerzi in kot privatni docent delal v von Langovem laboratoriju. Bil je tudi Kundtov asistent v Strasbourgu, nato pa profesor fizike in elektrotehnike na (nem{ki) Tehni{ki visoki {oli v Pragi. V Pragi se je ukvarjal predvsem z nihanjem pod vplivom starej{ega sodelavca Macha.

Riess je obravnaval prevajanje v plinih podobno kot v trdni snovi. Zagovarjal je enofluidno teorijo elektrike, medtem ko je Ettingshausnova {ola tako Stefanove kot Reitlingerjeve smeri temeljila na hidrodinamski analogiji. Tako je polemika med Riessom in dunajskimi fiziki trajala ve~ kot dve desetletji in je zaznamovala tri generacije raziskovalcev: Ettingshausna, Reitlingerja (1861–1862) in kon~no {e Wächterja (1882). Reitlinger je upravi~eno kritiziral Riessovo teorijo anodnega razpr{evanja in figur, ki jih je leta 1784 odkril Lichteberg, profesor v Göttingenu. Reitlinger je trdil, da poteka katodno razpr{evanje bistveno druga~e od anodnega. Hittorfova in Wächterjeva (1882) ideja o katodnem razpr{evanju kot izparevanju katode se je pokazala za nezadostno, prav tako kot Berlinerjeva domneva iz leta 1888 o katodnem razpr{evanju kot izparevanju adsorbiranega plina, ki potegne s seboj {e delce katode. Avstrijski raziskovalci vakuumskih razelektritev Reitlinger, Puluj in Wächter so podpirali trditve nekaterih angle{kih (Grove, Gassiot) in vestfalskih raziskovalcev (Plücker, Hittorf), nasprotovali pa so Angle`u Crookesu in Nemcu Riessu. Vsi raziskovalci so seveda prisegali na Faradayevo avtoriteto.260 Reitlinger je podpiral Grovovo teorijo plasti v katodni elektronki, kot jo je razvil Gassiot na Bakerijanskem predavanju leta 1858. Nasprotno teorijo je objavil Francoz Gaugain, ki je menil, da hitrost elektrike ni kon-

Tabela 2.1: Wächterjeva raziskovanja "katodnih `arkov"

Razpr{eni delci s Razpr{eni delci z Lastnost katode anode tlak plina, pri katerem se {e razpr{ujejo 0,007 do 83 mbar 13 do 6000 mbar {tevilo razpr{enih delcev je z gostoto plina obratno sorazmerno sorazmerno doseg razpr{itve mnogo dalj{i povr{ina ploskve, ki jih izlo~a 10 000 krat ve~ja razpr{evanje poteka s cele katode to~k najbli`je katodi vpliv oblike elektrode manj pomemben pomemben izlo~anje iz neoksidirane povr{ine da pravokotno na smer razpr{evanja proti elektrodi povr{ino prema, s sencami za smer gibanja delcev poljubna ovirami magnet jih krivi kot paramagnetno snov diamagnetno snov delci se izlo~ajo svetli ne da in ne velikost delcev nemerljivo majhna merljiva na~in izlo~anja mehanski izparevanje* pomaga pri segrevanje nepreverjeno razpr{evanju nosilci toka z elektrode da ne

* V nasprotju s Pulujem in sodobnimi odkritji

96 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK stantna, temve~ je odvisna od koeficienta, preseka in dolìne praznitve ter od prevodnosti. Gaugainovo teorijo je podprl Riess.261 Po Reitlingerjevi bolezni in smrti je raziskave na njegovem in{titutu nadaljeval Friedrich Wächter. Podpiral je Pulujevo kritiko Crookesove (1879) trditve, da je povpre~na prosta pot enaka dolìni temnega podro~ja v katodni elektronki. Kritika je temeljila na Stefanovi dolo~itvi povpre~ne proste poti. Wächter je zagovarjal dvofluidno teorijo elektrike, v kateri sta pozitivna in negativna elektrika kvalitativno razli~ni. Podrobno je raziskal 14 razlik med anodnim in katodnim razpr{evanjem in pri tem kritiziral Riessa in druge, ki so oba pojava ena~ili. Tako se je spor med enofluidno in dvofluidno teorijo elektrike vlekel è ve~ kot stoletje (tabela 2.1).

2.2.2.5 Puluj na Dunaju in v Pragi V Fizikalnem institutu Joèfa Stefana na Dunaju so v 1870-ih letih raziskovali lastnosti plinov, najprej difuzijo in nato toplotno prevodnost. Tanke plasti je raziskoval predvsem Puluj, ki si je pri dvornem svetniku Stefanu sposodil veliki Ruhmkorffov aparat in z njim opravil vrsto poskusov z Geisslerjevimi cevmi. Opazil je: "…spremembe v temnem prostoru cevi pri uporabi elektrod iz razli~nih kovin: platine, bakra, srebra in cinka. Pri induciranem toku z okoli 6 cm dolgo iskro se povr{ina stekla è ~ez pol ure prekrije s kovinskim zrcalom. Kovinska prevleka je najdebelej{a v bliìni elektrode in pravokotno na svetlobo tlivne razelektritve. Elektroda se prekrije s prahom zelenega volka, podobnim zlatemu prahu... V bliìni negativnega pola podkvastega magneta svetloba tlivne razelektritve v cevi prevle~e s kovino okolico elektrode skupaj z majhnim delom steklene cevi. ê imamo elektrodo iz platine, dobimo na stekleni plo{~i lepa platinska zrcala. Aluminij je doslej edina znana kovina, pri kateri ne opazimo napr{evanja zrcal na steklu, ker se te`ko izlo~a. [ibko prevleko, dobljeno z uporabo aluminija, opazimo le pri fosforescenci... Aluminij se manj napr{uje na steklo zaradi svoje kemi~ne zgradbe ali zaradi adhezije." Puluj {e ni povezoval lastnosti aluminija z njegovim mestom v tedaj novem periodnem sistemu elementov. Nasprotno od Hittorfa je è razlikoval naparevanje od razpr{evanja:262 "S podkvastim magnetom preusmerimo razpr{evanje na manj{i cilj. Nasproti platinske katode lahko postavimo stekleno plo{~o za zrcalo. Rahlo naplavino, ki je nastala pri razpr{evanju aluminijeve elektrode, smo pripisali ne~isto~am. Delci aluminija so prav tako iztrgani iz katode, vendar naj bi se zaradi razlike v kemijski sestavi ali adheziji ne prijemali stekla. Ni dvoma, da se delci katode trgajo zaradi elektri~nega toka in ne zaradi izparevanja in potujejo z razmeroma visokimi hitrostmi. Pri tem potisnejo plin pro~ od katode in difundirajo v razred~eni plin. Ker se gibljejo v eni sami smeri, mora biti njihovo {tevilo pri enaki kineti~ni energiji v ravnovesju trikrat ve~je kot v temnem prostoru, kjer se gibljejo v vseh smereh. Prostor ob katodi je relativno temen, ker je v njem manj delcev, ne pa zaradi manj{ega {tevila trkov delcev v njem, kot je trdil Crookes. Prav tako ne drì Crookesova domneva, da je temni prostor enak povpre~ni prosti poti delcev v plinu, saj je ta po Stefanovih ra~unih mnogo manj{a. Ob trkih delci elektrode mo~no zatresejo ovojnice molekul plina, vendar jih ne grejejo, temve~ jim pove~ajo kineti~no energijo. Tlivna razelektritev je potem zmes molekul plina in razpr{enih delov katode. Pri ni`jih tlakih se temni prostor dalj{a in pokrije celo cev pri tlaku 0,03 mm Hg, ne more pa dose~i 800.000 m/s, ki jih je po napa~nih domnevah izra~unal Goldstein. Petdesetkrat ni`ji tlak, ki ga je opisal Crookes, pa sploh ne omogo~a razelektritve. ^rpanje pri visokih vakuumih je treba povezati s su{enjem ~rpalke, saj so glavni vir ne~isto~ adsorbirani plini, ki jih katoda izlo~i po segrevanju."

"KATODNI @ARKI" 97 Plückerjeve ideje so bile posebno dobro sprejete na Tehni{ki visoki {oli v Pragi. Tamkaj{nji profesor kemije Gintl je leta 1880 zavra~al Crookesovo idejo o "katodnih àrkih" kot ~etrtem agregatnem stanju snovi. Menil je, da àrki vedno izbijajo kovinske delce s povr{ine katode. Izbiti delci se potem gibljejo premo~rtno, dokler upor plina v izpraznjeni cevi ne spremeni smeri njihovega gibanja ali pa jih absorbira. Po Gintlu naj bi bili "katodni àrki" tok kovinskih delcev, izbitih iz katode.

Wilhelm Friedrich Gintl je bil rojen v Pragi. Med leti 1867–1870 je bil privatni docent pri Lippichu na nem{ki Univerzi v Pragi, nato pa od leta 1870 redni profesor kemije na Tehni{ki visoki {oli v Pragi. Kritiziral je Crookesovo idejo o ~etrtem agregatnem stanju snovi.263

Poznej{i Gintlov sodelavec v Pragi, Puluj, je Gintlovo hipotezo povezal z enofluidno teorijo elektrike profesorja fizike pri [vedski akademiji Edlunga: "Mo~an tok etra izbija delce iz negativnega pola v iz~rpani cevi. Izbiti delci premo~rtno odletavajo proti stenam posode. Povzro~ajo dozdevno àrenje materije in se nabirajo kot kovinsko zrcalo na steni posode. Ob trkih teh katodnih delcev ob stene posode se njihova ìva sila spremeni v toploto. Vendar ta toplota ni dovolj velika za fosforescenco. Fosforescenco stene posode tako povzro~a eter, ki nosi katodne delce. Trki negativnih elektri~nih delcev iz elektrode ob stekleno steno in trki snovnih molekul izena~ujejo tlak etra med delci stene posode in molekulami. Trki ob ovojnice etra naredijo iz vsake to~ke zadetega steklenega zidu posode sredi{~e novih valov etra, ki se kon~no pokaèjo s fosforescenco."264 Pulujeva teorija je temeljila na snovnih atomih z ovojnico iz etra. Tak{en model atoma, imenovan "dynamida", je leta 1857 vpeljal Redtenbacher in je v habsbur{ki monarhiji sprva uspe{no tekmoval s Clausiusovo kineti~no teorijo, prvi~ objavljeno istega leta. Za Pulujem je tudi Plückerjev u~enec Hittorf leta 1883 podprl domnevo, da kovinski delci izhajajo iz segrete katode in se nato posedajo po stenah steklene cevi. [vedski profesor Gustav Grandquist je v letih od 1897 do 1898 dokazal, da sprememba temperature katode na {irokem intervalu ne vpliva na intenziteto razpr{evanja kovin v izpraznjeni cevi. S tem je bila hipoteza Hittorfa in Puluja zavrnjena.265

2.2.2.6 Opti~ne lastnosti tankih plasti v Strasbourgu Interferen~ne barve tankih plasti so bile eden izmed stebrov Newtonove optike v 17. stoletju. Eksperimentalne metode Jamina in Fizeauja ter teorija Drudeja so omogo~ile uporabo to~nih metod za merjenje debeline v 19. stoletju. Konec 19. stoletja so izpraznjene cevi in visokonapetostni usmerniki postali dostopni vse do srednje{olske ravni. Kljub temu so najprej preu~evali lastnosti tankih plasti, narejenih zunaj vakuuma. Presojnost tankih listi~ev zlata je preu~eval `e Young. Raziskovanja je nadaljeval britanski astronom de la Rue v sodelovanju s Faradayem, ki je leta 1857 prou~eval presojnost tankih listi~ev cele vrste kovin, dobljenih s kemijskimi in elektrokemijskimi metodami. Zlate listi~e je dobil tako, da je z razelektritvijo leydenske steklenice napr{il vodnik iz zlata na steklo. Quincke je v Berlinu preu~eval presojnost tankih plasti na zraku in v vakuumu. Pomembne raziskave opti~nih lastnosti inteferen~nih kolobarjev tankih listi~ev sljude je objavljal na{ Stefan.266 Kundt je leta 1884 opravil prve {tudije magnetnih tankih plasti `eleza, kobalta in niklja, pri katerih je meril rotacijo polarizacijske ravnine. Novembra 1885 je uporabil napravo, podobno tisti, s katero je septembra 1877 Ameri~an Wright opazil interferen~ne kolobarje visoke kakovosti v plasteh razli~nih kovin, razpr{enih iz katode. Deset centimetrov dolg navpi~ni stekleni valj je na obeh straneh zaprl z gladkima steklenima plo{~ama.

98 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK S spodnje strani je zatalil elektrodo iz aluminija, od zgoraj pa katodo iz kovine, namenjeno za razpr{evanje, ki jo je pritrdil s kav~ukom na cev, tako da jo je lahko med meritvami menjaval. Veliki indukcijski aparat je vzbujal s tremi do {estimi Bunsenovimi elementi. Uporabil je razli~ne kovine, vendar so se mu poskusi najbolj posre~ili s platino. Pri katodi, dolgi 2 cm, premera 0,2–0,5 mm je postavil vodoravno plo{~o na razdaljo od 2 mm do 12 mm. Iz posode je pazljivo odstranil kisik in vodno paro. Celo z mikroskopom ni bilo mogo~e najti nehomogenosti na tako dobljenih zrcalih oblike sto`ca s povpre~no debelino 10 nm in najve~jo debelino tik pod katodo. Kundtovo odkritje se danes veliko uporablja pri magnetnih senzorjih in magnetnih spominih. Pojav je prvi~ opazil Faraday leta 1845 in ga zato {e danes imenujemo po njemu. Leta 1876 je John Kerr poro~al o polarizacijski rotaciji svetlobe, odbite od namagnetene povr{ine.

Nem{ki fizik August Adolf Eduard Eberhard Kundt je bil rojen v Schwerinu, 100 km vzhodno od Hamburga. Leta 1886 je kot profesor fizike v Strasbourgu objavil prvo razpravo, ki je bila v celoti posve~ena vakuumskim tankim plastem. Tesno je sodeloval s svojim u~encem Röntgenom, tedaj `e profesorjem v Würzburgu. Röntgen se je v tem Kundtovem delu sre~al s "katodnimi `arki", ki so mu deset let pozneje prinesli svetovno slavo. Kundt je delal poskuse z vakuumom v Strasbourgu skupaj s Pulujem. Leta 1888 je zamenjal Helmholtza kot profesor fizike na berlinskem Fizikalnem in{titutu.

Kundta je presenetilo odkritje dvojnega loma svetlobe, odbite na meji med kovino in stekleno podlago zrcala. Tanko plast je opisal kot kristalno elasti~no membrano, ki je neenakomerno napeta zaradi naboja razpr{enih delcev in zato povzro~a dvojni lom. Leta 1888 je izmeril lomni koli~nik toplotno obdelanega zrcala iz platine.267 Direktor berlinske vi{je realke Nahrwold je leta 1887 raziskoval nalaganje tankih plasti z naparevanjem iz talilnega lon~ka. Njegove meritve sta dopolnila Alfred Berliner in Warburg v Freiburgu. V zimskem semestru 1886/87 in marca 1888 je v Helmholtzovem fizikalnem in{titutu preu~eval naelektritev razàrjene katode iz platine, zlata, bakra, èleza, niklja in antimona v izpraznjeni cevi. Kot izvir toka je uporabljal Danielov element, ~rpal pa je s Töpler-Hagenovo ~rpalko. Nadaljeval je raziskave J. Elsterja in H. Geitela (1887), Berlinerja (1888) in tajnega svetnika W. Siemensa, ki je potemnil stekleno bu~o elektronke po 42 urah àrenja v vakuumu z vodno paro. Siemens je v svojem laboratoriju dal Nahrwoldu na razpolago kaljene platinske vodnike, dolge 3 cm, ki se niso napr{ili na steklo niti po 200 urah. Nahrwold je dokazal, da se katoda iz platine veliko manj razpr{uje v vodiku kot na zraku.268 Nobeden od na{tetih nem{kih raziskovalcev ni omenil Edisonovega patenta z naparevanjem (1884) in seveda ne poznej{ega z napr{evanjem plo{~. Nahrwoldovo raziskovanje sublimacije v vakuumu je nadaljeval Soddy, ki je leta 1907 predloìl naparevanje kalcija na podlago z zmanj- {evanjem preostalega tlaka v vakuumski posodi.269 Soddy je bil Rutherfordov {tudent v Montrealu, od leta 1902 pa je sodeloval z Ramsayem v Angliji. Leta 1921 je dobil Nobelovo nagrado za kemijo za raziskovanje izotopov.

2.2.2.7 Kondenzacija in izparevanje v Berlinu Jamin v Parizu in Magnus v Berlinu sta raziskovala kondenzacijo par in plinov na povr{inah trdnih teles in pokazala pomembnost adsorbiranih plasti in povezavo s katalizi podobnimi kemijskimi procesi na povr{ini. Jo`ef Stefan je leta 1873 dokazal, da je hitrost izparevanja odvisna od oblike in razse`nosti povr{ine kapljevine, v nekaterih primerih pa {e od oblike gladine. Izparevanje poteka druga~e na sredi kot na robu povr{ine. Stefan je leta 1886 izra~unal tlak v notranjosti kapljevine, da bi dokazal povezavo med teorijo kapilarnosti in teorijo izparevanja. Njegovo raziskovanje povezave med povr{insko napetostjo in izparilno toploto je leta 1928 nadaljeval Sirk v Ljubljani.

"KATODNI @ARKI" 99 Hertz je leta 1882 kot asistent Helmholtza v Berlinu v dveh objavljenih delih raziskal hitrost nalaganja snovi pri destilaciji kovinskega ìvega srebra v vakuumu. Hitrost izparevanja je sorazmerna razliki ravnote`nega tlaka ìvega srebra pri dolo~eni temperaturi in hidrostati~nega tlaka na povr{ini izparevajo~e snovi. Zaradi ve~je prevodnosti je bilo ìvo srebro pripravnej{e za meritev od vode. S so~asnim segrevanjem in ~rpanjem z ìvosrebrno ~rpalko je dobil vakuum z manj kot tiso~inko milibara. V njem je meril izparevanje ìvega srebra pri devetih razli~nih tlakih in pri temperaturah med 100 °C in 200 °C. Uporabne so bile le meritve nad 80 °C, kjer je velikost tlaka zaznavno presegla napako meritve 0,04 mbar. Ugotavljal je, da se pri 100 °C kondenzira 0,9 mbar/min. Poleg Hertza so isto~asno podobne meritve objavljali {e G. Hagen, Ronker in Black s Fizikalnega in{tituta v Berlinu leta 1883. Meritve lastnosti ìvega srebra so bile tako zelo zanimive zaradi Helmholtzove teorije o trenju v fluidih in zaradi ~rpalk, kjer se ni bilo mogo~e izogniti ìvosrebrnim param v izpraznjenih ceveh.270 To~na meritev razmerja med specifi~no toploto pri konstantnem tlaku in prostornini enoatomne ìvosrebrne pare je bila posebno pomembna za Boltzmannov ekviparticijski teorem, ki ga je Helmholtz podpiral. Ve~ina uporabljanega ìvega srebra je seveda tekla iz na{e Idrije. Hertz je iz rezultatov svojih poskusov izpeljal temeljno Hertz-Knudsenovo ena~bo za hitrost izparevanja. Leta 1909 je Danec Knudsen dokazal veljavnost kosinusnega zakona 271 za izparevanje `vepla, cinka, srebra, in SbS3. 24. 6. 1915 je dokazal, da je Hertz zaradi ne~isto~ na povr{ini ìvega srebra izmeril manj{o hitrost od napovedane. Leta 1913 je Langmuir ugotovil, da se Hertz-Knudsenova ena~ba nana{a na izparevanje s prostih povr{in. Pri GE je najprej kot Coolidgeov asistent preu~eval vezi med atomi v tanki plasti plina na kovinskih vodnikih, ki so zanimale è Davyja leta 1822 in Grahama leta 1866, saj je ta plin po segrevanju katode kvaril vakuum.272 Pozneje je Langmuir raziskoval enomolekulske tanke plasti na vodi in na steklu in nadaljeval delo Rayleigha. Za teorijo adsorpcije zaradi nenasi~enih valentnih vezi atomov na povr{ini plasti je Langmuir dobil leta 1932 Nobelovo nagrado za kemijo. Leta 1886 je Goldstein v Berlinu odkril "kanalske àrke", ki so se pozneje izkazali za curek pozitivnih ionov. Poldrugo desetletje pozneje jih je v izpraznjeni cevi spustil skozi luknjo v katodi na pozla~en stekleni zaslon. Zlata prevleka je "izginila" zaradi obstreljevanja s "kanalskimi àrki".273 To je bil prvi objavljeni opis razpr{evanja kovin s curkom ionov.

2.3 Teorije razpr{evanja kovin 2.3.1 Starkova teorija razpr{evanja kovin Nemci Berliner (1888), Stark in G. Wendt (1912) so v adsorpciji plina ob razelektritvi iskali povzro~itelja makroskopskih pojavov erozije. Domnevo so veliko pozneje potrdili s poskusi na plinskih mehur~kih, ki so jih opazili med delom pri jedrskem gorivu. Danes pojav imenujemo "blistering".274 Stark je raziskoval razpr{evanje kovin pri obstreljevanju s pozitivnimi ioni na ravni atomov. Kemijske reakcije med ionskim izstrelkom in atomom na povr{ini je pravilno ocenil kot manj vplivne,275 druga~e od svojega rojaka Kohlschütterja leta 1912. Stark je bil eden vodilnih raziskovalcev svoje dobe. Poznal je uspeh Thomsonovega dela iz leta 1897, kjer so bili elektroni obravnavani kot delci v klasi~ni mehaniki. Zato je tudi sam leta 1908 in 1909 opisal proces razpr{evanja kovin z zakonom o ohranitvi energije,

100 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK O~e Johannesa Starka je bil zemlji{ki posestnik v Schickenhofu na Bavarskem. Gimnazijo je obiskoval v Bayreuthu in Regensburgu, univerzo pa v Münchnu od leta 1894, kjer je do leta 1894 teorijsko fiziko predaval Boltzmann, po letu 1899 pa eksperimentalno fiziko Röntgen. Poslu{al je predavanja iz fizike, matematike, kemije in kristalografije in diplomiral leta 1897 z doktorsko disertacijo o obstojnih Newtonovih kolobarjih v dolo~enih tipih motnih snovi, gotovo v zvezi s starej{imi Taitovimi poskusi s kolobarji v dimu. Bil je von Lommelov asistent na Fizikalnem in{titutu Univerze v Münchnu od 1897 do 1900, vendar ga Röntgen ni hotel imenovati za prvega asistenta. Zato je leta 1900 od{el za nepla~anega predavatelja v Göttingen, kjer je leta 1903 raziskoval "katodne àrke". Leta 1906 je postal izredni profesor na Vi{ji tehni{ki {oli v Hannovru, leta 1909 pa profesor na Vi{ji tehni{ki {oli v Aachnu. Leta 1917 je sprejel podobno mesto na Univerzi v Greifswaldu, leta 1920 pa je od{el na Fizikalni in{titut Univerze v Würzburgu, kjer je ostal do 1922. Meril je elektri~ne tokove v plinih, spektroskopsko analizo za zvezo med strukturo in spektrom ter kemijsko valentnost. Leta 1919 je dobil Nobelovo nagrado za odkritje Dopplerjevega efekta v "kanalskih àrkih" in cepljenja spektralnih ~rt v elektri~nih poljih. Z nagrado je odprl privatni laboratorij v Eppenstattu pri Traunsteinu na zgornjem Bavarskem. Leta 1933 je postal predsednik Fizikalno-tehni{kega in{tituta namesto von Pachena in obdràl mesto do upokojitve 1939. Isto~asno je bil predsednik Nem{ke raziskovalne zveze. Objavil je nad 300 znanstvenih del. Leta 1933 je spodbijal odkritje Röntgena v korist Hertzovega u~enca Lenarda. Kot aktivist Nacionalsocialisti~ne partije je bil Stark obsojen leta 1947277. ki velja pri elasti~nih trkih delcev. V grobem je poznal presek reakcije, kot ga danes uporabljamo pri trkih delcev v pospe{evalnikih. Tako je lahko pravilno pojasnil energijsko odvisnost koeficienta razpr{evanja (Y) pri obstreljevanju kovinske tar~e s protoni. Y nam pove, koliko atomov tar~e v povpre~ju izbije vpadli ion. Y nara{~a z energijo pri majhnih hitrostih ionov, ko se del energije ionov prenese na atome blizu povr{ine tar~e. Pri vi{jih energijah ioni prodirajo globlje v tar~o, kjer se zbere ve~ina njihove energije. Zato pri vi{jih energijah Y ne nara{~a ve~ z energijo in opazimo nasi~enost. Vendar je bilo model mogo~e podpreti komaj s poskusi v poznih 1950-ih ob uporabi pospe{evalnikov. Stark se potrditve svojih idej ni pretirano veselil, saj je medtem àl neslavno kon~al svoj preskok med nacisti~ne politike. Drugi Starkov model je temeljil na domnevi, da se pod vplivom obstreljevanja z ioni mikroskopsko majhna podro~ja segrejejo do tali{~a in snov izpareva. Stark je imel teorijo trka pri obstreljevanju za druga~en pogled na isti proces in tako, podobno kot neko~ Hittorf, ni dovolj razlikoval med napr{evanjem in naparevanjem. Oba Starkova na~ina sta obravnavala mikroskopske koli~ine. Vseeno je razlika med njima podobna, kot jo opazimo v drugih podro~jih fizike. Pojave lahko opisujemo fenomenolo{ko z makroskopskimi termodinamskimi koli~inami ali s statistiko gibanja nevidnih delcev. Podobno razliko med opisom skupine pojavov in obravnavo posameznih dogodkov je Bohr povezal s posebnim na~elom korespondence.

2.3.2 Sodobna teorija Poskusi s pospe{evalniki so pokazali, da samo s Starkovim modelom lokalnega izparevanja ne moremo pojasniti razpr{evanja zaradi obstreljevanja. Te`ave v prvi polovici 20. stoletja so izvirale predvsem iz slabega poznanja gibanja atomskih delcev z energijami pod 1000 eV v trdnih snoveh. Celo dana{nji napredek na tem podro~ju ni velik, ~eprav imamo mo`nost po{kodovati materiale z izstrelki visokih energij. Starkov matemati~ni formalizem so pol stoletja za njim F. Keywell (1952) in D. E. Harrison (1956, 1957, 1960) prevedli v sodobne zapise s koncepti verjetnosti in presekom reakcije, ki je bil pri Starku {ele v povojih.276 Razpr{evanje je posledica {irjenja tokovnih kaskad, ki nastanejo pri trkih vpadnih ionov z atomi trdne snovi in pri medsebojnih trkih teh atomov. Kaskada se {iri v vseh smereh. Na mestu, kjer dose`e povr{ino snovi, lahko eden ali ve~ atomov zapusti povr{ino.

"KATODNI @ARKI" 101 Pri tem mora biti kineti~na energija atoma ve~ja od njegove vezavne energije na povr{ini, ki je okoli 25 eV. Nastanek in {irjenje tokovne kaskade danes znamo ra~unalni{ko simulirati. Fenomenolo{ki opis razpr{evanja, ki se dobro ujema z eksperimentalnimi podatki, je leta 1969 objavil Peter Sigmund. Prostorske in energijske lastnosti tokovnih kaskad je opisal s porazdelitveno funkcijo, izra~unano iz Boltzmannove transportne ena~be. Tak{en model nam omogo~a opis splo{ne odvisnosti koeficienta razpr{evanja Y. Izra~u- namo ga kot spremenljivko, odvisno od vrste izstreljenih ionov, njihove energije in vpadnega kota, ne da bi se spu{~ali v mikroskopske podrobnosti {irjenja trkovne kaskade v snovi. Podrobnosti kaskade postanejo pomembne predvsem pri merjenju absolutne velikost koeficienta razpr{evanja in koli~in, kot sta kotni in energijski spekter razpr{enih delcev.

2.4 Sklep

Napr{evanje je netermi~ni na~in uparitve snovi, ki so ga prvi~ opazili pred poldrugim stoletjem po obstreljevanju kovinske katode z ioni visokih energij. Bilo je med prvimi odkritji raziskovalcev katodnih elektronk. Sprva ga v laboratorijih niso bili veseli, saj je skraj{evalo uporabno dobo elektronk. Ko pa je katodna elektronka v 20. stoletju pre{la iz laboratorijev v industrijo, so se prav tanke plasti izkazale za eno najuporabnej{ih odkritij. [kodljivi stranski pojav je za~el prina{ati dobi~ek, kot se v zgodovini vse preve~ rado zgodi. Razmerja so se obrnila na glavo: tlivna razelektritev je danes le {e zanimiv svetlobni pojav, raziskovanje neko~ mote~ega pojava napr{evanja tankih plasti pa se je razvilo v eno najbolj donosnih sodobnih tehnologij.

102 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Vakuumska metalurgija

3.1 Uvod

Vakuumska metalurgija je izdelovanje, oblikovanje, preu~evanje in uporaba kovin in zlitin pod zni`animi tlaki, ki segajo do ultravisokega vakuuma. Uporaba vakuuma ima naslednje prednosti:278 1) Ko ni`amo tlak plinov, ki so nastali med reakcijo, s tem dvigujemo gradient koncentracije. Tako lahko v {tevilnih uporabnih primerih pove~amo stopnjo reakcije. 2) Z red~enjem plinov premaknemo ravnovesje proti reakcijam, ki jih ho~emo opazovati. 3) Visoki vakuum ovira reakcije med parami kovine in preostalimi plini. 4) Tlak preostalega plina pade tako nizko, da postane povpre~na prosta pot molekul plina velika v primerjavi z velikostjo posode in omogo~i ve~je izparevanje. 5) Izlo~itev du{ika in kisika pove~a stabilnost {tevilnih snovi. V nadaljevanju bomo opisali raziskovanje taljenja, odplinjevanja, metalurgije izlo~e- vanja (redukcije) kovin v vakuumu in nekaj uporab naparevanja in razpr{evanja tankih plasti.

3.2 Taljenje kovin v vakuumu

Med stoletnim razvojem se je uveljavilo pet na~inov vakuumskega taljenja kovin: 1) V uporovnih talilnih pe~eh je Rohn uporabljal vakuum `e leta 1918, ~eprav postopka ni uveljavil v industriji. 2) Vakuumsko taljenje v obloku s taljivo ali stalno elektrodo 3) Vakuumsko indukcijsko taljenje v vakuumu ali v nevtralni atmosferi

VAKUUMSKA METALURGIJA 103 4) Taljenje s snopom elektronov 5) Rast in gojenje kristalov reaktivnih kovin in zlitin v vakuumu Izmed teh petih na~inov si podrobneje oglejmo tri, saj se prvi ni zares uveljavil, zadnji pa nekako ni v kontekstu pridelave kovin.

3.2.1 Oblo~no taljenje kovin v vakuumu Vakuumsko metalurgijo so prvi~ uporabili pri taljenju z oblokom. Hare je leta 1839 po ceveh dovajal kisik in vodik na oblok. Talil je platino ter proizvajal kalcijev karbid, fosfor, grafit in kalcij. Njegov izum so uporabljali za osvetljevanje odrov v gledali{~ih, katerih uspe{nice v sredi{~u pozornosti {e danes pogosto postavljamo pod "limelight".279

Robert Hare je bil rojen v Filadelfiji, kjer je tudi umrl. Bil je sin angle{kega priseljenca, ki je zelo zgodaj ustanovil veliko pivovarno v Filadelfiji, ki jo je kmalu za~el aktivno upravljati njegov sin Robert. Tako je bila `ivljenjska pot Roberta Hara v mnogo~em podobna raziskovanju njegovega mlaj{ega angle{kega sodobnika Joula. Hare je obiskoval te~aj predavanj o kemiji in fiziki v Filadelfiji. [e pred napolnjenim dvajsetim letom je tam postal ~lan Kemijskega dru{tva, kjer je leta 1801 objavil prej{nje leto poslano pomembno odkritje pihalnika na vodik in kisik, ki ga je imenoval "hidrostati~nega". Starej{i Silliman je sodeloval s Harem pri eksperimentiranju in je napravo imenoval "sestavljeni pihalnik". Imel jo je za prvi in morda najve~ji Harov prispevek k znanosti. Junija 1803 je Hare pred Ameri{kim filozofskim dru{tvom poro~al o taljenju stroncija in izparevanju platine v napravi nove oblike. S to napravo je prvi pridobil v ve~jih koli~inah staljeni magnezij, iridij in platino. Harova odkritja so uporabili v Drummondovih in kalcijevih svetilih. Izumil je ventile in vijake za popolno zra~no tesnitev naprave. Sestavil je tudi mo~ne baterije {e pred Evropejci. Leta 1816 je izumil kalorimotor, baterijo, ki je proizvajala veliko toplote. Leta 1820 je napravo izbolj{al in so jo tri leta pozneje za~eli uporabljati za izparevanje oglja. S temi baterijami so leta 1831 pod Harovim vodstvom prvi~ opravili podvodno eksplozijo z Voltovo celico. Slovel je tudi kot kemik in je izumil postopek za odstranitev narkoti~nih lastnosti tinkture opija in za ugotavljanje majhnih koncentracij opija v raztopini. Leta 1818 je postal profesor kemije in naravoslovja na Kolid`u Williama in Mary, {e istega leta pa je postal profesor kemije na medicinskem oddelku Univerze Pennsylvania in tam ostal do leta 1847. Svojo zbirko naprav je nato zapustil Smithsonovi instituciji. Pozneje se je, podobno kot Crookes, posvetil spiritizmu in predaval o njem. Leta 1806 je dobil ~astni naslov Univerze Yale, leta 1816 pa Harvarda. Leta 1839 je prejel prvo Rumfordovo nagrado za svoj pihalnik in za izbolj{ave galvanskih ~lenov. Bil je ~lan Ameri{ke akademije znanosti in umetnosti, od leta 1803 ~lan Ameri{kega filozofskega dru{tva in ~astni dosmrtni ~lan Smithsonove institucije. Samo v Sillimanovem ameri{kem Joural of Science je objavil skoraj 200 razprav. Objavil je tudi moralne razprave, pogosto pod psevdonimom Eldred Grayson. Pisal je {tevilne knjige, v katerih je obravnaval tako eksplozivnost du{ika kot spiritizem.

Leta 1856 je William Siemens sestavil "regenerativno" talilno pe~ in z njo nadomestil Bessemerjevo. Leta 1878 je sestavil elektri~no talilno pe~ za kovine in jo naslednje leto patentiral pri Britancih.280 Na{i predniki, potomci slovitih èlezarjev, so takole brali o Siemensovi "elektri~ni plavilnici": "Na levi strani opazimo topilni piskrec T. Njegovemu dnu se pozitivni tok dovaja s palico od platine ali oglja. Piskrec se nasuje s ko{~ki kovine, katero namera- vamo raztopiti. Od vrha sega v lonec vertikalna ogljena palica, ki je z ìco A v zvezi z negativnim polom. S po~etka se ta palica dotika kovinskih koscev, a ko za~ne tok kroìti, se palica s samodejno pripravo za nekoliko milimetrov dvigne, da nastane plamenen lok, ki raztaplja kovinske drobce. V kolikor se kovina pri taljenju poniùje, za toliko se poniùje vsled samodelne regulacije tudi ogljena palica, da ne preneha

raztapljajo~i plameneni lok." (slika 3.1) 281 Siemens je seveda hotel izum dobro prodati, zato je javno kazal delovanje nove talilne pe~i. Funt ostru`kov je postavil v talilni lonec in ga v 13 minutah stalil s tokom 70 A, da ga je lahko ulival. V vro~em talilnem loncu je bilo mogo~e enako koli~ino snovi stopiti `e po 8 minutah.

104 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Siemensovo oblo~no talilno pe~ so uporabljali za taljenje in zlivanje majhnih koli~in kovine pri visokih temperaturah. Celo pri proizvodnji ve~jih koli~in `eleza je bila uporabnej{a od pe~i, ki jo je isto~asno razvil skupaj z mlaj{im bratom Friedrichom. Leta 1864 sta jo o~e in sin, Francoza Emil in Pierre Martin, priredila za uporabo v industriji. Francoz Moissan je dobil leta 1906 Nobelovo nagrado za kemijska raziskovanja v talilni pe~i na oblok, ki jo je sestavil leta 1892. S spu{~anjem elektri~nega toka med grafitnima elektrodama je dosegel temperature do 3500 °C. Leta 1893 je prvi pridobil umetne diamante in hidrid tantala, ki ga je zmotno imel za ~isto kovino. Tri leta pozneje je raziskoval uran in pripravil nekaj spojin za H. Becquerelovo pio- 281 nirsko delo o radioaktivnosti.282 Slika 3.1: Elektri~no taljenje Williama Siemensa Von Bolton je leta 1902 prvi izlo~il 99,5 % tantal, ki so ga v spojinah poznali `e celo stoletje. Sestavil je talilno pe~ na oblok z vodno hlajenima elektrodama iz niklja. Posodo je iz~rpal in prepre~il dotok kisika. S von Boltonovo napravo so pozneje nana{ali staljene kovine na steklo elektronk.283

Nemec Werner von Bolton je bil sin upravnika Siemensovega rudnika bakra v Tbilisiju (Tiflis). V mladih letih je pri{el v Berlin, kjer ga je podpiral Werner Siemens. [tudiral je v Charlottenburgu, Berlinu in Leipzigu, kjer je leta 1895 doktoriral pri Ostwaldu. @e med {tudijem je objavil razpravi o bakru in o `arnici. Med letoma 1896 in 1902 je razvijal tantalove `arnice v laboratoriju Siemens & Halske Bohneshof v Berlinu-Moabit in asistiral Williamovemu ne~aku Wilhelmu von Siemensu. Ob ustanovitvi leta 1902 je postal predstojnik Foto- elektri~nega laboratorija Siemens & Halske A. G. v Berlinu, kjer je leta 1912 tudi umrl.284

Poskusi so pokazali, da imajo popolnoma ~iste kovine {tevilne druga~ne lastnosti od navadnih. Von Bolton je med ~istimi kovinami predvsem iskal nadomestek za oglje v Edisonovi àrnici: "Tehni{ki cilj mojega raziskovanja je bil najti kovino, ki bi bila primerna za àrilno telo v elektri~ni svetilki, torej kovino s tali{~em nad 2000 °C, ki jo elektrika ne bi preve~ razpr{evala in bi se jo dalo zlahka oblikovati v ìco..." Med niobijem, vanadijem in drugimi je izbral tantal. îsti tantal je pridobival tako z elektrolitsko redukcijo iz tetraoksida, kot s taljenjem tantalovega prahu v plamenu elektri~nega obloka. Pri redukciji je segreval tantalov oksid v vakuumski posodi in tako izlo~al plin kisik. Iz rjavega oksida je nastala siva kovina, podobna platini, ki jo je bilo mogo~e kovati. Leta 1905 in 1906 je uporabil oblok s taljivo elektrodo za taljenje tantala s plastjo oglja, katere elasti~nost je zniàl z dodatkom voska. Talil je v vakuumu s primesmi argona in dobil pribli`no tono kovnega tantala. Pri dolo~anju gostote in drugih lastnosti tantala mu je pomagal mladi doktor Pirani, poznej{i pionir vakuumske tehnike.285 Zaradi majhne specifi~ne elektri~ne upornosti tantala je imel von Bolton nekaj teàv pri uporabi àrnice z 0,05 mm debelo in 650 mm dolgo ìco. Pri nekaj sto tantalovih àrnicah je izmeril povpre~no dobo trajanja od 1000 do 1500 ur pri porabi 1,3 W/cd; v tistem ~asu zelo dober doseèk.

VAKUUMSKA METALURGIJA 105 Slika 3.2: Naslovnica von Boltonove razprave o niobiju (1907)

Leta 1907 je von Bolton podobne poskuse opravil z niobijem, ki ga je prav tako neposredno reduciral pri elektrolizi z izmeni~nim tokom v vakuumu ali z oblo~nim àrenjem v vakuumu. Vendar so niobijeve àrnice svetile le od 8 do 14 ur, zato se niso zdele posebno obetavne. îsti niobij je bilo veliko teè pridobiti od tantala, saj ga je bilo treba do 200-krat taliti v vakuumu. @e januarja 1905 je Siemens & Halske za~el prodajati von Boltonove tantalove àrnice. Leta 1914 so jih {e prodali 50 milijonov kosov; pozneje pa jih je s trga izrivala GE, ki je volfram za svoje àrnice pridobivala po Coolidgeovem patentu iz leta 1909. Uporaba enostavnega von Boltonovega postopka je mo~no narasla pol stoletja pozneje, ne da bi bilo fizikalno ozadje popolnoma pojasnjeno. Metoda je ostala nepogre{ljiva za proizvodnjo cirkonija, tantala in hafnija. Visokovakuumsko sintranje je {e danes primerno za pridobivanje ~istega zrnatega tantala, ne pa za niobij in njegove zlitine. Pri proizvodnji tantala je prevladal "Coolidgeov proces" sintranja z neposrednim prehodom elektri~nega toka (slika 3.2).286 V ~asu von Boltonovih poskusov je nem{ki inènir Otto Simpson zasnoval in zgradil talilno pe~ z oblokom za taljenje kovnega tantala med letoma 1903 in 1913.287 Tantal je uporabljal v àrnicah in za kirur{ke naprave. Leta 1909 sta Weiss in Stimmelmayer talila volfram v atmosferi vodika, amonijaka, du{ika in v vakuumu. [tiri leta pozneje je Wedekind uporabljal taljive elektrode obloka za taljenje hlapljivih cirkonijevih boridov, drugih boridov in podobnih spojin v vakuumu. Leta 1923 je Moore talil uran pri tlaku 10–5 mbar v plinu argonu. Izbral je volframovo elektrodo, prekrito z uranom. 12 let za njim je Hopkins uporabil mrzli talilni lon~ek in taljivo elektrodo za taljenje kovine in njeno ~i{~enje s kapljicami, ki so padale skozi tok taline; to je bila predhodnica sodobnega elektri~nega procesa izlo~anja `lindre.

106 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 3.2.2 Vakuumsko indukcijsko taljenje kovin Leta 1890 je Lake opisal taljenje kovine v kro`ni cevi. Kovino je prelival v modele z nagibanjem celotne talilne pe~i. Istega leta je Colby opisal temelje sodobnega vakuumskega indukcijskega taljenja v talilni pe~i iz vakuumske posode. Nizkofrekven~no indukcijsko tuljavo je povezal z modelom, poveznjenim nad odprtino talilne posode. Leta 1904 je W. C. Arsem pri GE projektiral vakuumsko uporovno napravo za ~i{~enje kovin z izparevanjem ne~isto~, za spodbujanje metalur{kih reakcij s plini in za za{~ito reaktivnih kovin pred onesnaènjem. Razvil je vakuumsko vodno hlajeno kovinsko posodo za odplinjevanje, spiralni grelec iz grafita in grafitne àrilne zaslone. Njegove naprave {e vedno uporabljamo za analizo plinov po taljenju v vakuumu. Tri leta pozneje je razvil razli~ne lo~evalne metalur{ke operacije pri temperaturah nad 1500 °C.288 V naslednjem desetletju je Rohn za~el komercialno razvijati vakuumsko taljenje v velikih talilnih pe~eh. Leta 1917 je nikljeve zlitine talil z Joulovo toploto in postopek naslednje leto patentiral. Leta 1921 je uporabljal nizkofrekven~no vakuumsko talilno pe~ z maso 300 kg pri podjetju Heraeus, ki je bilo dotlej znano predvsem po proizvodnji kremenovih lu~i. êz tri leta je opisal pridobivanje ~istega kroma z redukcijo oksida v vodiku. Leta 1928 je uporabil 4-tonski izvir z mo~jo 350 kW za ulivanje 2-tonskih ingotov. Proizvajal je predvsem materiale za termo~lene in zlitine za uporovno gretje. Rohn je leta 1929 sestavil napravo za taljenje ve~jih kosov kovine pri tlaku od 13 do 66 mbar. Z dodajanjem èlezovega oksida ali kromove rude je zniàl odstotek ogljika v staljenem ferokromu z 1–3 % na 0,04 %.289

O~e Wilhelma Juliusa Paula Rohna je bil rektor Visoke {ole v Dresdnu, stric pa direktor Dru{tva kemikov v Meinheimu. Rohn je {tudiral med letoma 1905 in 1911 v Leipzigu in Strasbourgu, kjer je bil u~enec Brauna, izumitelja katodne elektronke. Leta 1912 je Rohn raziskoval anomalno disperzijo in fluorescenco. Nadaljeval je tudi Braunovo delo in v letih 1922 in 1923 dobil nem{ka patenta za izbolj{avo vakuumske elektronke. Od leta 1913 je vodil fizikalne poskuse, leta 1923 pa je postal predstojnik Heraeusa.

Nemci so med obema svetovnima vojnama potrebovali trde kovine pri zelo visokih temperaturah, seveda predvsem za turbine letalskih motorjev za novo morijo (slika 3.3). Leta 1932 je Rohn za~el proizvodnjo kovin, posebno uporabnih za tanke vodnike. Vendar so slabi vakuumski sistemi podalj{evali ~rpanje na 14 do 15 ur, uporabo Rohno- vega procesa pa je oviralo majhno povpra{evanje v gos- podarstvu. So~asno z Rohnom so laboratorijsko taljenje magnetnih materialov preizku{ali v ZDA, kjer se je izkazal predvsem T. D. Yensen. Vendar se industrijske naprave niso razvile pred 2. svetovno vojno. Razvoj Slika 3.3: Proizvodnja tankih plasti v podjetju W. C. Heraeus je pospe{ila jedrska industrija z v letih 1940–1944

VAKUUMSKA METALURGIJA 107 uporabo titana v zgodnjih 1950-ih letih, pozneje pa uporaba nikljevih zlitin za lopatice turbin.290 Britanska Telegraph Construction and Maintenance Co. je za~ela proizvodnjo elektri~nih in magnetnih zlitin v 1930-ih letih.

3.2.3 Taljenje kovin s curkom elektronov v vakuumu Elektroni v samem materialu proizvajajo toplotno energijo za njegovo taljenje in segregacijo. Lokalni dvig temperature ob trkih elektronov povzro~i taljenje s curkom elektronov, ki ga je opazil è Grove leta 1852 med hitro oksidacijo pozitivno naelektrene kovinske plo{~e, na katero je usmerjal elektrone s konice platinskega vodnika. Talil je tudi èlezo, "kar je bilo posebej pou~no; èlezo je izhlapelo v Voltovem obloku tako v posodi z du{ikom, kot v vakuumu. Posodo je pokrilo z zaznavnim madeèm... Tako dejansko destiliramo èlezo, ki je z navadnimi pripomo~ki taljivo {ele pri zelo visokih temperaturah."291 (slika 3.4) Leta 1879 je Crookes segreval platino do belega àra ter jo talil med obstreljevanjem s "katodnimi àrki". V gori{~u katode v obliki vbo~enega zrcala je talil zlitino platine in iridija. Taljenje tar~e v vakuumski elektronki po obstreljevanju z elektroni je bila eksperimentalna nev{e~nost, iz katere so razvili sodobne procese taljenja in obstreljevanja kovin z elektroni;292 enako se je godilo sprva {kodljivim tankim plastem s sten elektronke. H. von Pirani je leta 1907 v ZDA patentiral taljenje tantala in drugih kovin s curkom elektronov. Postopek je vseboval ve~ino osnovnih idej sodobne industrije in celo poznej{i Temescalov sistem elektronske pu{ke iz 1950-ih let. Leta 1908 sta Parsons in Campbell uporabljala elektrone pri raziskovanju pretvorbe diamanta v grafit. Zgodnje naprave za taljenje s curkom elektronov so prispevali {e E. Tiede leta 1913 v Nem~iji, F. Trombe leta 1934 v Franciji ter R. Hultgreen in M. H. Pakkala leta 1940 v ZDA. Kljub temu postopek ni postal uporaben, saj ve~jih potreb v industriji ni bilo pred letom 1954; tedaj so v novem uporabni{kem vetru zajadrali predvsem raziskovalci Berkeleyjevega elektronskega pospe{evalnika, zdruèni v podjetje Temescal. Von Adrenne je leta 1938 prvi uporabil curek elektronov za delovno orodje. [ele sredi 1950-ih let so elektrone uporabili za varjenje, ki sta ga J. A. Stohr in W. L. Weyman leta 1958 opisala za potrebe jedrske industrije. K. H. Steigerwald je leta 1953 za~el rezati z elektronskim curkom. Ta odkritja so postopoma razvili v razli~ne oblike toplotne obdelave kovin v vakuumu. Prva in dolgo ~asa edina knjiga, posve~ena taljenju s curkom elektronom, je bila leta 1965 izdana v Sovjetski zvezi, kjer so v Moskvi razvili talilne sisteme, podobne von Ardennovi elektronski pu{ki.293

Slika 3.4: Naslovnica nem{kega prevoda zelo odmevne knjige Williama Roberta Grova (*1811; †1896), natis- njene v Braunschweigu leta 1871

108 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 3.3 Odplinjevanje kovin v vakuumu

Odplinjevanje se kot ime postopka uporablja zaradi zgodovinskih okoli{~in, ~eprav danes vemo, da jeklo vsebuje ve~ino molekul plinov v obliki spojin. Podobno igro zastarelih besed ohranjamo pri zahajanju Sonca, sijanju Lune, pozitivni elektriki v to~kah s primanjkljajem elektronov in podobnih izrazih, ki so se `e veliko preve~ udoma~ili, da bi jih znanstvena odkritja lahko spremenila.

3.3.1 Teorija absorpcije in odplinjevanja kovin Profesor kemije v Bruslju, Louyet, je è leta 1848 raziskoval tok vodika iz kapilare skozi 1 mm oddaljene listi~e iz zlata, srebra in drugih snovi. Dvajset let pozneje sta pari{ka profesorja Sainte-Claire Deville z École Normale Supérieure in Troost merila prepustnost kovin za plin. Litoèlezno pe~, ki so jo v Parizu uporabljali za ogrevanje voja{kih stra`nic, sta ovila z èleznim pla{~em in postavila v zidano votlino, v kateri sta pe~ lahko segrela do temnega ali svetlo rde~ega àra. Iz~rpala sta zrak in raziskovala preostali vodik in CO2. Na 1000 L zraka je preostalo od 0,23 L do 1,07 L vodika in od 0,22Ldo0,71LCO2. Pri drugem poskusu se je pokazalo, da se je vodik iz zaprte litoèlezne cevi, segrete v pe~i v kratkem ~asu, popolnoma raz{iril v vakuum. Pozneje sta merila prepustnost kovin za plin in razmi{ljala, ali plin prehaja skozi pore kovine ali pa se absorbira na eni strani kovinskega lista in izlo~a na drugi.

Rudarski in`enir Louis Paul Cailletet je kot mladeni~ delal pri o~etovem plav`u v Chatillon-sur-Seine. V 1870-ih letih je raziskoval lastnosti realnih plinov in decembra 1877 prvi uteko~inil kisik. Ker je bil prav v tem ~asu izvoljen za dopisnega ~lana akademije, je nekaj tednov odla{al objavo odkritja, tako da bi ga kmalu prehitel Pictet v @enevi. Prioriteto je Cailletetu priborilo pismo, v katerem je svoje odkritje pravo~asno opisal prijatelju Sainte-Clairu Devillu. Leta 1878 je Cailletet prejel Davyjevo medaljo, leta 1884 je bil izvoljen za rednega ~lana Akademije v Parizu, leta 1889 pa je postal oficir Legije ~asti.

Cailletetovi poskusi so leta 1868 podprli prvo domnevo. Uporabil je tanko `elezno plo~evino z votlino v sredi. Skozi tanko bakreno cev je prevajal plin iz votline. Ko je

èlezno posodo postavil v H2SO4 ali HCl, so iz bakrene cevi kmalu za~eli vreti mehur~ki ~istega vodika. Cailletet je pojasnil, da se mehur~ki plina razvijajo ob delovanju kisline na èlezo. Nato jim kislina prepre~i pot navzven, navznoter pa prehajajo skozi èlezo. Od tod izhaja, da je èlezo tudi pri navadnih temperaturah prehodno za plin; izlo~anje plina je sorazmerno povr{ini namo~enega èleza. Menil je, da na tok plina ne vpliva posebna sila, temve~ se plin prosto prebija skozi pore èleza. Graham je leta 1866 potrdil starej{e rezultate Sainte-Claira Devilla in Troosta, da vodik edini med plini difundira skozi segreto platinsko katodno elektronko. S paladijevo elektronko je lahko lo~il vodik iz me{anice plinov. Izmeril je, da paladij absorbira okoli 900-krat ve~jo prostornino vodika od svoje lastne. Pri poskusih je uporabil le enostavno vakuumsko ~rpalko in kad z ìvim srebrom.294

[kot Thomas Graham je {tudiral v Glasgowu, med letoma 1830 in 1837 pa je bil tam profesor kemije. Leta 1831 je objavil po njem imenovani zakon, da je difuzija plina obratno sorazmerna s kvadratnim korenom iz mase njegovih molekul. Leta 1837 je postal profesor kemije na Univerzitetnem kolidù v Londonu. Leta 1854 je prevzel nekdanji Newtonov poloàj predstojnika dràvne zakladnice, vendar je nasprotno od Newtona nadaljeval znanstveno raziskovanje.

Graham je nasprotoval Cailletetovim domnevam in je rezultate poskusov pojasnjeval z absorpcijo plinov v kovinah. Trdil je, da se prehod vodika skozi tanko `elezno plo~e-

VAKUUMSKA METALURGIJA 109 vino pri ni`jih temperaturah od Cailletetovega poskusa lahko opravi kar s samo kislino. Vodik se je v vsakem primeru v precej{nji mnoìni absorbiral v èlezu pri teh temperaturah. Pri zelo visokih temperaturah, kmalu nad rde~im àrom, se je vodik izlo~al. Podobno naj bi bilo, po Grahamu, pri platini in paladiju, ki med kovinami najbolj absorbirata vodik. Pri navadni temperaturi v vakuumu paladij ne prepu{~a vodika pod 100 °C: "Zato menim, da prehajanje vodika skozi kovino vedno sledi zgo- stitvi ali vsrkavanju plina. Utemeljeno domnevam, da hitrost prehajanja ni sorazmerna prostornini vsrkanega plina, sicer bi bil paladij mnogo bolj prepusten pri ni`jih kot pri vi{jih temperaturah. Iz plo{~e paladija se pri 267 °C popolnoma izlo~i pri ni`jih temperaturah vsebovani vodik; kljub temu pa ostane prepustna. Prepustnost paladija nara{~a proti vi{jim temperaturam, ko v kovini zadràne koli~ine vodika ni mogo~e ve~ opazovati. Vseeno menim, da je vodik tam in se mu v kovini zgodi neka vrsta hitrega utrjevanja."295 Paladij pri temperaturi 267 °C odda ves vodik in vendar ostane prepusten za isti plin. To je do neke mere nasprotovalo Grahamovemu mnenju, saj je te`ko verjeti, da kovina pri neki temperaturi, kjer è odda ves vodik, isti plin vseeno {e absorbira. Po Grahamu je kav~uk, ki è pri navadni temperaturi izlo~i ves absorbirani vodik, za vodik vseeno bolj prepusten kot za CO2. Grahamova razlaga poskusov ni podpirala prostega prehajanja plina skozi pore kovine. Prehajanje vodika in CO2 skozi kovino naj bi bilo podobno difuziji kapljevine skozi membrano, pri ~emer isto~asno pride tudi do privlaka in odboja kapljevine. Graham ni imel absorpcije plina v kovini za navadno mehansko gibanje, temve~ za neko vrsto kemi~nega spajanja. Absorpcija vodika spremeni gostoto, trdnost, elektri~no prevodnost in druge fizikalne lastnosti paladija. Absorbirani vodik se ne vede kot navaden plin. Zato je Graham obravnaval v paladiju absorbirani vodik kot zlitino paladija z drugo kovino, kar je bilo med fiziki in kemiki sprva dobro sprejeto. Danes tak{ne pojave imenujemo kemisorpcija. Prve kvantitativne meritve topnosti kisika v srebru pri navadnih tlakih je objavil è Francoz Gay-Lussac leta 1820 pri temperaturah do 1125 °C. Sto let pozneje je Sieverts postavil kovino v valj iz kremena (pri vi{jih temperaturah iz porcelana) in ga povezal z bireto, podobno Buntejevi. S Töplerjevo ~rpalko je najprej izpraznil valj, nato pa je skozi bireto spustil odmer- jeno koli~ino plina. Temperaturo je meril s termoelementom, tlak pa z razliko ravni ìvega srebra v U-cevi.

Adolf Ferdinand Sieverts je bil rojen v Jeni, po letu 1894 pa je {tudiral v Dresdnu, Leipzigu in Göttingenu, kjer je leta 1898 doktoriral pri Wallachu, prejemniku Nobelove nagrade za kemijo leta 1910 za raziskovanje terpenov. Med letoma 1907 in 1919 je Sieverts pou~eval v Leipzigu. Leta 1922 je postal profesor anorganske in analiti~ne kemije v Frankfurtu na Maini, od leta 1927 pa je bil profesor in direktor kemijskega laboratorija na Univerzi v Jeni. Slika 3.5: Naslovnica Sievertsove razprave (Sieverts, Z. Metallk. 21 (1929), 37, 38)

110 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Po {tevilnih poskusih so Sieverts in njegovi {tudentje na glavnem zborovanju Nem{kega metalur{kega dru{tva v Dortmundu leta 1928 objavili, da je masa v kovini raztopljenih molekul plina sorazmerna kvadratnemu korenu iz delnega tlaka plina pri stalni temperaturi. O podobnih vpra{anjih, tesno povezanih s kineti~no teorijo plinov, so razprave potekale `e od Grahamovih ~asov. Zato so nekateri nasprotovali Sievertsovim rezultatom. Med njimi je berlinski profesor M. Pirani zagotavljal, da po njegovih 10 let starej{ih poskusih s paladijem in `elezom topnost plina ni povezana s hitrostjo difuzije plina v kovini. Pirani je bil seveda ugleden mo`; njemu navkljub pa so Rohn in drugi podprli pravilno Sievertsovo teorijo (slika 3.5).296

3.3.2 Odplinjevanje (teko~ega) jekla v vakuumu

Henry Bessemer je bil potomec francoskih emigrantov, ki so se pred revolucijo ob koncu 18. stoletja zatekli v Anglijo. Leta 1855 je sestavil prvi konvertor. Vendar mu objava izuma leta 1856 ni prinesla uspeha, saj je potreboval èlezovo rudo brez fosforja, ki so jo kopali predvsem na [vedskem. Po letu 1860 je obogatel z jeklarno v Sheffieldu. Nizka cena jekla, pridobljenega z novimi postopki, je sproìla hitro rast proizvodnje. Bessemer je deloval kot inènir v Londonu, kjer je leta 1879 postal ~lan RS. Isto dru{tvo je 14. 12. 1687 v svoje vrste izvolila tudi na{ega Valvasorja. Podobno Bessemerju je tudi Valvasor 29. 8. 1686 poro~al v London o svoji iznajdbi posebnega postopka za ulivanje tankih kovinskih povr{in. Uporabljal ga je za izdelovanje kipov.

297 Bessemer je 27. 7. 1865 v patentu za "pridobivanje `eleza in jekla brez gore~ih materialov" opisal uporabo modelov v izpraznjenem prostoru, v katere so ulivali teko~e jeklo ali `elezo pri atmosferskem tlaku (slika 3.6). Ameri~an Roman H. Gordon je leta 1883 patentiral modeliranje ingotov v vakuumu. E. May je leta 1897 v Nem~iji patentiral napravo za so~asno

Slika 3.6: Bessmerjev predlog za ulivanje jekla iz Slika 3.7: Mayev predlog za ulivanje jekla iz leta 1865297 leta 1897298

VAKUUMSKA METALURGIJA 111 Slika 3.8: Simpsonov predlog za ulivanje jekla iz leta 1892299

ulivanje ve~ modelov v vakuumski posodi (slika 3.7). Leta 1885 je Compressed Steel Comp. dobila nem{ki patent za druga~en sistem ulivanja, ki je izklju~eval atmosfero in

ga je bilo mogo~e uporabiti za proizvodnjo jekla. 298 Konec 19. stoletja so za~eli postavljati talilne enote in modele v vakuumsko posodo. Leta 1889 je E. Taussig dobil nem{ki patent za enofazno elektri~no talilno pe~ s kalupom v vakuumski posodi. Tri leta pozneje je W. S. Simpson patentiral livno ponev

namesto talilne pe~i, ki jo je skupaj s kalupom postavil v vakuumsko posodo (slika 3.8). 299 Ve~krat so patentirali odplinjevanje med pretakanjem taline v livno ponev. H. Tholander je leta 1881 v Nem~iji patentiral proizvodnjo Bessemerjevih jeklenih ingotov. Predlo`il je povezavo ponve v iz~rpani posodi s kalupom konverterja preko vakuumskih tesnil. Jeklo v talilni ponvi bi odplinjevali med prelivanjem. Ob koncu postopka bi talilno

ponev in "bessemerko" lo~ili in jeklo ulivali na navaden na~in (slika 3.9). 300 Tehni~ne teàve so prepre~evale izvedbo teh zanimivih idej in so konec 19. stoletja pripeljale k predlogom za posebno vakuumsko odplinjevalno enoto z ulivno jamo. Najenostavnej{i na~in za prestavitev ulivne jame v vakuumsko posodo po pretakanju in nato odplinjevanju se je uveljavil è leta 1882. Druga~na patenta Dell- wika iz Fliescher Wassergas-Gesell- schaft sta bila izdana v Nem~iji malo pred 1. svetovno vojno za po- stavljanje pregrete posode, polne teko~ega jekla, v pregreto vakuumsko posodo. Zaradi ve~jega izkoristka in bolj{ega odplinjevanja so vakuumski postopek lahko podalj{ali na nekaj ur. V letih 1874, 1879 in 1882 so Parsons, R. Aitken in Jensen pred- loìli vakuumsko obdelavo staljenega jekla. Aitken je v Nem~iji zaradi teàv pri odstranjevanju plina iz staljene kovine patentiral odplinjevanje par in ~rpanje staljenega Slika 3.9: Tholanderjev predlog za ulivanje jekla iz jekla skozi pipo v vakuumsko poleta 1881300 sodo. Uporabil je posebno posodo z

112 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 3.10: Aitkenov predlog za odplinje- Slika 3.11: Wainrightov predlog iz leta 1898303 vanje iz leta 1882301

izolirno plastjo za lom svetlobe, sesalno cev pa je postavil na dno. Posoda je bila potopljena v livno ponev med izmeni~nim sesanjem in spu{~anjem zraka. Del taline je

lahko izsesal v posebno posodo, da je postopoma odplinil raztopino (slika 3.10). 301 T. Wainright je 28. 1. 1898 v Veliki Britaniji patentiral izbolj{avo Aitkenove metode z uporabo dveh dovodnih pip s teko~im jeklom, ki je bil temelj kro`nega procesa. Jeklo je zvezno teklo skozi vakuumsko posodo. Vsaka dovodna pipa je imela v spodnjem delu zama{ek, podoben sifonu. Jeklo so potopili v enega od njih, da bi pozneje zapustilo odplinjevalno posodo skozi drugega. Jeklo v vakuumski posodi je potiskal hidrostati~ni tlak zaradi razlike v ravneh med dvema kopelma v zama{kih sifonske oblike 302

(slika 3.11). 303 Za manj{e izgube toplote so pred odplinjevanjem se- grevali vakuumsko posodo v plinski pe~i. C. E. Wil- liams je 23. 3. 1931 patentiral v ZDA postopek na enakih temeljih, vendar je bil pretok jekla pove~an z brizganjem plina v do- vodno pipo. Podobno kot Aitken je lahko ponovno izto~il odplinjeno `elezo v prvotno livno ponev. Slika 3.12: Waldronov predlog iz leta 1949304

VAKUUMSKA METALURGIJA 113 Williams je predlo`il koncentri~no postavljene dovodne in izto~ne pipe. V 1920-ih letih so bili objavljeni {tevilni predlogi za izbolj{anje Wainrightovega postopka. J. U. Betterton je 12. 11. 1923 v ZDA patentiral stalno pritrjeno vakuumsko posodo v talilni pe~i. Podoben patent je F. B. Waldon dobil ~etrt stoletja pozneje v ZDA in v Britaniji z

dodatnimi predlogi za indukcijsko segrevanje v vakuumski posodi (slika 3.12). 304 Povsem nove ideje o odplinjevanju je L. Maré patentiral v ZDA in na [vedskem 20. 8. 1938. Predlo`il je vakuumsko odplinjevanje toka staljene kovine med ulivanjem ali izlivanjem. Tok staljene kovine je usmeril v vmesno livno ponev, povezano z vakuumsko posodo. Druga livna ponev je bila postavljena v isto vakuumsko posodo za sprejemanje toka odplinjenega jekla. Po laboratorijskih poskusih, objavljenih med letoma 1912 in 1953, je bil tak{en postopek izbran za za~etek {iroke uporabe odplinjevanja v industriji, ki so ga razvili predvsem pri Bochumer Verein v Nem~iji in pri U. S. Steel med letoma 1954 in 1956. Kot prvi vakuumski proces v industriji jekla je pospe{il nadaljnje raziskovanje odplinjevanja jekla. Doslej so razvili `e okoli 20 razli~nih postopkov za odplinjevanje taline in preverili njihovo uporabo v industriji. Seveda so le nekatere med njimi uporabili v jeklarstvu: livno ponev z jeklom v vakuumski posodi, odplinjevanje toka jekla, kro`no odplinjevanje in odplinjevanje med ulivanjem ali po njem.305

3.4 Metalurgija izlo~evanja (redukcije)

Leta 1882 je Demarçay opisal izjemno hlapljivost {tevilnih kovin v vakuumu. Guntz je leta 1905 razkrojil barijev hidrid v jekleni vakuumski posodi pri 900 °C, ga segrel {e za 30 °C in destiliral barij do 99,6 % ~istosti. Matignon je leta 1913 reduciral barijev oksid s silicijem ali ferosilicijem, MgO pa z aluminijem pri 1200 °C. Reducirani magnezij je sublimiral in ga je bilo mogo~e uporabljati. Osem let pozneje je Matignon uporabil 306 CaC2 za redukcijo MgCl2 pri 1200 °C. Uporabo vakuuma v metalurgiji lo~evanja so raziskali DeBoer, J. D. Fast in Van Arkel v Philipsovem National Laboratory v Eindhovnu. Leta 1925 so opisali {tevilne nizkotla~ne visokotemperaturne disociacijske reakcije z uporabo znane tehnike "vle~enja `ic" in toplotnega razkroja. Deset let pozneje je DeBoer uspe{no raziskoval polprevodnike.307 W. J. Kroll je razvil tehniko vakuumske destilacije in vakuumske toplotne redukcije za ve~ kovin. Leta 1939 je posodobil von Bolton-Simpsonovo talilno pe~ za reaktivne kovine in za~el raziskovati titan. Uporabljal je vodno hlajeni bakren talilni lonec v nevtralni atmosferi. Vendar je tudi to zgodnje raziskovanje zaviralo majhno povpra- {evanje po kovinah visoke ~istosti in pomanjkanje zmogljivih visokovakuumskih naprav v industriji. Razvoj so pospe{ile {ele raziskave taljenja in ulivanja urana in berilija za jedrsko industrijo ter potrebe letalstva po magneziju. Dobr{en del vakuumske metalurgije je bil utemeljen `e pred 2. svetovno vojno, uveljavil pa se je po njej z uporabo ~rpalk, razvitih pri procesih lo~evanja urana. Od srede 1950-ih let dalje imajo raziskovalci vakuumske metalurgije samostojne simpozije in konference kot samostojna interdisciplinarna raziskovalna dejavnost.308

114 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 3.5 Tehnologije tankih plasti 3.5.1 Za~etki Tanke plasti so najprej izdelovali s kovanjem. Egiptovski mojstri iz Luksorja so znali `e v XVIII. dinastiji (1567–1320 pr. n. {.) kovati zlato v mikrometrske listi~e. Danes znamo kovati od 0,1 do 0,05 μm debele listi~e, kar je skoraj nevidno pri pogledu od strani. Najstarej{a na~ina nana{anja tankih plasti sta kemijska redukcija, ki je omogo~ala pripravo srebrne plasti za zrcala, in posrebrevanje z elektri~nim postopkom. Obe tehniki sta bili iznajdeni pred ve~ kot 150 leti. Sodobni naziv za specializirano tehnologijo tankih plasti se uporablja le za plasti, ki jih zgradimo s procesi nalaganja atoma na atom in ne s tanj{anjem razmeroma velikega kosa snovi. Tanke plasti uporabljamo v optiki kot odbojne plasti, filtre in antirefleksne plasti. V elektroniki jih uporabljamo za uporovne plasti, kondenzatorje in {tevilne komponente v mikroelektroniki. V strojni{tvu jih uporabljamo za korozijsko za{~ito, za{~ito pred obrabo in kot mazivo. Tanke plasti nam med drugim pridejo prav kot uporabne in okrasne plasti na pametnih oknih, ki prepu{~ajo infrarde~o svetlobo samo v eno smer. Tanke plasti lahko pripravimo z elektrokemijskimi postopki (galvanski nanos, kemijski nanos, anodna oksidacija), termi~nimi in plazemskemi pr{ilnimi (sprej) postopki, kemijskimi postopki iz parne faze (CVD) ter fizikalnimi (vakuumskimi) postopki (PVD, naparevanje, napr{evanje). Pred izbolj{avami vakuumskih materialov in sistemov sredi 1930-ih let so fizikalni postopki ostali predvsem laboratorijska posebnost.

3.5.2 Tanke plasti na steklu

3.5.2.1 Razvoj steklarstva Steklo so prvi~ umetno izdelali v Mali Aziji in Egiptu pred 4000 leti. Okoli za~etka na{ega {tetja so za~eli pihati steklo. Sto let pozneje so v Aleksandriji uporabljali barvano steklo. Prva okna iz stekla se omenjajo ob koncu 3. stoletja. Leta 1369 so v Benetkah `e poznali umetnost izdelave zrcal. Leta 1675 so na Angle{kem izna{li kremenovo (flint) steklo, ki je imelo druga~en lomni koli~nik zaradi prime{anega PbO. Z njim je bilo mogo~e oporekati Newtonovi teoriji kromatske aberacije sredi 18. stoletja. Leta 1830 je Michael Faraday dokazal, da je navadno silikatno steklo kapljevina in ne spojina. Po letu 1930 so fiziki za~eli preu~evati strukturo stekla, ki ni v termodinamskem ravnovesju in njegova atomska struktura ni periodi~na kot pri kristalih. Tako makroskopsko steklo sestavlja mno`ica obmo~ij, ki so na razli~nih stopnjah razvoja.

3.5.2.2 Antirefleksijska prekritja Fraunhofer je leta 1817 prvi izdelal antirefleksijsko plast na steklu, ki ga je slu~ajno namakal v koncentrirano H2SO4 ali HNO3. Vendar odkritja tedaj ni poskusil uporabiti. [ele desetletja pozneje so pojasnili, da interferenca zmanj{a odboj na stekleni podlagi, ~e nanjo nanesemo tanko plast z manj{im lomnim koli~nikom. Gerhard Bauer z Univerze v Göttingenu je 27. 11. 1933 izmeril absolutne vrednosti absorpcijskih konstant nekaterih kristalov alkalijskih halogenidov. V vakuumu je naparil plasti do debeline okoli 1000 nm, ki so bile najbolj primerne za meritev. Debelino tanke plasti je meril z interferenco enobarvne svetlobe.

VAKUUMSKA METALURGIJA 115 Leta 1935 sta John Strong s CalTecha in pozneje z observatorija Hale ter Smakula iz

Zeissa s kondenzacijo CF2 v vakuumu dobila enoplastno antirefleksijsko prekritje na steklu.309 Leta 1939 sta C. Hawlet Cartwright in A. Francis Turner z MIT-a objavila, da je s plastjo debeline 125 nm in lomnim koli~nikom od 1,2 do 1,3 mogo~e prakti~no odpraviti odbojnost stekla. Lomni koli~nik materiala je bilo mogo~e pribliàti dani vrednosti s kontrolo okoli{~in pri njegovem naparevanju. @al se je obenem zniàla gostota in s tem tudi mehanska ìlavost, kar je mo~no omejilo seznam uporabnih snovi. Predloìla sta tudi uporabo ve~plastnih prekritij in odpravila odboj z naparevanjem

Al2O3 in SiO2. [tevilne druge predlagane snovi so imele odli~ne opti~ne lastnosti, vendar niso bile

odporne proti mehanskim in drugim vplivom okolice. Izjema je bil MgF2, ki je postal vodoodporen po nana{anju na vro~e podlage iz stekla. Leta 1942 je Lyon v ZDA izdelal

prvo stabilno antirefleksijsko enoplastno prekritje iz MgF2 na prej segretem steklu. Poskuse z ve~plastnimi prekritji so delali v ZDA in v Evropi `e leta 1938. Prvo tehni~no zadovoljivo re{itev je objavil Auwärter z dvoplastnim sistemom iz leta 1949. 22. 2. 1946 je odpovedal slu`bo pri Heraeusu; na povabilo Liechtensteinskega kneza Franza Josefa II. je za~el v kraju Balzers proizvajati rodijeva zrcala z naparevanjem na osnovi svojega patenta in raziskav, objavljenih leta 1939. Danes proizvajajo antirefleksijska prekritja tudi z ve~ kot osem plastmi. Tako je blizu krajev, kjer sta se Turja~an in Guericke neko~ pri~kala o vakuumu, razvila pomembna vakuumska podjetja. Balzers je zrasel tristo kilometrov jugozahodno od Regensburga, sodobna kranjska podjetja pa niso veliko dlje.

3.5.2.3 Kovinska zrcala Visokoodbojne plasti so za~eli industrijsko izdelovati veliko prej kot antirefleksijske. Liebig je `e leta 1835 na Univerzi v Giessenu poro~al o srebrnih zrcalnih plasteh, dobljenih z mokrim kemijskim postopkom. Ve~ poro~il so objavili raziskovalci `arnic.

Slika 3.14: Notranjost naprave s slike 3.13: katoda Slika 3.13: Proizvodna naprava s katodnim iz srebrne `ice je namenjena prekrivanju matric za razpr{evanjem leta 1935 izdelavo gramofonskih plo{~

116 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Sawyer in Mann sta leta 1880 opisala vakuumsko pirolizo ogljiko- vodikovih par za tvorbo tankih plasti oglja. Lodyguine je leta 1897 raziskal redukcijo WCl4 z vodikom za tvorbo tankih plasti volframa. Prvi postopek metalizacije s katodnim napr{evanjem je leta 1903/1904 patentiral Edison za izdelavo fonografskih plo{~ (slike 3.13, 3.14 in 3.15).310 Hare je leta 1839 prvi poro~al o oblo~nem naparevanju tankih plasti kovine v vakuumu. Pirani je leta 1907 patentiral uporabo osredoto- ~enih "katodnih `arkov" za vakuumsko topljenje odbojnih snovi, kar se Crookesu leta 1879 ni posre~ilo. V svojem patentu Pirani tankih plasti sicer ni omenil. Pohl in Pringsheim sta leta 1912 poskusila dobiti tanko plast na zrcalu z naparevanjem srebra, aluminija in drugih kovin v Slika 3.15: Prekrivanje trakov papirja ali tekstila s vakuumu. Naparevala sta iz kera- katodnim razpr{evanjem mi~nih (MgO) talilnih lon~kov.311 Langmuir je leta 1913 raziskoval hitrost izparevanja kovin v vakuumu in poro~al o tankih plasteh.

Robert Wichard Pohl je bil sin ladjedelni{kega in`enirja v Hamburgu. Obiskoval je humanisti~no gimnazijo Johanneum, kot pred njim Franck in G. Hertz. Nato je Pohl {tudiral eno leto v Heidelbergu, kjer je spoznal Franka in nato skupaj z njim nadaljeval {tudij v Berlinu. V disertaciji iz leta 1906 je Pohl obravnaval izsevanje svetlobe pri ionizaciji plinov. Do prve svetovne vojne je raziskoval v Fizikalnem in{titutu berlinske Univerze. Med vojno je kot kapetan sodeloval pri razvoju nove radijske tehnike. Leta 1916 je postal izredni in {tiri leta pozneje redni profesor za eksperimentalno fiziko in direktor Fizikalnega in{tituta v Göttingenu, kjer je `ivel do smrti. Leta 1979 je Nem{ko fizikalno dru{tvo 1979 ustanovilo Pohlovo nagrado, ki jo podeljuje vsako leto. P. Pringsheim je prav tako za~el raziskovati v Berlinu, vendar je po Hitlerjevem prevzemu oblasti od{el v ZDA in pou~eval v Kaliforniji. Raziskoval je fiziko svetlobe, predvsem luminiscenco in laserje.

Leta 1926 je Frenkel s Fizikalno-tehni{kega in{tituta v Leningradu objavil domnevo o kriti~ni temperaturi odboja kovinskih atomov od podlage. Njegovo teorijo sta istega leta eksperimentalno potrdila Hartinov in Semenov na isti ustanovi. Dve leti pozneje je Semenov z novim pomo~nikom Shalnikovim raziskoval nastajanje spojine pri hkratni kondenzaciji kadmija in `vepla. Leta 1956 je Semenov dobil Nobelovo nagrado za kemijo. Leta 1928 je Ritschl opisal metodo za so~asno posrebrevanje dveh interferometrskih zrcal z naparevanjem iz lon~ka iz volframovih vodnikov. Debelino posrebrene plasti je uravnaval s fotometri~nim merjenjem njene prepustnosti. Zrcala je obdelal s parami HCl 312 in HNO3 in jim tako izbolj{al opti~ne in mehanske lastnosti.

VAKUUMSKA METALURGIJA 117 Rudolf Ritschl je raziskoval aprila 1931 v fizikalno-tehni~nem dr`avnem laboratoriju v Berlinu–Charlotten- burgu. Po drugi svetovni vojni je bil urednik Fortschritte der Physik.

Leta 1930 sta W. W. Coblenz in R. Stair odkrila visoko odbojnost UV-àrkov od povr{ine aluminija in opisala tehniko izparevanja kovin v vakuumu.313 Njuno odkritje je dopolnil Strong skupaj s Cartwrightom leta 1931 in 8. 3. 1933 v Phys. Rev.; opisala sta {e danes uporabno tehniko naparevanja aluminija. Aluminij je primeren za zrcala, saj skoraj tako dobro odbija zeleno svetlobo kot srebro, UV pa {e mnogo bolje. Aluminij se bolje oprime stekla, zato lahko zrcala peremo z vodo in milom brez vidnih po{kodb celo po treh mesecih. Po {estih mesecih stika z zrakom aluminijevo zrcalo ni izgubilo leska. Zato je Strong predvideval uspe{no uporabo aluminijevih zrcal v UV-optiki in za prekrivanje interferometri~nih plo{~. Strong je uporabil volframovo spiralo, na katero je natopil ~isti aluminij in ga potem izpareval v vakuumu; izkoristil je omejeno topnost volframa v teko~em aluminiju. Leta 1935 je z aluminijem metaliziral 100-in~no zrcalo teleskopa v Palomarju.314 O'Brian in Skinner sta leta 1933 naparevala odbojne materiale za tar~e rentgenskih àrkov. Postavila sta jih v grafitni talilni lon~ek, obkroèn z virom toplote v spirali iz volframa. êz tri leta sta Umanski in Krylov preu~evala strukturo tankih plasti zlata in bakra z uklonom elektronov in rentgenskih àrkov. DuMond in Youtz sta desetletje pozneje poro~ala o dvojni prevleki iz bakra in zlata; z njo sta uspe{no odbijala rentgenske àrke.

G. Hass je leta 1940 patentiral postopek za{~ite aluminijevih zrcal z SiO2. Med letoma 1955 in 1965 je s svojo raziskovalno skupino vpeljal tehnologijo za{~ite aluminijeve

plasti s plastmi MgF2 ali LiF za UV-podro~je, medtem ko je za vidno podro~je izbral plasti MgF2+CeO2. Leta 1944 je Vekshinski raziskoval fizikalne lastnosti kondenziranih plasti ~istih kovin in spojin. Zavzemal se je za hkratno kondenzacijo me{anic ve~ komponent par za dolo- ~evanje njenih lastnosti in faznega ravnovesja.315

3.5.3 Trde prevleke Leta 1912 so prvi~ poro~ali o titanovem nitridu v obliki prahu. V naslednjih dveh desetletjih se je posre~ilo sintetizirati ve~ nitridov in karbidov iz plinske faze. Moissan je leta 1893 sintetiziral diamant pri visokem tlaku. Uspe{nej{i postopki se dolgo niso mogli uveljaviti. Leta 1911 so Bolton in drugi Siemensovi raziskovalci posku{ali sintetizirati diamant pri nizkih temperaturah pod 1100 °C in nizkih tlakih pod 1 bar. V tem obmo~ju je grafit termodinamsko stabilen, diamant pa metastabilen. Vendar so poro~ali le o delnih uspehih, dokler ni leta 1954 GE patentiral postopek, po katerem od leta 1957 izdeluje velike koli~ine industrijskega umetnega diamanta. Kmalu so se za~ela prizadevanja za uporabo visokoprevodnih diamantnih plasti v elektroniki. Moissanovo delo je bilo kmalu opisano v sloven{~ini: "Moissanu je pri{lo na misel, da bi za umetno pridelovanje demantov rabil vro~ino elektri~ne pe~i, v kateri se raztopljeno `elezo napije ~istega ogljika, ki se potem med ohladitvijo kristalizira pod pritiskom hudega tlaka… ~isti ogljik se je kristaliziral v podobi prirodnega demanta!".316

118 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 3.5.4 Tanke plasti v elektroniki Graetz z Univerze v Münchnu in Pollak sta odkrila usmerjevalni efekt aluminijeve elektrode, prekrite s tanko plastjo oksida, in pokazala na mo`nost uporabe v elektroniki. V Münchnu je Beetz na Politehniki uporabljal tanke plasti za raziskovanje magnetnih pojavov.317 Po Boltonu je vakuumsko taljenje postalo zelo pomembno za proizvodnjo magnetnih snovi in posebno kvalitetnih uporov ter za nana{anje kovin na steklo raznovrstnih elektronk. Fotoelektronske komponente, presojne in elektri~no prevodne plasti SnO2,so za~eli uporabljati za grelne elemente pri letalskih oknih v drugi svetovni vojni. Druge vrste tankih plasti so na{le uporabo pri uporih, kondenzatorjih in magnetnih plasteh, tako da je elektronika danes najbolj obetavno podro~je tankih plasti. Prikazovalniki iz tankih plasti teko~ih kristalov so postali komercialno dosegljivi v 1960-ih. Vendar so jih uporabljali le za indikatorje in alfanumeri~ne prikazovalnike, dokler ni izbolj{ana kvaliteta materialov omogo~ila izdelavo velikih prikazovalnikov. V tabeli 3.1 je predstavljen pregled razvoja industrijske uporabe tankih plasti.

Tabela 3.1: Tanke plasti v industriji. Okraj{ave za podro~ja uporabe tankih plasti: kovinska Zrcala, Antirefleksijske prevleke, Visokoodbojne plasti, Druga podro~ja optike, Povr{inske obdelave zunaj optike, Trde prevleke, Elektronika

Podro~je Raziskovalec, odkritje in uporaba Leto A Fraunhofer namo~i steklo v koncentrirano kislino 1817 Z Grove razpr{i kovino ob razelektritvi 1852, 1853 Z Faraday razpr{i kovino po eksploziji ìce in razi{~e njene tanke plasti 1857 Z Plücker razpr{i kovino ob razelektritvi 1857 Z Plücker: vpliv magnetnih sil na tvorbo tanke plasti 1859 Z Gassiot: smer razpr{evanja snovi iz katode 1859 Z Wright: katodno razpr{evanje za tvorbo tankih plasti 1877 P Hertz: hitrost izparevanja ìvega srebra 1882 Z Hittorf razpr{i aluminij 1884 D Kundt meri dvojni lom tanke plasti 1885 D Nahrwold razpr{i platino v plinih; Kundt meri lomni koli~nik tanke plasti 1888 T Moissan: sinteza diamanta pri visokem tlaku 1893 E Bolton: taljenje tantala v vakuumu 1902 P Knudsen dokaè kosinusni zakon za izparevanje kovin 1909 T Bolton: sinteza diamanta pri nizkih temperaturah in tlakih 1911 T Titanov nitrid v obliki prahu 1912 Z Pohl in Pringsheim izparita aluminij iz kerami~ne posode iz MgO 1912 P Langmuir potrdi Hertz-Knudsenovo ena~bo za izparevanje 1913 P Knudsen meri hitrost izparevanja par 1915 P Langmuir: enomolekulske tanke plasti 1915 Hartinov in Semenov potrdita Frenklovo kriti~no temperaturo odboja atomov P 1926 kovine P Shalnikov in Semenov kondenzirata kadmij in `veplo 1928

VAKUUMSKA METALURGIJA 119 Z Ritschl hkrati posrebri dve zrcali v vakuumu 1928 Z Coblentz in Stair odkrijeta veliko UV-odbojnost aluminija 1930 A Industrijska uporaba antirefleksijskih prevlek 1930 E Diskretni plastni upori 1930 Strong izpareva aluminij; O'Brian in Skinner naparevata odbojne snovi za Z 1933 `arke X Pfund izpareva ZnS in spoji TiO zSbS ; Steinheil (Hammer) zlije Fe O in V 2 2 3 2 3 1934 TiO2 A Bauer: absorpcijske konstante alkalijskih halogenidov 1933

A Smakula patentira naparevanje CaF2 1935 Strong razi{~e odbojnost CaF ; Strong, Lewis: prvi monografiji o tankih plasteh A 2 1935–37

Umansky, Krilov: difrakcija elektronov in rentgenskih `arkov na zlitini zlata in Z 1936 bakra A [vica: opis trojne plasti z napovedjo primernih snovi 1938 A Cartwright in Turner opi{eta princip antirefleksijske plasti 1939 E Selenski usmerniki 1939 D Selenske fotocelice 1939

V Proizvodnja Fe2O3 in TiO2 1940 P Metalizacija plastike, cenen nakit 1940 A V ZDA in Nem~iji za~no proizvodnjo dvojnih plasti 1940–1941 Z Hass: naparevanje aluminija 1941 Presojne elektri~no prevodne plasti SnO za grelne elemente pri letalskih D 2 1941 oknih

A Lyon segreva MgF2 in dobi vodoodporne plasti 1942 P Vekshinsky: fizikalne lastnosti tankih plasti kovin in spojin 1944 DuMond,Youtz: dvojna plast Cu/Au za odboj `arkov X; Aron popi{e objave o Z 1946 fiziki tankih plasti A Auwärter: dvojna plast Transmax 1949 E Diskretni kondenzatorji 1949 Z Proizvodnja interferen~nih plasti 1949 D Proizvodnja fotoprevodnikov in vidicon TV-elektronk 1949 P Prevleke, ki odbijajo toploto 1949 T GE: sinteza diamanta pri ni`jih temperaturah in tlakih 1954 Hass: optimirana UV-odbojnost aluminijevih plasti, LiF varovalna plast, Z 1955–1965 HgF2+CeO2 odbojna plast za vidno svetlobo E Galvanometri~ne in monoepitaksialne plasti 1955–1965 D Son~ne celice; indikatorji, alfanumeri~ni prikazovalniki iz teko~ih kristalov 1955–1965 P Korozijskoza{~itne plasti; toplotne absorpcijske tanke plasti, plasti za mazanje 1970 Superprevodne plasti, pasivna tankoplastna vezja; integrirana vezja, razvoj E 1975 silicija na safirju za integrirana vezja P Tanke plasti proti obrabi in toplotno obstojne tanke plasti 1975 Svetle~e diode, razvoj elektroluminiscen~nih zaslonov; zasloni s teko~imi D 1980 kristali D Elektro-kromski prikazalniki 1985

120 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 3.5.5 Slovenske tanke plasti Raziskovanje tankih plasti v galvanoplastiki ima v Ljubljani è dolgo tradicijo. Mitteis je 18. 3. 1856, manj kot dve desetletji po prvih uporabah Jakobija, podrobno poro~al o zgodovini in razvoju galvanoplastike pred Dru{tvom Kranjskega muzeja v Ljubljani. Pokazal je zelo posre~ene galvanoplasti~ne odtise v bakru, poro~al o pozlatitvah z galvanoplastiko in vse skupaj ponazoril s poskusi. 11. 2. 1857 je podrobno pojasnil dotlej znane metode za oblikovanje aluminija in napovedal njegovo obetavno uporabo v razli~nih obrteh in umetnostih. V naslednjih desetletjih Slovenci nismo imeli akademskega okolja, ki bi lahko sledilo razvoju znanosti v svetu. [e sredi 20. stoletja smo spremljali raziskovanje tankih plasti v ZDA le z dosegljivo literaturo. êprav so napr{evanje tankih plasti odkrili v Londonu, so veliko pionirskih raziskovanj opravili na univerzah habsbur{ke monarhije. K {tevilnim odkritjem smo pripomogli Slovenci; zato ima sodobno raziskovanje tankih plasti v Ljubljani bogato tradicijo. Na{e sodobne sistemati~ne raziskave so se za~ele v 1960-ih letih. @e leta 1955 so v Saturnusu pri~eli proizvajati parabole za avtomobilske àromete z vakuumskim naparevanjem. Prvo napravo za naparevanje aluminija so kupili pri angle{kemu podjetju Edwards iz Crawleyja, kjer so leta 1964 nabavili {e drugi visokovakuumski naparevalnik. Leta 1960 ustanovljena Iskra-Elektrooptika (danes Fotona) je za~ela proizvajati opti~ne naprave in tankoplastne komponente. Med letoma 1974 in 1977 so na In{titutu za elektroniko in vakuumsko tehniko pod vodstvom dr. Kanskega razvili tehnologijo izdelave miniatur- nega potenciometra. Proizvodnjo so prenesli v zamejsko tovarno Mipot v Krminu pri Gorici. Tankoplastne tehnologije uporabljajo v Iskrini tovarni kondenzatorjev v Semi~u, Iskri polprevodniki (danes Semicon) v Trbovljah, pri proizvodnji kovinoplastnih uporov in teko~ekristalnih prikazalnikov v biv{i Iskrini tovarni Upori v [entjerneju in seveda v nekdanji Iskrini tovarni Mikroelektronika. Eno uspe{nej{ih podjetij s podro~ja tankoplastnih tehnologij je Balder, ki se ukvarja z izdelavo avtomatskih za{~itnih varilskih filtrov in drugih optoelektronskih elementov. V Laboratoriju za mikroelektroniko na Fakulteti za elektrotehniko è tri desetletja razvijajo mikroelektronske tehnologije in son~ne celice. Sredi 1930-ih let so pri nem{kem podjetju Leybold razvili prve napr{evalnike za industrijo. Dve desetletji pozneje smo novosti za~eli uporabljati v Sloveniji. Leta 1957 so pri Leyboldu na prvi tematski konferenci ustanovili zdruènje izdelovalcev vakuumskih prevlek, ki je imelo v za~etku tretjega tiso~letja è 1000 ~lanov. S temeljnimi raziskavami tankih plasti se ukvarjajo na Odseku za tanke plasti in povr{ine Instituta "Joèf Stefan" (IJS), predvsem v sodelovanju s podjetjem Balzersom. V prvi polovici 1960-ih let je prof. dr. Boris Navin{ek izdelal prvo enostavno "namizno" napravo za ionsko bombardiranje in ionsko jedkanje in o rezultatih leta 1965 poro~al v ameri{ki reviji. Kar prero{ka se je pokazala njegova zgodnja ideja o prednostih napr{enih za{~itnih plasti pred naparjenimi, ki jo je predstavil na posvetu o novih metodah povr{inske za{~ite Natovega in{tituta za pospe{evanje raziskovanja v Londonu leta 1972. Navin{kova skupina je sestavila lastno napravo za ionsko bombardiranje, napr{evalnik Sputron pa so kupili pri Balzersu leta 1978. V doma~ih delavnicah so izdelali cilindri~ni napr{evalnik s titanovimi katodami za nanos trdih prevlek na orodja. Balzers je konec 1970-ih let po velikih investicijah in {tevilnih raziskavah prodrl na obetavni trg s trdimi za{~itnimi prevlekami. Leta 1983 je za~el ustanavljati posebna raziskovalna in proizvodna sredi{~a na vseh celinah, s katerimi si je zagotovil vodilno

VAKUUMSKA METALURGIJA 121 mesto v svetu. Podprl je sodelovanje ljubljanske skupine, ki je leta 1983 v triindvajsetih dr`avah Evrope za{~itila doma~o tankoplastno tehnologijo s patentom in z blagovno znamko JOSTiN. 18. 12. 1985 so odprli Center za trde prevleke v Dom`alah. Tam za industrijske potrebe nana{ajo za{~itne prevleke z Balzersovo profesionalno napravo, katere nakup je gmotno podprl SMELT. Po odkritju visokotemperaturne superprevodnosti leta 1986 so se raziskave tankih plasti

iz modificiranega YBa2Cu3O7-x (YBCO) na podlagi safirja (Al2O3) in MgO za~ele tudi na IJS. Izdelke uporabljajo za natan~ne merilnike magnetnih polj. Posebno uporabna je podlaga MgO, kjer je mogo~e dose~i kriti~no temperaturo nad vreli{~em du{ika pri 77 K.

3.6 Prvih 80 let spektroskopije Augerjevih elektronov za merjenje sestave tankih plasti 3.6.1 Uvod Tanke plasti znamo `e dve stoletji pripraviti z elektrokemijskimi postopki, pol stoletja kraj{a pa je uporaba fizikalnih postopkov naparevanja in napr{evanja. Pred sto leti je Edison patentiral prvi postopek metalizacije s katodnim napr{evanjem za izdelavo fonografskih plo{~. Edisonovi raziskovalci so pri preverjanju nitk v `arnicah in pri fonografskih plo{~ah uporabljali mikroskope, ~eprav so vedeli, da je opti~no pregledovanje tankih plasti premalo natan~no in nezanesljivo. Preverjanje lastnosti tankih plasti je sprva mo~no zaostajalo za njihovo proizvodnjo, podobno kot so prvi manometri sprva zaostajali za dose`ki vakuumskih ~rpalk. Po 1. svetovni vojni je uporabno re{itev ponudila spektroskopija Augerjevih elektronov (AES) kot analiti~na tehnika v kemiji povr{in in znanosti o materialih. Z AES preverjamo povr{ino ob merjenju energije elektronov, izsevanih s povr{ine, debele le nekaj atomskih plasti. Energije izsevanih elektronov so med 2 keV in 50 keV. Nekateri med njimi imajo energije, zna~ilne za elemente, iz katerih izhajajo, v~asih pa nam kaj povedo {e o vezavnih stanjih atomov.

3.6.2 Odkritje Tako kot {tevilna druga odkritja sodobne fizike je tudi Augerjev pojav povezan s Hertzovim raziskovanjem. Hertzov fotoefekt je ~ez ~etrt stoletja pravilno opisal Einstein, ki so mu Nobelovo nagrado za leto 1921 dodelili {ele 9. 11. 1922. Tisti ~as je med 17. 11. in 29. 12. 1922 obiskal Japonsko, zato je nagrado prejel {ele julija 1923. Nagrada je bila posre~en kompromis, saj Nobelov odbor v utemeljitvi namenoma ni omenil {e vedno polemi~ne relativnostne teorije. Meitnerjeva je bila leta 1921 gostujo~i profesor na Univerzi v Lundu na [vedskem in je pri {vedskih akademikih "navijala" za Einsteina. Bila je ìdovskega rodu tako kot Hertz in Einstein, antisemitizem pa je polagoma kazal zobe tudi med njihovimi sodelavci, predvsem pri Madàru Lenardu in Bavarcu Starku. Meitnerjeva je postala docentka na berlinski Univerzi nekaj mesecev, preden so Einsteinu prisodili nagrado. V Berlinu se je udeleèvala tedenskih fizikalnih seminarjev skupaj z Einsteinom, Planckom, Nernstom, Lauejem, G. Hertzom, Franckom in Dunaj- ~anom Schrödingerjem, ki je leta 1928 prevzel Planckovo katedro. Meitnerjeva je imela mo`nosti za eksperimentalno raziskovanje, ki jih dotlej ni dobila {e nobena znanstve-

122 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK nica, razen desetletje starej{e Curie; zato so mo{ki radi prisluhnili njenemu mnenju. Seveda je bila tudi lepa in samska. Einstein je od 29. 3. 1914 raziskoval v Berlinu, zato je njegova Nobelova nagrada stopnjevala zanimanje za fotoefekt in z njim povezano obstreljevanje snovi z elektroni med berlinskimi raziskovalci. Prilo`nost je najbolje izkoristila prav Meitnerjeva. Nadaljevala je H. Hertzovo delo, za~eto v Berlinu pred tremi desetletji. Zanimal jo je potek β-razpada. Pred odhodom med voja{ke bolni~arke je s Hahnom in von Baeyerjem raziskovala in fotografirala β-`arke torija in aktinija. Podobne raziskave je objavljal Chadwick pri Rutherfordu v Manchestru.

Otto Baeyer je bil sin viteza Johanna Friedricha Adolfa, ki je leta 1873 nasledil Liebiga v Münchnu in leta 1905 prejel Nobelovo nagrado. Baeyerji so spadali v Boltzmannov prijateljski krog med njegovo profesuro v Münchnu od leta 1890 do 1894. Boltzmannova priporo~ila so pozneje omogo~ila Meitnerjevi sodelovanje z Ottom von Baeyerjem. Ob prihodu Meitnerjeve v Berlin je bil Baeyer `e uveljavljen raziskovalec elektronov. Pod o~etovim vplivom se je lotil bolj kemijskih raziskav radioaktivnosti v sodelovanju s Hahnom in Meitnerjevo, predaval pa je na Univerzi v Berlinu.

Leta 1913 je Chadwick dobil {tipendijo "Razstave 1851 za {tudij znanosti", enako kot osemnajst let pred njim njegov {ef Rutherford. Chadwick je izhajal iz siroma{nega okolja v predmestju Manchestra; zato si je {tipendijo èlel porabiti kar doma v Angliji in privar~evati kak{en funt. Vendar pravila tega niso dovoljevala, zato se je jeseni odpravil v berlinski laboratorij Rutherfordovega sodelavca Geigerja v Physikalisch-Technische Reichanstalt. Tam je Chadwick tik pred za~etkom prve svetovne vojne odkril zvezni spekter àrkov β. Odkritje je potrdila Meitnerjeva v sosednjem berlinskem laboratoriju, podobne raziskave pa je isto~asno objavljal Poljak J. Danysz v Var{avi in v Parizu.318 Chadwick je bil vnet znanstvenik: ni bral ~asopisov in je premalo verjel kavarni{kim natolcevanjem. Zato ga je, ni~ hudega slute~ega, sredi poskusov v Berlinu presenetila vojna. Nemci so ga ~ez no~ iz sodelavca spremenili v sovra`nika in ujetnika. Po vojni se je pridruìl Rutherfordu v Cavendishu; tam sta Chadwick in Ellis obstreljevala atomska jedra z elektroni in merila izsevane enobarvne àrke γ. Leta 1921 in 1923 sta Francoza R. Ledrus in Maurice de Broglie z rodijevimi àrki β obstreljevala baker. Bakrovi ioni so sevali {ibko vezane sekundarne elektrone s to~no dolo~enimi energijami. Po vrnitvi iz vojne je Meitnerjeva merila sekundarne elektrone, ki jih àrki β izbijajo iz jeder. Chadwick in Ellis sta trdila, da gre za zvezni spekter àrkov β. Poskusi Meitnerjeve iz leta 1922 so kazali, da iz obstreljevanega jedra odletavajo elektroni s sprva to~no dolo~enimi hitrostmi, zna~ilnimi za posamezno vrsto jedra. Zvezen Chadwickov spekter je {ele posledica sekundarnih vplivov na elektron. Vpra{anje je bilo dovolj zanimivo, da so Ellisove meritve Nemci sproti prevajali. Mnenje Geigerja, Chadwicka, Ellisa in drugih Rutherfordovih sodelavcev o sekundarnih elektronih se je razlikovalo od mnenja berlinskih in kopenhagenskih raziskovalcev,319 ne glede na tesne osebne zveze med Bohrom in Rutherfordom ter podobnosti njunih modelov atoma. Povojni spor med nem{kimi in Rutherfordovimi raziskovalci je bil uvod v {ir{a nesoglasja med poletjem 1923 in decembrom 1927, ko je pri{lo do ostre izmenjave mnenj med Cavendishem in Dunajem o meritvah umetnega razpada jeder in glede Rutherfordovega modela atoma.

VAKUUMSKA METALURGIJA 123 Norve{ki astrofizik Svein Rosseland s Kvama je {tudiral na Univerzi v Oslu. Med vojno so se sredi{~a znanosti premaknila v nevtralne de`ele. Zato je konec leta 1920 za~el raziskovati v Bohrovem in{titutu v Kopenhagnu, kjer je spoznal Einsteina. Med letoma 1928 in 1965 je bil Rosseland profesor astronomije v Oslu, med letoma 1954 in 1965 pa {e direktor tamkaj{njega observatorija.

Adolf G. S. Smekal je {tudiral na Dunaju in v Berlinu, diplomiral pa je leta 1917 v Gradcu. Po upokojitvi Karla Schmidta leta 1927 je postal "osebni" redni profesor in direktor novega laboratorija za teorijsko fiziko na Univerzi Halle. Leta 1933 je napovedal kombinirano sipanje svetlobe. Do prave redne profesure je pri{el {ele pod Hitlerjevim re`imom leta 1934 in jo obdr`al do konca vojne. Po vojni je bil profesor na Tehni{ki univerzi v Darmstadtu do leta 1949; nato pa se je vrnil na gra{ko Univerzo in tam ostal do smrti.

Opis Meitnerjeve sta podprla pomembna mlada raziskovalca kvantne teorije, Rosseland in Smekal. Dunaj~an Smekal je trdil, da sekundarni elektroni odletijo po neposrednem kvantnem prehodu brez sevanja. Leta 1922 je Rosseland napovedal àrke β z diskretnimi energijami, ki jih danes imenujemo po Augerju. O sekundarnih elektronih so è pred Rosselandovo objavo razpravljali na nem{kih univerzah. [e pred izidom Rosse- landove razprave je decembra 1922 Lenz pisal Meitnejevi o "β-àrkih, ki izhajajo iz jedra s to~no dolo~enimi energijami". Rosseland je svoje ideje objavil 31. 1. 1923, Bohr pa jih je è ~ez nekaj mesecev vklju~il v svojo prodorno teorijo zgradbe atoma.320

Wilhelm Lenz iz Frankfurta na Maini je {tudiral matematiko in fiziko na univerzah v Göttingenu in v Münchnu, kjer je leta 1911 doktoriral pri Arnoldu Sommerfeldu ter raziskoval kot njegov asistent (slika 3.16). Tedaj je za~el sodelovati tudi z Ottom von Baeyerjem, ki je v ~asu Lenzovega doktorata razpravljal z Sommerfeldom o te`avah pri merjenju fotoefekta. Leta 1920 je postal izredni profesor v Rostocku, naslednje leto pa je prevzel katedro na novoustanovljenem In{titutu za teorijsko fiziko v Hamburgu. Med Lenzovimi {tudenti je bil tudi Ernst Ising, avtor slovitega modela feromagnetizma iz leta 1920. Med letoma 1922 in 1928 je bil Lenzov asistent sloviti Pauli, ki je v Hamburgu razvil novo sredi{~e raziskovanja atomske fizike. Kot Dunaj~an je omogo~il tesne stike svojega {efa Lenza z Dunaj~anko Meitnerjevo.

Da bi razre{ila nasprotujo~e si trditve in potrdila Rosselandovo napoved, je Meitnerjeva junija 1923 tar~o iz izotopa torija obstreljevala z elektroni iz radioaktivnega izotopa bizmuta. Elektroni so izbijali mo~neje vezane elektrone iz uranovih atomov. Pri prehodu iz nastalega vzbujenega stanja v vzbujeno stanje z ni`jo energijo ali v osnovno stanje je uranov ion oddal sekudarni, {ibkeje vezan elektron, ki ga je napovedal Rosseland. De Brogliejevi in lastni poskusi so Meitnerjevo prepri~ali, da se sekundarni elektron izseva iz istega atoma, ki je absorbiral elektron bizumta. Sekundarni elektron je seveda nosil za atom zna~ilno diskretno energijo, kot se je namenila dokazati. Chadwickova domneva je tako veljala za navadno β-sevanje, ne pa za sekundarne izbite elektrone, ki jih je napovedal Rosseland in jih danes imenujemo Augerjeve elektrone. Nemci so izgubo vojne vsaj malo ubla`ili s popravkom Chadwickove hipoteze. Meitnerjeva je meritve sekundarnih elektronov in prvo potrditev Rosselandove napovedi objavila sama, ~eprav sta pri predhodnih raziskavah sodelovala Hahn in von Baeyer. Napovedala je, da bosta s Hahnom {e raziskovala potek emisije elektronov,321 vendar morebitnih poznej{ih raziskav nista objavila. Razisko- valcem radioaktivnosti in teoretikom Bohrovega kroga Slika 3.16: Wilhelm Lenz se pojav ni zdel dovolj obetaven. Uskladili so ga z

124 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK napovedmi kopenhagenske kvantne mehanike, njegova uporaba pri raziskovanju trdne snovi pa jih v bistvu ni zanimala. Laue je v 1920-ih letih predloìl Meitnerjevo za Nobelovo nagrado glede na njena raziskovanja spektrov β in γ; àl pa je lepa dama ni nikoli prejela. Isto~asno je A. H. Compton na Univerzi Washington v Saint Louisu odkril po njem imenovan pojav pri sipanju rentgenskih àrkov. Uporabljal je podobno Braggovo eksperimentalno tehniko kot Meitnerjeva in je pri razlagi svojega odkritja med prvimi uporabil naziv foton. Compton je bil {e otrok v ~asu Boltzmannovih predavanj v Saint Louisu leta 1904. Braggove tehnike se je nau~il med {tudijem pri Rutherfordu v Cambridgeu leta 1919, kjer je sodeloval s Chadwickom in z Nobelovcem W. L. Braggom, preden je slednji prevzel katedro v Manchestru. Leta 1927 si je prisluìl pol Nobelove nagrade za fiziko.

Dunaj~anka Lise Meitner je bila rojena v ìdovski odvetni{ki druìni, podobno kot H. Hertz v Hamburgu (slika 3.17). Ker dekletom njenega ~asa ni bilo dovoljeno obiskovanje gimnazije, je pri{la do mature po privatnem pouku. Leta 1902 je za~ela {tudirati pri Boltzmannu kot ena prvih {tudentk fizike in druga ènska, ki je dobila doktorat iz teorijske fizike na dunajski Univerzi. 11. 12. 1905 je zagovarjala doktorat o prevajanju toplote v nehomogenih telesih po Maxwellovih ena~bah. Boltzmann in Exner sta jo ocenila odli~no, matematik Escherlich pa le zadostno. Ocene so dokon~no usmerile Meitnerjevo v eksperimentalno fiziko. Boltzmann jo je spodbujal, saj je njene probleme dobro spoznal v svoji druìni. Boltzmannova èna, napol Slovenka Jetti Aigentler, je bila prva {tudentka fizike na Univerzi v Gradcu. Tako je na{a Jetti posredno veliko pripomogla k uveljavitvi Meitnerjeve, saj je prebijala led v habsbur{ki monarhiji. Po Boltzmannovem samomoru je Meitnerjeva leta 1907 od{la v Berlin, kjer ji je bilo dovoljeno poslu{ati Planckova predavanja (slika 3.18). Dunaj je tisti ~as è izgubljal vodilno mesto pri eksperimentalnem raziskovanju radioaktivnosti in ozra~ja, ~eprav ni manjkalo odli~nih raziskovalcev, med katerimi je bil tudi Lisin mlaj{i vrstnik, Slovenec Sirk. Med strogimi Prusi je bilo Meitnerjevi {e te`je kot na svetovljanskem Dunaju. Profesor Fischer ji je dovolil raziskovati v laboratorijski baraki {ele, ko je obljubila, da bo uporabljala stranska vrata in{tituta in ne bo nikoli vstopila med delovnim ~asom mo{kih. Fischer je leta 1902 dobil drugo Nobelovo nagrado za kemijo, vendar je po vojnih tragedijah naredil samomor. Takoj po prihodu v Berlin je Meitnerjeva za~ela sodelovati z Baeyerjem in predvsem s Hahnom (slika 3.19). Hahn je bil {tiri mesece mlaj{i od Meitnerjeve, pri Fischerju pa je delal è leto pred njo. Hahn in Meitnerjeva sta skupaj raziskovala nad tri desetletja in botrovala {tevilnim znanstvenim odkritjem. Leta 1912 je Meitnerjeva asistirala Plancku, ki se znanstvenic lep{ega spola ni tako vneto branil kot Fischer. Naslednje leto je postala stalni znanstveni ~lan Dru{tva cesarja Wilhelma. Prvi dve vojni leti je sluìla kot bolni~arka pri habsbur{ki armadi. Takoj po vojni je za~ela voditi lastno skupino v radio-fizikalnem in{titutu, skupaj s Hahnom pa sta odkrila element protaktinij. Meitnerjeva je leta 1926 napredovala v izredno profesorico na berlinski Univerzi, dve leti pozneje pa je Hahn postal direktor Kemijskega in{tituta cesarja Wilhelma (slika 3.20). Meitnerjeva je na povabilo urednika nem{ke enciklopedije Brockhaus napisala razpravo o radioaktivnosti. Urednik je mislil, da ima opravka z gospodom Meitnerjem, saj je bral le tiste njene razprave, pod katerimi je bila podpisana z za~etnico "L". Ko je prispevek podpisala z osebnim imenom, je zgroèn spoznal, da ima opravka z ènsko. Njen prispevek je nemudoma zavrnil. @enske so kljub temu po~asi spreminjale znanost. Meitnerjeva je vpeljala zna~ilen red dobre gospodinje v svojem laboratoriju in s tem marsikoga obvarovala pred tedaj {e neznanimi nevarnostmi sevanja. Poklicnim teàvam zaradi spola so se kmalu pridruìle {e veliko huj{e nadloge. S Hitlerjevim prevzemom oblasti je @idinja Meitnerjeva izgubila profesuro na berlinski Univerzi, ~eprav je kot avstrijska dràvljanka lahko nadaljevala raziskovalno delo predstojnice fizikalnega oddelka In{tituta za kemijo cesarja Wilhelma. Ko je leta 1938 Hitler priklju~il Avstrijo, je morala pobegniti. Tako se ni mogla podpisati pod razpravo o odkritju cepitve jeder, ki sta jo pripravljala skupaj s Hahnom. Na skrivaj se je zatekla k Bohru, kjer je na kopenhagenskem In{titutu za teorijsko fiziko delal njen ne~ak, Dunaj~an Frisch. Ustalila se je na [vedskem in leta 1949 postala {vedska dràvljanka. Njene zveze s [vedsko so bile tesne è od leta 1921, bila pa je zunanja ~lanica [vedske akademije. Leta 1960 se je preselila v Cambridge. Elegantna dama manj{e rasti je {e v pozni starosti zmogla zahtevnej{e planinske izlete. Umrla je neporo~ena le tri mesece za svojim dolgoletnim sodelavcem Hahnom. Leta 1992 so po njej imenovali kemijski element z vrstnim {tevilom 109, Hahn pa je takoj po vojni dobil Nobelovo nagrado za kemijo za leto 1944. Evropsko fizikalno dru{tvo od leta 2000 podeljuje nagrado Lise Meitner, ki sta jo leta 2002 dobila profesorja James P. Elliot in Francesco Iachello za raziskovanje jedra atoma.

VAKUUMSKA METALURGIJA 125 Slika 3.17: Lise Meitner Slika 3.18: Lise Meitner z Lauejem in nizozemskim fizikom Dirkom Costerjem sredi 1930-ih let pred njenim in{titutom

Slika 3.19: Meitnerjeva z Ottom Hahnom Slika 3.20: Berlinske merilne naprave Lise Meitner v Berlinu

322323324 Odkritja in pogovori na berlinskem fizikalnem seminarju so spodbudili Einsteina k globokim razmi{ljanjem o fotonih nekaj mesecev po odkritjih Meitnerjeve in Comptona. Meitnerjeva je o svojem odkritju poro~ala 26. 6. 1923 v Z. Phys. êprav je bila to vodilna nem{ka revija, njenega poro~ila enaindvajset let mlaj{i Pariàn Auger ni pravo~asno prebral. Tako je pojav ponovno samostojno odkril dve leti pozneje, ko je med pripravljanjem doktorata v Parizu obseval vzorce z rentgenskimi àrki. Auger in François Perrin sta è leta 1922 ocenjevala {tevilo elektronov v atomih po sledeh v Wilsonovi celici. Med pripravo doktorata je Auger sku{al v isti megli~ni celici ponazoriti ves potek vzbujanja atomov plina s fotoni: nastanek fotoelektrona, izlo~itev kvanta sevanja in absorpcijo kvanta z nastankom drugega fotoelektrona. Po nastanku primarnega fotoelektrona je v isti to~ki opazil {e dodatni elektron. Sprva je ocenil, da nastane zaradi ponovne absorpcije kvanta sevanja v atomu, iz katerega je iz{el. Med priredbo doktorske disertacije za objavo je leta 1926 ugotovil, da dodatni elektroni nastanejo zaradi prehoda brez sevanja, ki ga je napovedal è Rosseland. Seveda nekoliko presene~a, da je poznal Rosselandovo napoved, ne pa njene prve potrditve v meritvah Meitnerjeve.

126 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 3.21: Pierre Auger

Augerjevi elektroni, oddani pri nesevalnem prehodu, imajo energije, zna~ilne za atom, iz katerega izhajajo. Pojav je dobil ime po Fran- cozu in ne po nem{ki Slika 3.22: Pierre Auger (*1899; †1993) (levo) in sodelavec Paul @idinji; tako zaradi spolnih, Ehrenfest (*1916; †1939) postavljata merilno napravo na hribu kot zaradi nacionalnih pred- Jungfraujoch v {vicarskih Alpah sodkov. Francozi so si sku- {ali znova povrniti prevlado v znanosti in berlinskim raziskovalcem niso ni~ kaj radi priznavali uspehov. Meitnerjeva je imela kot `enska tudi sicer {tevilne te`ave na svoji poklicni poti kljub nedvomnim sposobnostim. Nemci je niso posebno vneto podpirali pri prizadevanjih za prioriteto. Tako odkritje Meitnerjeve in dodatni oddani elektron imenujemo po Augerju, ki ga je podpirala mo~na francoska {ola raziskovalcev radioaktivnosti.

Pariàn Pierre Auger je kon~al École Normale Supérieure (slika 3.21). Skupaj s Françoisom Perrinom sta vodila napredne mlade znanstvenike. Zbirali so se okoli Françoisovega o~eta Jeana Baptista s pari{ke Univerze, ki je dobil Nobelovo nagrado kmalu po Augerjevem doktoratu. Zna~ilnost Perrinove {ole je bil predvsem strogi atomizem, zelo podoben Boltzmannovi {oli Meitnerjeve. Auger je po doktoratu med letoma 1927 in 1941 raziskoval v pari{kem in{titutu, od leta 1937 kot profesor. Leta 1938 je odkril {iroke atmosferske Augerjeve ~rte. V vojnih letih 1941–1945 je raziskoval v Angliji in v ZDA. Po vrnitvi v Francijo je bil najprej komisar za atomsko energijo, med letoma 1948 in 1959 pa direktor oddelka za znanost pri UNESCU. Prevzemal je visoke administrativne funkcije, povezane z vesoljskimi raziskavami. Meril je kozmi~ne àrke na 4158 m visokem ledeniku Jungfrau v Bernskih Alpah (slika 3.22). Njegov sodelavec Paul Ehrenfest, sin fizika Paula, se je pri meritvah tragi~no ponesre~il. Auger je v starej{ih letih pisal tudi o filozofiji znanosti. Ni znano, ali mu je bilo àl, da je Meitnerjevi prevzel prioriteto, vsekakor pa sta oba do~akala globoko starost.

Dve leti mlaj{i Augerjev sodelavec Thibaud je odkritje imenoval "sestavljeni fotoelektri~ni pojav". Thibaud je pomagal Mauriceu de Broglieju pri izbijanju Augerjevih elektronov z visokimi energijami takoj po Augerjevem odkritju. Francoske atomiste J. B. Perrinove {ole je {e posebej zanimala absorbirana energija, ki je atom ni izseval, temve~ jo je izlo~il kar v obliki delca. Auger je opazoval sipanje rentgenskih `arkov na argonu, ksenonu in kriptonu, Thibaud pa je meritev dopolnil s podobnim sipanjem `arkov γ.

Pari`an Maurice de Broglie, starej{i brat Nobelovca Louisa, je {tudiral v Marseillu. Med letoma 1895 in 1904 je slu`il kot pomorski oficir, nato pa je do konca druge svetovne vojne predaval na Collège de France. Od leta 1921 je bil njegov asistent Thibaud iz Lyona, kjer je diplomiral in leta 1935 prevzel katedro. Med vojno je bil ravnatelj [ole za fiziko in kemijo v Parizu, pozneje pa se je vrnil domov in vodil In{titut za jedrsko fiziko.

VAKUUMSKA METALURGIJA 127 Leta 1935 je angle{ki kemik Haworth pri poskusih s trdnimi snovmi poro~al o vrhovih v sekundarni porazdelitvi elektronov, ki niso bili odvisni od za~etne energije vpadnih elektronov. Sam se ni posebej ukvarjal z analizo povr{in, saj je nadaljeval predvsem Fischerjevo raziskovanje sladkorjev z rentgensko strukturno analizo. Leta 1937 je dobil Nobelovo nagrado za kemijo, deset let pozneje pa je za povrhu postal {e plemi~. Comptonovi sodelavci na Univerzi v Chicagu, R. Schankland, J. C. Jacobsen, E. Pickup in E. J. Williams, so objavili Augerjevim podobne poskuse v megli~ni celici. Z njimi so leta 1936 in 1937 preverjali zakone ohranitve energije in gibalne koli~ine. Med obema vojnama je bilo è veliko pripravljenega za laboratorijsko ali celo industrijsko analizo tankih plasti. Ko je proizvodnja tankih plasti v drugi polovici dvajsetega stoletja zahtevala razvoj merilnikov njihovih lastnosti, so za~eli izbirati uporabne postopke. Leta 1953 je J. J. Lander iz Bell Labs v New Jerseyju povezal odkritji Hawortha in Meitnerjeve (slika 3.23). Dokazal je, da posamezni vrhovi v sekundarni porazdelitvi elektronov nastanejo zaradi Augerjevih elektronov, kar Hawrothu ni bilo znano. Lander je eksperimentiral z ogljikom, kisikom, berilijem, aluminijem, nikljem, bakrom, barijem, platino in oksidi. Posebno ga je razveselilo, da ve~ina elementov lahko odda zna~ilne Augerjeve elektrone z nizkimi energijami iz povr{inske plasti, debele le nekaj atomov. @e dodatek ene ali dveh plasti atomov je mo~no spremenil rezultate poskusa. Zato je napovedal, da bo elektronsko vzbujanje signalov Auger- jevih elektronov zanimivo za to~no dolo- ~anje absorpcijskih koeficientov in z njimi sestave trdnih povr{in v vakuumu.325 êprav so tehniko uporabili pri preu~e- vanjih povr{in, je bilo te`ko zaznati Slika 3.23: Sferi~ni analizator hitrosti elektro- Augerjeve vrhove; àl so bili naloèni na nov, elektronska pu{ka in tar~a pri Landerje- veliko ozadje sekundarnih in povratno vem poskusu326 sipanih elektronov. 326

3.6.3 Uporaba v industriji Leta 1966 sta L. N. Tharp in E. J. Scheibner pokazala, da je Augerjeve vrhove mogo~e opazovati v obliki vrha v spektru izsevanih elektronov volframa z uporabo uklona elektronov nizkih energij (LEED). Larry A. Harris je naslednje leto AES predstavil kot uporabno orodje za analizo povr{in. Pokazal je, da uporaba sinhrotronske svetlobe pove~a zna~ilnosti spektra, ki bi jih sicer te`ko opazili pri bolj neposrednih meritvah. Tak{ne spektre so imenovali izpeljane in so bili po Harrisonovih posegih dovolj ob~utljivi za uporabne meritve. Nove metode za pridobivanje izpeljanih spektrov sta kmalu ponudila Weber in Peria z LEED. Leta 1969 so P. W. Palmberg, G. K. Bohn in J. C. Tracy uporabili analizator z valjastim zrcalom. Dosegli so bolj{o ob~utljivost za elektrone, ve~jo hitrost, ob~utljivost in razmerje signala proti {umu glede na LEED-detektor. Vrata so se kon~no odprla in lahko smo preu~evali kemijsko sestavo povr{in, podrobnosti ~i{~enja povr{in, adsorpcije plinov ali nalaganja kovin na povr{ine. Sestava povr{in nam razkriva njihovo strukturo.

128 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Okoli leta 1970 se je AES uveljavila kot rutinska metoda za analizo. Danes je najpogosteje uporabljana metoda za raziskovanje povr{in, tankih plasti in snovi na mejnih ploskvah. Uporabna je za raziskovanje povr{in, debelih od 0,5 nm do 10 nm, kjer ima dobro globinsko lo~ljivost ter primerno ob~utljivost 100 ppm za ve~ino elementov razen vodika in helija.

3.6.4 Augerjevi elektroni v Sloveniji In{titut za elektroniko in vakuumsko tehniko v Ljubljani je od leta 1973 svoje vzorce analiziral z AES na dunajski Tehni{ki visoki {oli ali pa na Oddelku za kovine In{tituta Maxa Plancka v Stuttgartu. Kansky je spodbujal k objavljanju lastnih razprav, s katerimi so metodo `e dobro spoznali, ko so spomladi leta 1977 nabavili prvi rastrski mikro- analizator na Augerjeve elektrone. Za~elo se je ~etrt stoletja uspe{ne uporabe AES v

Ljubljani (slika 3.24). 327 LEED Augerjev spektrometer deluje na IJS. In{titut za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani je leta 1997 nabavil visokolo~ljivostni spektrometer Augerjevih elektronov na poljsko emisijo z rentgenskim fotoelektronskim spetrometrom, opremljenim z "in situ" lomilno napravo vzorcev. Naprava ponuja naslednje mo`nosti: • visokolo~ljivostna spektroskopija Augerjevih elektronov (HRAES) • vrsti~na mikroskopija Augerjevih elektronov (SAM) • vrsti~na elektronska mikroskopija (SEM) • rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS) • spektroskopija izgubljene energije odbitih elektronov (REELS).

Slika 3.24: Augerjev rastrski spektroskop podjetja PHI, SAM, 545A v laboratoriju za povr{insko analizo na Odseku za tehnologijo povr{in in optoelektroniko IJS (do leta 2003 In{titut za tehnologijo povr{in in optoelektroniko – ITPO)327

VAKUUMSKA METALURGIJA 129 3.6.5 Sklep Pripoved o te`avah Meitnerjeve je pou~na za dana{nji ~as. Prepleta se z zanimivo pripovedjo o polovici stoletja, ki je minila od odkritja AES do njene uporabe v industriji. Odkritje raziskovalcev zgodnje fizike visokih energij so uporabili pri preu~evanju trdne snovi. Raziskovanje temeljnih zakonitosti β-razpada je koristilo industriji. Tako zgodba povezuje danes nasprotna pola fizikalnega raziskovanja in morda prispeva k iskanju sti~nih to~k med njima ob sodobni krizi fizike.

130 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Vakuumski baloni

Predmeti plavajo v teko~ini zaradi vzgona. Najve~ji vzgon dobimo, ~e popolnoma izpraznimo ogrodje balona. Vendar mora biti ogrodje dovolj trdno, da zdr`i zunanji tlak in prepre~i implozijo. Je vakuumski balon mo`en?

4.1 Lanov izum

^etrt stoletja po Torricelliju je Fabri v Lyonu opisal zra~no ladjo. Po Aristotelu je domneval, da ima zrak "lahkost" v nasprotju s te`nostjo zemlje ali vode. V kroglo je hotel spraviti ~im ve~ zraka pod visokim tlakom, saj je zaman pri~akoval, da bo potem {e bolj stremela navzgor.328 Fabrovo knjigo so leta 1726 nabavili v ljubljanski jezuitski knji`nici.

Francesco de Lana Tertio je bil tretji otrok dru`ine iz Brescie; zato se je podpisoval "Terzi"329. [tudiral je na Rimskem kolegiju pri Casatiju in si ogledoval poskuse v Kircherjevem muzeju. Med letoma 1656 in 1658 je pou~eval filozofijo v Terniju in v Rimu, nato v Benetkah in od leta 1675 matematiko v Ferrari. Leto dni pred smrtjo se je vrnil na Akademijo Filesotici v doma~o Brescio. Bil je dopisni ~lan RS.

Takoj po Fabriju je njegov sobrat, jezuit Lana, v Benetkah objavil prvi uporaben na~rt za polet vakuumskega balona s ~love{ko posadko (slika 4.1). Pozneje je o Lanovi zra~ni ladji razmi{ljal Sturm (slika 4.2). Knjigarnar Mayr je Ljubljan~anom leta 1678 ponujal Sturmovo dve leti staro knjigo. Poznej{o izdajo so nabavili ljubljanski jezuiti.

Johann Christoph Sturm je bil docent Univerze v Jeni in pridigar, nato pa profesor matematike na Univerzi Altdorf pri Nürnbergu. Bil je eden najbolj priljubljenih piscev u~benikov matematike in fizike svoje dobe. Mayr je v Ljubljani neposredno za Schottovimi deli popisal {tiri Sturmove knjige. Sturmov Izbor iz fizike so pri Jezuitskem kolegiju v Ljubljani nabavili leta 1754. Glede vpra{anj vakuuma se je skliceval predvsem na Fabrija, ni pa pozabil opisati Guerickejevih poskusov.330

VAKUUMSKI BALONI 131 331 Lana ni uporabljal Guerickejevih ali Boylovih vakuumskih ~rpalk, ~eprav jih je poznal iz Schottovih knjig. Zamislil si je {tiri krogle iz bakrene plo~evine, v katerih bi bil zrak veliko te`ji od bakrenih lupin. Ko bi zrak iz~rpali iz krogel, bi jih z jermeni pritrdili na leseno ladjo. Ladja bi morala biti ~im la`ja, da bi posadka v njej lahko plula podobno kot na vodi. Vsako izmed {tirih krogel bi povezal z dolgo bakreno cevjo, ki bi jo lahko zapiral s pipo: "Najprej bom predpostavil, da ima zrak teò zaradi par in saj, ki se dvigajo iz zemlje in morja ve~ milj visoko in obkroàjo Zemljo. Tega dejstva filozofi ne morejo zanikati. Dokaèmo ga lahko s ~rpanjem dela zraka iz steklene posode, ~e è ne moremo iz~rpati vsega zraka. Slika 4.1: Skica Lanove zra~ne Tako zmanj{amo teò posode. Teò samega zraka sem ladje ugotovil na naslednji na~in. Nabavil sem veliko stekleno posodo, katere vrat je bilo mogo~e zapirati ali odpirati s pipo. Odprto posodo sem segreval na ognju in red~il zrak v njej. Ko sem spravil ve~ino zraka iz posode, sem jo hitro zaprl, da se zrak ne bi vrnil. Posodo sem stehtal. Nato sem vrat posode poveznil v vodo in odprl pipo, tako da je voda napolnila ve~ji del posode. Izvlekel sem vrat iz vode, izto~il vodo iz posode ter izmeril koli~ino in gostoto vode. Ugotovil sem, da je koli~ina zraka, ki je zapustila posodo, enaka koli~ini vode, ki je napolnila posodo. Voda je zapolnila del posode, ki jo je zrak zapustil. Znova sem stehtal posodo potem, ko sem jo dobro osu{il in odstranil vlago. Ugotovil sem, da posoda skupaj z zrakom tehta za 1 un~o* ve~ kot potem, ko sem izlo~il ve~ino zraka. Razlika ustreza zraku s prostornino vode, ki je zavzela njegov prostor. Voda je imela maso 640 un~. Tako sem ugotovil, da je teà zraka 640-krat manj{a od teè vode." Izmeril je za 20 % prenizko vrednost razmerja med go- stotama vode in zraka. Uporabil je Evklidovo ugotovitev o nara{~anju povr{ine krogle z drugo in prostornine s tretjo potenco premera. Ra~unal je z votlimi kroglami premera blizu8mzdebelino ogrodja okoli 0,1 mm:

Slika 4.2: Sturmova vakuumska ~rpalka iz leta 1685, ki jo je Vega preu~eval med {tudijem v Ljubljani

* 28,35 g

132 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK "Da bi lahko krogla dvignila ve~je mase in prevaàla ljudi po zraku, uporabimo zanjo 170 m2 bakra* z maso 140 kg**… Krogla bo vsebovala 326 kg zraka.*** ê iz krogle iz~rpamo zrak, bo lahko dvignila tri ali vsaj dve osebi s skupno maso 186 kg.**** îm ve~ja je krogla, tem debelej{e in trdnej{e so lahko bakrene plo{~e. Teà krogle sicer nara{~a, vendar s teò vsebovanega zraka {e bolj nara{~a njena kapaciteta. Tako lahko ve~je krogle vzdignejo te`je tovore. Od tod zlahka vidimo, kako lahko sestavimo napravo v obliki ladje, ki bo plula po zraku". Ladjo bi poganjal z vesli in jadri na jamborih. Nakazal je delovanje poznej{ega prope- lerja in zatrjeval, da bodo zaradi upora zraka vesla ali lopatice spravile v gibanje katero koli plovilo. Ni dolo~il tlaka zraka, potrebnega za pogon, predvidel pa je vse pogoje in teàve pri izdelavi zra~ne ladje: "Ne morem predvideti drugih teàv, ki bi lahko prepre~ile tak{no iznajdbo, razen najve~je, saj Bog gotovo ne bo nikoli dovolil delovanja naprave, ki bi povzro~ila toliko motenj pri civilni in voja{ki upravi." Domneval je, da bi zra~ne ladje lahko zaìgale plovila na morju ter obstreljevala hi{e in utrdbe. Nih~e ne bi bil varen pred presene~enji. Domneva o novem na~inu vojskovanja se je uresni~ila, ~eprav ni napovedal protizra~ne obrambe. Leta 1686 je Lana znova opisal svoj zrakoplov na poltretji strani velikega formata, vendar brez slik. Knjigo je profesor matematike in fizike B. F. Erberg nabavil za ljubljanske vi{je {tudije nekaj let pred Vegovim rojstvom. Lanova domislica je bila Vegi gotovo v{e~, ko je o njej bral v {olski knji`nici. Lana je natan~no opisal Torricellijeve, Boylove in druge poskuse s plini in vakuumom. Navedel je mnenja pomembnih jezuitov Fabrija, Kircherja in Schotta. Podobno kot drugi italijanski jezuiti je kritiziral Galileija,332 saj njegovega raziskovanja ni znal uskladiti z Aristotelovim. Tedanji jezuiti so tako kot Aristotel trdili, da prostor dolo~a v njem vsebovana snov. Zato se je Lana pri opisu zra~ne ladje izognil razpravi o vakuumu, priznal pa je obstoj zra~nega tlaka. Srednja pot je bila nujna, saj so jezuiti, kot sta bila Lana in njegov prijatelj, rektor rimskega Jezuitskega kolegija D. Bartoli, morali dobiti privoljenja za tiskanje svojih eksperimentalnih raziskav pri jezuitskih cenzorjih, ki so bili naklonjeni Aristotelu. Profesor matematike v Pisi, Borelli, je bil eden vodilnih raziskovalcev letenja. Skupaj z Leibnizom sta nasprotovala Lanovim domnevam. Trdila sta, da se bo vakuumska krogla sesula sama vase, kot se je Guerickeju zgodilo è leta 1640 med ~rpanjem zraka iz lesenih in bronastih sodov. Kljub kritikam so jezuiti {e dolgo ob~udovali Lanove zra~ne ladje. Ladjedelni{tvo, seveda namenjeno plovbi na vodi, je bilo ena presti`nih jezuitskih tehnologij. Izdelo- vanje ladij in modelov zanje je postalo stoletje po Lanovi knjigi najimenitnej{a dejavnost Vegovega ljubljanskega profesorja Gruberja. Zamagna je leta 1768 objavil 1473 latinskih heksametrov v dveh knjigah o Lanovi ladji. V pesnitev je vpletel tudi druga znanstvena vpra{anja: strah pred praznim, naravo sile teè, prirodoslovne pesnitve svojega cenzorja Dubrov~ana Benedikta Staya, pogovor o

* 1232 kvadratnih ~evljev, dolgih po 372 mm ** 308 lbs. (funtov) po 453,59 g. Toliko bakra z gostoto 8500 kg/m3 zadostuje za 0,1 mm debelo ogrodje krogle s polmerom 3,68 m. *** 718 lbs. 4 2/3 un~. Tolik{no maso bi imela krogla zraka s polmerom 3,68 m, ~e bi bil zrak le 640-krat la`ji od vode. **** 410 lbs. 4 2/3 un~

VAKUUMSKI BALONI 133 mnoìci svetov, ki ga je leta 1686 napisal Fontenelle, poznej{i dosmrtni tajnik pari{ke Akademije, Kopernikova in Kolumbova odkritja, spreminjanje magnetne deklinacije, teàve pri merjenju poldnevnika, Borellijevo aerodinamiko, Newtonove in Bo{kovi}eve raziskave ozra~ja okrog Zemlje in Lune ter za leto 1769 predvideno Bo{kovi}evo pot v Kalifornijo na opazovanje prehoda Venere ~ez ploskev Sonca. Zamagnovo pesem so leta 1782 in 1784 ponatisnili v Gradcu in na Dunaju s predgovorom in opombami nekdanjega jezuita, Madàra Paintnerja, Dominovega prijatelja in so{olca v Leobenu leta 1772. Postal je duhovnik v Sopronu, pozneje pa je napredoval do naslovnega {kofa in svetovalca dunajskega dvora za verska vpra{anja. V predgovoru je opisal zgodovino zra~ne ladje. Arhit iz Tarenta je v prvi polovici 4. stoletja pr. n. {. opisal polet obe{enega lesenega goloba, ki ga je premikal skriti tok stisnjene pare. V 14. stoletju je halber- stadtski {kof avgu{tinec Albert iz Sa{ke primerjal plovnost zraka v bliìni ognja s plovnostjo po povr{ini vode z zrakom nad njo.

Dubrovni{ki me{~an Brne (Bernard) Zamagna je bil u~enec rojaka Bo{kovi}a na Jezuitskem kolegiju v Rimu. Leta 1768 je tam {tudiral teologijo. Kot eden najpomembnej{ih hrva{kih latinskih pesnikov je rime zlagal predvsem o znanstvenih vpra{anjih.

Lana je pravilno izra~unal vzgon, ni pa se menil za trdnost krogel. Stro{ke izdelave zra~ne ladje je ocenil na borih 100 zlatnikov, vendar zaradi prisege o ubo{tvu ni mogel priskrbeti niti te, razmeroma majhne vsote.333 Tako si je prihranil razo~aranje ob opazovanju zunanjega tlaka, ki bi gotovo strl njegove krogle. Predvidel je uporabo balonov na podoben na~in, kot je ~etrt tiso~letja pozneje Slovenec Poto~nik za~rtal razvoj raketne in vesoljske tehnike. Stoletje po Lani je njegove ideje obdelal P. Gallien, ki je v Avignonu objavil knjigo L'Art de naviguer dans les airs, amusement physique et géométrique.

4.2 Vega in prvi poleti z baloni

Prvi polet z balonom se je v za~etku 18. stoletja posre~il portugalsko-brazilskemu jezuitu Gusmãu v Lizboni. S toplim zrakom se je dvignil do vi{ine strehe kraljevske pala~e. 17. 3. 1709 ga je zato portugalski kralj bogato nagradil. Pozneje Gusmão ni izpolnil vseh pri~akovanj oblasti; inkvizicija ga je vrgla v zapor, iz katerega so mu prijatelji pomagali zbeàti v [panijo. Lanovo ladjo sta skoraj stoletje po njegovi smrti priredila brata Montgolfier. Bila sta lastnika tovarne papirja v Annonayu, zato sta namesto trdih izpraznjenih krogel raje uporabila mehka in raztegljiva ogrodja. 5. 6. 1783 ju je balon z razred~enim zrakom ponesel nad Pariz. Polet so si med mnoìco radovedneèv ogledali kralj Ludvik XVI., Benjamin Franklin in Barthélemi Faujas de Saint-Fond, naravoslovec pri Pari{kem muzeju. Faujas je poro~ilo o poletu nemudoma dodal v knjigo, ki jo je istega leta objavil v Parizu. Ocenil je, da bi se Lanova ladja {e bolje obnesla od Montgolfierjeve (slika 4.3).334 Knjige o aerostatiki so {le za med. Za ljubljansko licejsko knji`nico so nabavili ducat francoskih, angle{kih in nem{kih del o aerostatiki, tiskanih med letoma 1783 in 1786, med njimi najve~ Faujasovih. Montgolfierjev balon so za pari{ko Akademijo takoj po poletu ocenili le Roy, Tillet, Brisson, Cadet, Lavoisier, Bossut, de Condorcet in Desmarest. Vsi so nenadoma hoteli leteti po zraku, medtem ko se je na zemlji pripravljal prevrat francoske revolucije.

134 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Vega je kmalu sli{al za uspeh bratov Mont- golfier, saj je Faujasovo delo `e leto po pari{ki izdaji prevedel nekdanji benediktinec Franz Übelacker na Dunaju. Seveda se Nemci niso dali prehiteti Francozom, zato je Übelacker opisal {e {tiristo let starej{a raziskovanja poletov v Nem~iji. 6. 6. 1784 je Vega opazoval prvi dunajski polet toplozra~nega balona. Istega leta je napredoval v nadporo~nika in na Dunaju izdal drugi del matemati~nih predavanj. Za balone sta se navdu{ila tudi profesor fizike Rozier in d'Arlandes, ki je leta 1781 postal major. 21. 11. 1783 sta se {est minut pred drugo uro popoldne pustila nositi balonu z razred~enim zrakom nad La Muette pri Parizu. Pozneje je Rozier postal prva `rtev obetajo~ega zra~nega prometa, saj mu je med preletom Rokavskega preliva gorilnik za`gal vodik v majhnem balonu. Gradi{~anski Hrvat Horvat je leta 1783 v Budimu objavil prvi opis poleta aerostatske krogle, balona, polnega vodika. S tak{nim balonom sta 1. 12. 1783 prva poletela sor- bonnska profesorja Charles in Robert po Slika 4.3: Montgolfierjev balon v Versaillesu nalogu pari{ke Akademije. Charles je 19. 9. 1783 novoodkriti vodik izbral pomotoma, saj je mislil, da sta ga uporabila tudi Montgolfierja. Dekompozicijo vode za pridobivanje vodika in kisika je leta 1783 odkril Lavoisier in jo 1. 4. 1783 objavil skupaj z Meusnierjem in Laplaceom pri pari{ki Akademiji. General Jean-Baptiste Meusnier je bil dopisni ~lan AR od leta 1776, dva dni za Charlesovim poletom pa je 3. 12. 1783 pri AR objavil teorijo letenja z vodikovimi baloni. Naslednje leto so se za novost navdu{ili Britanci.

Slika 4.4: Dominov aerostat in vakuumska ~rpalka (fig. 27 in 28)336

VAKUUMSKI BALONI 135 1. 3. 1784 je Domin prvi na Ogrskem spustil balon, poln vodika, nad dvori{~e hi{e Francisca Andrea de Stainerja v Györu. Podobne naprave je preizku{al {e sedem let. Sestavljal je tudi zra~ne ~rpalke, getrane z lesenim ogljem. Po zgledu Fontane in Ingen- housza je oglje uporabljal za izbolj{anje vakuuma v `ivosrebrnem barometru (slika 4.4).335 Postopek je leta 1772 odkril Fontana, profesor logike in fizike v Pisi in nato v Firencah, kjer je bil tudi fiziolog na dvoru toskanskega velikega vojvode Leopolda I. Domin je dobro poznal Ingenhousza, ki je bil med letoma 1768 in 1779 zdravnik cesarske

dru`ine na bli`njem Dunaju. 336 Vega je vakuumske poskuse spoznal med {tudijem v Ljubljani, pozneje pa jih je opisoval v svojih knjigah. V njegovem ~asu izbira med vakuumskim in polnjenim balonom ni bila ve~ dvomjiva. Kot izku{en prakti~ni fizik je zavrnil Lanov model, podobno kot Borelli in Leibniz. Menil je, da "zaradi pritiska zunanje atmosfere na povr{ino votlih in praznih krogel ne bo mogo~e kovinskih lupin krogel nikoli dovolj stanj{ati, da bi bile la`je od te`e Slika 4.5: Vakuumska ~rpalka (fig. 1 v sredi) zraka, ki bi ga krogle vsebovale". S tem je in izpraznjena vakuumska krogla (fig. 4 zadel bistvo problema in podprl polnjenje 338 337 spodaj) v ~asu mladega Vege balonov z vodikom (slika 4.5). 338

4.3 Prihodnost vakuumskih balonov

Minilo je skoraj dvesto let, preden se je leta 1843 Francoz M. Marey Monge odlo~il, da bo preizkusil Lanovo ladjo. Iz ljubezni do znanosti je za poskuse zapravil nad 25 000 frankov. Po Lanovih navodilih je uporabil 0,1 mm debelo plo~evino iz medenine. Krogle je nepredu{no zaprl z dvema tankima plastema lakiranega papirja in iz~rpal zrak. Naprava se ni dvignila, saj je zunanji zra~ni tlak stisnil krogle med ~rpanjem. Lana ni le neupravi~eno zanemaril vpliva zunanjega tlaka na vakuumski balon; tudi njegov pred- ra~un je bil ob~utno prenizek. Poleg denarja so mu manjkali sodobni tr{i in la`ji materiali. Majhni Lanovi vakuumski baloni niso uporabni. Masa jeklene lupine dale~ presega vzgon, ~e je lupina hkrati tudi edino ogrodje. Vgradnja podpor sprosti zahtevo za debelino stene, `al pa notranje ogrodje pove~a maso sistema. Celo petkrat specifi~no la`ji polimeri z jeklu podobnimi mehanskimi lastnostmi so prete`ko ogrodje za majhne vakuumske balone. Vzgon okroglega balona nara{~a s tretjo potenco polmera balona; masa ogrodja in sila nanj pa nara{~ata le z drugo potenco polmera. Vakuumski balon bi se dvignil pri dovolj velikem polmeru in dovolj debelem ogrodju, ko debelina ogrodja lahko nara{~a soraz-

136 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK merno s polmerom. @al velikost tak{nih naprav presega zmogljivosti sodobne industrije. Pri okroglem vakuumskem balonu polmera 24mz1mmdebelim ogrodjem iz valjanega jekla gostote 8 g/cm3 je sila vzgona enaka teì. Za ravnovesje pri 1 cm {irokem ogrodju potrebujemo okrogli balon s polmerom 240 m, kar je malo manj od prostornine najve~jega do sedaj zgrajenega in upravljanega Zeppelina. Codelli si je v Ljubljani leta 1910 zamislil zra~no ladjo, dolgo 1 km, s premerom 100 m. Njena prostornina 1,25 milijona m3 bi bila enajstkrat manj{a od balona s polmerom 240 m. Vzgon bi presegel teò pri jeklenem ogrodju, debelem komaj 0,9 mm, ~e bi bil v Codellijevi ladji vakuum. Vakuumski balon s polimernim ogrodjem gostote 16 kg/m3 bi lahko poletel brez uteì pri polmeru 4,8 m, prostornini blizu pol milijona litrov in masi manj kot pol tone; vendar bi zunanji tlak strl 1 mm debelo ogrodje. Drago ~rpanje balona s polmerom 50 m in 1 cm debelim polimerskim ogrodjem bi potnikom àl krepko zasolilo ceno potovalnih kart. Uporabni ~as navadnih balonov je odvisen od pu{~anja helija ali od izgube toplote v toplozra~nih balonih. Pri ve~jih vakuumskih balonih je mo`nost netesnosti ve~ja in ~rpanje dra`je. Helijevi in vodikovi baloni ne potrebujejo trdnega ogrodja, saj je notranji tlak enak zunanjemu. Vzgon vakuumskega balona le za petnajstino presega vzgon enako prostornega vodikovega balona, kar ne opravi~uje uporabe dragega in te`kega ogrodja. Vakuumski balon bi bil gospodaren le, ~e bi mo~no ogrodje balona obenem potrebovali zaradi varnosti ali ~e bi vakuum uporabljali za poskuse. Problemi z zunanjim tlakom se manj{ajo v vi{jih predelih ozra~ja, kjer bi bil vakuumski balon trajnej{i od konkurentov, polnih plina. La`je od zraka so pred stoletjem odrinili te`ji tekmeci. Lahko napredek vakuumske tehnike, novi materiali in tanke plasti prine- sejo nov preobrat?

VAKUUMSKI BALONI 137 138 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Radiometer in prizadevanja za popolni vakuum

5.1 Uvod: popolni vakuum

Radiometer je bil nekaj let najbolj zanimiva fizikalna naprava, ki je spodbudila ìvo razpravo. Vendar je pozneje skoraj utonil v pozabo, saj se je izkazalo, da ne meri tlaka sevanja. Mnogi raziskovalci so posku{ali dose~i popolni vakuum, v katerem ne bi bilo prav ni~ molekul. Prizadevanje je bilo podobno ohlajevanju proti absolutni temperaturni ni~li konec 19. in v za~etku 20. stoletja. Oba raziskovalna na~rta sta se kon~ala na podoben na~in; z nepopolnim uspehom, ki je v drugem primeru utemeljil tudi "tretji", Nernstov zakon termodinamike o nedosegljivosti absolutne temperaturne ni~le. Vendar tekma za doseganje popolnega oziroma vsaj popolnej{ega vakuuma ni dobila tolik{ne mednarodne pozornosti kot so~asno tekmovanje med vakuumistom sorodnimi raziskovalci za kondenzacijo dotlej "permanentnih" plinov. Ni imela namre~ ostro dolo~enega cilja, saj se je è zgodaj pokazalo, da milijarde molekul letijo tudi v najbolj{em vakuumu. êprav Galilei sam ni delal poskusov z vakuumom, je bil miselni poskus s padanjem v popolnem vakuumu eden temeljev njegovega opisa pospe{enega gibanja. Popolni vakuum je bil pozneje sredi{~e Crookesovega raziskovalnega programa. Kljub Crooke- sovemu neuspehu ideja o skrajnih mejah vakuuma ni popolnoma zamrla. Tako so v dobi stagnacije pri doseganju najbolj{ega vakuuma med letoma 1920 in 1950 mnogi raziskovalci menili, da so z 10–8 mbar dosegli skrajni vakuum, kot ga ionizacijski merilnik z vro~o katodo {e lahko meri, tako da napredek sploh ne bo ve~ mogo~.339

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 139 5.2 Crookesov radiometer in popolni vakuum 5.2.1 Crookesovi predhodniki Radiometer pogosto opazimo v trgovinah, {e posebno v zlatarnah. Je "svetlobni mlin- ~ek"; osvetljen se vrti v posodi pod nizkim tlakom. Poganja ga temperaturna razlika in z njo povezan podtlak na krilih. Vendar je sredi 1870-ih ve~ina raziskovalcev menila, da se lopute mlina vrtijo pod tlakom svetlobnih àrkov. Zato je Crookes napravi dal ime radiometer, ki se uporablja {e danes, ~eprav v resnici ne meri "radiacij". Zanimiva zgodovina naprave se prepleta z raziskovanjem vakuuma. Crookesov radiometer so poznali è pred njim. Mairan je opisal svoj svetlobni mlin~ek kot "vodoravno kolo iz èleza s premerom okoli 7,5 cm, na èlezni osi, ki ima na vsaki strani po{evno krilo. Kolo in os sta skupaj la`ja od 1,95 g." Pod àrki son~ne svetlobe v gori{~u le~e se kolo ni vrtelo pravilno. Mairan je opisal tokove zraka v bliìni naprave. Nameraval jo je preizkusiti v vakuumu, vendar je na~rt odloìl zaradi teàvne izvedbe. Leta 1751 je francoski duhovnik Bertier pari{kim akademikom Réaumurju, Nolletu in drugim pokazal poskus, pri katerem se je igla, zaprta v posodi, premaknila pod vplivom plamena. Za podoben poskus je geolog Michell uporabil torzijsko tehtnico,340 s katero je Cavendish pozneje meril gravitacijsko konstanto. V za~etku leta 1766 je Ameri~an Franklin svetoval prijatelju Angleù Priestleyju, naj se loti podobnih poskusov z vetrnico. Franklinu se je zdelo, da vetrnica brez pravega vzroka izbere to ali nasprotno smer vrtenja. Priestley je eksperimentiral skoraj eno leto v razli~nih okoli{~inah. Za krila je najprej uporabil kar polovico igralnih kart; 13 jih je posadil v pluto in z iglo pritrdil na stekleno stojalo, povezano s to~kastim vodnikom nekaj in~ev pro~ od nedavno izumljene leydenske steklenice. Ob razelektritvah se je loputa vetrnice vedno vrtela v isto smer, pogosto tako hitro, da ni bilo mogo~e razlo~iti kril. Pozneje je karte zamenjal z la`jim mo~nim belim papirjem. Izdelal je ve~ deset vetrnic s premeri 3 in~ev in dolìnami 2,5 in~a. Po nasvetu Cantona je Priestley papir- nata krila navlaìl, da bi pove~al njihovo elektri~no prevodnost. V drugih poskusih je krila posul s kovinskimi ble{~icami ali tankimi ko{~ki medenine enakih oblik. Za vetrnico je uporabil tudi napravo za samodejno vrtenje ra`nja. Papir je nadomestil z la`jimi listi~i zlata, tudi v vetrnicah z vodoravnimi osmi, ki so se {e vrtele na razdalji 30 cm od izvira elektrike. V bliìno vetrnice je postavil sve~o, ki jo je tok zraka upihnil. Zato je menil, da loputo poganja sunek vetra, ~eprav je npr. Canton menil, da gre za elektri~ni odboj. V Wilsonovi razpravi je prebral, da se vetrnica v vakuumu ne vrti. Ponovil je Wilsonov poskus z enakim rezultatom. Ko je v vakuumsko posodo spustil zrak, so se vetrnice zavrtele. Druga~e od rojaka Crookesa stoletje pozneje Priestley ni po~rnil kril vetrnice in je ni postavil v vakuum, ~eprav je sicer rad eksperimentiral v vakuumu. V naslednjih letih je uporabljal predvsem ~rpalko, ki mu jo je podaril Smeaton za tlake do 1 mbar.341

John Smeaton iz Leedsa je bil in`enir gradbeni{tva in je prvi uporabljal "hidravli~no apno" za podvodne gradnje. Tako je utrl pot odkritju sodobnega cementa leta 1848. Sestavil je dvosmerno zra~no ~rpalko. Priestley je napravo uporabljal med svojim delom pri lordu Shelburnu v Calneju. S Smeatonovimi ~rpalkami si je pomagal Italijan Tiberius Cavallo pri merjenju specifi~nih te` plinov v Londonu.

Leta 1792 se `upniku iz Bentleyja, A. Bennetu, ni posre~ilo vrteti igle pod vplivom plamena. Njegov negativni rezultat so razli~ni raziskovalci {e dolgo uporabljali proti

140 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK korpuskularni teoriji svetlobe; med njimi Young v Londonu in Stewart leta 1866 na observatoriju Kew.342 Avtor transverzalne valovne teorije svetlobe, Fresnel, je na pari{ki Politehniki leta 1825 sestavil mlin~ek z dvema tankima kovinskima loputama v iz~rpani posodi s tlakom 1 mbar ali 2 mbar. Mlin~ek se je vrtel, ko ga je osvetlil s son~no svetlobo. Podobno kot Crookes pol stoletja pozneje, je tudi Fresnel menil, da pojava ne povzro~a konvekcija segretega zraka ali izparevanje s povr{in, saj se je pojav komaj kaj spremenil pri dvajsetkrat vi{jem tlaku.343 Istega leta je v vakuumsko posodo postavil dve plo{~i, obe{eni na svilenih nitih. Plo{~i sta se med seboj odbijali, ko je k njim z zbiralno le~o usmeril son~no svetlobo. Podoben pojav je naslednje leto opazil von Leballif in pozneje {e J. F. Saigey.344 Vendar je Fresnel kmalu umrl, tako da so na njegovo odkritje pozabili, dokler ga ni omenil Crookes. Poullet in Desperetz, profesorja fizike na Sorbonni, sta leta 1849 pojasnjevala tak{ne poskuse s toploto in z gibanjem segretega zraka. Desperetz je tudi preu~il toplotne vplive na premikanje igle galvanometra.345 Istega leta je sestavil elektri~no pe~ico s talil- nikom za taljenje z oblo~nico.

5.2.2 Crookesovo odkritje

O~e Williama Crookesa je obogatel s krojenjem (slika 5.1). Zato se je William po {tudiju in slu`bovanju na Royal College of Chemistry leta 1854 lahko popolnoma posvetil raziskovanju. Leta 1863 je bil sprejet za FRS. Leta 1885 se je preselil v Oxford, kjer je do zadnjih dni vztrajno raziskoval najbolj `go~a vpra{anja tedanje fizike. Po letu 1900 se je uspe{no lotil tudi raziskovanja radioaktivnosti. Leta 1897 ga je kraljica po~astila z naslovom viteza, med letoma 1913 in 1915 pa je predsedoval RS.

Crookes se je za~el `e zelo zgodaj zanimati za Kirchhoffovo in Bunsenovo odkritje spektroskopa, s katerim sta leta 1860 v Heidelbergu odkrila cezij in leto pozneje rutenij. Nova elementa sta imenovala po zna~ilni modrosivi oziroma tem- norde~i barvi spektra. Njunemu zgledu je sledil tudi Crookes, ki je leta 1861 odkril talij in ga imenoval po zeleni veji. Resda je bil samo kro- ja~ev sin, a prav zato ni hotel zaostajati za latinsko bolj podkovanimi nem{kimi univerzitet- nimi profesorji. Slika 5.1: William Crookes Crookes je verjel domnevi rojaka Prouta, anonimno objavljeni v Londonu leta 1815, da so atomske mase vseh elementov celi mnogokratniki mase vodikovega atoma. Zato si je prizadeval za natan~no meritev atomske mase talija. Vendar je zanjo izmeril vrednost 203,642, nekoliko ni`jo od sodobne 204,383, vsekakor pa nasprotno Proutovi domnevi. Crookesov pomo~nik je bil izjemno spreten steklopihalec, mladi Charles H. Gimingham. V Crookesovem raziskovalnem delu je imel pomembno vlogo, podobno kot Geissler pri Plückerju v Bonnu.

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 141 Slika 5.2: Crookesov in Giminghamov ~rpalni sistem z eno samo Sprenglovo ~rpalko ob za~etku raziskovanja radiometrskega pojava349

Da bi ~im natan~neje dolo~ila atomsko maso, sta Crookes in Gimingham merila v vakuumu. Ugotovila sta, da segrevanje naprave zmanj{a izmerjeno maso. Podrobnej{e raziskave so pokazale, da se masa zmanj{a, ~e je vir toplote pod njim, ker se merjenec giblje navzgor.346 Zato sta v 1870-ih letih posku{ala iz~rpati posodo do "popolnega" vakuuma, v katerem tokovi preostalih molekul ne bi motili tehtanja. K Sprenglovi ~rpalki sta dodala {e Andrewsove kemijske metode ~rpanja.347 ^rpalni sistem z eno samo Spreng- lovo ~rpalko sta razvila leta 1872. Do naslednjega poletja sta `e dosegla vakuum, skozi katerega ni bilo mogo~e razelektriti Ruhmkorffovega induktorja (slika 348

5.2). 349 Za raziskovanje sile, ki je motila meritev atomske mase v vakuumu, sta sestavila napravo za merjenje "odboja zaradi sevanja". Tako sta naslovila vrsto {estih razprav, ki sta jih med letoma 1874 in 1878 priob~ila pri RS. Najprej sta uporabila uravnove{eno palico v vakuumski posodi, ki jo je na eni strani grel tok vro~e vode. Merilnik sta pozneje izbolj{ala tako, da sta merila premike preprostega vzvoda z bezgovima kroglicama na kraji{~ih v manj{i vakuumski posodi. Ko sta kroglico grela od spodaj, se je dvignila. ê sta posodo bolj iz~rpala, se je efekt zmanj{eval in pri 9 mbar, ko je "bila {e zadnja sled zraka odstranjena iz posode ..., sta bezgovi kroglici ostali nepremi~ni". Ko sta tlak {e zniàla, se je bezgova kroglica zopet dvigovala, ~e sta jo grela od spodaj. Crookes je menil, da je na sledi povezavi med toploto in gravitacijo: "êprav sila, o kateri sem govoril, gotovo ni navadna teà, privlak izvira iz kemi~nega delovanja. Povezuje najve~jo in najbolj skrivnostno naravno silo, delovanje na daljavo, z bolj znanimi delovanji snovi. Energija sevanja Sonca se lahko kon~no izkaè za 'stalno delujo~o v skladu z dolo~enimi zakoni', ki jih je Newton imel za vzrok gravitacije".350

(slika 5.3) 351 Crookes je upal, da njegovo odkritje lahko re{i problem repa kometov. Komet Coggia je prav tiste poletne tedne vzbujal ob~udova- Slika 5.3: Crokesovi prvi napravi za merjenje nje po Evropi. Astronomi so `e dlje ~asa radiometrske sile iz leta 1874351

142 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK iskali odbojno silo Sonca, morda ravno svetlobni tlak, ki ti{~i plinasti del kometa pro~ od jedra. Pojav je gotovo pripravil znanstvene kroge za prihajajo~e razprave o radiometru. Zaradi pogo- stih pogovorov o kometu v hi{i Jamesa Clerka Maxwella v Cambridgeu je doma~i terier Toby ob vsaki omembi repa kometa tekel v krogu in lovil svoj lasten rep ob navdu{enem muzanju zbranih znanstvenikov. Leta 1874 je Crookes predstavil svoj mlin~ek pred RS, kjer so jo nato imeli postavljeno na ogled. Pri vseh obiskovalcih je vzbudila ob~utek, da gre za neposreden vpliv mehanske energije svetlobe. Splo{nemu mnenju je pritegnil Maxwell (slika 5.4). Pojav ga je zanimal tako zaradi kineti~ne teorije, ki jo je objavil leta 1867, kot zaradi elektromagnetne teorije, s katero je podoben pojav napovedal pri precej ni`jih tlakih: "...Od tod je povpre~na sila, s katero son~na svet- Slika 5.4: James Clerk Maxwell (*1831; loba pritiska ob kvadratni meter povr{ine enaka †1879) 0,00000041 kg m*. Ta tlak nastane le na osvetljeni strani telesa, zato bo telo potiskal v smeri gibanja son~nih `arkov.352 Osredoto~ena elektri~na svetloba bi verjetno pritiskala {e bolj in ni nemogo~e, da bi `arki tak{ne svetlobe, ki bi padali na kovinsko plo{~ico v vakuumu, povzro~ili opazen mehanski u~inek." Maxwell je sprejel Crookesovo razpravo v oceno za objavo v Phil. Trans. Tedaj je {e sogla{al, da Crookes meri tlak sevanja, trke valov ob trdno povr{ino. Crookes je nato 18. 6. 1874 vakuum v posodi po Dewarjevem nasvetu {e izbolj{al z uporabo oglja kot getra.

5.2.3 Crookesovi kritiki Crookesovim trditvam je med prvimi nasprotoval Reynolds z domnevo, da Crookes meri odbojni pojav zaradi gradienta temperatur. Leto prej je Reynolds objavil raziskavo kondenzacije me{anice pare in zraka na mrzlih podlagah v parnem stroju. Zato je trdil, da je tudi radiometrski pojav odvisen od izparevanja molekul zraka na krilih mlin~ka. Podobno je zapisal, da repi kometov nastanejo zaradi elektri~ne sile ali pa zaradi "negativne sence". Menil je, da je Crookesov (1874) poskus z odklonom bezgove kroglice od plamena sve~e mogo~e pojasniti z vi{jo temperaturo kroglice na segreti strani. Hitrej{e molekule se na segreti strani bolj odrivajo od kroglice in jo zato bolj premaknejo. Vendar sta Dewar in Tait leta 1875 dokazala, da hitrej{e molekule prej tr~ijo ob sosede. Tako naj bi se tlak povsod izravnal kljub temperaturnim razlikam.353 ^eprav so zgodnjo Reynoldsovo teorijo radiometrskega pojava pozneje zavrgli, je vendarle usmerila poznej{e razlage na problem interakcije med plinom in povr{ino. @e pozimi 1873/74, torej pred Crookesovo prvo objavo, se je Schuster vrnil z opazovanja son~evega mrka v odpravi Normana Lockyerja na Tajskem. Takoj si je ogledal Crookesov mlin~ek, razstavljen pri RS. Schuster je bil nepla~ani asistent na

* 4,1·10–7 Pa

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 143 Osborne Reynolds iz Belfasta je {tudiral v Cambridgeu (slika 5.5). Med letoma 1868 in1905 je bil profesor tehnike na Univerzi v Manchestru. Raziskovanje radiometra je nadaljeval z dinamiko fluidov. Leta 1883 je objavil, da laminarni tok preide v turbulentnega, ko {tevilo, ki ga danes imenujemo po njem, naraste ~ez kriti~no vrednost. Razvil je tudi teorijo maziv, izmeril mehanski ekvivalent toplote in na~rtoval {tevilne turbine.

Univerzi v Manchestru in je tam Reynoldsu in drugim opisal odlo~ilni poskus, v katerem bi merili, ali se radiometrska posoda vrti v nasprotni smeri vrtenja kril mlina. Tak{no vrtenje bi pomenilo, da gibalna koli~ina pri osvetlitvi loput ni bila pripeljana v posodo od zunaj. Vrtenje loput bi bilo v tem primeru odvisno od nekega notranjega mehanizma, domnevno povezanega s preostalim plinom v iz~rpani posodi. Vendar Schuster ni hotel sam Slika 5.5: Osborne Reynolds (*1842; izpeljati poskusa, "saj bi bilo videti, da se vtika v †1912) delo drugih". Schuster se je, enako kot Crookes, na za~etku raziskovalne poti ukvarjal s spektralno analizo svetlobe. @al sta zagovarjala nasprotni razlagi radiometrskega pojava. Leta 1875 se je Schuster vrnil iz Nem~ije k Reynoldsu na Univerzo v Manchester, kjer sta ohi{je radiometra obesila na dve svileni niti. Znanstvena srenja je napeto ~akala na izid poskusa. J. J. Thomson se je {e pol stoletja pozneje spominjal "olaj{anja, ko je sli{al, da se je naprava vrtela v nasprotni smeri od loput".354 Februarja 1876 je Schuster pritrdil Reynoldsovi domnevi, da preostali plin neposredno vrti radiometer. Podoben poskus je opravil Gimingham. Postavil je radiometer v vodo, prepre~il gibanje loput z zunanjim magnetom in opazil vrtenje ohi{ja v nasprotni smeri, kot bi se sicer vrtele proste lopute.355 Aprila 1875 je Crookes izmeril, da svetloba bolj odbija ~rno kot belo ali posrebreno povr{ino loput radiometra. Podobne rezultate so ponovili drugi raziskovalci. Ker se svetlobni `arki odbijajo od posrebrene strani, bi moral biti tlak tam dvakrat vi{ji. Zato se je junija 1875 tudi Maxwell odrekel radiometru, ki bi meril neposreden vpliv vpadnih `arkov na snov. Ugotavljal je, da se po~rnjena povr{ina ne odbija bolj od vira svetlobe zato, ker ve~ seva, temve~ zato, ker je bolj vro~a.356 Maxwell se je pri tem skliceval na poskuse Kundta in Warburga (1875). Ob po~asnej{em ohlajanju termometra v vakuumu sta pritrdila, da notranje trenje ni odvisno od tlaka idealnega plina, kar je Maxwell 30. 5. 1859 prvi~ opisal v pismu Stokesu.357 Clausiusova kineti~na teorija s povpre~no prosto potjo molekul ni obetala popolnega opisa radiometrskega pojava. V mlin~ku je povpre~na prosta pot molekule lahko ve~ja od razdalje med trdnima povr{inama loput mlina, ob katere molekula tr~i. Zato ne pride do ravnovesja zaradi trkov med molekulami; neenakomerno segrete lopute lahko povzro~ijo velike temperaturne Slika 5.6: Crookesov razlike v okoli{kem plinu. Vendar tisti ~as {e nih~e ni znal radiometer358

144 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK izra~unati rezultante sil zaradi temperaturnega gradienta brez dvomljivih dodatnih

domnev. 358359 Crookes je sestavil "svetlobni mlin~ek" v pozneje najbolj znani obliki s {tirimi krili v stekleni posodi in ga krstil za "radiometer" (sliki 5.6 in 5.7). Teà vodoravno vrtljive, na vsaki drugi strani s ~adom po~rnjene lopute ni smela presegati 0,13 g. Po~rnjena stan se je pri navadnem tlaku vrtela proti izviru svetlobe. Ko je ~rpal zrak iz posode, se je hitrost vrtenja loput niàla in je loputa kon~no obstala. Po nadaljnjem niànju tlaka se je mlin~ek za~el znova vrteti, vendar tokrat v nasprotni smeri. Domnevo, da se mlin~ek radiometra tem hitreje vrti, ~im bolj{i je vakuum okoli njega, je Crookes moral opustiti sredi junija 1876 zaradi rezultatov poskusov. Izra~unal je, da na vsak Slika 5.7: Crookesova skica radiometra iz razprave On Repulsion Resulting from kvadratni centimeter lopute pritiska 0,01 Radiation iz leta 1876357 mg.360 V sodobnih enotah je to tlak 10–4 Pa, torej skoraj 250-krat toliko, kot je predvidel

Maxwell leta 1873. 361 Sredi aprila 1876 je Gimingham uporabil tri cevi za padanje `ivega srebra namesto ene. Dosegal je do 0,004 mbar po McLeodovem manometru, ki ga je za~el uporabljati sredi poletja 1876 (slika 5.8). Vsi raziskovalci so se strinjali, da bi to~no merjenje tlaka v radiometrski posodi dolo~ilo, kaj vrti mlin~ek v njem. Zato sta Crookes in Gimingham meritve tlaka dopolnjevala {e z opazovanjem elektri~nih pojavov in hitrosti vrtenja radiometra.362 Medtem se je zanimanje za radiometrski pojav raz{irilo v najvi{je plasti angle{ke dru`be. Maxwell je 15. 5. 1876 pisal svojemu stricu Robertu Cayu, kako je sami kraljici Viktoriji na njeno vabilo opisal Guerickejeve magdebur{ke poskuse in Crookesovo raziskovanje vakuuma. Pri tem je hudomu{no pripomnil, da jih je "...njeno veli~anstvo kar hitro zapustilo in se ni veliko ukvarjalo s praznim, saj ga je do konca dneva ~akalo {e veliko te`kega dela".363 Jeseni leta 1876 je Crookes med preu~evanjem razlike med osvetljevanjem izbo~enih in vbo~enih loput v radiometru pri{el na idejo o ~etrtem agregatnem stanju snovi.364 Dve leti pozneje je objavil poskuse z radiometrom, ki je imel krila iz zlatih listi~ev, po~rnjena s ~adom na vsaki drugi strani. Ko se je osvetljeni

Slika 5.8: Giminghamova izbolj{ava Sprenglove ~rpalke, kot sta jo s Crookesom uporabljala vsaj od srede aprila 1876361

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 145 Slika 5.9: Crookesov radiometer s silnicami molekulskega tlaka

mlin~ek vrtel v nasprotni smeri kot sicer, s po~rnjeno stranjo naprej, so opazili, da je bil eden listi~ev naguban. Naklju~no odkritje je Crookes izkoristil tako, da je zgornjo polovico posode pokril in osvetlil le spodnjo polovico, kjer so se lopute vrtele s po~rnjeno

stranjo proti izviru (slika 5.9). 365

5.2.4 Maxwellova in Reynoldsova teorija radiometra Iskra izmenjava mnenj o radiometru se je medtem è polegla, saj se je izkazalo, da tlak svetlobe le ne povzro~a vrtenja mlin~ka. Maxwell je vedel, da je radiometer resen fizikalni problem, ~eprav je omogo~al preproste poskuse. Zato je bil v svojih sodbah zadràn, {e posebno v recenzijah razprav Crookesa, Reynoldsa in Schusterja za RS. V za~etku leta 1877 je Maxwell nagovoril Schusterja, da se je iz Manchestra preselil k njemu v Cavendisheve laboratorije. Schuster je maja 1877 prinesel v laboratorij tudi {tiri radiometre. Z njimi je gotovo spodbudil Maxwella, ki se je ravno tedaj spravljal k opredelitvi in razlagi radiometrskega pojava. Delo je kon~al naslednjo pomlad, vendar je opombe k razpravi dodal è te`ko bolan leto pozneje. Najve~ prostora je posvetil ra~unanju sile zaradi temperaturnih razlik v notranjosti plina, kjer je tlak sorazmeren drugemu odvodu temperature po prostornini. Zavrnil je zgodnej{e teorije FitzGeralda in Stoneyja, po katerih naj bi è konstanten temperaturni gradient zadostoval za razliko tlakov. Po Maxwellu je majhen mlin~ek v plinu kot izvir toplote zadosten za spremembo temperaturnega gradienta in s tem za tlak, ki vrti mlin. Maxwellovo razpravo je pred objavo za RS 15. 6. 1878 ocenil W. Thomson, ki mu je Maxwell problem tri mesece prej dodatno pojasnil v pismu. Maxwell je seveda vedel, da je prav prijatelj W. Thomson recenzent njegove razprave, ~eprav mu je tajnik RS Stokes poslal le tipkani prepis Slika 5.10: Rokopis W. Thomsonove (poznej{i Lord recenzije (slika 5.10). Kelvin) ocene Maxwellove razprave, 15. 6. 1878366

146 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 366 Crookesovo {esto in zadnjo v skupini razprav "O odboju zaradi sevanja" so poslali v oceno Maxwellu, ki je le dva tedna pred tem sprejel Thomsonovo poro~ilo o lastni razpravi. Maxwell je Crookesovo delo 23. 10. 1878 priporo~il za objavo. Tri mesece pozneje je prejel v oceno {e Reynoldsovo splo{no teorijo toka plina, uporabljeno v radiometru z odkritjem "termalne transpiracije". Tako je Reynolds imenoval tok plina skozi luknji~asto plo{~o zaradi temperaturne razlike med stranmi plo{~e, ki je bilo eno glavnih odkritij razprave o radiometru. Ugotovil je, da je radiometrski pojav odvisen od razmerja med velikostjo lopute mlina in povpre~no prosto potjo molekule v plinu. Pojav izgine pri zelo velikih loputah ali pri zelo majhnih prostih poteh. Vendar bi bilo treba za potrditev teorije toliko zmanj{ati lopute, da meritev ne bi bila ve~ mogo~a. Zato je Reynolds raje predlo`il, naj bi se lopute pritrdile, tako da bi se zrak zaradi radiometrskega pojava gibal skoznje v nasprotni smeri. Poskus z majhnimi loputami bi tako nadomestili s poskusom z majhnimi prostori za tok plina; torej z luknji~astimi loputami. Maxwell je v oceni Reynoldsove razprave podprl njegove poskuse, ne pa tudi teorije. Zato je prestra{eni Reynolds nekoliko popravil svoje trditve, saj z Maxwellom ni bilo zdravo zobati ~e{enj. Maja 1879 je Maxwell svojo lastno razpravo dopolnil {e z upo{tevanjem povr{inskih pojavov v plinu, o katerih je bral v Reynoldsovi {e neobjav- ljeni razpravi. Svojo metodo je ocenil kot bolj{o. Reynolds ni sprejel Maxwellovih idej, temve~ jih je kritiziral v pismu tajniku RS Stokesu. Stokes mu je nekaj ur po Maxwellovi smrti 5. 11. 1879 telegrafiral, da naj kritiko omili ali pa naj dovoli njegov komentar. Obveljalo je slednje. Tako je Stokes prebral pred RS Reynoldsovo kritiko in svoje mnenje, v katerem je med drugim povedal, da je pokojni Maxwell deloma zasnoval svojo teorijo na nasvetih W. Thomsona. Reynolds se je s kritiko pokojnega Maxwella seveda globoko zameril vodilnim ~lanom RS. Thomson se je posebej potrudil in po podrobnem raziskovanju literature celo podvomil v Reynoldsovo prioriteto pri odkritju "termalne transpiracije", saj naj bi pojav `e pred njim odkril Nemec W. Feddersen po napovedih C. G. Neumanna z Univerze v Leipzigu, sina slovitega kristalografa F. E. Neumanna.

5.3 Od radiometra h katodni elektronki: "elektri~ni" radiometer

Podobno kot je Crookesa kemijski problem zapeljal k preu~evanju vakuuma, ki je bil sprva le raziskovalno orodje, je njegov deset let mlaj{i prijatelj Dewar zajadral od kemijskega problema k problemu termovke in nato k uteko~injenju "permanentnih" plinov. Z Maxwellovo smrtjo je Crookes izgubil glavnega podpornika svoje teorije radiometra. Sredi 1880-ih let je Crookes kon~no sprejel nedosegljivost popolnega vakuuma in, po dolgem upiranju, sprejel preostali plin kot vzrok gibanja radiometra. Zadnja Crookesova razprava o "odboju zaradi sevanja" je bila, po Maxwellovi oceni, prebrana pred RS 21. 11. 1878. Prva razprava o "svetlosti ~rt tlaka molekul in o tirnicah molekul" je bila prebrana le dva tedna pozneje. S tem je Crookes presko~il iz radiometra v katodno elektronko, od radiometrskih sil h "katodnim `arkom", od popolnega vakuuma k pojavom "~etrtega agregatnega stanja snovi v nepopolnem vakuumu".367 "Svetlobni mlin~ek" je postavil v katodno elektronko in dobil "elektri~ni radiometer". Zdelo se mu je, da je temno podro~je okoli katode v elektronki podobno, ~e `e ne enako nevidni plasti toka plina v radiometru, kjer je tlak molekul pove~an: "@e dolgo sem pod vtisom ideje, da je temna plast okoli pola nekako povezana s plastjo (nad)tlaka molekul, ki povzro~a gibanje v radiometru".368

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 147 Najprej je "plasti tlaka molekul" sku{al meriti z majhnimi mlin~ki, postavljenimi okoli glavnega mlina. Vendar so se majhni mlin~ki kmalu naelektrili in tako ovirali meritev. Zato je sestavil "elektri~ni radiometer", ki je vseboval mlin z aluminijevimi loputami, po~rnjenimi na vsaki drugi strani, kot katodo. Temno podro~je razelektritve se je raztezalo dlje na po~rnjenih straneh loput kot na nepo~rnjenih. Ko je temna plast dosegla steno posode, se je mlin za~el vrteti z umikajo~o se po~rnjeno stranjo naprej, podobno kot pri navadnem radiometru. Crookes je domneval, da se molekule odrivajo od negativne elektrode–mlin~ka in ga zato vrtijo. Hittorf je v Münstru menil, da vrtenje povzro~a `arenje segretega stekla posode. Puluj z dunajskega Fizikalnega in{tituta, ki je za~el raziskovati radiometrski pojav pri Kundtu v Strasbourgu leta 1875, je oba zavra~al. ^e bi veljala Hittorfova domneva, bi lahko radiometer poganjali tako, da bi njegovo stekleno ohi{je segreli kar z dotikom roke. Puluj je vrtenje pripisal trem med seboj nasprotujo~im si vzrokom: sevanjem iz elektrode, toplotnemu gibanju zaradi segrevanja aluminijevih loput in toplotnemu sevanju steklenih sten elektronke. Posamezni vzroki prevladajo pri razli~nih tlakih in zato se z red~enjem zraka smer vrtenja lopute spreminja. Pri tlakih 0,03 mbar je opisal sevanje po Stefanovem zakonu. V poznej{ih poskusih je lopute premazal s fluorescen~nimi snovmi, med njimi z zelenim CaS. Med poskusi je pozneje razvil razli~ne fluorescen~ne svetilke (slika 5.11).369 Lehmann, ki je spoznal radiometer pri Kundtu v Strasbourgu, je trdil, da mlin~ek neposredno spreminja svetlobno energijo v

mehansko delo, le majhen del svetlobne energije pa povzro~a razlike temperatur. 370 Profesor astrofizike v Leipzigu, Zöllner, je nasprotoval Crookesovi razlagi radiometra, ~eprav je v 1870-ih letih podpiral Crookesovemu podoben spiritizem. Leta 1880 je sodeloval z Webrom pri razvoju teorije elektrike in gravitacije, nekaj let po Schusterju. Zöllnerjevo mnenje je bilo blizu Reynoldsovemu in Schusterjevemu, saj je trdil, da loput radiometra ne poganja tok absorbiranega plina, temve~ neposredno izparevanje s trdnih kril mlin~ka. Pri razlagi je upo{teval teorijo nihanja etra proti elektri~ni teoriji vrtenja radiometra. Podobne ideje je isto~asno objavil Preston. Kritiziral je leto dni starej{o domnevo Crookesa in Stoneyja ter dokazoval, da so povpre~ne proste poti molekul v radiometru majhne v primerjavi z razdaljo med loputami.371 Nemci so radiometre sestavljali è pred Crookesom, niso pa vzbudili tolik{ne pozornosti. Geissler iz Bonna je predstavil Zöllnerjev radiometer na zborovanju nem{kih naravoslovcev v Hamburgu in ga je pozneje tudi sam uspe{no uporabljal.372 Crookes je sestavil dvojni radiometer z nasprotno po~rnjenimi loputami na isti osi, ki je postal pozneje zelo priljubljen. Meril je vrtenje zaradi segrevanja ali ohlajanja ter tlak, pri katerem so lopute obmirovale v ravnovesju.373 Zöllner je sestavil druga~en dvojni radiometer s kratko staknjenimi platinskimi in aluminijevimi plo{~ami, vrtljivimi okoli lastnih osi. Pri navadnem tlaku se je vrtel "normalno", v smeri toka segretega zraka (slika 5.12). Pri tlaku okoli 122 mbar se je smer vrtenja obrnila, kot da bi plo{~ice iz aluminija in platine zdaj Slika 5.11: Pulujevi "elektri~ni" radiometri s za~ele absorbirati okoli{ki plin. Pri fosforescen~nimi loputami369 zniànih, torej tedaj è nemerljivih tlakih

148 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK se je smer vrtenja ponovno obrnila. Ob polni son~ni svetlobi se vrtenje ni obrnilo niti pri 374 tlakih globoko pod 122 mbar. 375 @iva polemika med raziskovalci radiometra se je nadaljevala {e nekaj let v razpravah Sto- neyja, E. Pringsheima, Reynoldsa, Sutherlanda in drugih. Stoney je delovanje radiometra pojasnil s kineti~no teorijo, ki jo je pozneje popravil Maxwell.376 Vendar v naslednjih {tiri- desetih letih ni bilo novih pomembnih raziskav radiometra, v nasprotju z `ivo razpravo sredi 1870-ih let. Razvoj je zastal bolj zaradi ugotovitve ve~ine, da je pojav prezapleten za obravnavo, kot zaradi dokon~ne zadovoljive pojasnitve. Pringsheim iz Breslaua (dana{nji Wroc³aw) se je tako skupaj z Lummerjem v Berlinu raje lotil raziskovanja sevanja ~rnega telesa, ki je obetalo ve~. Teorija radiometra je bila dodelana predvsem Slika 5.12: Zöllnerjev dvojni radiometer iz z odkritji Knudsena, ki je prvi uspe{no leta 1877375 uporabil kvantitativno meritev radiometrske sile za dolo~itev tlaka.377 Izkazalo se je, da se vpliv ve~je hitrosti molekul izravna z manj{o prosto potjo le nad loputo mlin~ka. V tankem obmo~ju nad robom lopute pa prevlada u~inek hitrej{ih molekul. Pra{ki profesor Einstein je imel `e na 1. Solvayevem kongresu dve pripombi na Knudsenovo kineti~no teorijo. Trinajst let pozneje je v Berlinu dopolnil Knudsenov ra~un sile na lopute mlina v plinu za primer, ko je povpre~na prosta pot molekul manj{a ali enaka velikosti loput v mlinu.

5.4 Radiometer, svetlobni tlak in Stefanov zakon O svetlobnem tlaku so razpravljali `e v 17. stoletju. W. Thomson je njegovo velikost ocenil leta 1852. Pred Maxwellom je prevladovalo mnenje, da bi uspe{no merjenje tlaka svetlobe potrdilo korpuskularno ali longitudinalno valovno teorijo, ne pa transverzalne. Sprva se je zdelo, da radiometer meri svetlobni tlak. Bartoli s Tehni{kega in{tituta v Firencah je opisal razvoj radiometra in domneval, da je svetlobni tlak posledica entropijskega zakona, ki mu toplotno sevanje nasprotuje. Njegove zamisli je podprl Eddy, med letoma 1874 in 1890 profesor matematike in astronomije in nato predsednik Univerze Cinncinnati. Gra{ki profesor Boltzmann je napisal oceno Eddyjevega dela za Ann. Phys. Pri tem ga je urednik E. Wiedemann opozoril na Bartolijevo delo, ki ga br`kone ni poznal niti Boltzmannov nekdanji u~itelj Stefan. Boltzmann je zavrnil Bartolijevo nasprotovanje entropijskemu zakonu, uporabil pa je njegov opis tlaka svetlobe za izpeljavo Stefanovega zakona. Prva meritev svetlobnega tlaka se je posre~ila {ele moskovskemu profesorju Lebedevu leta 1899 in je avgusta naslednje leto o uspehu poro~al na mednarodnem kongresu v Parizu. Tlak svetlobe sta ~ez tri leta merila Hull in Ernest Fox Nichols v ZDA, natan~neje pa Nemec Gerlach s sodelavci na Univerzi v Frankfurtu leta 1923.

RADIOMETER IN PRIZADEVANJA ZA POPOLNI VAKUUM 149 5.5 Radiometer na Slovenskem 5.5.1 [antlovi poskusi v Gorici Gori{ki gimnazijski profesor, Slovenec Anton [antel je opisal napravo za pretvarjanje toplote Sonca v mehansko energijo v "son~nem motorju". Ideja naj bi bila, po [antlu, "leta 1874 objavljena v ve~ strokovnih ~asopisih". [antel je uporabljal tri trdne steklene cevi z notranjim premerom 1 mm in dol`ino 4 cm. Na vrtljiv valj jih je pritrdil tako, da so bili med njimi koti po 60 stopinj. Napolnil jih je do polovice z etrom in nato iz~rpal, zatalil ter zatesnil {e z ovojem iz muslinske tkanine. V steklenih ceveh po [antlovem mnenju "ni bilo zraka razen par etra". Napravo je pokril s ~rno plastjo in njeno spodnjo polovico izpostavil son~ni svetlobi. Zaradi temperaturnih razlik je preostali eter v spodnjem delu bolj izpareval, tako da so se cevi vrtele. Tak{en "son~ni motor" je lahko ve~ mesecev poganjal uro, saj se je zavrtel 3–4-krat na minuto, hitreje v mrzlem kot v toplem. Ob zaklju~ku je [antel ocenil tlak, ki je poganjal loputo.378

5.5.2 Radiometri v fizikalnih kabinetih na Slovenskem Radiometri so bili zelo priljubljeni, saj jih je sestavljal Leybold iz Kölna, pozneje vodilni proizvajalec vakuumske tehnike. Na {tevilnih srednjih {olah s slovenskega etni~nega ozemlja so ob koncu 19. stoletja preizku{ali radiometre. @e leta 1880 je profesor A. Wachlowski poro~al o radiometru v gimnazijskih izvestjah iz ^ernovcev v dana{nji Ukrajini, ki so jih brali po vsej dr`avi. Radiometre so nabavljali v fizikalnih kabinetih, vendar so se zaradi krhkosti le redki ohranili do danes. Ljubljanski gimnazijci so o delovanju radiometra brali v svojem fizikalnem u~beniku v posebnem poglavju o {irjenju toplote s sevanjem.379 Radiometer je ostal zanimiv za demonstracijo pri pouku gimnazijske fizike tudi v naslednjem stoletju. Docent Inwinkl, kustos fizikalnega kabineta Gimnazije v Kopru, se je odlo~il za nakup Crookesovega radiometra v {olskem letu 1906/1907.380 Radiometre so {olam prodajali {e med obema vojnama. Za navadni Crookesov radiometer je bilo treba od{teti 5 nem{kih mark, za bolj dodelano izvedbo z dvema nasprotno po~rnjenima loputama na isti navpi~ni osi pa 12 mark.

5.6 Sklep

Crookes in Gimingham sta med prizadevanji za popolni vakuum izbolj{evala tako ~rpalko kot merilnik tlaka. Po eni strani sta se zanimala za radiometrske, viskoznostne in elektri~ne pojave, povezane s teorijo snovi, po drugi strani pa sta s temi pojavi sku{ala meriti tlak. S kemijskimi metodami sta dosegla tlak 5 · 10–5 mbar, leta 1884 pa z uporabo sedmih cevi za padanje `ivega srebra celo 2,6 · 10–5 mbar, kar je desetletje ostal rekord.381 Radiometer je v 1870-ih letih pomenil prvorazredno odkritje. Pozneje se je izkazalo, da se ne vrti zaradi tlaka sevanja, temve~ zaradi temperaturnih razlik. Kljub temu pa ostaja danes zanimiv fizikalni instrument.

150 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Termovka: Odkritje in razvoj vakuumske izolacije

Dewar je leta 1873 opisal vakuumsko izolacijo. Dvajset let pozneje je postalo shra- njevanje teko~ega zraka v Dewarjevih posodah prvorazredni dogodek v znanosti. Danes si z Dewarjevo posodo, prirejeno v termovko, pomagamo celo v gospodinjstvu. Najprej si oglejmo raziskovanje prehajanja toplote skozi pline in vakuum, nato pa {e Dewarjevo pot do odkritja. Prve poskuse s prevajanjem v vakuumu je opravil Guericke okoli leta 1654,382 za njim pa Boyle in Hooke leta 1658. Guericke je dognal, da ur in glasbenih instrumentov ni mogo~e sli{ati skozi vakuum, zato pa gre skozenj svetloba. Manj prepri~ljivi so bili tedanji poskusi s prehajanjem toplote in elektrike.

6.1 Raziskovanje prehajanja toplote skozi vakuum v Angliji 19. stoletja

Morgan je leta 1785 objavil, da vakuum ne prevaja elektrike. Zato je Davy leta 1822 menil, da ima na razpolago nepopoln vakuum. Previdnej{i Faraday se v februarju 1838 brez natan~nih meritev raje ni opredelil glede prevajanja elektrike v vakuumu.383 [kot Leslie je leta 1819 lo~il tri na~ine prehajanja toplote: sevanje, me{anje in prevajanje. Pred Stefanovimi poskusi pa ni bilo mogo~e u~inkovito meriti prevajanja toplote v plinih, {e posebej ne v vakuumu. Zato so prevodnost vakuuma prirejali za toplotne pojave glede na to, ali so imeli toploto za pojav, podoben zvoku ali svetlobi. Rumford je imel zvok za pojav, podoben izsevani toploti.384 Zveza med akustiko in toploto se je ohranila v u~benikih do druge polovice 19. stoletja, ko so akustiko povezali z optiko pri obravnavi valovanja.

TERMOVKA 151 Toploto in svetlobo je povezovalo odkritje "nevidnega termometri~nega spektra", danes infrarde~ega, ki ga je objavil Herschel 24. 4. 1800. Po Maxwellovi (1873) teoriji elektromagnetnega valovanja je "dobila" izsevana toplota dalj{o valovno dol`ino od vidne svetlobe.

6.2 Prehajanje toplote skozi plin v Evropi 19. stoletja: Stefanov diatermometer

Kvalitativne ugotovitve o toplotnem prevajanju vodika je prvi objavil Magnus pri Akademiji v Berlinu leta 1860 in 1861. Vendar {e ni znal izmeriti toplotne prevodnosti pred disertacijo Friedricha Narra, branjeno v Münchnu leta 1870. Prve uporabne rezultate je objavil Stefan385 po meritvah z diatermometrom. Diatermometer je bil podoben termovki iz bakra ali medeninaste plo~evine, v kateri je notranja posoda zra~ni termometer, plin v ozki {pranji med posodama pa merjenec (slika 6.1). Stefan je uporabljal steni iz stekla, èleza ali cinka; v~asih eno steno iz cinka, drugo pa iz èleza. Premer valjaste posode je bil 6–7 cm, v drugih poskusih 32 cm. Razdalja med posodama je bila od 2,3 mm do 5,1 mm. Tlak vmesnega zraka je pri zadnjem (osmem) poskusu zniàl na 0,56 bar in dokazal Maxwellovo napoved, da je toplotna prevodnost zraka

neodvisna od tlaka. 386 Leta 1875 je Winkelmann iz Aachna dokazal veljavnost Maxwellove teorije do tlaka 1,3 mbar. Meril je s Stefanovim diatermometrom iz medenine, v katerem je razdaljo med stenama zmanj{al na 1,5 mm do 2 mm. Priporo~al je opazovanje v popolnoma stekleni posodi in dokazoval, da vakuum ne prevaja toplote. Podobne rezultate sta isto~asno objavila Kundt in Warburg za razred~ene pline med dvojnima stenama posode.387 Stefan in njegov asistent Plank sta nadaljevala meritve toplotne prevodnosti med junijem 1875 in julijem 1876, njuno delo pa je podpiral Boltzmann. V pismu Stefanu iz Helmholtzovega laboratorija v Berlinu je Boltzmann 2. 2. 1872 opisal svoje "radovedno pri~akovanje" prve Stefanove objave meritev z diatermometrom. Po Stefanovem naro~ilu je ponovno potrdil pravilnost Maxwel- lovih (1867) ra~unov v nasprotju z druga~nimi Clausiusovimi (1862) rezultati. Vendar je kmalu po Stefanovi objavi leta 1872 Boltzmann odkril in popravil ra~unsko napako v Maxwellovi teoriji in opozoril na neujemanje novih rezultatov s Stefanovi meritvami.388 Diatermometer je bila prva uporabna naprava za merjenje toplotne prevodnosti razred~enih plinov. Stefan je napravo uporabljal v prvi polovici 1870-ih let, isto~asno pa je Dewar razvil podobno napravo kot prednico sodobne termovke. Medtem ko je Stefan meril lastnosti plina med posodama, je Dewar raziskoval snov v notranji posodi. Naprave za ~rpanje zraka Stefan leta 1872 ni opisal; Slika 6.1: Stefanov diatermometer386 svetoval je glajenje in prekrivanje povr{in

152 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK posode za zmanj{anje sevanja, kot je prav v dneh Stefanove smrti januarja 1893 storil Dewar na predavanju pred RI.

6.3 Dewarjeva iznajdba termovke

V za~etku 1870-ih let se je Dewar, predavatelj na Kraljevem veterinarskem kolid`u v Edinburghu, lotil natan~nih meritev specifi~ne toplote "hidrogeniuma", domnevne "zlitine" vodika in paladija (slika 6.2).389 V visokotemperaturnem kalorimetru je preverjal domnevo Grahama in Faradaya (1852) o kovinskih lastnostih vodika, ki ji je nasprotoval Dewarjev nekdanji profesor Olding leta 1861, zagovarjal pa jo je Reit- linger na Dunaju. V kalorimetrih so `e pred Dewarjem uporabljali dvojne stene za zmanj{evanje prevajanja toplote. Dewar je prostor med stenama iz~rpal, da bi {e zmanj{al vpliv okolice. Septembra leta 1872 je objavil no- tico o specifi~ni toploti vodika in poro~al o meritvah s "posebno konstruiranim kalori- metrom". Naslednje leto je objavil rezultate meritev fizikalnih konstant vodika, ki so zavra~ale Grahamovo domnevo o "hidroge- niumu" in nakazovale, da gre za vodik, Slika 6.2: James Dewar absorbiran v paladiju.

Slika 6.3: Prva termovka iz leta 1873390

TERMOVKA 153 Dewar je kalorimeter s kapaciteto 0,1 L postavil sredi debele "popolnoma iz~rpane" ovojnice iz medenine. Napravo je postavil v veliko zaprto valjasto posodo iz kositra, ki jo je oblivala voda iz mestnega vodovoda. Druga~e od Stefana Dewar ni meril lastnosti plina med posodama, temve~ snov v notranji posodi. Dewar je objavil skico in opis svoje naprave leta 1873, Stefan pa {ele ~ez 2 leti

(slika 6.3). 390 Po obliki se Dewarjeva posoda ni veliko razlikovala od so~asne Stefanove iznajdbe. Debelina prostora med posodama je bila leta 1898 pri Dewarju od 4 mm do 5 mm, torej pribli`no enaka kot pri Stefanu leta 1872 in manj{a kot pri 391

Winkelmannu leta 1875 (slika 6.4). 392 Stefan ni uporabil diatermometra za izolacijo. Raziskovanja vakuuma na Dunaju ni vodil on, temve~ Reitlinger in pozneje Puluj v von Langovem laboratoriju. Nattererjevega uteko- ~injenja plinov niso nadaljevali raziskovalci 392 Slika 6.4: Zbirka Dewarjevih termovk Stefanove {ole, saj sta se v Avstriji uveljavila predvsem Olszewski in Wroblewski z Univerze v Krakovu, ki sta {tudirala v Heidelbergu oziroma v Kijevu.

6.4 Dewar v tekmi za uteko~injenje plinov

Dewar je v za~etku 1890-ih let zamenjal stene iz medenine s steklom, da bi la`e opazoval dogajanje v termovki. Uporabo kovinskih sten termovke je ovirala njena ve~ja toplotna prevodnost, te`ave pri poliranju odbojne povr{ine, pu{~anje in plini, absorbirani v kovinah in v oglju. Pozneje, leta 1906, je raziskoval teko~i zrak in kisik pri visokih tlakih, ki so jih prenesle le kovinske termovke.393 Ko je Cailletet decembra 1877 uteko~inil kisik in du{ik*, je med steni kriostata dajal kalcijev klorid za izsu{evanje, saj bi se sicer vodna para kondenzirala na stenah notranje posode. Kljub poznej{im trditvam, npr. ob prejetju Davyjeve nagrade leta 1878, pa Cailletetu in Pictetu brez u~inkovite vakuumske izolacije ni uspelo zbrati teko~ega kisika

in du{ika za znanstveno raziskovanje. 394 27. 5. 1886 je Dewar predsedniku RS Stokesu in drugim pokazal poskus strjevanja kisika (slika 6.5). 16. 7. 1886 je bila objavljena skica Dewarjeve naprave. Istega leta je pred poslu{alci v RS z elektri~no svetilko in le~ami preslikal svojo napravo na zaslon. Kondenzacijo in strjevanje je opravil v lo~enih vakuumsko izoliranih posodah. Crookesov radiometer in posebno Bottomleyjevi poskusi so pri~ali o velikem pomenu delcev plina pri prehajanju toplote. Ta raziskovanja so bolj kot Stefanova neposredno

* Pline so uteko~injevali z Joule-Thomsonovo ekspanzijo, ki sta jo preu~evala tudi Slovenca Tobija in Gabrijel Gruber.

154 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 6.5: Dewarjeva naprava za kondenzacijo kisika iz leta 1886

vplivala na Dewarjeve poskuse konec leta 1892 pri RI. 20. 1. 1893 je med predavanjem v RI vakuumsko posodo iz~rpal z ìvosrebrno zra~no ~rpalko do tlaka 13 mbar. Posodo je segrel do 200 °C in nato z ìvosrebrnimi parami izpodrinil zrak. Po ohladitvi so se ìvosrebrne pare na stenah posode strdile v zrcalo, ki je prepre~evalo sevanje. Tako sten ni bilo treba posebej posrebriti. Pripravljeno vakuumsko posodo je Dewar izmenoma polnil s teko~im etilenom, kisikom ali zrakom. Meril je prostornino plina, ki je po cevi pre{el v drugo posodo in se tam uteko~inil. Prostornina tako destilirane kapljevine je bila v sorazmerju s toploto, dovedeno vakuumski posodi, ki jo je obdal z vodo stalne temperature. Ker se je med destiliranjem povr{ina kapljevine niàla, je meril le, dokler ni izparela ~etrtina za~etne prostornine. Dewar je poslu{alcem najprej pokazal teko~i kisik, ki je bil v vakuumski posodi "miren kot voda". Nato je med dvojni steni spustil zrak, da je za~el teko~i kisik vreti. Z vakuumsko izolacijo je za petkrat zmanj{al prehajanje toplote (tabela 6.1).

Tabela 6.1: Dewarjeve meritve hitrosti izparevanja

Snov Hitrost izparevanja (cm3/min) teko~i kisik v krogli, obdani z vakuumom 170 teko~i kisik v krogli, obdani z zrakom 840 teko~i etilen v krogli, obdani z vakuumom 56 teko~i etilen v krogli, obdani z zrakom 250

Dal je narediti termovke razli~nih oblik, v katerih se led ni nabiral na povr{ini zunanje posode, tudi ~e je bila vakuumska izolacija debela le 1/2 in~a. Teko~i kisik ali zrak je izpareval le s povr{ine in ni bilo videti mehur~kov. Dewar je pokazal vakuumsko posodo s posrebrenimi stenami, ki so zmanj{ale prehajanje toplote "{e za ve~ kot pol. V tak{nih posodah lahko hranimo teko~i kisik ali teko~i zrak ure dolgo, tako da se ekonomi~nost in enostavnost rokovanja zelo izbolj{ata." Leta 1896 je izra~unal, da vakuumska izolacija s posrebrenimi notranjimi stenami zmanj{a prehajanje toplote za tridesetkrat, izolacija s suhim zrakom pa le do 35 %. Kljub temu so Ameri~an Charles Eastman Tripler, [ved Ostergren in [vicar Burger pozimi 1896/97 v New Yorku namesto Dewarjeve posode razvili princip samoizolacije. Za izolacijo so uporabili plin, ki je med uteko~injenjem zraka z zmrzovanjem izgubil vso vlago.

TERMOVKA 155 6.5 Prehajanje toplote skozi vakuumsko izolacijo pri temperaturah teko~ega zraka

Leta 1893 je Dewar objavil pripravljalne rezultate meritev hitrosti izparevanja iz vakuumske posode s teko~im kisikom, ki vre pri –180 °C. Iz posode je zaporedoma izpareval kapljevine razli~nih temperatur (tabela 6.2).

Tabela 6.2: Dewar meri hitrost izparevanja teko~ega kisika

Temperatura kapljevine (oC) Hitrost izparevanja (cm3/min) –115 60 –78 120 +6 300 +65 600

Hitrost izparevanja je bila sorazmerna izsevanemu energijskemu toku. Dewar je dobljene rezultate opisal kot "sevanje (skupaj s preostalim prehajanjem toplote s konvekcijo), ki nara{~a pribli`no s tretjo potenco absolutne temperature. Treba bo {e veliko nadaljnjih poskusov, preden bo mogo~e natan~no definirati zakon o sevanju pri nizkih temperaturah."395 Trditev ni bila v skladu s Stefanovim zakonom. Leta 1898 je Dewar nadaljeval raziskovanje prehajanja toplote pri temperaturah teko~ega zraka. Meril je ~as, potreben za destilacijo enakih koli~in teko~ega zraka iz treh med seboj povezanih posod, kolikor se je dalo enakih oblik in velikosti. Izolacijo dveh posod je polnil z razli~nim prahom, tretjo pa je pustil prazno za primerjavo. Ugotavljal je, da primesi oglja pri nizkih temperaturah v zraku pove~ujejo, v vakuumu pa zmanj{ujejo toplotno prevodnost. Na rezultate meritev je vplivala tudi posrebritev sten posode. Poskusi niso bili dovolj natan~ni, da bi lahko med seboj lo~il tri vrste prehajanja toplote. Pokazali pa so "da lahko teko~i zrak uporabljamo za preu~evanje mnogih pomembnih problemov prehajanja toplote". Dewar je uvrstil sevanje pri nizkih temperaturah med najpomembnej{a podro~ja svojih raziskav lastnosti snovi pri nizkih temperaturah od odkritja shranjevanja in ravnanja s teko~imi plini v vakuumskih posodah. @e leta 1872 in 1873 je sku{al dolo~iti temperaturo Sonca; zato je gotovo poznal prvi uporabni Stefanov (1879) ra~un le-te. V prvih petih letih po objavi leta 1879 so Stefanov zakon podprli predvsem nem{ko pi{o~i fiziki, Britanci pa precej pozneje. Dewar je leta 1873 uporabil Dulongove in Petitove raziskave sevanja in njuno ugotovitev, da vakuum ovira konvekcijo. Leta 1874 in 1875 je objavljal skupaj s Taitom z Univerze v Edinburghu, ki leta 1884 {e ni omenjal Stefanovega zakona o sevanju in je raje zagovarjal zastareli Dulong-Petitov zakon. Dewar je Stefanov zakon uporabil za primerjavo s svojimi meritvami {ele leta 1920 in 1921.396

6.6 Spori za prioriteto pri odkritju termovke Dewar je poslu{alcem v RI leta 1893 predstavil `e gotovo iznajdbo, kjer je bil osnovni problem le {e pridobivanje dovolj dobrega vakuuma. "Zgre{il" je le odkritje superizola- cije, ki je edina pomembna izbolj{ava vakuumske posode, ki je ni odkril sam.397 Leta 1904 je vakuum proglasil za najbolj{i izolator elektrike.

156 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Ostro je zavra~al dvome o svoji prioriteti, ki so se pojavili po opisu njegove posode v nem{kem tisku leta 1894 in 1896. Leta 1897 je Francoz d'Arsonval objavil, da je Dewarjevo posodo `e 11. 2. 1888 opisal pri biolo{kih raziskavah. Svoj lon~ek je sku{al pristaviti {e Nemec Weinhold; 15. 9. 1898 je trdil, da je enako posodo sam opisal v knjigi `e davnega leta 1881. Nih~e pred Dewarjem ni uporabil termovke za ohranjanje teko~ega kisika, Dewarjeva razprava iz leta 1873 pa je bila veliko starej{a od drugih. 2. 12. 1896 je Dewar v Timesu poro~al o Nemcu Lindeju, ki je 5. 6. 1895 v Nem~iji patentiral napravo za uteko~injenje zraka. Ni omenil so~asnega neodvisnega dela W. Hampsona, patentiranega v Angliji 23. 5. 1895. Kritiziral je profesorja Tildena z Royal College of Science, ki je pripisoval izum Dewarjeve vakuumske posode tudi Cailletetu, podobno kot Solvay v predavanju pred pari{ko Akademijo leta 1895.398 Ko je Dewar po ve~mese~nih poskusih 10. 5. 1898 konstruiral ve~jo napravo, v kateri je lahko v petih minutah kondenziral 20 kubi~nih centimetrov vodika, je Hampson protestiral s pismom v reviji Nature. Konec leta 1894 naj bi opisal svojo napravo Dewarjevemu asistentu Robertu Lennoxu, kar naj bi Dewar izkoristil, ne da bi Hampsona sploh citiral. Pred 4. 8. 1898 so pri Nature objavili {tiri Hampsonova pisma in prav toliko Dewarjevih odgovorov nanje. Faraday in Dewar nista patentirala svojih odkritij, kar se ni zdelo nenavadno v london- skih akademskih krogih. Po drugi strani pa je Kelvin z Univerze v Glasgowu patentiral veliko svojih odkritij, Dewar pa je z njim ve~krat sodeloval. Skupaj sta delovala v komisiji, ki je leta 1873 med drugim razpravljala o dolo~itvah temperature Sonca. Trideset let pozneje pa je Dewar 26. 8. 1903 pisal Kelvinu o rezultatih svojih poskusov o radioaktivnosti. Po 1. svetovni vojni je Dewar opustil raziskovanje nizkih temperatur in se posvetil tankim plastem in milnim mehur~kom. Dewar je ostal aktiven raziskovalec {e pri osemdesetih letih, ko je izmed njegovih vrstnikov ob njem vztrajal le {e Crookes.399

6.7 Termovka v Nem~iji in ZDA do srede 20. stoletja

Steklopihalec Muller iz Coburna je uporabil Dewarjevo posrebreno vakuumsko posodo za mleko, da ga je lahko zjutraj {e toplega dal otroku. Termovka je po tem hitro pri{la v komercialno uporabo, najprej v Nem~iji, nato pa drugod.400 Nem{ki uporabniki vakuumskih posod niti niso vedeli, da imajo v rokah Dewarjev izum. Angle{ki steklo- pihalci niso bili dovolj spretni, zato je Dewar pred letom 1898 moral naro~ati izdelavo posod v Nem~iji.401 Leta 1898 je Nemec Hempel objavil, da je prevleka iz puha bolj{i toplotni izolator od vakuuma. Podobno je vlogo vlaken volne pri prepre~evanju gibanja zraka ugotavljal `e Stefan in po njem Boltzmann v govoru ob odkritju Stefanove spominske plo{~e na dunajski Univerzi 8. 12. 1895. Leta 1904 sta Siegfried Valentiner iz Halleja in A. Bestelmeyer iz Göttingena merila notranje trenje, gostoto in razmerje specifi~nih toplot du{ika pri temperaturah teko~ega zraka na Röntgenovem Fizikalnem in{titutu v Münchnu. Uporabljano vakuumsko izolirano posodo sta v razpravi izmenoma imenovala po Dewarju in po Weinholdu. Tik pred 1. svetovno vojno je Dewar raziskal hlajenje vrele vode v termovki, ki jo je `e imenoval "termos".402

TERMOVKA 157 V letih pred drugo svetovno vojno so nem{ka podjetja proizvajala Dewarjeve posode prostornine od 1 L navzgor. Ponujali so valjaste in okrogle posode s posrebrenimi, pobakrenimi ali navadnimi steklenimi stenami, opremljene tudi s podstavkom za transport. V vakuumsko izolacijo kovinskih termovk so pritrjevali getre iz oglja. Termovke so uporabljali predvsem za transport teko~ega zraka.

6.8 Sodobni nadaljevalci Dewarjevega dela

Dewarjeve ideje so kmalu uporabili na ravnih steklenih strukturah, ki omogo~ajo odli~no prozorno vakuumsko toplotno izolacijo. Inènir Alfred Zöller iz Berlina je leta 1913 patentiral votlo stekleno {ipo razli~nih oblik, med njimi valovite steklene plo{~e, ki vsebujejo lo~ene izpraznjene prostornine. Dewarjeva raziskovanja nizkih temperatur so bila zelo zgodaj opisana tudi v slovenskem poljudnoznanstvenem tisku: "Dne 19. grudna 1896 je Dewar predaval v 'Chemical Society', kako je v okrogli posodi brez zraka z mo~nim protiskom in hudim mrazom zgo{~eval zrak, dobil pol litra zledenelega zraka in ga obdràl cele pol ure v tem stanju. Od za~etka je strjena tvarina nekako neokorna prozorna òlica, zmes trdega du{ika in zvodenelega kisika".403 Zöllerjevo vakuumsko ploskovno izolacijo izpopolnjujejo na Odseku za tehnologijo povr{in in optoelektroniko IJS (do leta 2003 ITPO), da bi nadomestili cenene, vendar ekolo{ko sporne organske pene.

158 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK @arnica

Z razvojem uporabne `arnice si je Edisonov laboratorij v Menlo Parku ustvaril sloves tudi v svetu znanosti, ki ga je W. Thomson opisal z besedami: "...no one else is Edison".404 Seveda pa je Edisonovo delo le kronalo dolgoletno delo cele vrste raziskovalcev.

7.1 Prve `arnice

Novembra 1802 je Petrov v Sankt Peterburgu sestavil baterijo z 2100 elementi Cu-Zn in napetostjo okoli 1700 V in z njo prvi àril ogleno oblo~nico. Vendar je naslednje leto odkritje opisal le v ruskem jeziku. Do podobnih odkritij je neodvisno pri{el Davy. Leta 1802 je opazil, da oglje med elektrodama hitro zgori in ga na zraku ni mogo~e àreti kot platino. Leta 1808 je z veliko baterijo z 2000 pari Cu-Zn pred RI prikazal delovanje oblo~nice in àrnice, ki pa ju ni razvil za prakti~no uporabo. Pozneje, leta 1853, je oblo~nico prikazal tudi njegov nekdanji u~enec Faraday na boì~nih predavanjih pred RI.405 Do 1860-ih let niso poznali dovolj cenenih virov elektri~ne energije. Kljub temu so v ve~ deèlah patentirali àrnice, predvsem pa oblo~nice. Osnovni teàvi sta bili iskanje materiala, ki ne bi prehitro zgorel, in reguliranje stalne razdalje med elektrodama v oblo~nici. Jobard je v Bruslju è leta 1838 opisal ogleno àrnico v vakuumu, ki jo je pozneje sestavil njegov u~enec, inènir de Changy. Vendar je moral prekiniti raziskovanje, ko mu je pari{ka Akademija odtegnila podporo. Jobardovo idejo je leta 1841 patentiral Angle` de Moleyns. Grove je leta 1840 poskusil z àrenjem platine v zraku in drugih plinih, tudi za uporabo v rudnikih. Obe vrsti àrnice, platinsko in ogleno, je patentiral Ameri~an Starr, ki je potoval po Angliji in propagiral svoja odkritja. Njegova àrnica z ogleno palico v

@ARNICA 159 vakuumu nad ìvosrebrnim stolpom je sicer prehitro po~rnela, vendar je z opisom v knjigi Repertory of patent inventions vplivala na raziskovanje Swana. Nem{ki emigrant Heinrich Goebel je leta 1858 s tokom galvanske baterije àrel ìco iz platine v vakuumu ìvosrebrnega barometra. Z osvetljevanjem okna svoje urarske delavnice v New Yorku je privabljal kupce; àl so na njegov izum kmalu pozabili.406 Leta 1872 je Lodigin opisal vakuumsko àrnico z ogleno nitko med elektrodama iz medenine. Z njo so naslednje leto razsvetlili peterbur{ke ulice. V posodo je postavil {e nekaj nitk, s katerimi so nadomestili prvo, ko je po pribli`no pol ure zgorela. Novembra 1874 je dobil Lomonosovo nagrado Akademije znanosti, vendar je naslednje leto zaradi finan~nih teàv nadaljeval raziskovanje v tujini. Januarja in februarja 1876 so tri Lodiginove svetilke osvetljevale peterbur{ko trgovino, 12 pa so jih naro~ili pri pari{ki delavnici Julesa DuBoscqa. Poleti 1873 je Edison nabavil DuBos- cqove oblo~nice za laboratorij v Newarku.407

Mladi samouk Thomas Alva Edison si je ustvaril sloves v ZDA s hitrim posredovanjem telegrafskih in ~asopisnih informacij med secesijsko vojno (slika 7.1). Izkoristil je gospodarski razcvet po vojni in pozimi 1875/76 ob podpori newyor{kih denarnih mogotcev in tiska postavil prvi industrijski raziskovalni laboratorij v Menlo Parku, New Jersey, 40 km oddaljenem od New Yorka. Tu je med drugim nadaljeval raziskovanje telegrafije, dopolnil Bellov telefon in utemeljil gramofon. Predvsem pa je ustvaril industrijo `arnic, s katero se je po petih letih raziskav v Menlo Parku zmagoslavno Slika 7.1: Thomas Alva Edison preselil v New York kot vodilni izumitelj in poslovne`.

7.1.1 Edisonova àrnica V Edisonovem laboratoriju so imeli è od jeseni 1774 naro~ene Crookesove Chemical News, tako da so spremljali tudi napredek vakuumske tehnike.408 Edison je konec januarja in v za~etku februarja 1877 za~el, med septembrom 1877 in januarjem 1878 pa nadaljeval raziskovanje oblo~nic in àrnic (slika 7.2). V laboratoriju je imel Gassiotovo elektronko è od leta 1875. Sredi septembra 1877 je Edison naro~il Charlesu Batchelorju, naj vanjo vtakne kos oglja. Ker je bilo te`ko dobiti dovolj majhne kose oglja, so uporabili raje pooglenen papir, ki so ga uporabljali tudi pri vzporednih raziskovanjih telefona. Ko so elektronko znova zatesnili, so jo iz~rpali z navadno zra~no ~rpalko, nabavljeno marca 1875. Dobljeni vakuum je bil slab, tako da je razàrjeno oglje zgorelo skoraj prav tako hitro kot na zraku. Zato so raje àrili silicij in bor. @arnice so vezali zaporedno pa tudi vzporedno, kar je pozneje peljalo k uspe{nemu sistemu razsvetljave.409

410

Henry Draper je prvi fotografiral son~ev spekter. Njegov o~e, Slika 7.2: Edisonova `arnica sep- J. W. Draper, je {tudiral na londonski Univerzi, nato emigriral v tembra 1877, narisana po spominu ZDA in zaslovel z raziskovanjem luminiscence v New Yorku. leto dni pozneje410

160 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Sredi leta 1878 je bil Edison mo~no iz~rpan po intenzivnem raziskovanju telegrafa. Zato je rad sprejel vabilo vodilnih ameri{kih znanstvenikov, fizika Barkerja in astronoma Draperja. Prosila sta ga, naj jima priskrbi svoj tasimeter* za opazovanje popolnega son~evega mrka na zahodu ZDA. Potovanje je trajalo od 13. 7. do 26. 8. 1878. Spotoma so si ogledali laboratorij Britanca Wallacea v Ansonii, Connecticut. Wallace je skupaj z Mosesom G. Farmerjem sestavil dinamo, ki so ga proizvajali od leta 1875. V ~asu Edisonovega obiska se je Wallace ukvarjal s konstrukcijo mo~nega elektri~nega generatorja "Telemachon" in sistema oblo~ne razsvetljave z oglenimi plo{~ami.411 @e nekaj dni po vrnitvi v Menlo Park je Edison vedel, da je na sledi velikih izbolj{av elektri~ne razsvetljave. Svoje izku{nje v razdeljevanju telegrafskih impulzov je nameraval uporabiti tudi za razdeljevanje mo~i elektri~ne razsvetljave za posami~ne uporabnike. Dotedanje elektri~ne svetilke so bile uporabne le za mo~ne javne lu~i, pri posameznih uporabnikih pa je prevladovala plinska razsvetljava, katere ohi{ja je Edison nameraval kar prirediti za àrnice.412 Po velikopoteznih izjavah za New York Tribune 28. 9. 1878 je Edisonov sloves privabil mogotce z Wall Streeta k ustanovitvi Edison Electric Light Company (EELC) 17. 10. 1878.413 Samouku Edisonu je bilo veliko do ugleda v znanstvenih krogih, ~eprav v svojem laboratoriju dolgo ni zaposloval znanstvenikov. [ele pod pritiskom J. Pierponta Morgana in drugih direktorjev EELC je moral novembra 1878 zaposliti ameri{kega fizika Francisa R. Uptona, ki je kon~al Bowdoin College v dràvi Maine, diplomiral na Princetonu in se nato izpopolnjeval {e na Univerzi John Hopkins ter pri Helmholtzu v Berlinu. Upton je kot matemati~no-tehni{ki svetovalec Edisona leto dni zbiral tiskano literaturo in patente o àrnici, dokler se ni posvetil poskusom in pozneje vodenju proizvodnje àrnic.414 Draper je podpiral Edisona tudi v American Association for the Advancement of Science (AAAS) ter v bolj elitni NAS, skupaj z Rowlandom. Slednji je pozneje, ob prevzemu predsedni{tva AAAS leta 1883, v slovitem pozivu k ~isti znanosti v nasprotju z ve~ino ameri{kih (Barker) in britanskih (W. Thomson, Crookes) raziskovalcev objavil, da Edisonovo raziskovanje elektri~ne àrnice ni znanost, tako kot novi kuharski recepti niso kemija. Barker je spoznal Edisona leta 1874 ob razstavi pri Franklinovem in{titutu; 3 .11. 1874 ga je pisno povabil, naj predstavi svoje izume pri NAS. Kot pomo~nik urednika Am. J. Phys. in predsednik AAAS je nagovoril Edisona in Uptona, da sta za sre~anje AAAS v Saint Louisu leta 1878 in v Saratoga Springsu leta 1879 pripravila lastne referate. Do leta 1884, ko se je posvetil predvsem trènju, je Edison najprej ustanovil Telegraph Journal, nato pa 3. 6. 1880 revijo Science; tiskanje le-te je poldrugo leto gmotno podpiral. Science je poltretjo stran posve~ala raziskavam elektrike, posebej pa je poro~ala o delu Edisonovega laboratorija. Tako so v prvem zvezku objavili Uptonovo poro~ilo o poskusni èleznici v Menlo Parku. Za Edisonom je podporo Science prevzel izumitelj telefona Alexander Graham Bell.415 Edison je v 1980-ih letih z ve~ tiso~ dolarji podpiral u~ne programe elektrotehnike v {olah.

7.1.2 @arnice v vakuumu Prve mesece raziskovanja `arnic v Menlo Parku so predvsem iskali primeren `arilni material. Namesto volframa, oglja in iridija, ki ga je 7. 10. 1878 hvalil Farmer iz New Yorka, so izbrali platino. Bila je draga in je bilo treba tok skozi njo posebej regulirati z

* Tasimeter je bil namenjen meritvam toplote zvezd in son~eve korone.

@ARNICA 161 razmeroma zapletenimi povratnimi zankami, da se ne bi stopila nad 1769 °C. Zato pa te`ko oksidira in se je z njo Edison sprva izognil uporabi vakuuma, seveda ne zaradi Aristotelovega strahu pred praznim. Razpoke in mehur~ke na materialih so v Edisonovem laboratoriju preu~evali z mikroskopom, kar je bila novost v industrijskem raziskovanju. S tehtanjem so dognali, da postane platina po segrevanju la`ja. Edison je domneval, da plini v porah platine po segrevanju zapustijo kovino in povzro~ijo po{kodbe (slika 7.3). Poskuse je vodil Upton, ki je 4. 2. 1879 domneval, da se v platini adsorbira predvsem vodik. Nezaèlene pline so izparili s predhodnim segrevanjem platine v vakuumu in s ponovnim ~rpanjem pred zatalitvijo àrnice. Zato so januarja 1879 za~eli raziskovati v visokem vakuumu, ki se mu zdaj niso mogli ve~ Slika 7.3: Vakuumska àrnica z izogniti. Druga~e od predhodnikov, je imel Edison na nitko iz platine, ki oktobra 1879 razpolago bolj{o tehnologijo, zlasti Sprenglovo 417 416 {e ni delovala ìvosrebrno ~rpalko. 417 22. 1. 1879 je Edison zaman telegrafiral prijatelju Barkerju na Univerzo v Filadelfiji in Henryju Mortonu iz Stevensovega in{tituta v Hobokenu, da naj mu po{ljeta Sprenglovo ~rpalko. Zato je sprva ~rpal z mehansko ~rpalko, v kateri je bil tlak pare uporabljenih olj za tesnila {e vi{ji od tlaka ìvega srebra.418 Edisonov sicer izredno sposobni mehanik Krüsi àl ni znal sestaviti Sprenglove ~rpalke. 26. 3. 1879 je Edison dobil Geisslerjevo ~rpalko od stehlopiha{kega podjetja Alberta Reinmanna in Williama Baetza iz New Yorka, isto~asno pa od nekdanjega Uptonovega profesorja Cyrusa F. Bracketa s Princetona {e drugo podobno, vendar pokvarjeno. W. Baetz je tudi sam ve~krat v nekaj mesecih pomagal pri namestitvi svoje naprave v Menlo Parku. Ni pa se hotel zaposliti pri Edisonu, ki je zato leta 1878 najel steklopihalca Boehma, ki je pred tem delal pri Geisslerju v Bonnu.

Johann Heinrich Krüsi je bil rojen v Heidenu, Appenzell, v [vici. Kot mehanik je delal v Zürichu in Parizu. Leta 1870 je delal na Singerjevih {ivalnih strojih v New Jerseyju ter pre{el k Edisonu leta 1871 ali 1872. Ime si je prisr~no poamerikanil v John Krusi. Leta 1882 je bil odgovoren za proizvodnjo v Edisonovi prvi osrednji postaji v New Yorku.419

William de la Rue in Hugo W. Muller sta leta 1878 v pari{kih Annales de Chemie et de Physique objavila razpravo o kombinaciji Geisslerjeve ~rpalke s Sprenglovo in o McLeodovem vakuumskem merilnem instrumentu. Geisslerjeva ~rpalka je bila hitrej{a, zato pa je Sprenglova dajala bolj{i vakuum. Sredi avgusta 1879 so Boehmove ~rpalke dosegale è tiso~inko milibara in so bile br`kone najbolj{e na svetu. V dobrem letu je Boehm pri Edisonu izdelal dobro petino od skupno ve~ kot 500 ~rpalk za tovarno àrnic v Menlo Parku (slika 7.4). Sprengel-Geisslerjeva ~rpalka, kot so jo projektirali v Edisonovem laboratoriju, se je uporabljala do leta 1896. @al je bil Boehm eden redkih pri{lekov, ki se ni mogel prilagoditi vzdu{ju v Menlo Parku in ga je è oktobra 1879 zapustil.420 Dr. Otto Moses je 12. 4. 1880 izdelal za Edisona vakuumsko ~rpalko z zaprtim dnom in odprtinami pri strani, da bi zmanj{al tlak ìvega srebra na dnu. Lahko je dobil dober vakuum v petih urah, kar je bilo pri ~rpanju àrnic precej zamudno.421

162 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 7.4: Proizvodnja vakuumskih `arnic v Menlo Parku leta 1880422

422 Edison je poskuse v vakuumu objavil pod svojim imenom, kar je bil eden povodov za poznej{o Uptonovo zamero. Spiralna nit iz platine premera 0,005 in~a in mase 266 mg je po poldrugi uri àrenja v vodikovem ognju izgubila 8 mg, druga nit z 343 g pa je po 9 urah àrenja izgubila 42 mg. Med àrenjem je po 20 minutah opazil tudi tanko plast zrcala na steklenih stenah. Po 5 urah àrenja platinske spirale ni bilo ve~ mogo~e videti skozi nabrano tanko plast na stenah. Ko je spiralno nit prekril z MgO po àrenju prahu magnezijevega acetata, se je namesto platine na okoli{kem steklu nabral MgO. Tako se je prepri~al, da pojav povzro~a plin, ki izhaja iz platinske spirale. Nalaganje kovine na stene posode ni mogel prepre~iti niti vakuum 3 mbar, temve~ {ele ~rpanje s Sprenglovo ~rpalko, ko pol cm dolga iskra iz indukcijske tuljave ni ve~ mogla skozi vakuum {irine 1 mm. Ko je 0,02 mm debel platinski vodnik àril v Bunsenovem gorilniku, ga je ponekod stalil in dobil obliko "cik-cak". Pri {tirikrat debelej{em vodniku se to ni zgodilo, saj ve~je sevanje povr{ine ni dopu{~alo tolik{ne temperature. Po segrevanju je pod mikroskopom opazil {tevilne razpoke na vodniku. Po 20-minutnem àrenju je bilo mogo~e razpoke opaziti tudi s prostim o~esom, po nekaj urah pa je vodnik razpadel. Pojav sta opazila è J. W. Draper in francoski kemik Tessie de Motay, ki je àrel platino v vodiku. Ko je Edison spoznal vzrok razpada vodnika, ga je dal za{~ititi s predhodnim àrenjem v vakuumu. Dobil je zelo homogeno in trdno platino brez plinskih mehurjev in z visokim tali{~em. Proizvedel je ve~ platinskih spiral s sevalno povr{ino 3/16 kvadratnega in~a, ki so pri tali{~u àrele s 4 sve~ami. Nato je zrak iz~rpal do 3 mabr. Spiralo vodnika so po~asi greli s tokom do rde~ega àra in hladili v intervalih 15 minut, da so odstranili pline iz por in jih nadomestili s kovino. Po 100 minutah je spirala svetila s {tirimi sve~ami, kar bi stopilo navadno platino. Pri zelo po~asnem segrevanju je dajala celo 30

@ARNICA 163 sve~. Pod mikroskopom ni bilo videti razpok na gladki srebrno beli spirali, ki se je med postopkom stanj{ala in jo je bilo zelo te`ko stopiti. S povr{ine 1/32 kvadratnega in~a, enake zrnu ajde, je dobil svetilnost 8 sve~, osemkrat ve~ kot brez predhodnega segrevanja v vakuumu. Z manj kot konjsko mo~jo je lahko napajal 16 tak{nih svetilk s skupno svetilnostjo 128 sve~. Edison je preizku{al razli~ne kovine. @elezo je po opisanem postopku postalo trdno in elasti~no kot steklo in je svetilo bolje od navadne platine, aluminij se je stopil {ele v belem `aru itd.423

7.1.3 Vzporedna odkritja med Edisonovim raziskovanjem àrnice Sredi decembra 1878 je Upton odkril, da pri visoki upornosti àrnice 200–300 Ω ne potrebuje dodatne energije, saj je ta odvisna le od àre~e povr{ine. Zato so v àrnici s pridom uporabili zelo tanke àre~e nitke, ki so jih podalj{ali z navijanjem v spiralo. Odkritje so februarja 1879 patentirali v Angliji. Leta 1879 je za~el Edison uporabljati vakuum za izlo~evanje zlata iz zelo ~istih rud.424 Tudi po uspehu z àrnico je Edison nadaljeval poskuse v vakuumu. Leta 1884 je prijavil in 18. 9. 1894 dobil patent za prekrivanje z izparevanjem v vakuumu po neposrednem segrevanju z enosmernim tokom, ki ga je imenoval "elektrovakuumska depozicija". Kljub temu za odkritje odlaganja tankih plasti v vakuumu z uporovnim segrevanjem platinskih vodnikov pogosto navajajo tri leta poznej{e delo Nahrwolda, v katerem Edison ni bil omenjen. Prav tako ga ni naslednje leto 1888 omenjal Kundt, ko je odkritje uporabil za dolo~anje lomnega koli~nika tankih plasti kovin.425 Do konca julija 1885 je Edison prijavil tri patente za adsorbiranje ìvega srebra in vode iz vakuuma s posebnimi cevkami, polnjenimi z razli~nimi getri. Poleg asistenta Johna Otta mu je pri poskusih pomagala tudi druga èna Mina, rojena Miller. Decembra 1889 je sodelavec Williama Kennedyja Laurie Dickson demonstriral Edisonu premi~ne slike, ki jih je osvetljeval z mo~no svetlobo Geisslerjeve elektronke. Edison je uporabil napr{evanje z visokonapetostnim izmeni~nim tokom, ki ga je br`kone slu~ajno odkril pri vi{jih tlakih ob raziskovanju oglene àrnice. Tako je leta 1900 prijavil in 18. 11. 1902 dobil patent za "Postopek prekrivanja fonografskih plo{~". Edisonova National Phonograph Company je napr{evala tanke plasti zlata na fonografske valje iz voska med letoma 1901 in 1921 z uporabo Edisonovega patenta.426 Tesnitev àrnice je bila posebno teàvna ob vodnikih iz svinca. Swan in drugi raziskovalci niso demonstrirali svojih dose`kov na tem podro~ju, tako da je problem verjetno zadovoljivo re{il le Edison. Sprva so v Menlo Parku tesnili z lesom, leta 1881 pa so za~eli uporabljati mavec iz Pariza.427

7.2 Oglena `arnica

Uporaba vakuuma v àrnici je znova odprla mo`nost zamenjave platine s cenej{im ogljem. Oktobra 1879 so se v Menlo Parku vzporedno z raziskovanjem àrnice ukvarjali tudi z izdelavo telefonskih oddajnikov za britanski trg. Tako je bilo na voljo veliko oglja za boben v telefonu in so ga preizkusili tudi v àrnici. 21. 10. 1879 so pri`gali àrnico s poogleneno bomba`no nitjo, ki naj bi po legendi gorela 40 ur, ~eprav laboratorijski zapiski pri~ajo le o 30,5 urah. 4. 11. 1879 je bila vloèna patentna zahteva, na katero je

164 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK bilo treba ~akati le 84 dni. V patentni zahtevi je Edison zapisal: "Odkril sem, da tudi bomba`na nit, primerno pooglenena in postavljena v zatesnjeno stekleno posodo, iz~rpano do milijoninke atmosfere, daje od 100 Ω do 500 Ω upora toku in je popolnoma stabilna pri zelo visokih temperaturah."428

Simon Newcomb je bil rojen v Wallaceu na Novi [kotski. Leta 1884 je postal profesor matematike in astronomije na Univerzi John Hopkins v Baltimoru. Univerza v Leydenu mu je podelila ~astni doktorat. Skupaj s poznej{im Nobelovcem Michelsonom s Pomorske akademije je bil Newcomb tedaj sredi priprav za meritve svetlobne hitrosti z interferometrom. Edison je imel tedaj `e tolik{en ugled med ameri{kimi znanstveniki, da je Michelsona povabil, naj svoj interferometer postavi v Menlo Park. Michelson je vabilo vljudno odklonil.

6. 12. 1879 so uporabili oglje v obliki podkve. Newcomb, vodja urada za almanah pri pomorskem observatoriju v Washingtonu, je sredi januarja obvestil Edisona, da bi bilo mogo~e svetilnost `arnice mo~no pove~ati z uporabo bolj homogene in trdnej{e oblike oglja od pooglenenega papirja. Edison je upo{teval nasvet in dal raziskati celo vrsto snovi. Z ameri{ko podjetnostjo je po{iljal odprave v Indijo, Kitajsko, Srednjo in Ju`no Ameriko. "Za~el je z nebroj poizkusi in iskal pravi material za ogleno `arilno nitko in res je na{el po tiso~ih in tiso~ih neuspehih neki japonski bambus, katerega zoglenela vlakna so se izkazala uporabna".429 Morton je Edisona kritiziral v Sci. Am. V ZDA so odmevale tudi evropske kritike Edisonovih trditev. Tam sta se William H. Preece in Hippolyte Fontaine celo nor~evala iz Edisonovega "razdeljevanja elektri~nega toka" oziroma mo~i, kar sta imela za neizvedljivo.430

Henry Augustus Rowland iz Honesdala, Pensilvanija, je do leta 1870 {tudiral na Politehni{kem in{titutu v Troyi, New York; leta 1872 je tam postal izredni profesor in dve leti pozneje redni profesor. Po izpopolnjevanju pri Maxwellu in {tiri mesece pri Helmholtzu v Berlinu se je leta 1875 vrnil v lasten laboratorij na Univerzi John Hopkins v Baltimoru, kjer je leta 1881 postal redni profesor fizike in ostal na tem polo`aju do smrti. Leta 1883 je postal predsednik AAAS, leta 1889 FRS, leta 1893 pa ~lan AR. Bil je neprekosljiv izdelovalec uklonskih mre`ic.

George F. Barker iz Charlestowna v Massachusettsu je leta 1858 postal asistent B. Sillimana starej{ega. Med letoma 1859 in 1861 je pou~eval na Harvardski medicinski {oli v Bostonu, od leta je predaval naravoslovje 1861 na Wheaton Collegeu, Illinois, naslednje leto pa kemijo na Medicinski akademiji v Albanyju, New York. Leta 1863 je tam doktoriral iz medicine. Leta 1864 je od{el v Pittsbourg, Pensilvanija, kjer je leta 1866 postal demonstrator, naslednje leto pa profesor kemije in toksilogije v New Havenu, Connecticut. Od leta 1873 je bil profesor fizike na Univerzi Filadelfija. Leta 1872 in 1879 je bil predsednik AAAS. Bil je tudi pomo~nik urednika Am. J. Phys. in je skrbel za promocijo Edisonovih odkritij med znanstveniki. Osem let za Rowlandom je H. F. Weber, profesor uporabne fizike na ETH v Zürichu, objavil postopek za meritev vseh lastnosti Edisonove `arnice z izjemo njene dolgo`ivosti.

Cyrus F. Bracket in Charles A. Young s Princetona sta v Am. J. Sci. objavila pohvalno oceno Edisonove àrnice po neodvisnem raziskovanju, ki ga je pri njiju naro~il Edison. V istem zvezku revije sta sto strani pred njima Edisonova prijatelja Barker in Rowland aprila 1880 objavila ugodno oceno u~inkovitosti Edisonove àrnice,431 merjene kot razmerje med porabljenim delom generatorja in dobljeno svetilnostjo. Rowland in Barker nista imela uporabnega dinamometra, pa tudi svetilnost àrnic, postavljenih na dolgi razdalji, ni bilo mogo~e enostavno meriti. Lahko bi merila tudi upornost in tok skozi posamezno àrnico, vendar tudi za tak{no meritev nista imela potrebnih naprav. Zato sta postavila àrnico pod vodo v sredo kalorimetra, da se je voda okoli nje lahko me{ala; merila sta oddajanje toplote na minuto. Temperaturo sta merila do desetinke °C

@ARNICA 165 natan~no z Baudinovim termometrom, kalorimeter iz zelo tankega bakra pa je dràl okoli 1,25 kg vode. Meritev je bila natan~na do 3 %, saj nista upo{tevala sevanja. S temperaturo kalorimetra blizu temperaturi zraka in z majhnimi segrevanji sta zmanj- {ala napako na 1 %. Uporabila sta dve àrnici skoraj enakih mo~i. Merila sta le eno, drugo pa sta hranila v kalorimetru in ju pri naslednji meritvi zamenjala. Svetlost sta primerjala z navadnim Bunsenovim gorilnikom, ki je svetil kot ena sve~a na razdalji 10 in~ev. Merjeni àrnici z ravnimi progami pooglenenega papirja sta veliko bolj svetili v pravokotni smeri. Zato sta merila {e v smeri, vzporedni povr{ini, in upo{tevala povpre~je. @arnici sta imeli maso okoli 35 g. Na uporabljeno konjsko mo~ sta dobila 1000 do 1500 sve~, kar je bilo obetajo~e, ~e bi znala izdelati dovolj cenene in dolgoìve àrnice.

Charles Francis Brush iz Euclida, Ohio, je dobil diplomo strojnega in`enirja leta 1869 na Univerzi Michigan, nato pa je leta 1880 {tudiral {e na Univerzi Western Reserve. Leta 1878 je izumil svojo ina~ico oblo~nice. Ustanovil je podjetje "The Brush Electr. Co & The Linde Air Products Co." Podjetje je prvo v ZDA leta 1878 proizvedlo uporaben dinamo, ki je bil del sistema razsvetljave.432

Hiram S. Maxim iz dràve Maine je sprva delal kot inènir pri razvoju znanstvenih naprav, od leta 1877 pa je raziskoval àrnice. Bil je eden ustanoviteljev in glavni inènir United States Electric Lighting Company, ki je sprva izdelovala oblo~nice, nato platinske àrnice v zraku in od leta 1878 grafitne àrnice. Izumil je termostatsko reguliran kratki stik ob prevelikem gretju àrnice in "flashing" postopek gretja oglja v pari ogljikovodika, v kateri se napari dodatno oglje. Na àrilni element je pisal zna~ilno obliko ~rke "M" po svojem priimku. Po letu 1883 je preusmeril proizvodnjo k pu{kam in letalski navigaciji.433

Konec leta 1880 je Brushovo podjetje postavilo oblo~no cestno razsvetljavo na Broad- wayu v New Yorku, Maxim pa je za~el prodajati `arnice, zelo podobne Edisonovim (slika 7.5). Barker je v tisku hvalil Maximov izum, prikazan na sre~anju NAS konec leta 1880 New Yorku; morda je nagajal prav zaradi zamere, ker Edison ni upo{teval njegove 434

pro{nje, naj sloviti Draperjev laboratorij opremi s svojimi àrnicami. 435 Zato so se v Menlo Parku odlo~ili za tovarni{ko proizvodnjo àrnic, ki jo je od januarja 1881 vodil Upton 1/4 milje pro~ od laboratorija. Tovarna je zaposlovala nad 150 ljudi. 19. 4. 1881 je dru`ba svetnikov mesta New York zagotovila privilegij àrnicam Edisonovega podjetja, kar je bil za~etek svetovnega uspeha. Uptonovo mesto Edisonovega matemati~no-tehni{kega asistenta je prevzel Charles Clarke.436 Za najprimernej{o napetost je Edison izbral 110 V,437 kar je ostal standard v ZDA in moti marsikaterega Evropejca, ki si, ni~ hudega slute~, prinese doma~i notesnik ali brivski aparat na obisk v Ameriko. Po slu`bovanju pri CCE, od koder je bil v za~etku leta 1883 poslan v Strasbourg, se je Tesla naslednje leto odpravil k Edisonu v New York s priporo~ilom pari{kih prijateljev in Slika 7.5: Maximova àrnica na dunajski Batchelorja. Tam je delal do pomladi 1885, razstavi leta 1883 nato pa je ustanovil Teslovo dru`bo za cestno

166 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK razsvetljavo. Naslednje leto je dokon~al lasten sistem razsvetljave z oblo~nicami, o katerem smo kmalu lahko brali v slovenskem jeziku: "Ako zveèmo dve kovinski plo{~i, ki stojita druga drugi nasproti, s Teslinimi toki, potem bivajo v vsem prostoru med njima zelo jake elektri~ne sile. Geisslerjeve cevi, katere prinesemo v tak prostor, se takoj bli{~e~e zasvetijo. To vedenje Geisslerjevih cevi je rodilo v Tesli upanje, da mu bode mogo~e upeljati novo, vse druge nadkriljujo~o elektri~no razsvetljavo. V prostoru, ki bi hoteli na ta na~in razsvetliti, bi vzidali v dve nasprotni steni velike kovinske plo{~e ter jih zvezali s Teslinimi toki. Potem bi se na vsakem kraju tega prostora svetila Geisslerjeva cev, katero bi prosto, brez ìce prena{ali in postavljali na poljubna mesta. @al, da smo {e precej oddaljeni od te idealne razsvetljave".438 Po letu 1886 se je Edison za~el hitro umikati iz proizvodnje àrnic, da bi svoj ~as lahko uporabil za druge izume. Leta 1893 je iztekla veljavnost Edisonovim in Swanovim patentom in s tem monopolni poloàj njunega podjetja. Cena àrnic je hitro padla za ve~ kot trikrat, na trgu pa so se za~eli uveljavljati novi proizvajalci. Med njimi je bil najpomembnej{i Hirst, ki se je na konec Edisonovega patenta pripravil z obiskovanjem tovarn àrnic v Nem~iji, Avstriji in ZDA. Na Dunaju je sre~al C. J. Robertsona, ki je pred tem delal za Lane-Foxa. Ustanovila sta Robertson Electric Lamps Limited, ki je bila do polovice last GEC (General Electric Company), ostalo pa so si razdelili posamezniki. Kupili so tovarno v Hammersmithu, ki je pred tem delala za Brusha, in kmalu postali najpomembnej{i proizvajalci àrnic v Britaniji. V za~etku leta 1892 se je Edison Electric Company zdruìla s Thomson-Hustonom v General Electric Company. Edison je bil zelo prizadet, ker so iz naziva podjetja umaknili njegovo ime in se je br`kone prav zato lotil metalurgije, s katero naj bi presegel svoje uspehe pri àrnicah.439 Glavni tekmec GE pa je ostal Westinghouse, ki je leta 1916 v ZDA ustanovil raziskovalni laboratorij in mu kmalu dodal oddelek za àrnice. V Sovjetski zvezi so ustanovili prvi laboratorij za raziskovanje razelektritev leta 1918 v Ni`jem Novogorodu. Naslednje leto so tam za~eli proizvodnjo elektronk.

Hugo Hirst (Hirsch) je bil rojen v Altenstadtu na Bavarskem v druìni lastnikov uspe{nega podjetja za destilacijo. Leta 1880 se je preselil v London in spremenil priimek v Hirst, pozneje pa je postal Lord of Witton. Nekaj let je delal v Power Storage Company, nato pa se je v podjetju General Electric Aparatus Company pridruìl drugemu bavarskemu emigrantu Gustavu Binswangerju, ki je priimek pozneje prav tako spremenil v Bynge. Leta 1889 je Hirst dobil britansko dràvljanstvo, podjetje pa je preimenoval v General Electric Company limited (GEC). Leta 1919 je ustanovil raziskovalno sredi{~e, eno prvih za àrnice v Veliki Britaniji. Februarja 1923 sta ga uradno odprla J. J. Thomson in Lord Robert Cecil. V laboratoriju je delalo {est fizikov, po dva kemika in inènirja ter en metalurg od skupaj 29 delavcev, med katerimi je bil tudi pozneje slavni Paterson.440

7.3 Volframova `arnica

Oglena àrnica je svetila le s tremi vati, zato so iskali snovi z vi{jim tali{~em. Edison je preizku{al àrilni material iz delcev oglja, pome{anih z oksidi redkih zemelj, ki ga je patentiral marca 1897.441 Nernstov poskus uporabe MgO se je {ele pozneje izkazal za predhodnika fluorescen~ne àrnice. Siemens ga je zavrnil, vendar je AEG odkupila njegov patent za 50 000 funtov, da bi se izognila groze~i konkurenci. Obetaven je bil volfram z najvi{jim tali{~em med kovinami, vendar v 19. stoletju niso poznali njegove zlitine, ki bi jo lahko kovali. Zagato je re{il Hrvat Hanaman iz Denovca v kotaru @upanja, ki je {tudiral kemijo na Dunaju in v Berlinu. Leta 1900 je postal asistent na Kemijsko-analiti~nem zavodu

@ARNICA 167 dunajske Tehni{ke visoke {ole pri prof. Vortmannu. Enak poloàj je imel tudi dr. Aleksander Just, ki je delal tudi za podjetje Schneider und Cons pri izbolj{avah àrnice z ogleno nitko. Pri delu mu je pomagal Hanaman, ki je leta 1902 ugotavljal, da za àrnico

pridejo v po{tev samo nitke kovin z zelo visokim tali{~em. Iz zmesi klora in WO3 so dobili WOCl4, ga izpareli in reducirali z vodikom do ~istega volframa. Nove àrnice, ki sta jih patentirala v Nem~iji aprila 1903, so bile var~nej{e od oglenih, vendar so bile krhke in niso zmogle 100 V in 16 sve~. Pozneje sta proizvajala volframske niti s stiskanjem v hidravli~ni stiskalnici. Dobljene àrnice so svetile nad 400 ur z mo~jo 1 W. Atest za njuno napravo je po fotometri~nih meritvah izdal profesor elektrotehnike na dunajski Tehni{ki visoki {oli Hohenegg. Pogajanja s podjetjem Siemens & Halske niso bila uspe{na, zato sta sklenila pogodbo in se zaposlila v podjetju Egyesült Villamossági es Izól-lámpa R. T. v Ujpe{ti.442 Hirst je nemudoma poslal svojega tehnika na pogajanja v Budimpe{to, sam pa je obiskal Hanamana in Justa, da bi njun proces vpeljal v Britanijo. Medtem je sli{al za Welsbachov uspeh z osramovo àrnico (osram je zlitina osmija in volframa), zato je v Veliki Britaniji ustanovil Osram Lamp Works s tovarno v Hammersmithu in enakovred- nimi deleì Hirsta, Welsbacha, Justa in Hanamana. Proizvodnja se je za~ela leta 1909 in je kmalu pokazala prednosti.443 Hanaman je postal pozneje prvi profesor anorganske kemijske tehnologije in metalurgije na Tehni{ki visoki {oli, poznej{i Tehni{ki fakulteti v Zagrebu. Kot ùpan Zagreba si je prizadeval za elektri~no razsvetljavo mesta.

Dunaj~an Karl Auer je bil sin preprostega uradnika, ki se je povzpel s {tudijem. [tudiral je kemijo v Heidelbergu in asistiral pri Bunsenu. Leta 1872 je slu~ajno odkril, da nekatere soli dajejo svetlo lu~ po gretju v plinskem gorilniku. Desetletje pozneje je uspe{no raziskoval lantanide. Leta 1892 je na zborovanju aero- in hidroin`enirjev v Kielu pokazal novo mo`nost cestne razsvetljave z Bunsenovim gorilnikom, ki je `aril pla{~ iz bomba`ne tkanine, pomo~ene v torijev nitrat, dopiran s cerijem in nato pooglenen. Leta 1901 je postal baron pl. Welsbach po gra{~ini, ki jo je kupil blizu kemijske tovarne Treibach na Koro{kem.444

Leta 1906 (Dadi}, 302: l. 1902) je Welsbach v àrnici namesto oglja uporabil osram (Rosenberg, 1915, 318). Vendar so tudi najtanj{e niti, ki so jih tedaj znali izdelati iz osrama, imele le majhno upornost, tako da so lahko uporabljale le 16–44 V (Dadi}, 1982, 302). Po petih letih poskusov je leta 1906 podjetje Auer-Gesellschaft prvo za~elo tovarni{ko proizvajati àrnico s kovinskim àrilnim elementom. @ica iz osrama debeline 0,09 mm in dolìne 28 cm je dajala eno sve~o pri poldrugem vatu mo~i, nad dvakrat ve~ od oglene àrnice. Vendar so imele najtanj{e tedanje niti le majhno upornost. Tako so lahko uporabljale le od 16 V do 44 V in jih je bilo treba zaporedno vezati na 110 V, kar je bilo seveda nerodno. Januarja 1905 je podjetje Siemens & Halske za~elo prodajati enako u~inkovito tantalovo àrnico, ki jo je razvil Bolton. Pred 1. svetovno vojno so {le tantalove àrnice zelo dobro v promet, saj so jih prodali 50 milijonov {e leta 1914, ko so jih è za~ele izrivati volframove àrnice, razvite pri GE. Leta 1906 je Auer-Gesellschaft za~el prodajati "Osramove svetilke", v katerih so osmij nadomestili z volframom, ki ima vi{je tali{~e in zato potrebuje le nekaj nad 1 W za sve~o. Volframov prah so me{ali z ogljem v maso, iz katere so vlekli ìce in kon~no odstranili oglje. Leta 1919 so podjetja AEG, Siemens & Halske in Auerjev AG zdruìla proizvodnjo àrnic v Osram GmbH KG v Berlinu.445 Tudi v laboratorijih GE so se zavedali pomanjkljivosti oglenih àrnic, ko sta razvoj po {tudiju v Nem~iji prevzela direktor elektrokemik W. Whitney in svetovalec matematik Steinmetz. Leta 1904 so spravili na trg àrnice General Electric Metalized (GEM), med letoma 1905 in 1908 pa je Whitney izbolj{al àrnico s predhodnim segrevanjem oglja.

168 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Charles Proteus Steinmetz je bil rojen v nem{ki druìni ìdovskega rodu v Breslauu (dana{nji Wroc³aw). Bil je socialist in je zaradi politi~nih teàv od{el v [vico in nato v ZDA in tam spremenil svoje prvotno ime Karl.

Ameri~an William David Coolidge iz Hudsona, Massachusetts, je diplomiral na MIT-u leta 1896, nato pa je leta 1898 od{el na Fizikalni in{titut Univerze v Leipzigu, ki ga je vodil G. H. Wiedemann. Raziskoval je elektri~no valovanje v vodnikih in doktoriral v Leipzigu leta 1899 pri Drudeju, avtorju osnov klasi~ne elektronske teorije kovin. Leta 1901 se je zaposlil kot izredni profesor na MIT-u, leta 1908 je postal pomo~nik direktorja, leta 1932 pa direktor raziskovalnega laboratorija GE v New Yorku. Zaslovel je leta 1913, ko sta z asistentom Langmuirjem pri GE uporabila volfram za anodo v "Coolidgeovi rentgenski cevi" s segreto katodo.446

Leta 1909 je Coolidge pri GE v Clevelandu, Ohio, patentiral proizvodnjo volframa, ki ga je bilo mogo~e vle~i v tanke ìce, ki se niso pove{ale. Volfram je navadno dopiral z natrijevim silikatom ali aluminijem na 100 do 150 ppm. Volframov prah je mo~no segrel in stisnil v obliko palice, ki pa je bila po ohladitvi {e vedno krhka. Pri 1000 °C jo je dal kovati z diamantnimi konicami, dokler ni postala pro`na in jo je bilo mogo~e najprej vro~o in nato mrzlo raztegovati v ìce z veliko ìlavostjo. Razvil je metalurgijo prahu na popolnoma kontroliran na~in in hitro postavil temelje industrije volframovih àrnic. [ele s presevnim elektronskim mikroskopom so v 1970-ih letih ugotovili, da dopiranje materiala ustvari vrsto praznih prostorov (por) polmerov od 5 nm do 100 nm. Pore se med obdelavo postavijo vzdol` vzorca, so termi~no stabilne in stalne oblike. Z masno spektroskopijo so dokazali, da pore vsebujejo kalij, ki ni topljiv v volframu. Po segrevanju se v njih ustvari visok tlak par, zaradi katerih pore nara{~ajo do ravnovesne velikosti. V halogenskih in {tudijskih àrnicah se pri najvi{jih temperaturah blizu tali{~a volframa (3410 °C) pore premikajo in teìjo k zdruèvanju, kar je v skladu s pojmovanjem proste energije. Nekatere pridejo na povr{ino, tam po~ijo in izpustijo kalijevo paro; to lahko razvije vro~i made`, ki uni~i àrnico.447 V laboratoriju GE so se sprva ukvarjali z razvojem ìvosrebrne svetilke. Pozneje je direktor laboratorija GE, Whitney, v talilni pe~i izbolj{al lastnosti vlaken iz oglja in tako podjetju zagotovil trg za nekaj let. Kljub temu je v naslednjih letih konkurenca prisilila GE, da je kupoval patente pri Siemensu. Zato so od leta 1906 brez uspeha preizku{ali porabo kovinskih vlaken v àrnici, dokler ni Coolidge prekosil konkurente z uporabo volframa. GE je ponovno osvojil trg. Leta 1913 je Langmuir preu~il temeljne zna~ilnosti àrnic in ohlajanje àrilne niti. Ugotovil je, da polmer sploh nima velikega vpliva. Raziskoval je àrnice, napolnjene z du{ikom, nato {e àrnice z argonom. Tako je konec 1990-ih let GE obvladoval è 96 % trga àrnic v ZDA.448 7. 12. 1915 je Edison patentiral izdelavo volframske elektrode s stiskanjem volframovega prahu v vakuumski posodi brez kisika. Volfram so uparili z "razelektritvijo med elektrodama". Nastale tanke liste volframa ali tantala so narezali v trakove, zvili v valje okoli mehke kovine ali voska in ukrivili v podkve za àrnice. Podoben izdelek so dobili tudi z neposrednim prekrivanjem topljivega jedra voska z volframom449 Z uporabo volframa je Edisonova àrnica v prvih desetletjih 20. stoletja dosegla obliko, ki jo brez ve~jih sprememb uporabljamo {e danes.

@ARNICA 169 7.4 @arnica v Angliji, Franciji in Italiji

Angle` Joseph Wilson Swan iz Warlinghama je bil najprej kemik in farmacevt v doma~em Sutherlandu. Po smrti lastnika podjetja se je pridruìl prijatelju Johnu Mawsonu v Newcastle-Upon-Tyne, kjer sta razvijala elektri~no razsvetljavo in fotografijo. Za àrnico ga je navdu{ilo nekaj predavanj Straita v doma~em mestu. Swan je za~el preizku{ati àrnice leta 1848, vendar zaradi slabega vakuuma ni imel uspeha. Delujo~a àrnica se mu je posre~ila, ko se je v Crookesovi razpravi iz leta 1875 seznanil s Sprenglovo ~rpalko. Swanov sodelavec ban~ni uradnik H. Stearn jo je v Birkeheadu izbolj{al z dodanim mehanizmom za dvigovanje ìvega srebra in predhodnim mehanskim ~rpanjem. 12. 7. 1879 je v Sci. Am. objavil razpravo o ogleni àrnici, ki jo je nekaj mesecev zatem za~el znova raziskovati tudi Edison. Po doktoratu je Swan postal predsednik Literarno-filozofskega dru{tva v Newcastlu-upon-Tyne. Izumil je bromov papir, ki ga {e danes uporabljajo pri ~rno-beli fotografiji.450

Swan je leta 1860 in 1879 patentiral vakuumsko àrnico z ogljem; poleg Edisona je bil edini, ki je po segrevanju nadaljeval ~rpanje za odstranitev adsorbiranih plinov. Steklene dele mu je leta 1879 dobavljal Francoz Carré. 2. 1. 1880 je patentiral postopek ~rpanja med àrenjem in istega leta v Newcastlu in nato {e v Londonu predstavil delujo~o àrnico. Prve àrnice za prodajo je izdeloval doma in deloma v Stearnovi delavnici v Birkenheadu, pozneje pa je za svojo Electric Light Com- pany Ltd. odprl tovarno blizu Newcastla. @arilni element je bil karbonizirani bomba`. Leta 1881 so s Swanovimi àrnicami osvetlili spodnji dom britanskega parla- menta, naslednje leto pa {e British Museum. 24. 10. 1883 sta Swan in Edi- son dosegla sporazum in ustanovila skup-

no podjetje v Veliki Britaniji (slika 7.6). 451 Zaradi mnogoterih prevar je angle{ki par- Slika 7.6: Swanova àrnica na dunajski razstavi lament leta 1881 izglasoval oster zakon, leta 1883451 imenovan Lighting Act, ki naj bi zavaroval ljudi pred pretiranimi obljubami dru`b za elektri~no razsvetljavo. Pozneje je zakon mo~no {kodoval razvoju doma~e proizvodnje àrnic in spodbujal dvome o mo~ni novinarski propagandi Edisonovih àrnic v ZDA. Na Svetovni razstavi v Parizu leta 1878 so ob~udovali predvsem Jablo~kove oblo~nice, tri leta pozneje na mednarodni elektri~ni razstavi od avgusta do novembra 1881 pa àrnice Swana, Edisona, Lane-Foxa in Maxima. Edison je s pripravo àrnic za razstavo nekoliko zamudil, vendar so njegovi ljudje v Parizu pisali ~asopisne ~lanke v njegovo korist. V resnici so bile njegove àrnice nekoliko u~inkovitej{e od tekmic. Akademika Tresca in Joubert sta leta 1881 na razstavi v Parizu opravila eno prvih meritev izkoristka trinajstih naprav na enosmerni tok, povezanih z àrnicami in oblo~nicami. Njuno delo so dve leti pozneje nadaljevali na dunajski razstavi pod Stefanovim vodstvom.452 Takoj po pari{ki razstavi je Edison leta 1882 v Parizu ustanovil tri podjetja; iz njih razvita Compagnie Continentale Edison se je obdràla tudi v naslednjem stoletju. @al je finan~na kriza v Parizu izni~ila za~etni kapital in uspehe Edisonovih tovarn v okolici mesta. Leta 1884 so ustanovili Società Italiana Edison, sprva za osvetlitev bogatega

170 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK sredi{~a Milana.453 Pari{ki mednarodni elektri~ni razstavi so sledile podobne razstave v Londonu in Münchnu leta 1882, na Dunaju 1883 in v Filadelfiji 1884.

7.5 @arnica v Nem~iji in na Nizozemskem

Podjetje Siemens & Halske je 5. 6. 1873 dobilo angle{ki patent za samodejno uravnavo elektri~ne oblo~nice z ogljem, napajane z enosmernim ali izmeni~nim tokom. Aprila 1877 je W. Siemens objavil razpravo o elektri~ni razsvetljavi Francoza Serina. W. Siemens je do leta 1880 razvijal àrnico s kovinsko àrilno nitjo, podobno kot so~asno Edison. 21. 7. 1877 je Alexander, ne~ak in asistent Williama Siemensa iz Londona, obiskal laboratorij v Menlo Parku. Kljub temu pozneje niso sodelovali pri razvoju àrnice, saj je Edison posku{al z Rowlandovo podporo v ZDA onemogo~iti Siemensov patent dinama, ki je bil vse preve~ podoben Edisonovemu.454 Po krizi, ki jo je povzro~il zlom borze na Dunaju 27. 12. 1881, je Siemens predaval pred nem{ko Elektrotehni{ko zvezo o prednostih elektri~ne razsvetljave pred plinsko glede nevarnosti poàra. Med izumitelji àrnice na àre~e oglje je predstavil de Changyja iz Pariza, Jobarda, Swana in kon~no Edisona. Podjetje Siemens & Halske je uporabilo stisnjeno oglje in ploskve grafita, kjer je bilo segrevanje odvisno od debeline 455

àre~e palice (slika 7.7). 456 Novo elektri~no industrijo so v Nem~iji pomagali postaviti {tevilni emigranti, ki so se vrnili iz ZDA po nekaj letih dela pri Edisonu v Menlo Parku, med njimi Sigmund Bergman, izumitelj izbolj{anega selenskega fotoelementa iz leta 1931. Francis Jehl je prispel k Edisonu v Menlo Park nekaj dni pred Uptonom in pozneje uveljavil Edisonov sistem v Avstriji, Franciji in Romuniji. Drugi Edisonov pomo~nik, John Krüsi, je ostal v ZDA in nadziral strojna dela v Schenectadyju, kjer se je pozneje razvil GE.457 Najve~je uspehe pri uporabi Edisonovih patentov v Nem~iji je dosegel strojni inènir Emil Rathenau, rojen leta 1839 v Berlinu. [tudiral je v Hannovru in Zürichu in se nato izpopolnjeval v Angliji. Za àrnico se je za~el zanimati na prvi pari{ki elektri~ni razstavi leta 1881; pomladi leta 1882 je bil è zelo uspe{en na mednarodni elektri~ni razstavi v Münchnu. Druga~e kot konkurenti ni spodbijal Edisonovih evropskih patentov, temve~ je za~el delati pod Edisonovo licenco in je tako izkoristil njegove izku{nje. 13. 3. 1883 je podpisal pogodbo s podjetjem Siemens & Halske, tako da je lahko 19. 4. 1883 zbral potreben kapital za ustanovitev Deutsche Edisongesellschaft für angewandte Elektricität s kapitalom 5 milijonov mark in za~el oskrbovati zelo majhne elektri~ne napeljave, kot je pred njim po~elo è podjetje Seimens & Halske. Leta 1897 se je Rathe- nauovo podjetje preimenovalo v Allgemeine Elektrizität Gesell- schaft (AEG), ki je bilo neodvisno od pari{ke Compagnie Continentale Edison. 458 Leta 1891 je Friderik Philips s sinom inènirjem Gerardom Slika 7.7: Siemens & Halskejeva àrnica na dunajski Philipsom ustanovil podjetje N. razstavi leta 1883453

@ARNICA 171 V. Philips' Gloeilampenfabrieken v Eindhovenu na Nizozemskem z za~etnim kapitalom 150 000 guldnov. êprav so bile na Nizozemskem è {tiri druge tovarne àrnic, sta kmalu proizvajala po 500 àrnic na dan. Mlaj{i sin Anton Philips, ki je dotlej delal na londonski borzi, se je ~ez nekaj let raje pridruìl podjetju kot uspe{en prodajalec. Po ugodni pogodbi z Rusijo so leta 1898 presegli letno prodajo milijon àrnic. Naslednje leto se je Friderik upokojil, brata pa sta postala enakovredna lastnika podjetja. Leta 1903 so v Berlinu proizvajalci àrnic iz Nem~ije, Avstro-Ogrske in Nizozemske skupaj s Philipsom podpisali ustanovitev zdruènja Verkaufstelle Vereingter Glülampenfabriken (VVG), prvega mednarodnega kartela za oglene àrnice. Novembra 1911 se je Anton Philips vrnil s poizvedovanja o Coolidgeovi volframovi àrnici v ZDA. S seboj je pripeljal izurjene delavce in decembra za~el proizvodnjo volframovih àrnic, tako da je lahko è julija 1912 prenehal zastareli postopek sintranja459 in se dogovoril z nem{kimi podjetji o pravici za proizvodnjo volframovih àrnic. Leta 1912 je Philips imel è okoli 6 milijonov guldnov kapitala. [ele med 1. svetovno vojno se je otresel nem{kega vpliva in za~el vse dele àrnice proizvajati samostojno. Zgradil je tovarne v Belgiji, [paniji, [vici in Poljski; dele` pa si je pridobil celo na [vedskem.

Gerard Philips je diplomiral za strojnega inènirja na Univerzi v Delftu. Med delom v glasgowski ladjedelnici se je seznanil z elektri~no razsvetljavo. W. Thomson mu je priskrbel poloàj na tamkaj{nji univerzi, potem ko je è leta 1882 dal razsvetliti svojo hi{o v Glasgowu z àrnicami. Pred vrnitvijo na Nizozemsko je G. Philips kratek ~as delal v londonski British Company in v berlinskem AEG.460

Gerard Philips je v Eindhovnu vseskozi raziskoval v lastnem laboratoriju, ~eprav ga je formalno ustanovil {ele pozneje. V njegovem laboratoriju za àrnice v Eindhovnu je ne~ak Heinricha Hertza, G. L. Hertz, raziskoval od leta 1920 do prejema Nobelove nagrade za fiziko leta 1925. Med vojnama je Philips za~el proizvajati oja~evalnike in televizijo, dobil vpliv v znanosti ter prodrl s sistemati~nim izobraèvanjem tehni{kih asistentov in postavljanjem dobro opremljenih laboratorijev. V proizvodnji àrnic je bil za GE in Osramom tretji najmo~nej{i na svetu, pri ~emer je leta 1928 GE kontroliral 96 % trga v ZDA.461

7.6 @arnica v Avstriji

Podjetje Siemens & Halske je è leta 1858 ustanovilo podru`nico na Dunaju, ki se je ukvarjala predvsem z èleznicami. Zaradi neuspe{nega poslovanja je bila podru`nica leta 1864 ukinjena po Halskejevem prizadevanju. Leta 1879 je W. Siemens na Dunaju odprl tehni{ki urad z majhno tovarno, ki se je poleg èlezni{kih signalnih naprav kmalu lotila majhnih in ve~jih instalacij razsvetljave, proizvodnje dinamov in oblo~nic. Leta 1896 je dunajska podru`nica podjetja Siemens & Halske na lastne stro{ke postavila majhno provizori~no elektrarno v Ljubljani, kjer so za reklamo osvetlili prostore Narod- nega doma, slavnostno odprte v oktobru.462 Leta 1873 Edison ni sodeloval na mednarodni razstavi na Dunaju, ~eprav ga je ~lan ameri{ke komisije nagovarjal, naj svoje izume predstavi vsaj v poro~ilu.463 Na prvi mednarodni elektri~ni razstavi v Parizu spomladi leta 1881 so oblo~nice {e tekmovale z àrnicami. Med tekmujo~imi proizvajalci àrnic so se odlikovali Edison in Maxim iz ZDA ter Swan in Lane-Fox iz Velike Britanije.464 Leta 1882 je Edison najel avstrijskega elektroinènirja dr. Hermanna Claudiusa z Avstrijskega telegrafa za ureditev, mapiranje

172 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK in prera~un glavnih in nadomestnih upornikov v delu ni`jega Manhattana ob Brook- lynskem mostu. Claudius je zbral podatke o prito`bah nad pomanjkljivostmi plinske razsvetljave, ki so pospe{evale prodajo Edisonovih `arnic.465

Angleù St. Georgeu Lane-Foxu ni uspelo s prvima dvema àrnicama leta 1878 z zlitino platine in iridija oziroma azbestom, impregniranim z ogljem. Leta 1880 je za~el uspe{neje uporabljati francosko travo, obdelano v ogljikovodikovi pari in nato karbonizirano. Njegove patente je pozneje kupila anglo-ameri{ka Brush Electric Light Company. Moses G. Farmer iz Massachussetsa je za~el preizku{ati platinske àrnice leta 1858, od leta 1877 pa grafitne palice med oglenima blokoma v du{ikovi atmosferi. Julija 1878 je skupaj z Barkerjem in Draperjem obiskal Menlo Park.466 William E. Sawyer, telegrafist in novinar iz Washingtona, D. C., je leta 1878 za~el sodelovati z bogatim odvetnikom Albonom Manom. Neodvisno od Maxima sta razvila "flashing" postopek, svoje patente pa sta prodala ve~ini podjetij za àrnice v ZDA, ne pa tudi Edisonu, kateremu sta bila glavna tekmeca v ZDA.467

Po pari{ki razstavi leta 1881 je Edison razsvetlil opere v Parizu, Berlinu in Milanu in tako omogo~il odmeven za~etek prodaje svojih izdelkov v Evropi. Leta 1882 je bilo razsvetljeno gledali{~e v Brnu.468 Istega leta je Edisonovo podjetje sodelovalo na razstavi elektrotehnike v kristalni pala~i v Londonu, od 11. 8. 1883 pa na 3. mednarodni elektri~ni razstavi na Dunaju, katere tehni{ko-znanstveni vodja je bil Stefan. Na razstavi je sodelovalo elektrotehni{ko podjetje Geba iz bele Ljubljane. Ve~ elektrotehnikov iz slovenskih de`el je bilo ~lanov 5. 3.

1883 ustanovljenega Elektrotehni{kega dru{tva. 469 Razstava v dunajski Rotundi na 33.000 m2 s 400.000 sve~ami postavljene elektri~ne razsvetljave je bila dotlej najve~ja na svetu.470 Raz- stavili so skupno pet vrst elektri~nih àrnic. Edisonova àrnica je vsebovala àre~i bambus s Slika 7.8: Edisonova àrnica na dunajski premerom 1 mm in dolìno 12 cm v obliki razstavi leta 1883469 narobe obrnjene ~rke "U" (slika 7.8). Najte`ji del proizvodnje je bil slej ko prej vloìtev in tesnjenje obeh vodnikov iz platine v teko~o maso stekla. Oba konca vodnika sta bila lo~ena z gipsom. Tok so dobivali iz Edisonovega stroja, ki ga je oskrboval Armingtonov parni stroj. Z Edisonovimi àrnicami podjetij CCE in SEE (Société Électrique Edison) pod zastopstvom dunajskega Brückner, Ross & Consorten so na dunajski razstavi osvetljevali "Dvorano umetnosti" in notranjosti prostorov. V Swanovi àrnici so bili platinski nosilci oglja drug od drugega izolirani na spodnjem delu steklenega stebra. Na razstavi so jih uporabili za osvetlitev cesarskega paviljona, teatra in notranjih prostorov. Swanove izdelke je v Budimpe{ti zastopalo podjetje United Electric Lighting Company (UELC) iz Londona, na Dunaju pa Egger, Kremenezky & Co. Maximova àrnica je imela àre~i del v obliki zaobljene ~rke "M", ki sta jo nosila dva vodnika iz platine, zataljena v steklo. Steklena hru{ka je bila v kovinski posodi, zatesnjeni z gipsom. Baza àrnice iz vulkanita ali drugega izolatorja je bila navita na kovinsko jedro. Zrak so ~rpali z ìvosrebrno ~rpalko, pare olja pa so iz~rpali do 40 mbar.

@ARNICA 173 Lane-Foxove àrnice so vsebovale àre~e oglje v obliki podkve. Pri 66 V in 0,67 A so dajale po 8,7 sve~. Z njimi so razsvetlili del "Dvorane umetnosti", notranje prostore, vrt in paviljon britanske komisije na Dunaju. Z elektri~nim tokom jih je napajal Brushov stroj. Podjetje Siemens & Halske je razstavilo àrnico iz oglja v obliki podkve s konci, stisnjenimi v tulcu iz bakra, ki je bil po platinskem vodniku podalj{an v steklo.471 Pra{ki profesor Puluj je razstavil prenosno svetilko v {katli iz lesa in ebonita velikosti 20 cm × 25 cm, napajano s tokom {estih Bunsenovih elementov. @arnica na sprednji strani {katle je bila ovita z mo~nim za{~itnim steklom, za njo pa je bilo majhno kovinsko zrcalo. Svetilka, te`ka 7 kg, je svetilas6do7normalnimi sve~ami od 6 do 7 ur. Za potrebe rudnikov in potapljanja so razstavili 300 g te`ko svetilko Friedricha Wächterja, Reitlingerjevega naslednika na dunajski politehniki, ki je bila predloèna vojnemu ministrstvu. Stefan je posebno aktivno sodeloval v 3. sekciji znanstvene komisije, ki je preiskovala dinamo stroje in elektri~ne svetilke. Prvi~ jo je sklical 18. 9. 1883, ko so za na~elnika izvolili profesorja Erasmusa Kittlerja iz Münchna, za njegovega namestnika in vodjo podsekcije za stroje majorja Obermayerja, nekdanjega Stefanovega {tudenta in poznej{ega biografa, za tajnika in vodjo pododdelka za fotometrijo pa profesorja Ernsta Voita iz Münchna.472 Stefan je 18. 10. 1883 predaval o ciljih in rezultatih dela znanstveno-tehni{ke komisije ùpanu, ob~inskim svetnikom in pokrovitelju razstave, nadvojvodi Rudolfu. Opisal je potek meritev upornosti in toka, ki so bile posebno pogoste pri atestih za àrnice. Vzporedne fotometri~ne meritve so Stefanu omogo~ile pregledno tabelo odvisnosti svetlobne mo~i od porabljene energije. Diagram svetlobne mo~i za àrnice je pokazal, da vi{ja napetost zmanj{uje toplotno sevanje in tako ve~a gospodarnost àrnice. Na koncu poljudnega predavanja je opisal prednosti elektri~ne àrnice pred razsvetljavo s plinom ali s sve~ami.473 Neporo~eni Stefan je pogosto delal pozno v no~; zato je seveda zelo dobro poznal pomen dobre àrnice. V Stefanovem laboratoriju so porabljeno delo àrnice merili z ina~ico Siemensovega elektrodinamometra, imenovanega "ergometer". Stefanova komisija je izdala skupno 177 certifikatov v nem{kem jeziku, med njimi 22 za àrnice. Zadnjega je Stefan podpisal {e sredi leta 1885. 3. 11. 1883 so razstavo na Dunaju zaprli. Za Ljubljan~ane jo je opisal Senekovi~, ki je bil za to najprimernej{i. Profesor fizike med letoma 1874 in 1884, ravnatelj 1. ljubljanske gimnazije (in realke) do upokojitve julija 1907, predsednik Dru{tva Kranjskega muzeja v Ljubljani in pisec fizikalnih u~benikov leta 1883 in 1892 je poro~al: "... Radostno omenjam, da so pripoznano najbolj{e oblokovne svetilnice izvajali Austrijani, in sicer Slovani... Do~im po{ilja pri oblokovnih svetilnicah plamen med ogljema na vse strani, nastaja svetloba pri àrnicah vsled tega, da elektri~ni tok ogljeno nit v zraku praznem prostoru razbeli... Edison jemlje tanka bambusova vlakenca ter ja zogleni. Tako ogljeno nit pritrdi potem v majhni, hru{ki podobni posodi z njenima koncema na platinovi ìci, v steklo uvarjeni; iz posode pa odstrani zrak kolikor more... @enstvo je (na razstavi) najbolj zanimala uporaba elektri~ne lu~i za razsvetljevanje stanovali{~..."474 V poro~ilu znanstvene komisije, ki ga je Stefan objavil ve~ kot dve leti po koncu razstave, je Obermayer objavil dvomljive meritve, po katerih porabijo àrnice pri izmeni~nem toku za enako koli~ino svetlobe ve~ energije od enosmernih. Ker meritve niso bile dovolj natan~ne, jih je nameraval Stefan ponoviti, vendar rezultatov ni objavil.475

174 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Stefanovo in Edisonovo raziskovanje se ni ujemalo le pri `arnici. Tasimeter, ki ga je Edison izumil neposredno pred `arnico, je bil namenjen meritvam toplote zvezd in Son~eve korone. Uporabili so ga pri opazovanju popolnega mrka leta 1878, naslednje leto pa so objavili njegov opis s fotografijami. Isto~asno je Stefan objavil svoj zakon o sevanju in z njim prvi smiselno dolo~il temperaturo Sonca tudi na osnovi meritev J. W. Draperja, o~eta Edisonovega prijatelja.

7.7 Elektri~na àrnica na Slovenskem Prve elektri~ne àrnice na Slovenskem so za~eli uporabljati v srednje{olskih fizikalnih laboratorijih, saj univerze v tistem ~asu nismo imeli. Med kustosi fizikalnih kabinetov na ozemlju dana{nje Slovenije je najodmevnej{e raziskave o elektri~ni svetlobi objavljal Vlahovi}. Na Gimnaziji v Kopru je raziskoval predvsem trajanje in obliko elektri~ne iskre, sestavljene iz ve~ prostorsko lo~enih delov.476 Velikost razmika med deli iskre je povezoval z lastnostmi tokokroga, ki jo proizvaja. Svoje ra~une je primerjal s so~asno objavljenimi poskusi Italijana R. Felicija in ugotavljal ujemanje. Felici je zaslovel è leta 1859 po neposrednem dokazu Webrovega izreka.477

Nikola Vlahovi} z otoka Bra~a je {tudiral na Ettingshausnovem dunajskem Fizikalnem in{titutu, kjer je spoznal tri leta mlaj{ega Stefana. 5. 10. 1858 je bil name{~en na Vi{ji gimnaziji v Kopru, kjer je pou~eval fiziko do konca {olskega leta 1862/63. V tem ~asu je objavil svoje prve eksperimentalne raziskave o razelektritvah v najpomembnej{ih italijanskih in avstrijskih fizikalnih ~asopisih. Nato je bil ve~ kot dve desetletji profesor fizike, pozneje tudi direktor na Scuola Reale Superiore v Trstu. @e vsaj leta 1863/64 je bil dopisni ~lan Dru{tva naravoslovnih znanosti v Augusti in Kmetijske dru`be v Gorici. Vse svoje razprave je objavil v italijanskem jeziku.

Vlahovi} je uporabljal Henlyjev uni- verzalni praznilec,478 ki so ga nabavili v Kopru leta 1857 pod {t. 50, vendar ga niso popisali med 54 popisanimi fizikalnimi instrumenti leta 1863. Med 22 napravami za elektriko in magne- tizem, ki jih je uporabljal v svojih razpravah, so bili: cev za opazovanje iskre, leydenska steklenica, Voltova baterija in 12 mo~nih Bunsenovih baterij. Popisal je aparat za elektri~no lu~ v vakuumu ter oblo~nico.479 Vla- hovi}evo vakuumsko `arnico z ogleno nitko je prvi opisal Jobard leta 1838 v Belgiji, uspe{no pa jo je prodajal {ele

Edison po letu 1879 (slika 7.9). 480 Leta 1863 je imel fizikalni kabinet Gimnazije v Kopru 126 florintov letnih dotacij, medtem ko je fizikalni kabinet ljubljanske gimnazije do leta 1858/59 dobival po 200 fl, nato pa do Slika 7.9: Vakuumske `arnice v Vlahovi}evem konca 1860-ih let po 210 fl. Zato je inventurnem popisu na Gimnaziji v Kopru leta razumljivo, da je imel kustos fizikal- 1858/59 {t. 103, 1859/60, {t. 112

@ARNICA 175 nega kabineta Mitteis veliko ve~je mo`nosti za nabavo fizikalnih naprav. Pol manj{e dotacije od Mitteisa je imel Robida, ki pa v svojem fizikalnem kabinetu v Celovcu, ki ga je vodil med letoma 1847 in 1874, ni nabavljal `arnic. Ve~ `arnic najdemo v fizikalnem kabinetu Gimnazije v Novem mestu, ki ga je med letoma 1854 in 1884 vodil fran~i{kan Bernard Vouk, rojen leta 1824. Tabela 7.1 na{teva svetilke, popisane v gimnazijskih izvestjah in v vsakoletnih inventarjih v Ljubljani, Kopru, Celovcu in Novem mestu. @al ve~ina na{tetih fizikalnih naprav danes ni ve~ uporabnih. [tevilne naprave iz ljubljanske gimnazije ~akajo na raziskovalce v Slovenskem {olskem muzeju, medtem ko Vlahovi}eve svetilke {e danes najdemo v zelo dobro ohranjenem fizikalnem kabinetu italijanske Gimnazije v Kopru.

Tabela 7.1: Svetilke po gimnazijskih izvestjah v Ljubljani (L), Kopru (K) in Novem mestu (N)

Svetilo (cene po ljubljanskem inventarju iz leta 1866) Leto nabave (kraj, inventurna {tevilka) plinska svetilka iz ~rne lakirane kovine, izdelek Freybergerja 1809–1845 (L, 357) Davyjeva varnostna svetilka (v Kopru ohranjena miniaturna ina~ica) pred 1855 (N, 90), pred 1857 (K, 45) svetilka iz stekla, na sifon 1858 (K, 74) 1853 (L), 1855 (N, 47), pred 1857 (K, svetilka, imenovana po Berzeliusu 21), 1864 (K, 164) naprava s konico iz oglja za proizvajanje elektri~ne svetlobe (6 fl 30 1854 (L, 30) kr) naprava za demonstracijo `arenja galvanske elektrike 1856 (L) trije pari osti iz oglja 1859 (K, 100) naprava za elektri~no lu~ z ostjo iz oglja, v vakuumu 1859 (K, 103) cev za elektri~ne iskre 1859 (K, 105) naprava za elektri~no lu~ v vakuumu 1860 (K, 112) indukcijska tuljava s kro`nim prekinjalom v vakuumu 1860 (K, 114) oblo~nica (v Kopru ohranjen elektromagnetni regulator elektri~nega pred 1863 (K) obloka) {piritna svetilka v steklu (63 kr) pred 1866 (L, 22) naprava s konico iz oglja za elektri~no svetlobo z gonilom in 1868 (L) reflektorjem

Popis kaè, kako so v fizikalnih kabinetih deèl, poseljenih s Slovenci, postopoma nadome{~ali plinske in {piritne svetilke z elektri~nimi. Leta 1857 je svet mesta Ljubljana posodil gimnazijskemu fizikalnemu kabinetu baterijo z desetimi elementi Zn-Fe in regulator za proizvajanje elektri~ne svetlobe.481 Po inventurnem popisu 15. 8. 1876 so na Gimnaziji v Kopru pod strop obe{ali dve petrolejki. Leta 1886 so v koprskem fizikalnem kabinetu nabavili dve elektri~ni svetilki in napovedali, "da bodo name{~ene {e druge". Izdelovalec teh àrnic àl ni bil naveden. V ~asu kustosa Inwinkla so leta 1908 fizikalni kabinet Gimnazije v Kopru opremili s samostojno elektri~no napeljavo, ki je dajala napetost od1Vdo250Vintokod0,1Ado30A.482 Tako so izobraèni Slovenci è poznali lastnosti elektri~nih àrnic, ko so te za~ele prihajati v javno uporabo. Zunaj srednje{olskih laboratorijev so v Trì~u leta 1880 prvi~ na Slovenskem uporabili elektri~no energijo za razsvetljavo. Aprila 1883 je zasvetila v mlinu Karla Scherbauma v Mariboru. Naslednje leto je zasvetilo 12 oblo~nic v Postojn- ski jami, v [kofji Loki pa je za~ela obratovati prva javna elektrarna pri nas.

176 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Leta 1894 je tovarnar sukna Alojzij Krenner del ustvarjene elektri~ne energije parne elektrarne ponudil v odkup ob~ini za potrebe javne razsvetljave [kofje Loke. Ob~ina je Krennerju pla~evala po 360 goldinarjev na leto, on pa se je po pogodbi, podpisani dne 8. 5. 1894, obvezal, da bo 30 let osvetljeval ulice mesta "vsaki dan od pri~etka mraka do dveh ~ez polno~ in od tri~etrt na {est zjutraj do belega dne s 40 elektri~nimi àrnicami po 16 normalnih sve~" po sistemu podjetja Siemens & Halske. Podobno je è dve leti prej storila Trboveljska premogokopna dru`ba s parnim generatorjem strojnice rudnika v Ko~evju, ki je poleg toka za lastno razsvetljavo dajal elektriko tudi mestu za oblo~nice po nekaterih ulicah. Ob gradnji vodarne so Ko~evarji dognali, da bi stroji za pogon vodnih ~rpalk lahko proizvajali elektriko. Zato so dopolnili na~rte deèlnega inènirja J. V. Hraskyja. 10. 10. 1896 so dobili gradbeno dovoljenje za gradnjo elektrarne s 45 KS. Od 20. 3. 1896 je malo znano gradbeno podjetja Carl Greinitz Neffen iz Gradca 176 dni gradilo strojnico, elektri~no centralo, vodovodno napravo in upravno zgradbo. Elektri~no opremo za strojnico je dobavila tovarna Franz Pichler iz Weiza, znana brnska tovarna Brand & Lhuillier pa je dobavila kotle in parna stroja, povezana z batnimi ~rpalkami za ~rpanje vode. Tako sta parna stroja lahko hkrati poganjala tako vodno ~rpalko, kakor tudi dva dinamo stroja. Proizvajala sta enosmerni tok z napetostjo 2 × 150 V, kar je bilo za tiste ~ase zelo veliko. Za rezervo je bil postavljen {e manj{i dinamo, poleg njega pa stikalna plo{~a in izravnalna akumulatorska baterija z 200 elementi in kapaciteto 56–80 A h. 19. 11. 1896 so v Ko~evju odprli 4 km vodov elektri~ne razsvetljave s 700 àrnicami po 16 sve~ in tokovodniki prereza 8 mm2. Tako je Ko~evje postalo prvo v celoti elektrifi- cirano mesto na Slovenskem. Ljubljanska komisija je è od leta 1889 preu~evala mo`nosti za gradnjo hidrocentrale ali termocentrale. êprav se je komisija zavzemala za termocentralo na izmeni~ni tok, se je mestni svet po predlogu dunajskega strokovnjaka odlo~il za enosmerni tok. Edison je torej prevladal nad Teslo. Termoelektrarno so leta 1897 postavili na neprimernem kraju v Fuìnah pri Ljubljani, saj v bliìni ni bilo teko~e vode in èleznice. Termoelektrarna je imela dva parna stroja po 200 KM in dve dinami po 140 kW za 300 V. Iz elektrarne je bil napeljan kabel do magistrata, kjer so iz akumulacijske postaje napajali omre`je med 24. in 5. uro zjutraj, ko je elektrarna stala, dokler niso leta 1901 zaradi tramvaja vpeljali celodnevno obratovanje. 1. 1. 1898, poltretje leto po potresu, je na ljubljanskih ulicah zasvetilo prvih 794 àrnic in 48 oblo~nic, 149 uporabnikov pa je imelo 6358 àrnic, 89 oblo~nic, 12 motorjev in 3 aparate s skupno 290 kW h. Do leta 1905 so elektri~ne àrnice v Ljubljani prevladale nad plinsko razsvetljavo, ki se je sicer z Auerjevimi "àrnicami" obdràla do leta 1946.

7.7.1 @arnica v delih Stefanovih sodobnikov in {tudentov Z Edisonovim uspehom je raziskovanje `arnice v ZDA prehitelo razvoj v Evropi. Kljub temu se ponuja zanimiv pogled na evropske dose`ke in na zasluge na{ega Stefana, katerega raziskovalna pot se presenetljivo prepleta z odkritji 12 let mlaj{ega izumitelja Edisona. Stefanovi sodelavci in {tudentje pa so Edisonovo `arnico kmalu opisali v slovenskem jeziku: "Edisonova elektri~na lampa je podobna votlej steklinastej gru{ki, ktera se pri repu natakne na elektri~ne vezí. Iz njene votline je zrak kolikor mogo~e izsesan. V njenej zrakopraznej votlini se razteguje tanek obok bambusovega oglja, ktero je elasti~no in trdo kakor jeklo, da ne zgorí, ko ga pre{injajo mo~ni elektri~ni toki, tako da se od njih

@ARNICA 177 razgreva in klije, pa ne zgori, dokler je notranji prostor popolnoma zrakoprazen. Ker pa ni mogo~e tako popolnoma izprazniti prostora in ker tudi ni mogo~e tako dobro zama{iti izpraznjenega, da bi s ~asom ne pri{lo ni~ zraka vánj, pa pogori s ~asom od pri~ujo~ega zraka nekaj tega oglja, tako da ta svetilnica ne sveti dalje kot kakih osemsto do tiso~ ur. Tedaj je treba po srednjej primeri vsakega pol leta staro lampo z novo zameniti... Predno sta izna{la Edison in Swam svoje pripravne elektri~ne lampe in predno je Siemens vpeljaval svojo differencijalno lampo, imenovala se je nekaj ~asa z velikim upanjem Jablo~kova sve~a, pa jej ni bilo mogo~e odpraviti njenih rabi neprijetnih lastij. Jablo~kova elektri~na sve~a obstoji iz po dvoje oglenih v{tric stoje~ih cvekov; prostor med cvekoma je napolnjen z gipsom: na zgornjem konci ju pa pokriva tanko grafitova plo{~ica. Ko te~e elektri~ni tok po oglenih cvekovih, gre tudi skozi grafitovo plo{~ico ter jo razgreva, da klije in sveti. S ~asom pogorita konca in cela sve~a. Najve~ja opora proti vsakdanji rabi pa obstoji v tem, da pogasnejo vse elektri~ne sve~e, ktere so vpre`ene v tisto elektri~no vez, ako ugasne od za~etka samo ta ali ona sve~a".483

Pavel Nikolaevi~ Jablo~kov iz Serdobska v Saratovski guberniji je leta 1866 kon~al Nikolajevsko inènirsko {olo, tri leta pozneje pa {e peterbur{ki Tehni{ki galvanski zavod. Kot telegrafski inènir je bil odgovoren za napeljavo med Moskvo in Kurskom. Leta 1875 je odpovedal slu`bo in se odpravil v ZDA na ogled razstave v Filadelfiji naslednje leto. Vendar je pri{el le do Pariza, kjer je sodeloval z Bréguetom, ki je razvijal telegrafijo in elektri~ne ure za francosko mornarico in èleznico. Tisti ~as je bil Pariz sredi{~e razvoja elektrike, saj je tam tudi Belgijec Gramme razvil prvi uporabni generator leta 1870, ki so ga uporabljali predvsem za razsvetljavo. Leta 1876 je Jablo~kov sestavil po njem imenovano "elektri~no sve~o", prvo uporabno elektri~no svetilko. Prvi je uporabil kondenzator za izmeni~ni tok, sestavljal pa je tudi nove ina~ice transformatorjev, baterij in drugih elektri~nih naprav.484

Profesor fizike in namestnik ravnatelja v Bolzanu, Ljutomer~an Schreiner, nekdanji Stefanov {tudent na Dunaju, je opisal Edisonovo àrnico deset let po odkritju: "Gori popisana platinska ìca, ki zaàri, ako gre galvanski tok skoz njo, raz{irja, ~e je zadosti tanka in tok dovolj mo~en, toliko svetlobo, da se lahko ista rabi za àre~o elektri~no lu~. Ker pa izku{nja u~i, da je toplina in tudi svetloba ìce, àre~e vsled prehajajo~ega toka, tem mo~nej{a, ~im slab{e ista prevaja elektriko, zategadej navadno ne rabijo platinske ìce za àre~o elektri~no lu~, ampak neko drugo tvarino, ki slabeje prevaja elektriko. Vrh tega se zahteva, da se tvarina, ki bodi pripravna za elektri~no lu~, prenagloma ne raztvori v visoki toplini. Po mnogovrstnih poskusih so izsledili, da je najbolj pripravno telo za àre~o elektri~no lu~ tanka nit od oglja. Tako{ne niti dobivamo s tem, da se pooglenijo pretanka rastlinska vlakna ali ~love~ji lasjé. Ta na~in prirejanja oglenih nitij je izumil Amerikanec Edison; zategadej se imenujejo svetilke sluè~e v to, da se nareja z njimi àre~a elektri~na lu~, Edisonove àre~e svetilnice".485 Na~elnik direktorija ljubljanskega vodovoda in elektrarne I. [ubic, Stefanov {tudent med letoma 1875 in 1881, je opisal Edisonovo àrnico v prvi slovenski knjigi, posve~eni elektrotehniki: "Opisati ho~emo sedaj àrnico, kakr{no izdelujejo sedanje tvornice. Kakor è vemo, sestoji vsaka àrnica iz steklenega, brezzra~nega balona, v katerem àri oglena nitka. Tok je do oglenega locnja vpeljan skozi stekleni balon s pomo~jo dveh platinovih ìc, ki sta vtopljeni v steklo. Svetilnica ima torej tri glavne dele: ogleni locenj, odvodni ìci in balon ali hru{ko..." 486 V tabeli 7.2 je pregled razvoja elektri~ne àrnice in njegovi odmevi pri nas.

178 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Tabela 7.2: Elektri~ne `arnice v 19. stoletju

Leto Iznajditelj Narodnost @arilni element Okolje 1838 Jobard belgijska oglje vakuum 1840 Grove Wels, Anglija platina zrak 1841 F. de Moleyns angle{ka oglje vakuum 1845 Starr, King ZDA platina, oglje zrak, vakuum 1847 J. W. Draper ZDA platina v steklu spekter s prizmo487 1848 Staite angle{ka platina/iridij zrak 1849 Petrie ZDA oglje vakuum 1850 Shepard ZDA iridij zrak 1852 Roberts angle{ka oglje vakuum 1854 nabava v Ljubljani oglje vakuum 1856 De Changy francoska platina, oglje zrak, vakuum 1856 nabava v Ljubljani 1858 Gardiner in Blossom ZDA platina vakuum vakuum z ìvim 1858 Heinrich Goebel nem{ka, ZDA platina srebrom 1859 nabava v Kopru oglje vakuum 1859 Moses G. Farmer ZDA platina zrak 1860 Swan angle{ka platina, oglje vakuum 1860 nabava v Kopru vakuum 1865 Adams ZDA oglje vakuum 1865 nabava v Ljubljani vakuum 1872 Aleksandr N. Lodigin ruska oglje vakuum, du{ik 1873 Kon(n) ruska oglje vakuum 1875 Kosloff ruska oglje du{ik 1876 Bouliguine ruska oglje vakuum 1878 Fontaine francoska oglje vakuum platina-iridij / 1878 Lane-Fox angle{ka du{ik, zrak / du{ik azbest-oglje William E. Sawyer, 1878 ZDA oglje du{ik Albon Man 1878 Hiram Maxim ZDA oglje ogljikovodik 1878 Farmer ZDA oglje du{ik, vakuum 1878 Edison ZDA platina zrak, vakuum 1878 W. Siemens nem{ka kovine zrak 1879 Swan angle{ka oglje vakuum 1879 Edison ZDA oglje vakuum elektri~na razsvetljava 1880 v Trì~u 1883– Stefan meri Dunaj 1885 zmogljivost àrnic

@ARNICA 179 7.8 Prihodost `arnice

Edisonovo delo je pre{lo v legendo. 21. 10. 1929 je nekdanji Edisonov delavec Ford povabil Edisona, naj ob petdesetletnici ponovi svoj poskus z àrnico v prenovljenem Menlo Parku. Kljub zamenjavi àrilnega elementa z volframom in cele vrste drobnih izbolj{av je àrnica, poleg katodne elektronke, eden najbolj stanovitnih elementov v elektrotehniki. V 21. stoletju se vendarle ponuja vpra{anje, ali ne bo katodna elektronka s svetle~im fluorescen~nim pla{~em izrinila àrnice s trga, teko~i kristali pa televizijo s katodno elektronko.

180 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Rentgenska elektronka

Konec 19. stoletja je petdesetletni Röntgen odkril skrivnostne `arke X. Novost je nemudoma pri{la v uporabo, posebno v medicini. Ob rentgenskih `arkih se je v nekaj letih zvrstila {e cela vrsta novih odkritij, katerih naravo je pojasnila {ele naslednja generacija raziskovalcev v kvantni mehaniki.

8.1 Röntgenove raziskave pred odkritjem `arkov

Röntgen je bil `ivahen srednje{olec in je imel prste vmes pri najstni{kem risanju nekoliko ne~edne profesorjeve slike na Tehni{ki {oli v Utrechtu (slika 8.1). Nadobudnega umetnika so nemudoma izklju~ili in ni mogel opraviti mature; zato je med letoma 1865 in 1868 {tudiral na Politehniki v Zürichu, podobno kot pozneje Einstein. Ve~ino fizikalnih predmetov je poslu{al pri Zeunerju, tehni{ko fiziko v 2. letniku pa pri Clausiusu z Univerze v Zürichu, ki je malo pred tem utemeljil sodobno kineti~no teorijo toplote in plinov. Poleg Zeunerjevih predavanj o mehanski teoriji toplote je poslu{al tudi Clausiusova neobvezna predavanja o isti snovi, ki so nanj globoko vplivala s svojo abstraktno jasnostjo in to~nostjo. Leta 1868 je bil za Clausuisovega naslednika izvoljen mladi Kundt. Po disertaciji o plinih leta 1869 je Kundt preusmeril strojnega in`e- nirja Röntgena v fiziko. Slika 8.1: Wilhelm Conrad Röntgen

RENTGENSKA ELEKTRONKA 181 8.2 Odkritje

7. 5. 1895 je Lenard iz Bonna poslal Röntgenu naro~eno cev, ki jo je izdelal steklopihalec Müller-Unkel iz Braunschweiga. Steklena elektronka je imela antikatodo iz 0,005 mm debelega aluminija, ki je prepu{~ala "katodne àrke". Pozneje se je izkazalo, da je bil prav lahki aluminij najslab{a izbira za poskuse z rentgenskimi àrki. Röntgen je 28. 12. 1895 na{tel kar tri razli~ne vakuumske elektronke, s katerimi je bilo mogo~e opazovati nove àrke. O aparatu, ki ga je uporabil ob odkritju 8. 11. 1895, imamo razli~na pri~evanja, obarvana z razli~nimi interesi glede Lenardove prioritete.488 Röntgen je uporabljal veliki Ruhm- korffov indukcijski aparat podjetja Ernecke iz Berlina. Cev je pokril s tankim po~rnjenim prilegajo~im se kartonom. V zatemnjenem prostoru je

Slika 8.2: Eksperimentalna naprava, s katero so Slika 8.3: Rentgenski posnetek roke, ki ga je posneli prvi rentgenski posnetek ~love{ke roke489 Röntgen posnel leta 1896

Slika 8.4: Rokopis in naslovnica prve Röntgenove razprave o novi svetlobi

182 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK celo z razdalje 2 m opazil fluorescenco na papirnatem zaslonu, pobarvanem z barijevim platinocianidom, ki ga je postavil blizu cevi. Fotografski posnetki so mu sprva rabili le za potrditev opazovanih fluorescenc. @e leta 1895 je med drugim fotografiral kosti `enine roke s prstanom in nehomogenosti v kosu kovine, kar je `e naslednje leto odprlo {iroka

podro~ja uporabe (sliki 8.2 in 8.3). 489 9. 3. 1896 je objavil poskuse, v katerih je karton nadomestil z omarico iz pocinkane plo~evine, ki je imela okno iz svinca (slika 8.4). Uporabil je 3 cm debelo in 45 cm dolgo cev iz medeninez1cm{irokim oknom, pokritim z aluminijevo plo~evino.490

8.3 Spori glede narave rentgenskih `arkov

Röntgen je ob kopijah svoje prve razprave o odkritju 28. 12. 1895 po{iljal znanim raziskovalcem tudi rentgenske fotografije. Uporaba fotografije je vzbujala ob~utek, da so novi àrki valovanje. Röntgen je ugotavljal, da novi àrki niso enaki katodnim, saj elektri~ni naboji nanje ne vplivajo. Prav tako niso UV-svetloba, saj se ne uklanjajo, se nepravilno odbijajo, jih ni mogo~e polarizirati, njihova absorpcija pa je odvisna od gostote telesa.491 Boltzmann je komentiral Röntgenovo odkritje 15. 1. 1896 in 22. 9. 1899; Kelvin je pristavil svoj lon~ek 12. 2. 1896 in skupaj z drugimi Britanci sprva podprl Röntgenovo teorijo o longitudinalnem valovanju etra. Vendar se je è 25. 2. 1896 premislil, za njim pa je J. J. Thomson na predavanju 10. 6. 1896 dal prednost transverzalnemu valovanju in rentgenskim àrkom kot kratkovalovni UV-svetlobi.492 Puluj493 je v zlati Pragi prav tako zavra~al Röntgenovo neutemeljeno hipotezo o longitudinalnih àrkih. Vendar jo je {ele Angle` Barkla ovrgel s polarizacijo rentgenskih àrkov leta 1904 in trinajst let pozneje pobral Nobelovo nagrado za fiziko. Puluj je imel svoj laboratorij, v katerem je januarja 1896 posnel mnogo rentgenskih fotografij za zdravnike in kirurge. K njemu so hodili na rentgensko slikanje celo pacienti iz razmeroma oddaljenega Kölna. Lenard je menil, da je Röntgen opisal zelo hitre "katodne àrke", ki naj bi jih è sam odkril pred njim. Skupaj z drugimi nem{kimi fiziki je nasprotoval britanskim teorijam o "katodnih àrkih" kot delcih oziroma elektronih.

Philipp Lenard iz Bratislave je {tudiral pri Helmholtzu in doktoriral pri Bunsenu v Heidelbergu. Kot asistent je delal pri pet let starej{emu Hertzu v Bonnu in po njegovi smrti izdal Hertzova zbrana dela in mehaniko ter vodil bonnski Fizikalni in{titut. Nato je postal profesor v Breslauu (dana{nji Wroc³aw), leta 1895/96 v Aachnu, med letoma 1896 in 1898 v Heidelbergu, med letoma 1898 in 1908 v Kijevu in leta 1910/1911 znova v Heidelbergu. Leta 1905 je dobil Nobelovo nagrado. Objavil je tudi u~benik "Deutsche Physik" z nacisti~nimi izhodi{~i.494

Ob osnovnem nasprotju so se pojavljale tudi druga~ne teorije novih àrkov. Angle` W. H. Bragg v Avstraliji in Srb Tesla v ZDA sta 1. 8. 1896 in 29. 8. 1896 menila, da so rentgenski àrki majhni delci, ki lahko izbijajo elektrone iz atomov. @e 23. 1. 1896 je Schuster iz Manchestra objavil, da "katodni àrki" izlo~ajo rentgenske àrke iz trdnin. Podobno sta Stokes 26. 3. 1896 in Wiechert trdila, da pri zaviranju elektronov nastanejo zelo kratki pulzi rentgenskih àrkov.495 Stokesova ideja, "da vsaka nabita molekula ustvari tak{en pulz, ko tr~i ob steno" je bila kompromis med delci in valovi, ki ga je sprejela ve~ina britanskih fizikov v prvem desetletju 20. stoletja.496

RENTGENSKA ELEKTRONKA 183 8.4 Eksperimentalna dolo~itev narave rentgenskih `arkov

Röntgen je po letu 1899 kot profesor eksperimentalne fizike v Münchnu reorganiziral In{titut za teorijsko fiziko, ki je po Boltzmannovem odhodu izgubljal na pomenu. Leta 1905 je dosegel, da so za profesorja izvolili Sommerfelda, ki je raziskoval predvsem teorijo rentgenskih àrkov in je bil sicer zagovornik Stokesove in Wiechertove teorije. êz {tiri leta so nastavili {e privatnega docenta Laueja. Leta 1912 je Laue v kavarni Hofgarten v Münchnu na vsakodnevnem sestanku tamkaj{njih fizikov zagovarjal mo`nost uklona rentgenskih àrkov na kristalu. Mnogi so dvomili v Lauejevo idejo; Sommerfeld in Röntgen nista verjela, da bi lahko kristal zaradi termi~nega gibanja deloval kot uklonska mreà. Asistent Frederich je napol skrivaj naredil poskus v laboratoriju. Uporabil je kristal modre galice, ki je v laboratoriju ni manjkalo. Kristal je postavil àrkom na pot, pravokotno nanj pa je namestil fotografsko plo{~o, s katero bi bilo mogo~e po dolgem obsevanju zaznati rentgenske àrke, sipane pod pravim kotom. @arkov ni in ni bilo, saj je postavljal kristal preblizu izvira àrkov, podobno kot svoj ~as Röntgen. V isti sobi je Knipping pripravljal doktorat; ~ez dva ali tri tedne naj bi zapustil laboratorij. Le-ta je postavil fotografsko plo{~o za kristal, kar je prineslo uspeh. Kratko poro~ilo so objavili aprila, 8. 6. 1912 pa je Sommerfeld predstavil münchenski Aka- 497

demiji skupno delo Laueja, Fredericha in Knippinga498 (slika 8.5). München je bil tako poldrugo desetletje sredi{~e fizikalnega raziskovanja rentgenskih àr- ov.499 W. H. Bragg je sicer poleti 1912 posku{al münchenski poskus prilagoditi svoji del~ni teoriji rentgenskih àrkov. Njegov sin Lawrence je novembra 1912 popravil Lauejevo analizo poskusa. Pod vplivom o~etove teorije in Stokesove teorije impulzov je domneval, da so rentgenski àrki delci, ki jih spremljajo valovi. Nobelovo nagrado za leto 1914 je dobil Laue, leto pozneje pa o~e in sin Bragg (tabela 8.1).

Tabela 8.1: Nobelove nagrade pred koncem prve svetovne vojne, povezane z rentgenskimi `arki:

1901 Röntgen 1905 Lenard 1912 Laue 1913 Bragg, o~e in sin 1917 Barkla Slika 8.5: Zgodnja Coolidgeva rentgenska cev, 1913498

8.5 Odmevi Röntgenovega odkritja v Avstriji in slovenskih de`elah 8.5.1 Ljubljan~ani o Röntgenu v nem{kem jeziku Razvoj nove znanosti je v Hallersteinovem in Vegovem ~asu omogo~il poznej{im kranjskim raziskovalcem hitro sprejemanje novih odkritij. Zato ni presenetljivo, da so v

184 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Ljubljani pisali o X-àrkih nemudoma po Röntgenovem odkritju. Najprej so poro~ali v nem{kih ~asopisih, predvsem v Laibacher Zeitung (LZg), {ele pozneje v slovenskih. Zato smo se za to prilo`nost prvi~ v zgodovini lotili {tudija o nem{ko pisanih ljubljanskih znanstvenih razpravah. Za marsikaterega bralca bo precej{nje presene~enje, ko se bo spomnil, da je bila na{a prestolnica pred dobrim stoletjem {e dvojezi~no mesto. Zgodnje poljudno pisanje o X-àrkih ima zato {e dodaten ~ar. Röntgenova iznajdba je zelo hitro na{la uporabo zunaj fizike. Na prvi dan novega leta 1896 je dunajski profesor fizike Exner sprejel razpravo svojega nekdanjega so{olca Röntgena. Obvestil je sodelavca, pra{kega profesorja fizike Lecherja, sina urednika Die Wiener Presse, kjer so objavili novico è v nedeljski {tevilki 5. 1. 1896. Franzov brat, fiziolog Sigmund Exner, je 16. 1. 1896 objavil odkritje v dunajskem medicinskem ~asopisu.500 12. 1. 1896 je bil Röntgen povabljen v Berlin. Cesar Wilhelm II. si je dal pokazati {tevilne poskuse in je slavnemu obiskovalcu osebno pritrdil prusko kronsko odlikovanje drugega reda na prsi. Seveda pa je bil Röntgen moàkar, ki se mu svoje ~ase ni posre~ilo niti maturirati in so mu bila vrata vseh nem{kih in avstrijskih univerz neprodu{no zaprta. Vendar je bila huda kri è mimo in Röntgen je podaril cesarju petindvajset lastoro~no razvitih fotografij, kot je natan~no poro~al Berliner Localanzeiger. Le nekaj dni pozneje 15. 1. 1896 je bila novica objavljena v LZg s podrobnimi opisi pogovorov slovitega Röntgena brez mature in njegovega berlinskega cesarja. Ljubljan~ani so le teden dni za Dunaj~ani lahko brali o uporabi rentgenskih àrkov v medicini. 23. 1. 1896 je LZg pisal o dveh operacijah profesorja na{ega rodu Moseticha. Uporabljal je X-àrke za snemanje lege izstrelka v telesu in prelomljenega dela noge lepe mlade dame. 27. 1. 1896 so Ljubljan~ani objavili Lenardovo poro~ilo iz Budimpe{te. Lenardova nacisti~na kariera je {e ~akala v prihodnosti, vendar je è tedaj omalovaùjo~e opisal Röntgenovo odkritje kot slu~ajen uspeh sre~nega tekmeca na podro~ju, ki ga sam sicer obvladuje do popolnosti. Preizku{al je prepustnost novih àrkov skozi papir, les in ~love{ko roko. Konec meseca so Ljubljan~ani povzeli po dunajskem Neue Freie Presse poro~ilo Reusserja z dunajske klinike. Reusser je uspe{no diagnosticiral ledvi~ni kamen zaradi njegove neprepustnosti za rentgenske àrke. Naslednji dan je LZg poro~al o snemanju z X-àrki za iskanje izstrelka, ki ga je imel moàkar v roki polnih {tirinajst let (slika 8.6). 3. 2. 1896 so poro~ali o predavanju profesorja fizike Perneta z dunajske Politehnike. Pred {tirimi dnevi je imel dvesto petdeset poslu{alcev mednarodnih dni klini~nih zdravnikov. Zaslovel je s poskusnimi rentgenskimi posnetki de{ke roke. Rönt- gen je bil tisti ~as na znanstvenem obisku v Zürichu in je Pernetu poslal telegam s

prisr~nimi ~estitkami. 501502

Slika 8.6: Kirurgija roke po slikanju z rentgenom501

RENTGENSKA ELEKTRONKA 185 Slika 8.7: Pari{ki rentgenski posnetek notranjosti bombe502

Armada je prav tako hitro sprejela Röntgenovo odkritje kot zdravniki sami. 7. 2. 1896 so uporabili Röntgenove `arke za preverjanje kvalitete zlitin v ceveh in kroglah. Mesec dni pozneje so Ljubljan~ani brali o vsebini bombe, ki so jo rentgenizirali v pari{kem mestnem laboratoriju (slika 8.7). Pri tem niso omenili zakoncev Curie, ki sta bila poro~ena komaj pol leta in sta sodelovala pri poskusih kot vodilna strokovnjaka v velemestu. 27. 3. 1896 so v dveh minutah posneli iglo v desni roki soproge dunajskega vojnega ministra in nemudoma re{ili bole~in znamenito damo (slika 8.8). To je bila doba prvih {ivalnih strojev in marsikatera neprevidna gospodinja ni uporabila pravih varnostnih ukrepov. Boltzmann je lastoro~no izdelal {ivalni stroj za svojo `eno, modrooko Jetti slovenskega rodu. Seveda je bila Jetti pametnej{a od gospe ministrice in

se je po{kodbam blagohotno izognila. 503 18. 2. 1896 je LZg poro~al o operacijskih odstranitvah igel, zapi~enih v nogo in roko neprevidnih Britancev. 2. 3. 1896 so Ljubljan~ani povzeli poro~ilo münchenskega Medicinische Wochenschrift o Buchnerjevih poskusih z uni~evanjem bakterij z rentgenskimi àrki. Posebno vneto se je lotil bakterij tifusa, ki so ga tedaj è uspe{no zatirali. Tako je ljubljanski bralec nem{kega dnevnika izjemno hitro izvedel za vse okoli{~ine novih odkritij, ki so utemeljila poznej{e raziskovanje X- àrkov v Ljubljani. Röntgenovo odkritje so Dunaj~anom predstavili malodane takoj, Ljubljan~anom pa komaj kaj pozneje. X-àrki so bili tako izjemno priljubljeni, da ni bilo prave zakasnitve

Slika 8.8: Rentgensko snemanje igle v roki gospe ministrice503

186 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK pred njihovimi opisi v cesarskem mestu in v beli provincialni Ljubljani. Marca 1896 so Ljubljan~ani za~eli objavljati novice o rentgenskih àrkih v slovenskih revijah. Mnenje najpomembnej{ega fizika Ludwiga Boltzmanna je usmerjalo objave o X-àrkih v monarhiji in seveda med ljubljanskimi srajcami. Boltzmann je bil namre~ najbolj{i u~enec Slovenca Stefana, za name~ek pa {e slab{a polovica zakonske druìce na{ega rodu. Kranjski profesorji fizike so pravo~asno obravnavali vse novosti, povezane z Röntgenovim odkritjem. Med pisci sta se posebno odlikovala Boltzmannov nekdanji sodelavec z gra{ke Univerze [ubic in Boltzmannov {tudent âde` s kranjske gimnazije. Kranjska druìna âde` je ostala zvesta rentgenskim àrkom do dandanes.

8.5.2 Slovenska poro~ila o rentgenskih `arkih Poltretji mesec po prvi objavi smo o rentgenskih `arkih lahko brali tudi v slovenskem jeziku. 1. in 15. marca 1896 je ljubljanski Dom in Svet objavil prvi razpravi [ubica o novem odkritju z dvema fotografijama J. M. Edlerja, profesorja in vodje fotografske {ole na Dunaju (slika 8.9). [ubic je poslal lepe rentgenske fotografije, ki jih je izdelal njegov sodelavec na gra{ki Univerzi Czermak, vendar jih niso objavili.

Slika 8.9: Odlomki iz ~lankov Simona [ubica, ki so bili v letih 1896–1898 objavljeni v reviji Dom in svet

RENTGENSKA ELEKTRONKA 187 Na{i predniki so pred stoletjem takole brali o novem odkritju: "Ta lastnost je Röntgena navdala z mislijo, da àrki te svetlobe nimajo tistega valovanja, kakor navadna svetloba, t.j. transverzalno tresenje ali nihanje sem in tje, navpik na svoj tir, ampak da se raz{irja migljaje poleg svojega tirú, ali z longitudinalnim pomikanjem, t.j. naprej in nazaj, kakor{no opazuje fizik pri donenju." 504 [kofjelo{ki ùpnik je svojega poljanskega soseda takole dopolnil: "Profesor Röntgen se je bavil z jednacimi poskusi. Omenjeno Hittorfovo ali Crookesovo cev je zavil v debel, po~rnjen, za najmo~nej{o svetlobo popolnoma neprozoren papir. Blizu cevi je imel prislonjen drugi papirnati zastor, ki je bil pa s svetlo~utno tvarino prevle~en. Ko je skozi Hittorfovo cev napeljal krepek inducirani elektri~ni tok, tedaj je omenjeni zastor svetlo zaàrel, akoravno je bila steklena cev skrbno ovita z neprozornim papirjem..." 505 Röntgena in njegovo odkritje so ob~udovali na slovenskih srednjih {olah. Tako je leta 1906/1907 kustos Inwinkl zbirko u~il v fizikalnem kabinetu Gimnazije Koper krepko dopolnil tudi z dvema rentgenskima elektronkama, ki so ju naslednje leto dopolnili {e s tretjo, ob kateri so nabavili tudi zaslon iz ZnS in priprave za fotografiranje.506 Pod ravnateljem fizikom Senekovi~em so na ljubljanski gimnaziji {e tesneje sledili novim odkritjem. Röntgenovo odkritje novih àrkov je bilo tako tudi v slovenskih deèlah mogo~e hitro ponoviti, kar je {e pove~alo zanimanje javnosti. Leta 1897, v letu "odkritja" elektrona, je Stefanov {tudent Ivan [ubic objavil prvo slovensko knjigo o elektriki s poudarkom na elektrotehniki. Opisal je poskuse z Geisslerjevimi elektronkami in be`no omenil rentgenske àrke.507 Ve~ prostora je rentgenskim àrkom posvetil suplent, poznej{i profesor fizike âde`: "Kako se javlja ta svetloba na zunaj, je preiskoval kot prvi slove~i zdravnik (sic!) Röntgen leta 1895. V popolnoma temni sobi je imel tekom poizkusa svojo cev pogrnjeno s ~isto neprozornim suknom. Kar nenadoma zapazi, da so se za~ele svetiti vse steklene in porcelanaste posode v njegovi sobi. Od kot je prihajala svetloba? Kmalu se je prepri~al, da so izhajali ti àrki od onega dela njegove s suknom pogrnjene cevi, ki se je zelenkasto svetil vsled vpliva katodnih àrkov..." 508

8.5.3 Sirkovi rentgenski poskusi v Ljubljani Slovenski bralec je bil sproti seznanjen z Röntgenovimi dose`ki. Tesno sodelovanje med Dunajem in Manchestrom je slovenskim raziskovalcem omogo~ilo dopolnjevanje Rutherfordovih odkritij. Ljubljanski profesor Sirk je bil eden pomembnej{ih raziskovalcev rentgenskih àrkov in radioaktivnosti v habsbur{ki monarhiji. Bil je na{ega rodu, vendar mu sloven{~ina nikoli ni stekla posebno gladko. V Ljubljani je dopolnil svoj sloves enega najpomembnej{ih raziskovalcev rentgenskih àrkov v monarhiji. 23. 3. 1934 je objavil raziskovanje magnetnih vplivov na sipanje rentgenskih àrkov v kapljevini, ki je ime ljubljanske Univerze ponesla v sam vrh znanosti (slika 8.10). Nadaljeval je delo Pariàna M. de Broglieja, starej{ega brata Nobelovca Louisa, ki je do

Slika 8.10: Naslovnica Sirkove ljubljanske razprave o magnetnosti rentgenskih `arkov509

188 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 8.11: Skica Sirkove in Peterlinove rentgenske cevi C. H. F. Müllerja iz Hamburga513

konca druge svetovne vojne predaval na Collège de France. Maurice je leta 1913 prvi raziskoval vpliv jekla

in magnetita na rentgenske `arke. 509 Sirku je na ljubljanskem in{titutu pomagal asistent Peterlin z meritvami na ve~atomskih velikih molekulah, ki so kmalu postale njegovo osnovno raziskovalno podro~je.510 Od leta 1930 so v ljubljanskem Fizikalnem in{titutu uporabljali rentgensko cev najbolj znanega hambur{kega proizvajalca C. H. F. Müllerja (slika 8.11).511 Sirk se je na koncu razprave toplo zahvalil Peterlinu (slika 8.12),512 ki je kmalu {e sam za~el na veliko objavljati v isti vodilni berlinski reviji. Peterlin je od Sirka pozneje prevzel Fizikalni in{titut, ki je po vojni deloval pri Aka- demiji in prerasel v Fizikalni institut, dana{nji IJS. Peter- linovo zgodnje zanimanje za rentgenske `arke je poldrugo desetletje pozneje botrovalo njegovim pobu- dam za uvajanje pospe{e- valnikov v novi ljubljanski Fizikalni in{titut.

Slika 8.12: Sirk se zahvali svojemu asistentu Peterlinu514 513514

8.5.4 Sklep Ljubljan~ani so objavljali novosti o X-àrkih brez ve~jih zamud. To ne presene~a in le dokazuje zmo`nost Kranjske in njenih raznolikih prebivalcev, ki so lovili veter znanja z italijanske, nem{ke, ogrske in slovanske stani, prebirajo~ najbolj{e med njimi. Na{i raziskovalci so seveda morali po~akati na razvoj univerzitetnih laboratorijev po prvi svetovni vojni. Sirkovo delo je bilo za~etek dolge vrste uspehov, danes povezanih z IJS. Uspeh raziskovanja rentgenskih àrkov je kronal za~etek raziskovanj PIXE na IJS skoraj takoj po {vedskem odkritju v 1970-ih letih. Raziskovalci iz IJS so se v raziskave z metodo PIXE vklju~ili prakti~no od vsega za~etka na pobudo prof. dr. Bogdana Povha in dr. Petra Kumpa. Razmah PIXE je temeljil na razvoju polprevodni{kih detektorjev za rentgenske àrke. Ti so tedaj è dosegali dovolj energijske lo~ljivosti, da je bilo mo`no razlikovati med karakteristi~nimi rentgenskimi àrki, ki pripadajo posameznim elementom. Po drugi strani so ravno takrat za~eli opu{~ati pospe{evalnike, razvite za raziskave v jedrski fiziki, saj se je teì{~e premaknilo k vi{jim energijam. Pospe{eni ioni z energijami nekaj megaelektronvoltov so ravno primerno orodje za ionizacijo notranjih atomskih lupin; zato so jih raziskovalci PIXE lahko prevzeli od jedrskih fizikov na IJS.515

RENTGENSKA ELEKTRONKA 189 190 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK J. J. Thomsonovo raziskovanje "negativnih" in "pozitivnih `arkov"

9.1 "Katodni `arki"

Predstavljamo {ir{i izbor Thomsonovih vakuumskih raziskav, njegovih velikih in manj velikih uspehov. Pokazali bomo, da je bilo "odkritje" elektrona le eden od njegovih {tevilnih uspehov.

9.1.1 Thomsonova poklicna pot Joseph John Thomson (slika 9.1) je bil rojen v druìni knjigarnarja v Cheethamu, predmestju Manchestra. Obiskoval je Owensov kolid` v Manchestru, kjer ga je fiziko u~il Stewart, tako kot pred njim [kota Taita in Nemca Schusterja.516 Manchester je bil è tedaj pomembno sredi{~e fizike. Po tedanji navadi je Thomson nadaljeval {tudij {e na Kolegiju sv. Trojice v Cambridgeu med letoma 1876 in 1880 pri Stokesu. V tem ~asu je Maxwell è vodil Cavendishev laboratorij. Thomson ni nikoli sre~al Maxwella v laboratoriju, poslu{al pa je njegovo predavanje o telefonu v senatni hi{i leta 1879. Thomson je na kon~nem izpitu osvojil drugo mesto za pozneje slovitim angle{kim fizikom Larmorjem, ki je bil od leta 1903 prav tako profesor v Cambridgeu. Leta 1881 je bil Thomson izbran v Kolegij sv. Trojice, s katerim je Slika 9.1: J. J. Thomson

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 191 ostal povezan vse ìvljenje. Naslednje leto je dobil Adamsovo nagrado za raziskovanje vrtincev v idealni teko~ini in se je pozneje {e dolgo zanimal zanje v svojih modelih atoma. V tistem ~asu je objavil nekaj neto~nih meritev elektri~nega naboja. Po kraj{em delu v Cavendishu pod Rayleighovim vodstvom, ko je imel za sabo predvsem teorijske objave, so ga razmeroma presenetljivo leta 1884 postavili za profesorja v Cambridgeu in tretjega direktorja Cavendishevih laboratorijev za Maxwellom in Rayleighom. Poloàj je obdràl 28 let. Med letoma 1905 in 1918 je bil profesor na RI, po letu 1919 pa vodja Kolegija sv. Trojice. ^lan RS je postal leta 1884, njen predsednik pa med letoma 1916 in 1920. Leta 1906 je prejel Nobelovo nagrado za raziskovanje "prehoda elektrike skozi pline", leta 1908 pa je dobil naziv viteza. Med 1. svetovno vojno je bil tehni{ki svetovalec vlade. Pokopan je v Westminstrski kapeli v bliìni Newtona, podobno kot pred njim njegov u~enec Rutherford.

9.1.2 Thomsonovi predhodniki Idejo o obstoju elementarnega elektri~nega naboja ali "elektri~nega atoma" je `e v 18. stoletju opisal Ameri~an Benjamin Franklin: "Elektri~na snov je sestavljena iz zelo majhnih delcev, saj lahko prodre tudi v najgostej{o snov s tak{no svobodo in lahkoto, da ne ob~uti ve~jega odpora". Podobne ideje so objavili {e: Italijan Mossotti, Angle` Davy, Nemec Weber leta 1871 in drugi. Domnevo o elementarnem elektri~nem naboju je podprl Faraday z odkritjem kvantitativnih zakonov elektrolize.517

Eugen Goldstein iz Gleiwitza, dana{njih Gliwicah v poljski [leziji, je med letoma 1872 in 1878 raziskoval na Univerzi v Berlinu pri Helmholtzu, nato pa do leta 1890 kot astrofizik v berlinskem observatoriju v Potsdamu. Leta 1876 je poimenoval "katodne `arke", pet let pozneje pa je doktoriral v Berlinu. Do leta 1896 je delal v Fizikalno-tehni{kem in{titutu in nato do upokojitve leta 1927 v Vi{ji tehni{ki {oli v Berlinu.

Veliko manj soglasja je bilo glede narave "katodnih àrkov". Naziv si je leta 1876 v Berlinu izmislil Goldstein, ko je to~kasto katodo nadomestil s plo{~o, iz katere so àrki leteli v pravokotni smeri. Hittorf je leta 1869 domneval, da so "katodni àrki" valovi, podobni svetlobi, o katere valovni naravi tedaj ni bilo dvoma. Vendar je è dve leti pozneje Varley zaradi tlaka "katodne àrke" opisal kot majhne nabite delce: "Ta poskus po avtorjevem mnenju kaè, da je lok sestavljen iz nabitih delcev snovi, ki jih elektrika v vse smeri izbija iz negativne elektrode..."518

Angle` Cromwell Fleetwood Varley je kot telegrafski in`enir svetoval W. Thomsonu, poznej{emu lordu Kelvinu, pri polaganju telegrafskega kabla ~ez Atlantik med letoma 1856 in 1866. Leta 1870 je bil na pol upokojen, ko je britanska vlada nacionalizirala privatne telegrafske dru`be. Tako je nenadoma imel dovolj ~asa tudi za raziskovanje "katodnih `arkov". Podobno kot Crookes se je ukvarjal s spiritizmom.

Tako sta se obe domnevi pojavili skoraj so~asno in skoraj tri desetletja burili duhove. Valovno teorijo "katodnih `arkov" so poleg Slovenca [ubica in Puluja v Pragi leta 1888519 zagovarjali predvsem v Helmholtzovem berlinskem krogu: Goldstein in E. Wiederman leta 1880 ter H. Hertz (1883–1892). S Perrinovimi poskusi (1895) je prevladala korpuskularna teorija ve~inoma britanskih raziskovalcev (slika 9.2): Varelyja (1871), Crookesa (1878–1879), W. Giesa (1885) in Schusterja (1882, 1884).520 Sam Helmholtz je, kot se za vodilnega znanstvenika spodobi, potegnil zdaj s to, zdaj z ono skupino.521

192 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 9.2: Prva stran Perrinovega rokopisa disertacije iz leta 1897: Rayons cathodiques et Rayons de Rœntgen522

522

Jean Baptiste Perrin iz Lilla je {tudiral na École Normale Supérieure in tam leta 1897 doktoriral z disertacijo o "katodnih" in rentgenskih `arkih. Nato je raziskoval na in{titutu Univerze v Parizu in bil tam leta 1910 imenovan za profesorja fizikalne kemije. Med letoma 1908 in 1913 je s poskusi podprl teorijo Brownovega gibanja Einsteina in Smoluchowskega. Pred 1. svetovno vojno je obiskal tudi Rutherfordov laboratorij v Manchestru. Leta 1926 je prejel Nobelovo nagrado za fiziko "za raziskovanje strukture snovi in predvsem za odkritje sedimentacijskega ravnovesja". Kot aktiven antifa{ist se je moral leta 1938 preseliti v ZDA, kjer je podpiral boj Charlesa de Gaulla. Umrl je v New Yorku.523

Helmholtzov najpomembnej{i u~e- nec H. Hertz je leta 1882 ugotavljal, da so "katodni àrki" zelo podobni svetlobi. V svojih zgodnjih poskusih je dokazoval, da elektri~no polje ne vpliva nanje.524 Pozneje se je pokazalo, da ni opazil odklona, ker je kovinski kondenzator z razdaljo med plo{~ama 2 cm in napetostjo 22 V oziroma 500 V postavil zunaj cevi. Tako je povzro~il obratni tok in zasen~il vpliv polja.525 Poleg tega je v razelektritveni posodi uporabljal previsok tlak. Napa~na pojasnitev poskusov je Hertza in {tevilne druge nem{ke raziskovalce za celo desetletje zmotno prepri~ala, da so "katodni àrki" povezani z elektriko le po svojem nastanku, podobno kot svetloba z elektri~no àrnico, ki se je prav tedaj uveljavljala v Edisonovi izvedbi.526

Heinrich Rudolf Hertz je bil najstarej{i sin advokata, poznej{ega senatorja ìdovskega rodu v Hamburgu. Po maturi leta 1875 je v Münchnu najprej dve leti {tudiral za inènirja in medtem leto dni sluìl tudi voja{ki rok. Nato si je premislil in nadaljeval {tudij matematike in prirodoslovja v Münchnu. Leta 1879 je opravil {e dva semestra pri Kirchhoffu v Heildelbergu in v Berlinu, kjer je raziskoval v Helmholtzovem in{titutu. Dne 5. 2. 1880 je kon~al {tudij "magna cum laude" s teorijsko raziskavo vrtenja kovinskih krogel v magnetnem polju. Med raziskovanjem v Helmholtzovi skupini v naslednjih letih je nanj mo~no vplival sedem let starej{i Goldstein. Leta 1883 je Hertz postal docent na Univerzi v Kielu. Na Helmholtzovo priporo~ilo je pozimi 1884 nasledil Brauna kot redni profesor eksperimentalne fizike na Vi{ji tehni{ki {oli v Karlsruheju, kjer je odkril fotoefekt ter z resonatorjem in vibratorjem prvi zaznal elektromagnetne valove. Leta 1889 je prevzel katedro za fiziko za umrlim Clausiusom v Bonnu. Hertz je umrl za rakom po dolgem bolehanju. V letu pred smrtjo je napisal knjigo o principih mehanike (1904) v novokantovskem duhu brez pojma sile, àl tudi brez ve~jega odmeva pri poznej{ih raziskovalcih.

Ko odklona "katodnih `arkov" v magnetnem polju ni bilo ve~ mogo~e zanikati, so ga pojasnjevali z deformacijo "etra". [irjenje izklju~no v pravokotni smeri glede na povr{ino vira so pripisovali posebnostim nastanka "katodnih `arkov", povezanega z elektriko. Leta

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 193 1880 je Goldstein celo dokazoval, da poteka {irjenje "katodnih àrkov" v razli~nih smereh. Vendar je J. J. Thomson leta 1906 pokazal, da se "katodni àrki" odklonijo od pravokotnice na povr{ino vira {ele po izsevanju, pod vplivom elektri~nega polja ali zaradi sipanja.527 Za zagovornike korpuskularnega modela "katodnih àrkov" je bil osnovni problem njihovo premo~rtno {irjenje. Poleg tega je Hertz leta 1891 in 1892 ugotavljal, da "katodni àrki" lahko prebijejo tanko plast zlata, srebra, aluminija in razli~nih litin, kar do tedaj znane vrste delcev niso mogle. Leta 1880 sta Tait in za njim Goldstein trdila, da bi se Crookesovim domnevnim molekulam pri velikih hitrostih v "katodnih àrkih" morala spremeniti valovna dolìna sevanja zaradi Dopplerjevega efekta. Vendar pri meritvah niso opazili sprememb.528 Podoben pojav so astronomi pozneje opazili na nebesnih telesih kot rde~i premik.

9.1.3 Thomsonovi sodobniki J. J. Thomson in Schuster, njegov starej{i kolega s {tudija v Manchestru, sta za~ela isto~asno raziskovati razelektritve v plinih leta 1883/84. Vendar se je Schuster problema lotil kot spektroskopist–kemik, J. J. Thomson pa kot matemati~ni fizik. Leta 1884 in 1887 sta bila zaporedoma imenovana za vodji najpomembnej{ih britanskih fizikalnih laboratorijev v Cambridgeu in Manchestru. Na Schusterja je vplivala tako angle{ka kot nem{ka znanstvena tradicija. Zagovarjal je obstoj delca elektrike, da bi spravil Faradayevo elektrolizo v soglasje z Maxwellovo teorijo elektromagnetizma. Skliceval se je na Helmholtzove ideje, povzete po Stoneyju: "Tudi elektrika je nekaka fina materija, sestavljenih iz najmanj{ih atomov – 'elektronov'".529 Vendar pa ni sledil Maxwellovim zagovornikom, temve~ modelu svojega prijatelja, kemika in astronoma Lockyerja, ki je leta 1869 v spektru Sonca odkril rumeno ~rto helija. Po Lockyerju zamotana disociacija molekul v plinih povzro~a zapletenost spektrov. Schuster je èlel dokazati vsakemu delcu plina enako koli~ino elektrike, s katero bi Faradayevi zakoni elektrolize obveljali {e v plinih.530 Druga~e od J. J. Thomsona Schusterja ni zanimala velikost delcev elektrike in narava "katodnih àrkov". Nasprotja med raziskovalcema so bila deloma nasledek starih nasprotij med dvofluidnim (Schuster) in enofluidnim (Thomson) modelom elektrike. Leta 1884 je Schuster nadaljeval Hittorfove poskuse z odklonom "katodnih àrkov" v polju. V tak{nem predniku ciklotrona je polmer ukrivljenosti tira delca dolo~al njegovo razmerje e/m. [est let pozneje je Schuster izmeril za razmerje e/m "katodnih àrkov" med 1000 in 1 000 000 "elektromagnetnih enot" po 10 000 A s/kg. Pri vodikovih ionih so za to razmerje dobili 10 000, tako v plinu kot v elektrolitu. Schusterju se ravno najvi{ja namerjena vrednost, tj. 1 000 000, ni zdela realna, saj zahteva prehod "delca" skozi katodno elektronko brez trka. S tem je izlo~il pravilno meritev in z njo br`kone odkritje "elektrona". Schuster je napa~no pri~akoval razmerje e/m v plinih podobne velikosti kot pri elektrolizi. Schusterjevi nosilci elektrike v plinu so bili àl ioni, kar je bilo seveda splo{no napa~no prepri~anje pred J. J. Thomsonovo razpravo iz leta 1897. Poleg tega Schuster ni odkrival "elektrona" oziroma narave "katodnih àrkov", temve~ veljavnost Faradayevih zakonov elektrolize; ni tekmoval s Thomsonovim odkritjem, leta 1895 pa je sploh nehal raziskovati razelektritve v plinih.531

194 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 9.1.4 Odkritje: Meritev razmerja e/m za "katodne àrke" Tudi J. J. Thomson je sprva dokazoval, da zakoni elektrolize veljajo v plinih, saj naj bi se v kapljevinah in plinih elektrika prevajala na enak na~in. Vendar je moral leta 1891/92 idejo opustiti. Le pri zelo dolgi iskri v katodni elektronki se med elektrolizo vodne pare snovi izlo~ajo na istih elektrodah kot pri elektrolizi vode. Thomson je konec 19. stoletja podpiral Crookesove ideje iz leta 1874 o "katodnih àrkih" kot osnovnih delcih atoma. Vendar so tako Thomson kot drugi sodobniki {e leta 1894 v "katodnih àrkih" videli ione plinov.532 [ele Lenardove meritve iz leta 1893 so pokazale, da imajo "katodni àrki" povpre~no prosto pot v zraku okoli 1 mm, torej nekako 10 000-krat dalj{o od molekul. Rezultat je Thomsona prepri~al, da ima opraviti z veliko manj{imi delci od najla`jega atoma, kar se seveda ni vsem zdelo lepo in prav. Thomson in mladi Perrin (1895) sta imela odklon "katodnih àrkov" v elektri~nem in magnetnem polju za njihovo bistveno lastnost, za odlo~ilni poskus. "Katodni àrki" so bili progla{eni za dolgo iskane elektrone ravno zaradi svojega elektri~nega naboja, katerega razmerje z maso je Thomson izmeril leta 1897. Meritev se je izvrstno skladala z angle{ko tradicijo, kjer je Crookes "odkritje" elektronov takoj proglasil za potrditev lastne vizije o ~etrtem agregatnem stanju snovi.533 Prodiranje "katodnih àrkov" v snov je Thomson obravnaval kot njihovo manj pomembno lastnost. Domneval je, da "katodni àrki" v snovi sproàjo sekundarne rentgenske àrke, ki potem prodirajo naprej. Nasprotno od Crookesa, Schusterja in drugih angle{kih raziskovalcev, Thomsona ni zanimala niti oblika osvetlitve v Geisslerjevi cevi, niti analogija med kemijskimi reakcijami pri elektrolizi in reakcijami v vakuumski elektronki.534 Leta 1894 je Thomson izmeril àrke β, ki so brzeli s hitrostjo 200 km/s; vendar se je pozneje rezultatom odrekel kot neto~nim.535 Tri leta pozneje se mu je posre~ilo izmeriti odklon àrkov β v elektri~nem polju, ker je uporabljal bolj{e vakuumske ~rpalke od pokojnega Hertza; ~eprav {e po 1. svetovni vojni v Cavendishu niso imeli najbolj{e vakuumske opreme in tehnike za odplinjevanje.536 Podoben uspeh je isto~asno dosegel Goldstein. Töplerjeva ~rpalka in Crookesova metoda sta Thomsonu pri{li prav za odstranjevanje ìvosrebrnih par s fosforjem ali bakrom. Marca 1897 je odklanjal elektrone s pre~nim magnetnim poljem, nato pa je odklon izravnal z elektrostati~nim poljem plo{~atega kondenzatorja z aluminijevima plo{~ama. @arke je po{iljal skozi zrak, vodik ali CO2 pri nizkem tlaku 5 cm dale~ v elektri~no in magnetno polje. Razdalja do zaslona je merila {e dodatnih 1,1 m. Dobljeno razmerje m/e je bilo 10–7 "elektromagnetnih enot" po 10–11 As/kg. Rezultat je bil ve~ kot tiso~krat manj{i kot za vodikov ion pri elektrolizi in odvisen od narave plina, vrste katode, hitrosti àrkov in tlaka v katodni elektronki. Pri poskusih je menjaval èlezne, platinske in aluminijeve elektrode. Napake meritve po tedanji navadi ni zapisal, danes pa jo ocenjujemo na 14 %.537 Thomson je svoje odkritje predstavil v predavanju RI 30. 4. 1897, naslednji mesec pa ga je è objavil v vodilnih angle{kih revijah. S hitro objavo je prepre~il morebitno neodvisno odkritje v drugih laboratorijih. Rezultati so ga spomnili na Proutovo domnevo. Vendar gradniki snovi pri Thomsonu niso bili vodikovi atomi, temve~ mnogo manj{e "korpuskule". Zapisal je trditve, ki spominjajo na Crookesove: "S tega stali{~a imamo v katodnih àrkih snov v novem stanju, v katerem gre delitev materije veliko dlje kot v navadnem plinu: stanje snovi, dobljene iz razli~nih virov, kot so vodik, kisik in drugo, je ene same vrste. Ta snov je substanca, iz katere so zgrajeni vsi kemijski elementi. Mno- ìna snovi, dobljena z disociacijo na katodi, je tako majhna, da skoraj izklju~uje vsako mo`nost neposrednih kemijskih raziskav njenih lastnosti. ê bi uporabljano tuljavo

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 195 pustili delati dan in no~ celo leto, bi, po mojih ra~unih, proizvedli le okoli 3 milijoninke grama te snovi".538 Thomson je opisal atom kot skupek manj{ih delcev; med njimi deluje Bo{kovi}eva sila spremenljive smeri, ki jo je zagovarjal tudi pozneje.539 Predloìl je {e druga~en atom po zamislih Mayerja, profesorja na Stevensovem in{titutu za tehnologijo v Hobokenu. Mayer je leta 1878 opisal poskus z magneti, ki so geometri~no pravilno razporejeni plavali v vodi, uravnove{eni z zunanjim magnetnim poljem in medsebojnim odbojem. Vendar so FitzGerald, pionir televizije Campbell-Swinton in ve~ina britanskih raziskovalcev "preve~ alkimisti~no" domnevo odklonili; zviti Rutherford pa se je prav z alkimijo postavljal nekaj let pozneje.540 Thomson je uporabil {e druga~no metodo za dolo~itev razmerja e/m z merjenjem toplotne energije, ki so jo "katodni àrki" oddajali steni elektronke.541 Ve~ina fizikov ni verjela Thomsonovemu odkritju delcev, manj{ih od atoma, ~eprav se je skliceval na leto dni starej{o meritev razmerja e/m nizozemskega spektroskopista Zeemana, Lorentzovega asistenta v Leydenu. Zeeman je nadaljeval zadnji Faradayev poskus 12. 3. 1862, v katerem je sku{al z magnetnim poljem vplivati na rumeno ~rto natrija. Faraday je bil prepri~an, da je mogo~e opraviti uspe{no meritev, medtem ko je Larmor o tem dvomil. Zeeman je gotovo menil, da se spla~a nadaljevati tam, kjer je omagal sloviti predhodnik, saj se je pona{al z veliko bolj{imi napravami: slovito Rowlandovo uklonsko mreìco z veliko vi{jo lo~ljivostjo od Faradayevega spektroskopa na prizmo, bolj{o vakuumsko ~rpalko in mo~nej{im magnetom. Zeeman je sicer zaradi napa~no dolo~ene osi λ/4-plo{~e objavil rezultat za pozitivni naboj namesto za negativnega. Njegova razprava je bila è marca 1897 objavljena v Phil. Mag., en zvezek pred Thomsonovim "odkritjem". Lorentz je rezultate svojega asistenta podprl s teorijo, tako da sta si leta 1902 delila drugo Nobelovo nagrado za fiziko.542 Thomson je prvi spoznal, da v svojih poskusih razbija atome. "Katodne àrke" je proglasil za naelektrene delce, ki jih je obravnaval kot delce v klasi~ni mehaniki.543 Domneva je bila popolnoma druga~e preverljiva od teorije "etra". Podobno kot Hertz (1888), Einstein (1905) in drugi je raje poudarjal povezanost svojih odkritij z Maxwellovo teorijo, kot da bi poudarjal razlike v opisu strukture "etra" in elektrike.544

Pieter Zeeman je bil rojen v majhni vasici Zonnemaire na otoku Schowen v pokrajini Zeeland na Nizo- zemskem v dru`ini protestantskega pastorja. Njegov gimnazijski spis o Severnem siju je bil dovolj dober, da so ga objavili v Nature. Na Univerzi v Leydenu sta ga pou~evala predvsem Lorentz in Kamerlingh-Onnes. Leta 1892 je en semester raziskoval pri Kohlrauchu v Strasbourgu, leta 1894 pa se je vrnil v Leyden kot privatni docent. Januarja 1897 je postal predavatelj na Univerzi v Amsterdamu in tam ostal do upokojitve leta 1935. Leta 1908 je nasledil van der Waalsa kot profesor in direktor Fizikalnega in{tituta v Amsterdamu.

Thomson je pokazal, da sevanja in prevajanja v plinih ne moremo pojasniti s samim valovanjem. Thomsonovih "korpuskul" se je prijelo ime, ki ga je skoval Stoney: "Pri elektrolizi vsake kemijske spojine, ki se da lo~iti, nastane dolo~ena, v vseh primerih enaka koli~ina elektrike... Naboj te veli~ine je vezan v vsakem kemijskem atomu... Ti naboji, ki jih bomo imenovali 'elektroni', ne morejo biti lo~eni od atoma; oni se ne ka`ejo, ~e so atomi kemijsko vezani". Leta 1897 sta FitzGerald in Lorentz vpeljala naziv "elektron" v fiziko.545 Wiechert je navijal za Lenardov izraz "quantum" elementarnega negativnega naboja; obveljala pa je Planckova uporaba v druga~nem pomenu.546 Stoney je razmi{ljal o atomski strukturi elektrike `e v predavanju pred British Association for the Advancement of Science (BAAS) leta 1874, ki ga je dal objaviti {ele sedem let pozneje.547 Na osnovi Faradayevih poskusov z elektrolizo je delcu pribli`no dolo~il naboj. O atomski strukturi elektrike je razmi{ljal sam Faraday in za njim Crookes.

196 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK J. J. Thomson je nasprotoval Larmorjevi in FitzGeraldovi teoriji elektrona v ve~ razpravah, med drugim v kritiki Avstralca Sutherlanda. Menil je, da ni dokaza za obstoj naboja zunaj snovi. Verjetnej{a se mu je zdela domneva o "korpuskulah" kot gradnikih atoma, ~eravno deljivosti atoma prav tako ni znal dokazati. "Korpuskule" ni imel za samostojen delec, temve~ za interakcijo med etrom in snovjo. Zato je izraz "elektron" prvi~ uporabil {ele leta 1937, veliko pozneje od svojih u~encev Towsenda (1915), Langevina (1904) in drugih. Prej ga je sprejel celo njegov nasprotnik Villard, ki je izraz uporabljal na pari{ki Akademiji po letu 1908. Po drugi strani se je Thomson morda hotel izogniti zmedi; nasprotno od mlaj{ih sodelavcev si je dobro zapomnil, da je Stoney naziv "elektron" uporabil za enoto naboja obeh predznakov in ne za snovni delec.548 Na na~in izraànja so pa~ vplivali generacijski prepadi. Leta 1899 sta Lenard in Thomson izmerila pribli`no enako razmerje e/m kot pri "katodnih àrkih" {e za delce pri fotoefektu ter pri "Edisonovem efektu" àrenja kovinskih povr{in. Becquerel je nekaj mesecev pozneje dobil enak rezultat za àrke β iz radija.549 Kot vsa velika odkritja se je tudi Thomsonovo popolnoma uveljavilo {ele z natisom knjige in vplivom njegovih u~encev zunaj doma~e deèle, predvsem v Parizu.550 Nih~e pa~ ni prerok v lastni domovini.

9.1.5 Thomsonovi nasledniki Wiechert je leta 1894 v Königsbergu (dana{nji Kaliningrad) razvil etersko ina~ico Helm- holtzovih atomov elektrike. Dve leti pozneje sta skupaj s Theodorjem Des Coudresom merila hitrost "katodnih àrkov". 7. 1. 1897 je Wiechert objavil, da imajo "katodni àrki" 200- do 2000-krat ve~je razmerje e/m od vodikovih ionov in je tako predvidel samostojni delec. Vendar je bil Wiechert {ele za~etnik v raziskovanju "katodnih àrkov", poleg tega pa je svoje meritve objavljal v lokalni reviji v Königsbergu, podobno kot sicer veliko uspe{neje Röntgen leta 1895 v Würzburgu. Leta 1897 in 1898 so {e drugi Nemci in Britanci, predvsem Thomson, Schuster in Wien, objavili meritve visokih hitrosti "katodnih àrkov".551

Johann Emil Wiechert je 1. 4. 1889 postal asistent matemati~no-fizikalnega laboratorija Univerze v Königs- bergu. S pozneje slavnim {tudentom Sommerfeldom, ki je leta 1891 promoviral iz matemati~ne fizike, sta sestavila harmoni~ni oscilator. Leta 1897 je Wiechert od{el na Univerzo v Göttingen, Sommerfeld pa v bli`nji Clausthal-Zellenfeld, kjer sta nadaljevala sodelovanje. V poznej{ih letih se je Wiechert ukvarjal z geofiziko.

Nemec Walter Kaufmann je {tudiral v Berlinu, diplomiral pa je v Münchnu. Med letoma 1896 in 1898 je bil asistent na univerzi in na Fizikalnem in{titutu v Berlinu, med letoma 1897 in 1899 {e knji`ni~ar Nem{kega fizikalnega dru{tva v Berlinu. Leta 1899 je od{el na Univerzo v Göttingenu, kjer je tudi Des Coudres raziskoval vpliv magnetnega polja na "katodne `arke". Leta 1903 je Kaufmann pre{el na bonnsko Univerzo, kjer je {e pred Gaedejem sestavil prvo rotacijsko ~rpalko za visoki vakuum. Zaradi odli~nega poznanja vakuumske tehnologije je imel nekaj prednosti pred raziskovalci iz Cavendisha. Med letoma 1908 in 1935 je pou~eval v Königsbergu, vendar ni ve~ raziskoval "katodnih `arkov".

So~asno s Thomsonom je Kaufmann552 v Berlinu 21. 5. 1897 v podobnih poskusih meril razmerje e/m. Ni trdil, da odkriva "novo korpuskulo", saj bi bila tak{na trditev v nem- {kem okolju {e ostreje zavrnjena zaradi prevladujo~ega vpliva pozitivista Macha, katerega star{i so `iveli na Dolenjskem.553 Mach je razburjal tedanje zagovornike atomov z izzivalnim vpra{anjem: "Ali ste videli kak{nega?"554 Podobno je Machov sodobnik Mendelejev v disertaciji leta 1857 atomizem opisal le kot uporabno pojasnilo za razliko od valovne ali Kopernikove teorije. Popolnoma druga~no je bilo angle{ko stali{~e, ki ga

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 197 ponazarja Rutherfordov vzklik na Eddingtonovo izjavo po ve~erji v Athenaeumu, ~e{ da so elektroni morda le zami{ljeni koncepti in ne obstajajo zares. Visoki Avstralec se je zravnal v vsej neznanski dol`ini in zavpil: "Ne obstajajo, ne obstajajo – zakaj lahko vidim majhne rev~ke tu pred mano tako jasno kot tole `lico?!"555 Odkritju elektrona so tako v veliki meri botrovale nacionalne zna~ilnosti raziskovalnih okolij, saj so britanski fiziki opravili veliko {tevilnej{e meritve elektri~nega naboja, Nemci pa so o njem objavili precej ve~ teorij.556 Leta 1901 je Kaufmann dokazal, da navidezni (elektromagnetni) del mase Becquerelovih hitrih elektronov iz radioaktivnih snovi nara{~a s hitrostjo. Rezultat je z ra~uni podprl Abraham v prvi hipotezi o strukturi elektrona, trde kroglice z enakomerno porazdeljenim nabojem. Nekaj ~asa so Kaufmannove rezultate uporabljali proti teoriji relativnosti, nato pa so jih popravili z bolj to~nimi meritvami.

Max Abraham iz Danziga (dana{nji Gdansk) je leta 1897 kon~al Univerzo v Berlinu in tam delal kot Planckov asistent. Med letoma 1900 in 1909 je bil profesor v Göttingenu, do prve svetovne vojne in po njej v Milanu, nato pa v Stuttgartu in Aachnu.

Leta 1897 je Villard557 opustil raziskovanje fizikalne kemije in se lotil "katodnih àrkov". Druga~e od J. J. Thomsona je imel naelektrenost "katodnih àrkov" za manj pomembno lastnost, najpomembnej{e pa se mu je zdelo njihovo kemi~no delovanje. Naslednje leto je opisal "katodne àrke" kot vodikove ione, saj se je hotel izogniti "nepotrebni" vpeljavi nove vrste delcev. Ideja je bila nasprotna tako britanskim "korpuskulam" kot nem{kim "valovom" in elektronom; zato je Villard ostal osamljen.

Paul Ulrich Villard iz Lyona je leta 1881 za~el {tudirati na École Normale Supérieure, kjer se je ~ez tri leta zapisal fiziki. Pou~eval je na razli~nih licejih zunaj Pariza, nazadnje v Montpellierju. Nato je pri{el v kemijski laboratorij Henrija Julesa Debaya pri École Normale Supérieure kot svobodni raziskovalec. Med letoma 1906 in 1908 je objavil teorijo severnega sija, nato pa je 21. 12. 1908 postal ~lan pari{ke Akademije.

Med letoma 1899 in 1900 je Villard odkril àrke γ, ki so jih sprva imenovali po njem. Svoje trditve je opisal na prvem mednarodnem kongresu fizikov v Parizu med 6. in 11. 8. 1900, ob sprejemu nagrade pari{ke Akademije 19. 12. 1904 in {e posebej v Abraha- movem in Langevinovem zborniku iz leta 1905, kjer so dve tretjini razprav napisali J. J. Thomson in njegovi u~enci. Ni imel podpore pri mlaj{ih pari{kih raziskovalcih, ki so po letu 1905 objavljali v reviji Le Radium, po letu 1918 zdruèni z Journal de physique. Svojo teorijo je Villard opustil {ele med letoma 1906 in 1908, ko je bil è priznan za najpomembnej{ega francoskega raziskovalca "katodnih àrkov".558 Towsend je prvi opisal ionizacijo plina s trki. V letih 1897 in 1898 je skupaj s H. E. Wilsonom v Cavendishu meril skupen naboj "katodnih àrkov" s tehtanjem kapljic vode ob njihovem tiru v megli~ni celici C. T. R. Wilsona. Nameril je1·10–19 Asin0,9·10–19 A s za pozitivne ione. V istem ~asu je J. J. Thomson dolo~al naboj ionov, dobljenih po obsevanju zraka z rentgenskimi àrki. Leta 1898 je dobil nekoliko vi{je vrednosti, 2,2·10–19 A s, leta 1901 pa 1,1 · 10–19 As.

Irec John Sealey Edward Towsend iz Galwaya je leta 1890 kon~al Univerzo v Dublinu. Med letoma 1896 in 1900 je bil ob Rutherfordu prvi sta`ist raziskovalec pri J. J. Thomsonu v Cavendishu, ko so tam uradno vpeljali tak{en status. Towsend je bil bolj{i matematik od Rutherforda in je bil leta 1900 izbran za wykehamskega profesorja fizike v Oxfordu in vodjo Elektri~nega laboratorija. Leta 1941 je slu`bo izgubil; ob nepravem ~asu je vojski odrekel sodelovanje.

198 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Leta 1900 je Towsend559 dokazal, da se pri ionizaciji plina lo~ijo elementarni naboji enake velikosti, kot jih imajo ioni pri elektrolizi.560 [ele okoli leta 1910 je ugotovil, da meri elektrone. V svojih poskusih je uporabljal previsoke tlake v primerjavi s poskusi Francka in G. L. Hertza leta 1914 v Berlinu, ki sta merila po nasvetu direktorja fizikalno-tehni{kega in{tituta Warburga. Towsendu se je tako izmuznilo pomembno odkritje. Po drugi strani pa sta bila tudi Franck in Hertz na napa~ni sledi, saj sta sprejela nepravilno Lenardovo razlago fotoefekta iz leta 1902. [e leta 1916 sta odklanjala Bohra, ki je z njuno meritvijo podprl svojo teorijo. Napaki je botrovalo njuno pomanjkanje ~asa zaradi tedanjih voja{kih obveznosti. Towsend nikoli ni priznal to~nosti meritev Francka in Hertza, ~eravno sta leta 1925 dobila Nobelovo nagrado za fiziko. Raziskovalna sredi{~a so se tudi pri elektronih po~asi selila v ZDA. Edisonov prijatelj Rowland je dokazal, da prosti naboji v gibajo~em se vodniku povzro~ajo enake u~inke kot gibanje nabojev v mirujo~em vodniku. Meritev je {e posebej navdu{ila Maxwella.

Robert Andrews Millikan je bil rojen v Illinoisu v druìni protestantskega duhovnika. V kolidù majhnega mesta se je fizike u~il predvsem pri pouku gr{~ine. Na Univerzo Columbia se je vpisal kot edini slu{atelj fizikalne usmeritve. Vmes je leto dni {tudiral tudi pri Michelsonu v Chicagu. Po doktoratu na Univerzi Columbia je ob pomo~i Srba Pupina odpotoval v Evropo poslu{at predavanja Plancka, Nernsta in Poincaréja. Leto dni pozneje ga je Michelson s telegramom povabil za svojega asistenta. Leta 1910 je postal profesor v Chicagu in poloàj obdràl 11 let. Po dveh desetletjih predavanj in pisanja u~benikov se je lotil poskusov. Leta 1915 je bil izbran v NAS in nato {e za znanstvenega svetovalca pri Western Electrics (WE). Med vojno je vodil Nacionalni raziskovalni svet. Novi CalTech je med letoma 1921 in 1945 vodil z izrednim posluhom za organizacijo. Med obema vojnama je raziskoval kozmi~ne àrke ob ostri izmenjavi mnenj z Ameri~anom A. H. Comptonom. Leta 1923 in 1927 sta drug za drugim dobila Nobelovi nagradi za fiziko.

Leta 1906 je Millikan v Chicagu ponavljal Wilsonove, Thomsonove in E. Regenerjeve poskuse za dolo~anje velikosti naboja, opravljene v Cavendishu {tiri leta poprej. Sestavil je mo~nej{i izvir, ki je dajal do 10 kV, in izdelal "postopek uravnove{anja kapljic". Bakreni plo{~i polmerov 22 cm je na razdalji 15 mm postavil v posodo s spremenljivim tlakom, ki ga je meril z manometrom. Med plo{~i napetosti 10 kV je zrak ioniziral z rentgenskimi `arki. Vanj je pihal kapljice olja, ki je izhlapevalo manj od vode, in jih opazoval skozi teleskop. Iz hitrosti padanja kapljic je dolo~il njihovo maso (slika 9.3). Dok- torand Fletcher je slu~ajno opazil, da lahko posamezne kapljice z elektri~no silo kondenzatorja obdr`i v lebdenju zelo dolgo ~asa. Tako je lahko

Slika 9.3: Millikanova merilna naprava561

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 199 natan~no izmeril njihov naboj, ki je bil vedno mnogokratnik osnovnega naboja 1,55 · 10–19 A s. Hitro je poklical Millikana in nato sta si privo{~ila {est tednov meritev. Prvotno zami{ljene poskuse iz Cavendisha s {tetjem in tehtanjem kondenziranih kapljic sta spremenila v njihovo uravnove{anje. Hitrost padanja sta za~ela meriti {ele potem, ko je postala konstantna. Po prehodu kapljice ~ez dolo~eno to~ko sta smer elektri~nega polja obrnila in ugotovila {e hitrost dvigovanja kapljice. Meritev je omogo~ila dolo~itev

naboja in mase kapljic. 561

Harvey Fletcher je {tudiral na Univerzi v Chicagu. Po kratkem sodelovanju mu je Millikan za doktorsko disertacijo predlo`il meritev naboja elektrona. Njegov dele` pri Millikanovih meritvah je bil objavljen {ele po smrti562. Fletcher je doktoriral leta 1911. Vodil je akusti~ne in fizikalne raziskave v Bell Labs med letoma 1925 in 1952, nato pa je pou~eval na univerzah Columbia in Brigham Young.

Odkritje sta v Edisonovem stilu sporo~ila tisku in po`ela veliko pozornosti. Millikanov laboratorij je obiskal sloviti Steinmetz in {ele tedaj za~el verjeti v obstoj elektronov. Avgusta 1909 je Rutherford na sre~anju BAAS v Winnipegu v Kanadi trdil, da "do sedaj {e ni bilo mogo~e zaznati posameznega elektrona po njegovih elektri~nih ali opti~nih u~inkih in jih tako neposredno pre{teti, kot so storili z α-delci". 31. 8. 1909 je na istem sre~anju Millikan poro~al o uspe{nih meritvah. 30. 9. 1909 je bila Millikanova razprava objavljena, vendar le s podpisom Millikana, ki je leta 1923 zanjo dobil Nobelovo nagrado za fiziko. Leta 1913 sta Millikan in Fletcher izmerila osnovni naboj 1,591 · 10–19 As.563 Ve~ina razlik glede na sodobno vrednost izvira iz tedanje neto~ne meritve viskoznosti zraka. Vendar je Millikan meril 175 kapljic, med njimi 107 po 13. 2. 1912, ko je opravil prve objavljene meritve. Kljub temu je objavil le 58 meritev, saj se druge niso dovolj dobro skladale s teorijo in se je bal kritike Dunaj~ana Ehrenhafta, ki je imel kot profesor dunajske Univerze od leta 1912 na razpolago veliko bolj{e merilne naprave. Ehrenhaft je doktoriral pri F. S. Exnerju. @e leta 1901 je kot asistent Viktorja Edlerja von Langa na Dunaju izmeril naboj kovinskih delcev 1,53 · 10–19 A s in neodvisno od Millikana razvil postopek merjenja osnovnega naboja na kapljicah. Vendar je trdil, da meri tudi subelektronske naboje, manj{e od elektronskega. Medtem ko je bil Millikan prepri~an atomist, je Ehrenhaft zagovarjal zveznost snovi in ni nikoli sprejel Millikanovih meritev naboja padajo~ih kapljic. Vendar je na Solvayevem kongresu leta 1911 Friderich Hasenhörl poro~al, da je tudi Ehrenhaftov asistent Przibran sprejel Millikanove rezultate. Na istem kongresu je Einstein poro~al o meritvah svojega asistenta na nem{ki Univerzi v Pragi Edmunda Weissa, ki je podal nove dokaze proti Ehrenhaftovi teoriji. Tako je Ehrenhaftu ostala le {e podpora nekaterih u~encev, kot so bili Lecher, F. Zerher in D. Konstantinowsky. Po preselitvi v ZDA je imel zato v fizikalnih krogih velike te`ave.564 Pozneje se je izkazalo, da Millikanov merilnik ni bil uporaben za kapljice z naboji, ve~jimi od 30 osnovnih nabojev. Kljub temu je bila Millikanova meritev vsaj 16-krat natan~nej{a od predhodnih. Imela je le napako okoli 0,5 %, ki pa je sam ni objavil. Njegove meritve so hitro ponovili v drugih laboratorijih.

9.1.6 Pomembnej{i prispevki k "odkritju" elektrona V zadnjem desetletju 19. stoletja so objavili nad 70 razprav, neposredno povezanih z "odkritjem" elektrona, najve~ leta 1894 in predvsem 1897 (tabela 9.1). Sodobniki so odkritje pripisovali razli~nim osebam (tabela 9.2).565

200 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Tabela 9.1: "Odkritelji" elektrona. Razlaga okraj{av za metode: B – Meritev odklona elektronov v magnetnem polju; E – Meritev odklona elektronov v elektri~nem polju; H – Meritev energije pri pospe{evanju "katodnih `arkov" (segrevanju elektronov); I – Meritev odklona {irokega curka v spremenljivem elektri~nem in magnetnem polju ter merjenje trajanja toka; L – Meritev hitrosti elektronov; R – Meritev ustavljanja elektronov v elektri~nem polju; V – Meritev razlike napetosti za pospe{evanje elektronov.

e/m Leto Raziskovalec Kraj Izvir Metoda v (107 m/s) (1011 A s/kg) 1890 Schuster Manchester "Katodni àrki" B 0.00005–0,1 / Zeeman, 31. 10. 1896 Leyden Spektralne ~rte B nad 1 / Lorentz marec 1897 Wiechert Königsberg "Katodni àrki" B pribli`no 1 / 21. 5. Kaufmann Berlin "Katodni àrki" B 1 / 1897–1898 30. 4. 1897 Thomson Cambridge "Katodni àrki" B, E 0,77 2,2–3,6 30. 4. 1897 Thomson Cambridge "Katodni àrki" B, H 1,0–1,4 2,4–3,2 "Lenardovi 1898 Lenard Heidelberg B, E 0,639 / àrki" "Lenardovi 1898 Lenard Heidelberg B, R 0,68 / àrki" 1899 A. W. Simon "Katodni àrki" B, V 1,865 / 1899 Wiechert Königsberg "Katodni àrki" B, L 1,26 / 1899 Thomson Cambridge Fotoelektroni I 0,76 / Razàrjene 1899 Thomson Cambridge I 0,87 / kovine 1900 Lenard Kijev Fotoelektroni B, V 1,15 / za~etek Becquerel Pariz β-àrki radija B, E 1,0 20 1900 1901–1902 Kaufmann Berlin β-àrki radija B, E 1,77 / 1901 Seitz "Katodni àrki" B, E 0,645 7,03 1902 Seitz "Katodni àrki" B, H, V 1,87 5,7–8,5 1903 Stark Göttingen "Katodni àrki" B, E 1,84 3,2–12 Razàrjeni 1904 Owen Anglija I 0,56 / oksidi Razàrjeni 1904 Wehnelt Erlangen B, V 1,4 / oksidi 1905 Reiger "Katodni àrki" B, R 1,8 10 1905 Reiger Fotoelektroni B, V 0,96–1,2 / 1906 Evers β-àrki polonija B, E 1,7 / Naelektrene 31. 8. 1909 Millikan Chicago E 1,70 / kaplje Tolman, T. D. Pospe{evanje 1916 ZDA 1,6 / Stewart kovine Millikan, Naelektrene 1909–1913 Chicago E 1,73 / Fletcher kaplje H. D. Baock, Zeemanov 1923–1929 ZDA B 1,761 / W. V. Houston pojav danes 1,7588048

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 201 Tabela 9.2: "Odkritelji" elektrona v o~eh sodobnikov

Avtor zapisa Objava "Odkritelj" elektrona Kaufmann konec leta 1899 Zeeman Bohr Nobelovo predavanje leta 1922 Lenard in Thomson Rutherford in sodelavci 1930 Thomson, Wiechert in Kaufmann

"Odkritje" elektrona je bil dolgoletni proces, ki ga zaradi enostavnosti pripisujemo kar Thomsonu. Thomson sicer ni objavil najbolj natan~nih poskusov, zato pa je rezultate edini nedvoumno pojasnil z odkritjem novega delca.

9.2 Thomsonovo raziskovanje "pozitivnih `arkov" (1906–1914)

Po odkritju "korpuskule" z negativnim nabojem si je Thomson èlel odkriti {e "atom" pozitivne elektrike. Zato je v za~etku 20. stoletja za~el raziskovati "pozitivne àrke". Kljub nekaterim uspehom projekt ni prinesel tako odmevnih uspehov kot starej{e raziskovanje "katodnih àrkov". Leta 1886 je Goldstein odkril "kanalske àrke", ki so se pozneje izkazali za curek pozitivnih ionov. V prvih letih 20. stoletja so pobudo pri raziskovanju àrkov prevzeli Francozi, vendar se je njihov prispevek dokaj neslavno kon~al. Sprva so mo~no podprli "N-àrke", ki naj bi jih odkril Blondlot z univerze v mestu Nancy leta 1903. Vendar se je do leta 1906 izkazalo, da gre za napako. Marca 1906 je J. Becquerel, sin Nobelovca Henrija, objavil presenetljivo odkritje pozitivnih elektronov, kar se je v naslednjih letih prav tako izkazalo za eksperimentalno napako.566 V naslednjih letih pred 1. svetovno vojno je Thomson raziskoval "kanalske àrke". O njih {e dve desetletji po Goldsteinovem odkritju ni bilo znanega veliko ve~, kot da so pozitivno nabiti in da imajo razmerje e/m primerljivo z vodikovim ionom.

9.3 Raziskovanje sestave atoma

V prvih raziskavah razelektritev je J. J. Thomson leta 1882 in 1884 podpiral W. Thomsonov vrtin~ni model atoma. Nekaj mesecev pred H. Nagaoko je J. J. Thomson v Sillimanovskih predavanjih na Univerzi Yale v ZDA objavil model atoma z enakomerno porazdeljenim nabojem obeh vrst.567 Naslednje leto je opisal skupine elektronov v atomu, ki povzro~ajo periodi~nost kemijskih elementov. Atom si je zamislil sestavljen iz tiso~erih vrte~ih se delcev, ki sevajo in destabilizirajo atom. Zamisel je pojasnjevala le vezi med ioniziranimi molekulami. Pozitivni elektriki leta 1905 ni pripisal mase. Dràla naj bi skupaj delce v atomu po analogiji s hidrodinamiko fluidnega etra v "Faradayevih ceveh". Tako je sestavil model iz krogle enakomerne pozitivne elektrike, po kateri se gibljejo majhni lo~eni delci. êprav je moral leta 1906 opustiti tak{en model, je {e vedno razmi{ljal o Faradayevih silnicah. Svoje modele atoma je najraje gradil iz "korpuskul", ki jih je sam odkril. Leta 1906 so meritve sipanja svetlobe in rentgenskih àrkov ter absorpcije àrkov β v plinih pokazale, da je {tevilo "korpuskul" v atomu reda velikosti njegovega masnega {tevila. Pozitivne elektrike ni bilo ve~ mogo~e opisovati brez mase, ki je morala biti celo veliko ve~ja od mase elektronov. Zato je Thomson opustil uporabo Faradayevih silnic in

202 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK domnevo o popolnoma elektromagnetni masi "pozitivnih `arkov", ki jo je sprejel na za~etku stoletja.568

9.4 Meritve razmerja e/m pri "pozitivnih `arkih"

Leta 1904 je Fitzpatrick, nekdanji demonstator v Cavendishu in nato predsednik tamkaj{njega Queen's Collegea, daroval Cavendishevim laboratorijem napravo za uteko- ~injenje zraka. Tisti ~as so uporabljali Sprenglovo ali Töplerjevo ~rpalko. Leta 1905 izumljena Gaedejeva ~rpalka je bila zelo draga, tako da so jih {e leta 1913 v Cavendishu imeli samo tri ali {tiri.569 Vakuum so izbolj{evali z ogljem, hlajenim v teko~em zraku, ki so ga dodali v katodno elektronko. Postopek je prvi vpeljal Dewar in je bil za kratek ~as po ~rpanju celo bolj{i od Gaedejeve rotacijske ~rpalke. Pozneje, ko oglje absorbira ves plin, ki ga zmore, ne pomaga ve~ pri vzdrèvanju vakuuma. J. J. Thomson in Aston sta imela le zelo majhno luknjo v opazovalni vakuumski posodi za ozko kapilaro, povezano z razelektritveno posodo. Zato sta lahko uporabljala oglje za absorpcijo tudi celo uro in {e dlje. Glede na uspeh pri meritvah razmerja e/m "korpuskul", se je Thomson leta 1905 odlo~il za podobne meritve tudi pri pozitivnih "kanalskih àrkih". Z elektri~nim in magnetnim poljem jih je odklanjal v parabolo. Rezultati so bili mo~no odvisni od tlaka. Pri tlaku 0,026 mbar je opazil skoraj ravne luminiscen~ne ~rte na zaslonu iz willemita*. ^rte negativnih delcev so bile simetri~ne, vendar bolj blede. Zaradi ravnih ~rt je Thomson domneval, da imajo "kanalski àrki" stalne hitrosti, vendar spre- menljivo razmerje e/m z maksimalno vrednostjo enako kot pri vodikovem ionu. Tako kot je 10 let prej domneval, da atome sestavljajo "korpuskule", je tokrat trdil, da so vodikovi ioni osnovni gradniki vseh atomov. Pri ni`jih tlakih do 0,0039 mbar so negativne ~rte izginile, pozitivne pa so se cepile v krivulje. Zaradi razli~nih vrednosti razmerja e/m je Thomson menil, da se spreminja naboj delcev in ne njihova masa. Podobno domnevo je objavil Helmholtzov {tudent Wien leta 1898 in 1902. Thomson je pri meritvah spreminjal tlak in vrsto plina, vendar je vedno dobil enaki ~rti z razmerjema e/m 10 000 in 5000 (slika

9.4). 570 Slika 9.4: Thomsonova elektronka iz leta 1907 za Leta 1908 je Thomson objavil, da so opazovanje "pozitivnih `arkov" na luminiscen~nem vsaj del merjenega ~asa "pozitivni zaslonu iz willemita. Vakuum je izbolj{al z izrast- `arki" nevtralizirani, kar je poskusil kom, polnim oglja, hlajenim v teko~em zraku.570

* Zn2SiO4

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 203 pojasniti z dvojicami raznorodnih nabojev. Marca 1909 je kupil Wehrstenov induktor "Mercedes", ki je dajal do 20 kV pospe{evalne napetosti, veliko ve~ kot do tedaj uporabljani Wimshurstov induktor, ki so ga v pozni viktorijanski dobi veliko uporabljali za napajanje ve~barvnih Geisslerjevih cevi.571 @al se rezultati niso spremenili, saj je bila hitrost pozitivnih `arkov enaka v vseh plinih, ne glede na pospe{evalno napetost.

Francis William Aston je bil sin premo`nega trgovca s kovinami v Birminghamu. [tudiral je kemijo na Univerzi v Birminghamu in tam delal med letoma 1903 in 1908. Tri leta je delal v tovarni piva, kjer se je za~el zanimati za razelektritve.572 V za~etku leta 1910 je postal Thomsonov raziskovalni asistent. Leta 1913 je bil izbran za Maxwellovega {tipendista v Cavendishu in je lahko razvil lastno smer raziskovanja. Leta 1907 je Thomson opisal delovanje masnega spektrografa za lo~evanje ionov razli~nih izotopov, ki jih je napovedal `e Crookes leta 1886. Leta 1912 je s poskusom prvi dokazal obstoj izotopov neona. Prvi masni spektrograf je sestavil Aston leta 1919 in istega leta dokazal obstoj izotopov klora in `ivega srebra573. Za izum spektrografa in raziskovanje izotopov je leta 1922 dobil Nobelovo nagrado za kemijo. Leta 1925 in 1937 je izbolj{al delovanje spektrografa. Odkril je masni defekt in z njim leta 1927 meril {tevilne izotope. Leta 1931 je odkril izotop urana.

Po Astonovem prihodu so za~eli v Cavendishu natan~neje meriti. Septembra 1910 so pove~ali prostornino osrednjega dela katodne elektronke na2Linhladili oglje v teko~em zraku, kar je omogo~ilo meritve pri ni`jih tlakih. Osnovni eksperimentalni problem je bil leta 1910 dovolj visok tlak za razelektritev in obenem dovolj visok vakuum v posodi za odklon nabitih delcev. Zato so lo~ili prostor za razelektritev od posode za elektromagnetni odklon na Lenardov na~in iz leta 1895, ki je è botroval odkritju rentgenskih àrkov. Lenardovo "okno" so za~eli uporabljati v Angliji leta 1897, v Nem~iji pa {ele leto pozneje, saj je Lenard med letoma 1896 in 1897 prekinil eksperimentiranje med izdajanjem del umrlega Hertza. êprav so v Angliji visoko cenili Lenardove poskuse, so takoj zavrnili njegov model prenosa mehanskih impulzov v etru in njegovo domnevo o snovi "Urstoff", enaki za vse atome.574 Do nem{ke filozofske navlake jim pa~ ni bilo. V za~etku leta 1910 je Thomson uporabil svoj stari model atoma za obravnavo sipanja àrkov β v snovi in dve leti pozneje pri opisu ionizacije. Jeseni 1910 je namesto

Slika 9.5: Thomsonova merilna naprava iz obdobja po letu 1910 za fotografiranje "pozitivnih `arkov" z veliko posodo za razelektritev, posodo z ogljem, hlajenim v teko~em zraku, in velikim elektro- magnetom575

204 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK luminiscen~nega zaslona za~el fotografirati "pozitivne `arke". Sprva je ekspozitura trajala nekaj ur, nato pa 3 minute in manj. S te`kim srcem je moral priznati, da pri starej{ih meritvah ni zaznal te`jih ionov zaradi premajhne ob~utljivosti luminiscen~nega

zaslona iz willemita (slika 9.5). 575 @e od leta 1898 si je Thomson zami{ljal ionizacijo kot posledico trka hitrega "katodnega àrka" ob molekulo, iz katere izbije novi "katodni àrek". Ni pa zagotovo vedel, ali se iz molekule odcepi cel ion, kot je verjel leta 1907 in domnevo potrdil z meritvami leta 1910. Morda pride le do izbijanja elektrona, do ionizacije? Opazovanje v izbolj{ani Wilsonovi megli~ni celici so leta 1911 prepri~ala Thomsona, da ve~ina ionov v plinu nastane po trku med ioni in molekulami. Leta 1912 je uporabil Faradayev valj za eno redkih kvantitativnih meritev, vendar se je kaj kmalu vrnil h kvalitativnim meritvam s fotografskimi plo{~ami. Do leta 1910 je Thomson {e menil, da je enota pozitivne elektrike kar vodikov ion. Leta 1912 je to misel kon~no opustil, saj je natan~ni Aston dokazal, da so bili njegovi zgodnji rezultati posledica onesnaènja merilnega aparata z vodikom, ~eprav plina spektroskopsko ni mogel zaznati. Raziskovanje "pozitivnih àrkov" ni ve~ obetalo odgovora na vpra{anje narave elektrike. Zato ga je Thomson opustil in se vrnil k preu~evanju sestave atomov in svetlobe.576 @e na 2. Solvayevi konferenci poleti 1913 je opisal kvantno emisijo in absorpcijo sevanja z novim modelom atoma. V sredi{~u atoma si je zamislil pozitivne naboje z ve~ino elektronov, ki so bili obkroèni z redkimi {ibko vezanimi valen~nimi elektroni. Verjetno je vse do leta 1921 mislil, da maso atoma sestavljajo α-delci, vodikovi atomi pa so dodani pri jedrih z lihimi masnimi {tevili.577

9.5 Nobelovi nagrajenci med sodelavci Thomsona in Rutherforda

Kmalu po koncu 1. svetovne vojne je Thomson prepustil vodenje Cavendishevih laboratorijev nekdanjemu u~encu Rutherfordu. Obdràl je le skromen laboratorij za raziskovanje "pozitivnih àrkov" v Cavendishu in ~astno mesto vodje Kolegija sv. Troji- ce. Za seboj je pustil veli~astno delo. Kar sedem njegovih asistentov je dobilo Nobelove nagrade, 27 pa so jih sprejeli v RS. Nekaj ~asa so Thomsonovi {tudentje predavali na ve~ini fizikalnih kateder v Britaniji in v {tevilnih drugih angle{ko govore~ih deèlah (tabela 9.3).578 Vendar ima tudi "Sonce svoje pege" in celo J. J. Thomson ni pravilno ocenil nadarjenosti Nielsa Bohra, ko ga je kot mlad doktorand obiskal v Cavendishu. Jeseni 1911 mu je predloìl izvedbo poskusa s "kanalskimi àrki", Bohr pa ni ravno poskakoval od veselja, saj bi veliko raje kaj ra~unal. V tem ~asu so v Cavendishu ve~ino naprav za poskuse morali izdelati kar sami, vklju~no s pihanjem stekla. Kljub temu je imela Thomsonova teorija atoma velik vpliv na Rutherfordov jedrski model {e pozimi 1910/11.579 Po 1. svetovni vojni je Thomson po~asi za~el izgubljati stik z novimi odkritji. Med vojno je bil dotok nem{kih in francoskih ~asopisov v Cambridge prekinjen, po vojni pa iz teh ali onih vzrokov naro~il ni obnovil. Ker je bila nem{ka fizika tisti ~as tako pomembna kot pozneje ameri{ka, je Thomson ostal zunaj idejnih tokov novih generacij fizikov.580 Predvsem je bil Thomson sprejemljiv za kritike svojih sodelavcev med pogovori v laboratoriju. Svoje mnenje je bil vedno pripravljen spremeniti pod pritiskom argumentov. Tako je {e 7. 8. 1887 zgroèno poro~al prijatelju in sodelavcu Threlfallu o predlogih, da naj bi dekleta obiskovala univerzitetna predavanja. Manj kot poltretje leto pozneje se je

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 205 Tabela 9.3: Thomsonovi in Rutherfordovi Nobelovci

Leto Podro~je Raziskovalec Narodnost Laboratorij (direktor) ^as sodelovanja 1906 fizika Thomson Angle` 1908 kemija Rutherford Avstralec Cavendish (Thomson) 1895–1898 1915 fizika W. L. Bragg Avstralec Cavendish 1908–1919, pri Wilsonu* 1917 fizika Barkla Angle` Cavendish (T) 1895–1902 1921 kemija Soddy Angle` Montreal (Rutherford) 1900–1902 1912–1916, tudi Cavendish 1922 fizika Bohr Danec Manchester (R) 1911 1910–1913, nato 1922 kemija Aston Angle` Cavendish (T) samostojen 1900–1934, profesor od 1927 fizika Wilson [kot Cavendish (T) 1925 1928 fizika Richardson Angle` Cavendish (T) 1901–1906 1919–1935, namestnik 1935 fizika Chadwick Angle` Cavendish (R) direktorja po 1923 1937 fizika G. P. Thomson Angle` Cavendish (T, R) 1919–1922 1943 kemija Hevesy Mad`ar Manchester (R) 1902–1914 1944 kemija Hahn Nemec Cavendish (R) 1920–1924, asistent 1947 fizika Appleton Angle` Cavendish (T) demonstratorja 1948 fizika Blackett Angle` Cavendish (R) 1923–1933 1950 fizika Pauel Angle` Cambridge le {tudira do 1925 1951 fizika Cockroft Angle` Cavendish (R) 1925–1939 1951 fizika Walton Irec Cavendish (R) 1930–1934 1967 fizika Bethe Nemec Cavendish (R) ob~asni obiski 1978 fizika Kapica Rus Cavendish (R) 1921–1935

2. 1. 1890 poro~il s svojo {tudentko Rose Elisabeth Paget. Podobno se je desetletje prej pripetilo tudi Boltzmannu. Zare~enega kruha se pa~ najve~ poje.

9.6 Odmevi Thomsonovih raziskav na Slovenskem

V slovenskem jeziku pred koncem 19. stoletja ni bilo mogo~e dobiti tehtnega odgovora o naravi elektrike: "Kaj je elektrika?... Priznati moramo, da ne znamo odgovora na vpra{anje, ki smo ga stavili na za~etku tega odstavka. Pri{li smo do jedne tistih mej, katerih prekora~iti ne moremo. Ne bom rekel, da u~enjaki ne vedó, neizmerno bistroumno razjasniti si razli~nih elektri~nih prikaznij. Toda o poslednjem vzroku teh prikaznij nam u~enost svetá ne vé ni~ povedati..." 581 J. J. Thomsonov model atoma, polnega elektronov, je imel na Slovenskem zagovornike {e tik pred 1. svetovno vojno: "Novej{a raziskovanja so nam prinesla glede sestave atomske snovi marsikaj novega in skoraj nepri~akovanega. Predvsem se je pokazalo, da

* Polovi~no je bil zaposlen drugje.

206 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK ne izpolnjuje ~ista snov vsega atomovega prostora in da si moramo misliti atom sestavljen iz velike mnoìce silno drobnih telesnih delcev. Te od atoma mnogo tiso~krat manj{e in la`je delce imenujemo elektrone. Najla`ji vodikov atom ima ~ez 2000 elektronov v sebi; v drugih atomih jih je pa gotovo {e ve~. Kakor se atomi v telesu neprestano gibljejo in tresejo, podobno kroìjo tudi elektroni v malem prostoru atoma z veliko hitrostjo..." 582 Pred 1. svetovno vojno so se srednje{olci na Slovenskem u~ili o elektronih in o "pozitivnih àrkih":583 "Elektron je smatrati kot najmanj{i naelektreni tvarni delec, ki se od tvarinskega atoma bistveno razlikuje... So tudi àrki, ki padajo v katodnem prostoru na katodo; ~e je katoda sitasta, gredo ti àrki skoz njo in tvorijo na drugi strani takozvane kanalske àrke. Magnet jih odklanja v nasprotnem smislu nego katodne àrke, vendar ne z enako jakostjo. So torej tudi pozitivni elektroni; njihova hitrost je manj{a, njihova masa je ve~ja od negativnih elektronov."

Ljubljan~an Jo`ef Reisner je {tudiral na dunajski Filozofski fakulteti in vmes odslu`il {e enoletni voja{ki rok. Od leta 1895/96 je prejemal Knafljevo {tipendijo. Med letoma 1899 in 1900 je bil suplent v Celju in nato do leta 1904 v 8. dunajskem okraju, kjer je v Izvestjah leta 1904 objavil razpravo "Uporaba dolo~enega integrala za definicijske ena~be" v nem{kem jeziku. Do leta 1905 je pou~eval na Realki v Idriji in nato na novome{ki gimnaziji. Po enoletnem dopustu 1908/1909 za pisanje u~benika je bil z ukazi ministrstva junija in julija 1910 prestavljen iz Novega mesta na 1. klasi~no gimnazijo v Ljubljani. V Ljubljani se je upokojil leta 1921, potem ko je zadnje leto honorarno predaval fiziko tudi na Medicinski fakulteti. Med prvo svetovno vojno je bil mobiliziran. Med letoma 1921 in 1923 je bil narodni poslanec. Kljub upokojitvi je bil med letoma 1923 in 1938 direktor Tehni{ke srednje {ole v Ljubljani.

Desetletje pozneje so na{i predniki brali: "... atomi elektrike, ki so se lo~ili od navadne materije. Thomson jih je imenoval korpuskula (telesca), danes je splo{no v rabi ime 'elektron', ki jim ga je dal Stoney. Crookesova teorija je postala za~etek zelo plodovite elektronske teorije." 584

J. J. THOMSONOVO RAZISKOVANJE ... 207 208 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Elektronski mikroskop

Analogija med elektronskim curkom in svetlobo je so~asno pripeljala do pomembnih odkritij v fiziki in v elektrotehniki. Elektronski mikroskop uporablja magnetno polje namesto le~ in curek elektronov namesto vidne svetlobe. Oglejmo si predvsem razvoj eksperimentalne tehnike fokusiranja curka elektronov.

10.1 Svetlobni mikroskop

Svetlobni mikroskop je bil prvi~ uporabljen nekaj let za teleskopom v za~etku 17. stoletja na Nizozemskem ali pri Galileiju v Padovi.585 Mikroskope so zgodaj uporabljali v na{ih krajih. 1. 11. 1705 je Kranjski de`elni zbor dolo~il 200 goldinarjev letne pla~e za profesorja matematike in kupil potrebne "matemati~ne instrumente", med katerimi so bile tudi opti~ne naprave. 17. 9. 1755 so na Liceju v Ljubljani nabavili son~ev mikroskop ter manj{i in ve~ji ro~ni mikroskop s kroglo. Son~ev mikroskop z naravno svetlobo se je pojavil v 1730-ih letih kot cev s kondenzorjem na eni strani in enostavnim Wilsonovim mikroskopom kot projekcijsko le~o na drugi. Pred letom 1811 so v Ljubljani nabavili sestavljeni mikroskop in laterno magico, kot so tedaj imenovali mikroskop z objektivom iz dveh velikih le~.586

10.1.1 Jena: zmogljivost opti~nega mikroskopa Leta 1873 je Abbe, profesor na Univerzi v Jeni in sodelavec Zeissovega opti~nega podjetja, objavil teorijo mikroskopa.587 Pokazal je, da ne moremo opazovati razdalj, manj{ih od polovice valovne dol`ine uporabljene svetlobe. Pri vidni svetlobi je tako meja lo~ljivosti 1/4 mikrometra. Posebno zanimive se zdijo {e danes Abbejeve ideje o izbolj{anju lo~ljivosti mikroskopa z zmanj{evanjem valovne dol`ine uporabljane svetlobe:

ELEKTRONSKI MIKROSKOP 209 "... Ni~ nam ne prepre~uje iti {e dlje v tej smeri in si zamisliti mikroskopsko opazovanje s pomo~jo àrkov, ki leìjo, kolikor ho~emo dale~ za mejo vidnega spektra v UV-obmo~ju. êprav tako dobljena slika ni neposredno opazljiva, jo lahko naredimo vidno s pomo~jo fluorescen~nih snovi..."588 Abbe je razmi{ljal o UV-svetlobi, saj rentgenski àrki in elektroni {e niso bili odkriti. Kljub temu se zdi, kot da je napovedal elektronski mikroskop pol stoletja vnaprej. Omejitev lo~ljivosti mikroskopa je postala mote~a, ko se je ob prelomu stoletij àri{~e fizikalnega raziskovanja premaknilo k atomom in njegovim delcem. [e danes pogosto rabljeni izraz "submikroskopski" ponazarja teàve tedanjih atomistov.

10.2 Poskusi z odklonom elektronov v elektromagnetnem polju

V Abbejevem ~asu so è nekaj desetletij raziskovali "katodne àrke". Ve~ina znanstvenikov ni dvomila, da jih je mogo~e usmerjati z elektri~nim poljem. Hittorf je 9. 10. 1868 v Münstru fokusiral "katodne àrke" z rotacijsko simetri~nim poljem valjastega magneta. Podoben poskus je tik pred smrtjo opravil njegov nekdanji profesor Plücker v Bonnu, vendar ga ni ve~ objavil.589 Hittorf je delal poskuse pri tlakih od 0,33 do 0,16 mbar. Uporabljal je elektromagnet z èleznim valjem premera 10 cm in vi{ine 50 cm, ki je bil pripet z èlezno pre~ko stranice 10 cm. Na koncih valja sta bili amalgamirani cinkovi plo{~i s premerom 9 cm.590 Po Hittorfu se elektrika v plinih prevaja na dva na~ina: iz pozitivne elektrode podobno kot v kovinah in elektrolitih ter s tlivno razelektritvijo iz negativne elektrode. Pri razli~nih pogojih je meril razmerje med obema na~inoma prevajanja. "Katodne àrke" je opisal kot zelo lahek "vodnik" toka. Kraji{~i "vodnika" sta pritrjeni ob elektrodi, med katerimi lahko àrke upogibamo z magnetnimi silami. Pod vplivom mo~nega magneta se àrki gibljejo po krivulji z dvemi do tremi polnimi zavoji na dolìni nekaj ~evljev. Divergentni àrki se gibljejo po spirali. Smeri gibanja "katodnih àrkov" sledimo z opazovanjem fluorescence, ki nastane, ko se dovolj pribliàjo stekleni steni vakuumske cevi. Najlep{o sliko opazimo, ko je valj vakuumske cevi v osi kotve magneta.591 Hittorf je bil prepri~an o valovni naravi "katodnih àrkov". Njihov odklon v magnetnem polju je zato opisal po analogiji s sukanjem polarizacijske ravnine svetlobe v magnetnem polju. Pol stoletja pred de Brogliejem je uporabil analogijo med "katodnimi àrki" in svetlobo.592 Hittorf je pravilno napovedal, da poskusi z magnetnim uklanjanjem "katodnih àrkov" v razred~enih plinih odpravljajo iz fizike {e zadnjo brezte`nostno snov, povezano z elektriko. Njegovo delo je leta 1896 dopolnil Poincaréjev u~enec, Norveàn Birkeland. Tako je bilo pripravljeno potrebno znanje za razvoj elektronike po prvi svetovni vojni.

10.3 Za~etki elektronskega mikroskopa

Analogija med geometrijsko optiko in drugimi vejami fizike je bila ve~krat uporabljena v stoletju, ki je poteklo med delovanjem Hamiltona in Ruske. Geometrijska optika je postala z deli Irca Hamiltona leta 1826 in 1832 dovr{ena znanost. V letih 1834 in 1835

210 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK je Hamilton svojo idejo karakteristi~ne funkcije stanja iz optike raz{iril na mehaniko. Dose`ek so znali izkoristiti {ele v kvantni mehaniki. Francoz de Broglie je leta 1923 pripisal materialnim delcem valovno dol`ino. S tem je obrnil Boltzmannovo (1872) in Planckovo (1900) idejo kvantizacije elektromagnetnega valovanja. Ideja "materialnih valov" je neodvisno vplivala na eksperimentalno fiziko in elektrotehniko. V 1920-ih letih je nem{ki fizik Brüche skoval izraz "elektronska optika".593

10.3.1 Abbejevi nasledniki v Jeni uresni~ijo njegovo vizijo Busch s Fizikalnega in{tituta v Jeni je 18. 10. 1926 objavil ena~be za gibanje elektronov v osnosimetri~nem magnetnem in elektri~nem polju po analogiji z geometrijsko optiko. Dognal je, da je gori{~e curka "katodnih àrkov" na osi simetrije, ki gre skozi vhodno to~ko. Opisal je metodo dolo~anja razdalje med izvirom elektronov in gori{~em njihovega curka z razmerjem mase in naboja (e/m) do natan~nosti tiso~inke odstotka.594 To metodo je 29. 3. 1927 uporabil njegov doktorand na Univerzi v Jeni, Fritz Wolf. Konec maja 1927 je Busch svoje ideje uporabil v Braunovi elektronki, kjer je majhna odklonska tuljava vplivala na curek elektronov kot konveksna le~a z isto gori{~no razdaljo, seveda v primeru le~e za svetlobo. Elektri~no polje je opisal podobno lomne- mu kvocientu v optiki. Idejo je utemeljil na Schrödingerjevi valovnomehanski analogiji med svetlobnim àrkom in delcem z maso, objavljeni januarja 1926. Da bi se izognil razpr{evanju, je za katodo uporabil kroglo premera 13 mm. Anoda je bila kovinska cev premera 25–30 mm in dolìne 20–30 cm s kro`no odprtino premera 8 mm. Na fluorescen~nem zaslonu je z ve~ kot 10 % celotnega toka elektronov dobil zapis premera 0,3 mm.595 Leta 1927 je Busch izra~unal trajektorije elektrona v magnetnem polju. Dognal je, da magnetno polje kratke tuljave enako vpliva na curek elektronov, kot konveksna le~a z dolo~eno gori{~no razdaljo. Gori{~e teh "magnetnih elektronskih le~" je mogo~e zvezno spreminjati s tokom skozi tuljavo. Zaradi pomanjkanja ~asa Busch ni opravil novih poskusov, temve~ je uporabil kar svoje 12 let starej{e meritve iz Göttingena. Te se niso dobro skladale s teorijo, zato si ni upal objaviti mo`nosti uporabe elektronskega mikroskopa.596

10.3.2 Elektronski mikroskop v Berlinu Tisti ~as je berlinski profesor na Fakulteti za elektrotehniko in direktor Elektronskega in{tituta Tehni{ke visoke {ole v Berlinu – Charlottenburg, Matthias, ustanovil raziskovalno skupino pod vodstvom Knolla. Razvili naj bi u~inkovit elektronski oscilograf za meritve hitrih elektri~nih procesov. Najpomembnej{a parametra, ki opredeljujeta natan~nost meritve v tak{nem oscilografu na "katodne `arke", sta premer in energijska gostota elektronskega curka. Za majhno svetlo to~ko zapisa je bilo treba elektrone iz divergentnega katodnega curka osredoto~iti na fluorescen~nem zaslonu osciloskopa. V raziskovalno skupino je bil vklju~en {tudent Ruska, ki je prav tedaj pri{el na berlinsko Univerzo po dveh letih {tudija elektrotehnike v Münchnu. Ruska je leta 1929 s poskusi preveril Buschovo teorijo magnetnih le~. Raziskoval je ostrost in svetlost pege v elektronskem oscilografu s kratko tuljavo. Dobil je bolj{e rezultate ob Buschevih. Vseeno ni bil popolnoma zadovoljen, saj je, podobno kot Busch, uporabil tuljavo z veliko pre{iroko porazdelitvijo polja vzdol` osi.

ELEKTRONSKI MIKROSKOP 211 Ruska je objavil prve slike razli~nih pove~av, dobljene s fokusiranjem elektronov. V svojem diplomskem delu je leta 1930 fokusiral elektronski curek z elektrostatskimi le~ami. Izbira je temeljila na napaki in se je izkazala za razo~aranje. Zato se je kmalu vrnil k magnetnim le~am iz svojih {tudentskih ~asov. Po diplomi leta 1931 se je Ruska {tel za sre~nega, da je v hudi ekonomski krizi lahko obdràl nepla~ano mesto doktoranda na In{titutu za visoko napetost v Berlinu. Med 9. 3. in 7. 4. 1931 je Ruska sestavil prvi elektronski mikroskop s pove~avo od 3,6 do 4,8 (slika 10.1). Vendar so celo mreè iz molibdena ali platine hitro zgorele v curku elektronov. Zato se je Knoll {e 4. 6. 1931 na strokovnem predavanju v Berlinu izogibal izrazu "elektronski mikroskop". Mnogi raziskovalci (upravi~eno) niso verjeli v bodo~nost tak{ne naprave. Manj{a valovna dolìna elektronov je pove~evala lo~ljivost, vendar je obenem pove~ala energijo elektronov, ki so uni~evali opazovani vzorec.597 Isto~asno so {e drugi nem{ki fiziki raziskovali elektronski mikroskop. E. Brüche in H. Johanson sta dobila slike z elektronskim mikroskopom med letoma 1931 in 1932, skoraj so~asno z Rusko in Knollom.598 31. 5. 1931 je Rüdenberg za Siemens-Schuckert- Werken v Berlinu patentiral idejo, ki je bila v osnovi enaka Ruskovi. Zaradi protestov Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft, ki je od ustanovitve leta 1928 opravljala podobne raziskave, je uveljavil patent le v ZDA, kamor je pobegnil iz Hitlerjeve Nem~ije.599 Tako se je ve~ raziskovalcev v Berlinu isto~asno pribliàlo "odkritju" elektronskega mikroskopa. Kljub ekonomski krizi je nem{ka industrija izdatno podpirala temelj-

Slika 10.1: Skici prvega Ruskovega Slika 10.2: Manfred von Ardenne (1907–1997) pri svo- elektronskega mikroskopa z dvema jem univerzalnem presevnem elektronskem mikro- magnetnima le~ama iz leta 1931 skopu, ki ga je prvi~ opisal ob koncu leta 1937.

212 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK ne raziskave. Leta 1932 je Knoll iz Abbejeve ena~be izra~unal, da je mogo~e z elektronskim mikroskopom lo~iti 0,22 nm, kar so v resnici dosegli {ele 40 let pozneje. Aprila 1932 je Knoll od{el v podjetje Telefunken v Berlin, kjer se je ukvarjal z razvojem televizije. Codelli je tisti ~as sodeloval s Telefunknom pri televizijski tehniki. Novembra 1933 je Ruska sestavil elektronski mikroskop z 12 000-kratno pove~avo. Prve slike z novo napravo je objavil nekaj dni po 1. 12. 1933, ko je `e zapustil univerzo in se zaposlil v industriji. Skupaj s sodelavci je dobil pozneje pri Siemensu poseben laboratorij s specializirano delavnico za "serijsko" proizvodnjo. Imeli so tudi propagandni laboratorij za goste, predvsem biologe in zdravnike, kjer so obiskovalci lahko opazovali viruse. Med 2. svetovno vojno od konca leta 1939 do februarja 1945 so dostavili okoli 40 elektronskih mikroskopov (slika 10.2).600

10.4 "Vzporedna" odkritja ob razvoju elektronskega mikroskopa 10.4.1 ZDA in Anglija: Uklon in interferenca elektronov Ruskova ideja o valovanju "katodnih àrkov" je bila v Berlinu ìva {e iz ~asa Helmholtza in Hertza. Poleti 1931 je inènir Ruska prvi~ sli{al za de Brogliejeve "atomes couplés en onde", ~eprav je bila prva objava stara polnih osem let in je de Broglie zanjo è dobil Nobelovo nagrado za fiziko leta 1929. 10. 9. 1931 Ruska in Knoll nista omenila de Broglieja in G. P. Thomsona ob analogiji med àrkom svetlobe in potjo masnega delca v elektronski optiki. Knoll je za de Brogliejevo delo sli{al {ele od Houtermansa v za~etku leta 1932. Ruska in Knoll sta citirala Davissonove in Germerjeve ter Ruppove meritve uklona elektronov po odboju na kristalih in na umetni mreì ter pri prehodu skozi tanek kovinski list.601 "Neobve{~enost" ni nenavadna, saj je {lo za raziskovanja v dovolj razli~nih panogah znanosti: v prakti~ni elektrotehniki in v teorijski fiziki. Poleg tega se de Brogliejeve ideje niso zlahka uveljavljale niti med teorijskimi fiziki. Franck, profesor fizike v Göttingenu, je è julija 1923 spodbudil svojega asistenta Elsasserja k analizi dveh vrst poskusov, ki bi lahko potrdili de Brogliejevo ena~bo. Vendar so se prepri~ljivi poskusi posre~ili {ele pozneje v ZDA. Davisson je pri Western Electronics, poznej{ih Bell Telephone Laboratories, è leta 1921 raziskoval odboj elektronskega curka na plo{~ici iz niklja v vakuumu. Po naklju~ju sta konec leta 1925 skupaj z Germerjem opazila izrazitej{e oja~itve po odboju na monokristalu. Davisson in aberdeenski profesor G. P. Thomson sta se poleti 1926 udeleìla znanstvenega sestanka Britanskega zdruènja v Oxfordu. Tam sta dobila navdih za nove poskuse. 6. 1. 1927 sta Davisson in Germer dobila interferen~no sliko sipanja po~asnih elektronov, ki se je dobro skladala z de Brogliejevo teorijo. To je bilo eno prvih pomembnih znanstvenih odkritij, narejenih v industrijskem laboratoriju. Mesec dni pozneje je G. P. Thomson neodvisno potrdil de Brogliejevo teorijo. Opazoval je prehod hitrih elektronov z energijo do 30 000 eV skozi zlat listi~ in dobil interferen~ne kolobarje.602 Tako sta uporabna elektronika in teorijska fizika, obe dedinji raziskovalcev "katodnih àrkov" iz prej{njih generacij, na{li skupni jezik v poskusih ob rojstvu kvantne mehanike. Leta 1937 sta Davisson in G. P. Thomson dobila Nobelovo nagrado za fiziko za {tudij valovne narave elektronov; tri desetletja po o~etu J. J. Thomsonu, ki so ga nagradili za merjenje del~nih lastnosti elektronov. Vendar se o~e in sin Thomson baje niti nista prerekala o naravi elektrona.

ELEKTRONSKI MIKROSKOP 213 10.4.2 Anglija: Elektronski mikroskop in holografija Madàrski inènir Gabor je v Berlinu med letoma 1924 in 1927 preu~eval visokofrekven~ni oscilograf na isti fakulteti kot pozneje Knollova skupina. Leta 1927 se je zaposlil v Siemensovih laboratorijih. V za~etku leta 1928 se je Gabor v berlinski kavarni pogovarjal z rojakom iz Budimpe{te, Szilardom, o izdelavi in uporabi elektronskega mikroskopa.603 Leta 1947 je Gabor kot raziskovalec v British Thomson-Houston Company v mestu Rugby na Angle{kem sku{al pove~ati lo~ljivost elektronskega mikroskopa, ki je bila teorijsko 0,4 nm, prakti~no pa le 1,2 nm (slika 10.3). Zaradi nepopolne optike ni bilo mogo~e dose~i lo~ljivosti, primerljive z de Brogliejevo valovno dolìno hitrih elektronov, ki meri 1/200 nm. Zato si je Gabor èlel poleg amplitude zapisati {e fazo valovanja, posnetega s koherentnim curkom elektronov. Ideja je bila dovolj zanimiva, da so Gaborju omogo~ili opti~ne poskuse v Metropolitan Vickers, ki je proizvajal elektronske mikroskope. Gaborjevo prvo poro~ilo 15. 5. 1948 je kazalo, da bo novi prijem mogo~e uporabiti v elektronski mikroskopiji. S hologramsko elektronsko mikroskopijo se je Gabor z razli~nimi sodelavci ukvarjal naslednjih pet let. @al je moral svoja "prezgodnja" prizadevanja opustiti, saj elektronski mikroskopi {e dve desetletji niso dosegli teorijskih meja lo~ljivosti, ki jih omejuje sferi~na aberacija. Izbolj{ava lo~ljivosti za faktor dva bi {ele pri tako dobrih mikroskopih omogo~ila opazovanje atomov, kar je Gabor leta 1972 napovedal za novo mo`nost "holografske elektronske spektroskopije".604 Iznajdba laserja je po letu 1962 omogo~ila uporabo Gaborjevih idej v laserskih hologramih. Leta 1971 je Gabor dobil Nobelovo nagrado za izum holografije.

Slika 10.3: Philipsov elektronski mikroskop 400 kV iz leta 1947

214 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 10.5 Prvi elektronski mikroskop v Ljubljani

V. E. Cosslett je bral Knollove in Ruskove razprave è kot doktorand na Univerzi v Bri- stolu po diplomi iz fizikalne kemije leta 1932. @elel si je skozi elektronski mikroskop opazovati biolo{ke vzorce. Med vojno je bil na Oxfordu, leta 1946 pa je pri{el na Cambridge tik pred nabavo sedem let starega Siemensovega elektronskega mikroskopa. Elektronski mikroskop RCA EMB so imeli è od leta 1942. S Cosslettom in sodelavci je Cambridge kmalu postal sredi{~e elektronske mikroskopije. Tu so poleti 1956 organizirali prvo mednarodno konferenco "X-Ray Microscopy and Microanalysis", leta 1960 pa so izdali prvo pregledno knjigo o mikroskopiji z àrki X. Leta 1952 je Ljubljan~an Strojnik dobil petmese~no {tipendijo British Councila za specializacijo iz elektronske mikroskopije pri Cosslettu v Cambridgeu. V tistem ~asu v Jugoslaviji {e ni bilo elektronskih mikroskopov, saj je bila cena vrhunske naprave okoli 30 000 ameri{kih dolarjev. Po Strojnikovi vrnitvi je leta 1953 tedanja Fakulteta za elektrotehniko Tehni{ke visoke {ole v Ljubljani sprejela v svoj delovni program konstrukcijo elektronskega mikroskopa.

Ale{ Strojnik je bil rojen v Ljubljani v druìni profesorja strojni{tva. Kot profesor na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani je vzgojil {tevilne doma~e strokovnjake za elektronsko mikroskopijo. Leta 1969 je postal profesor fizike in astronomije na Dràvni univerzi Arizona v Tucsonu, kjer je sestavil presevni vrsti~ni mikroskop. Z letali se je ukvarjal è med vojno kot Kuhljev pomo~nik. Sestavil je sto petdeset originalnih na~rtov za majhna letala, med njimi {e danes zanimiv S-2A. Prejel je {tevilne nagrade, med njimi nagrado Lilienthala, najbolj znamenitega nem{kega pilota jadralnih letal, in leta 1988 spominsko nagrado Paula E. Tuntlanda. Objavil je ve~ knjig o lahkih letalih, prevedenih v {tevilne jezike.

Prvi elektronski mikroskop doma~e izdelave s 50 kV in lo~ljivostjo 5–2,5 nm je za~el obratovati pomladi leta 1955 (slika 10.4), mikroskop LEM-2 s 50 kV pa pomladi leta 1958 na Metalur{kem in{titutu v Ljubljani. V izjemnem primeru je dosegel lo~ljivost pribli`no 1,7 nm. Strojnikova skupina je edina v Jugoslaviji razvijala elektronski mikroskop, ~e izvzamemo neuspe{en poskus v Zagrebu. V tem ~asu smo imeli v Jugoslaviji le dva mikroskopa tuje izdelave. Oktobra 1954 so v laboratoriju za preiskave materiala na Fizikalnem institutu "Joèf Stefan" dobili elektronski mikroskop Carla Zeissa. Na zagreb{kem In{titutu Ru|er Bo{kovi} so se usmerili predvsem v biologijo. Leta 1958 so, poleg LEM-2 na Metalur{kem in{titutu v Ljubljani, elektronski mikroskop dobili tudi na Univerzi v Beogradu. V 1970-ih letih je bilo po svetu è okoli 2000 elektronskih mikroskopov s pove~a- vami do dva milijonkrat. Z njimi je bilo è Slika 10.4: Prvi slovenski elektronski mikro- mogo~e opazovati posamezne velike mole- skop, ki je bil pred petdesetimi leti narejen po kule v celicah in ni bilo ve~ "dvoma, da na~rtih prof. Ale{a Strojnika

ELEKTRONSKI MIKROSKOP 215 Slika 10.5: Analitski presevni elektronski mikroskop Jeol JEM-2010F na IJS

nekatere atome vidimo".605 Pokojni Mach bi se gotovo jezil, toda atomi so (do)kon~no postali realnost (slika 10.5). Leta 1986 je Ruska dobil Nobelovo nagrado za "izum" elektronskega mikroskopa. Nemec Gerd Binnig in [vicar Heinrich Rohrer sta delila nagrado z njim za izum tunelskega vrsti~nega mikroskopa. [tiri leta pred tem je Aaron Klug iz Laboratorija molekularne biologije Medicinskega raziskovalnega centra v Cambridgeu dobil Nobelovo nagrado za kemijo za razvoj kristalografskega elektronskega mikroskopa.

216 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Pospe{evalniki: Od idej do prvih izvedb

Pred sedemdesetimi leti je pri{lo do napete tekme v pospe{evanju protonov do energije, potrebne za razbitje jedra atoma. Tedanje dogajanje imamo lahko za za~etek zlatega veka fizike visokih energij. Rutherford je za znameniti poskus s sipanjem delcev α uporabil le nekaj vrvi in voska; toliko ve~ pa razuma in domi{ljije. Pozneje so se pospe{evalniki razvili v eno najzah- tevnej{ih tehnologij na svetu.

11.1 Predzgodovina

Umetnost izdelave pospe{evalnikov se je rodila iz starej{e tehnologije visokonapetostnih elektrostatskih naprav in vakuumskih ~rpalk. Prvega prednika teh naprav je sestavil Hauksbee leta 1705 ali leto pozneje. Izpraznjeno okroglo stekleno posodo je vrtel okoli osi. Ko je vrte~o se posodo drgnil ob kos krzna, je dobil dovolj napetosti, da je lahko opazil {ibko {krlatno `arenje v notranjosti posode. @arenje je lahko povzro~ala fluores- cenca stekla zaradi obstreljevanja z elektroni ali, bolj verjetno, ionizacija preostalega plina v nepopolnem vakuumu. Leta 1784 je Nizozemec van Marum dobil ve~ kot pol metra dolge iskre s ~udovitim elektrostatskim strojem, ki je bil postavljen v veliki dvorani v Teylerjevem muzeju v Haarlemu na Nizozemskem. Leta 1897 je J. J. Thomson pripisal "katodnim `arkom" lastnosti elektronov. Prvi je spoznal, da v svojih poskusih razbija atome. Leta 1911 je Rutherford v Manchestru objavil rezultate sipanja α-delcev na atomih. [est let pozneje se je Rutherfordu posre~ila prva umetna sprememba jedra. Du{ik je obstre-

POSPE[EVALNIKI 217 ljeval z delci α iz radija in torija z energijo 5 MeV do 8 MeV in dobil protone.606 Ob protonih so leta 1925 v Wilsonovi celici opazili {e kratko sled izotopa 17O. Po prvi svetovni vojni so raziskovalci rentgenskih àrkov razvili naprave, v katerih so delci dosegali od 100 keV do 200 keV. Zaradi teàv pri izolaciji in zaradi razelektritev ni bilo mogo~e dosegati vi{jih energij, primerljivih z energijo àrkov radioaktivnih elementov, ki jih je uporabljal Rutherford. Preseganje teh teàv je postala ena osnovnih usmeritev raziskovalcev. Kazalo je, da bo mogo~e kmalu sistemati~no preu~evati oziroma razbijati novoodkrito jedro atoma v pospe{evalnikih dovolj visokih energij. Nekaj ameri{kih raziskovalcev je objavilo, da se jim je razbitje jedra posre~ilo, med njimi Millikan, ki je menil, da sta z G. Winchesterjem è leta 1912 v Chicagu izvabljala vodikove atome iz aluminija in drugih kovin z mo~nimi razelektritvami v vakuumu. Da bi nadaljeval tak{ne poskuse, je Millikan leta 1921 pre{el na CalTech, kjer je meril z napetostjo milijon voltov. Leta 1923 smo Slovenci è brali: "'Kamen modrijanov' smo torej na{li. Samo- voljno lahko razdrobimo atome".607

11.2 Tekma za razbitje jedra

Ernest Orlando Lawrence je bil vnuk norve{kega u~itelja, ki je emigriral v Madison, Wisconsin. Rojen je bil v majhni vasici Canton v Ju`ni Dakoti 8. 8. 1901. Na Univerzi v Ju`ni Dakoti je diplomiral leta 1922, tri leta pozneje pa je doktoriral na Yalu. Leta 1927 se je zaposlil na kalifornijski Univerzi v Berkeleyju, kjer je v prijetnem univerzitetnem mestecu ostal do smrti. Nekega pomladnega ve~era leta 1929 je slu~ajno naletel na razpravo v Archiv für Electrotechnik iz doktorata Norveàna Wideröeja, ki je {tudiral v Nem~iji. Wideröejeva kritika Gaedejeve trditve o omejenosti vakuumskih ~rpalk se je tako dopadla Rogow- skemu, da ga je maja 1926 povabil na svoj in{titut v Aachen. Wideröe je od leta 1932 delal pri podru`nici {vicarskega podjetja Brown-Boveri Company v Oslu, od leta 1946 v Badnu v [vici, od leta 1952 v CERN-u in od leta 1959 na DESY v Hamburgu. Lawrence si Wideröejevega pisanja ni ogledal podrobno in od za~etka, dokler ni njegovo pozornost privlekla skica merilne naprave. Tedaj je med rojakoma presko~ila norve{ka iskra. Ideja [veda Gustava Isinga iz leta 1924, ki jo je uporabil Wideröe {tiri leta pozneje, je omogo~ila poznej{i betatronski in linearni resonan~ni pospe{evalnik. Ni bila popolnoma nova. To metodo pospe{evanja si je zamislil è Compton, predsednik MIT-a, ob primeru otroka na gugalnici. Vedel je, da lahko gugalnica zaniha do zelo velikih vi{in, ~eprav jo z vsakim porivanjem premaknemo le za majhno razdaljo. Po Isingovi zamisli naj bi hitrost linearno nara{~ala z energijo. Wideröeju se je posre~il poskus z resonan~nim pospe{evanjem natrijevih in kalijevih ionov. Med tri valjaste elektrode je postavil presledka, dolga po 15 cm. Oscilator je naravnal na frekvenco malo nad 1 MHz s potencialnimi razlikami 20–50 kV. V tak{nem linearnem pospe{evalniku je pospe{il ione do energij, ki so ustrezale dvakratni vrednosti izbrane napetosti. Tako je potrdil mo`nost, da lahko z majhno napetostjo damo izstrelkom zaznavno hitrost, ~e jo dodajamo v pravilnih presledkih. Lawrence je è dolgo iskal pot, po kateri bi se izognil visokofrekven~nim tokovom v svoji zapleteni napravi, v kateri je pospe{eval izstrelke do ogromnih hitrosti v izpraznjeni posodi. Wideröejeva ideja je pri njem padla na plodna tla. V nekaj minutah je narisal aparat in zapisal ena~be. Naslednji dan je prijatelju è poro~al o izumu.

218 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Zamislil si je kroènje elektri~no nabitega izstrelka v zelo mo~nem magnetnem polju. Izstrelek je najprej dobil mo~an pospe{evalni sunek v recipientu v praznem prostoru v obliki ponve, opremljene s pokrovom. Lawrence ga je nato pospe{eval s ponavljajo~imi se elektri~nimi sunki, zaradi katerih je izstrelek kroìl po vedno {ir{ih krogih z vedno ve~jimi hitrostmi. Kon~no je izstrelek zadel rob recipienta in na prehodu skozi razpoko priletel v sprejemni prostor. Tam so z njimi obstreljevali jedra atomov. Lawrence je nastavil magnetno polje tako, da je izstrelek priletel ravno v trenutku, ko je izmeni~ni tok spremenil svojo smer in je bil pripravljen za sprejem naslednjega sunka. Nihanja visoke frekvence je uporabljal za pove~evanje hitrosti izstrelka. Upal je, da bo s tiso~krat uporabljenimi tiso~ volti dobil enak u~inek, kot ~e bi enkrat uporabil milijon voltov. Januarja 1930 je konstruiral prvi pospe{evalnik na resonanco, kasneje imenovan ciklotron. Med pola elektromagneta je postavil iz~rpano posodo premera 10 cm. Vanjo je postavil dve izolirani elektrodi v obliki ~rke D, povezani z izmeni~nim tokom visoke frekvence. Drugi deli naprave so bili iz stekla, ki ga je nepredu{no zatesnil z voskom. Ob pomo~i diplomanta N. E. Edlefsena je dobil resonanco. Septembra 1930 je na seji NAS v Berkeleyju prvi~ javno poro~al o svoji napravi na kro`no magnetno resonanco in objavil razpravo v reviji Science skupaj z Edlefsenom. Lawrenceov ciklotron je uporabljal nova dognanja o elektronu, tako kot njegov sodobnik elektronski mikroskop. Sprva je bil namenjen raziskovanju strukture atomov. Po prvem modelu iz stekla je Lawrence s pomo~jo u~enca Livingstona sestavil drugo podobno napravo iz kovine. Z napetostjo 2000 V je lahko pospe{il vodikove ione do energij 80 keV. Livingston je v doktoratu z dne 14. 4. 1931 dokazal uporabnost principa 608 ciklotronske resonance. 609 Februarja 1932 je Lawrence zgradil model, vreden 1000 ameri{kih dolarjev, velikosti 30,5 cm s pospe{evalno napetostjo 1,2 MV (slika 11.1). Poleti 1932 je z njim prvi v Novem svetu razbil litijevo jedro. Naslednje leto je bil edini ameri{ki udeleènec Solvayeve konference, leta 1939 pa je dobil Nobelovo nagrado za fiziko.

Slika 11.1: Lawrenceov ciklotron za 16 MeV609

POSPE[EVALNIKI 219 Maja leta 1932 je Chadwick odkril nevtron v Cavendishevih laboratorijih in s tem pove~al {tevilo elementarnih delcev. Carl David Anderson, rojen {vedskim star{em v New Yorku leta 1905, je 2. 8. 1932 na posnetku Wilsonove celice v Millikanovem laboratoriju na CalTechu odkril elektron, ki se je gibal nasprotno od pri~akovane smeri. Septembra 1932 je objavil odkritje delca, ki ga je P. A. M. Dirac pred tem napovedal kot pozitron. Za odkritji sta Chadwick in Anderson dobila Nobelovi nagradi leta 1935 in 1936.

11.3 Angle`i dobijo tekmo

Lawrence in Livingston sta prva pospe{ila protone nad 1 MeV; nista pa prva razbila jedra atoma. To se je posre~ilo v Cavendishevem laboratoriju Cockcroftu in Ircu Waltonu. Direktor Rutherford je v Cavendishevih laboratorijih sprva nasprotoval dragim inve- sticijam v pospe{evalnike. Vlekla ga je romantika pretekle generacije, ko je bilo mogo~e s primitivnim orodjem odkriti pomembne fizikalne pojave. Leta 1927 pa je v govoru pred RS è napovedoval naprave s 300 kV in 900 kV, ki bodo omogo~ale preu~evanje strukture atomskega jedra. Konec leta 1928 je napotil Cockcrofta k za~etku del na visokonapetostnem pospe{evalniku, kjer se mu je naslednje leto pridruìl {e Walton. Prvi poskusi so bili postavljeni marca 1930. êz dve leti sta Cockcroft in Walton napravo preuredila za obstreljevanje jeder litija s protoni. Pri 125 kV sta è opazila veliko mo~nih scintilacij, ki jih je bilo pri 400 kV è ve~ sto v minuti pri toku protonov nekaj miliamperov. Zaradi iskrenja sta lahko ohra- njala napetost le do pol megavolta, po drugih virih celo 600 kV in 700 kV. Rutherford je kljub temu svetoval poskus. Verjel je teorijam Gamowa (1928) ter Condona in Gurneyja (1929), po katerih naj bi è 0,5 MeV ali manj zadostovalo za razbitje lahkih jeder, ~eprav so drugi raziskovalci predvidevali prodor v jedro {ele pri napetostih okoli 1 MV.610

Angle` John Douglas Cockcroft je za~el delati kot elektroin`enir, po pridobitvi matemati~ne {tipendije v Cambridgeu pa je raziskoval pod Chadwickovim vodstvom611.

Po trku protonov z litijevimi jedri so v Cavendishevem laboratoriju nastajali delci z najve~jim dosegom okoli 8 cm. To je dokazovalo, da gre za α-delce, kar so potrdili {e posnetki v Wilsonovi celici. Jedro atoma je bilo razbito, alkimija je postala realnost. 20. 4. 1932 je Rutherford poro~al RS o uspehih Cockcrofta in Waltona. Angleì so dobili tekmo in pokazali, da gre vendarle za fiziko in ne zgolj za mo~ uporabljenega orodja. Ugotovili so tudi masni defekt 0,018574 a. m. e., ki je ustrezal napovedim Einsteinove ena~be. Podobne poskuse so opravili tudi z borom, fluorom in aluminijem. Scintilacije so dobili tudi pri poskusih z berilijem in ogljikom, ne pa s kisikom in bakrom pri obstreljevanju s protoni energije do 4 keV.612 Podobne transmutacije atomov je leta 1935 preu~eval Lawrence. Kmalu je Crockcroft-Waltonov pomnoèvalnik napetosti lahko dosegal 750 kV. Pozneje so na osnovi njunih na~rtov pri dru`bi Philips v Eindhovnu postavili za Cavendishev laboratorij napravo, ki je dosegala 1,25 MV. Izkazalo se je, da je to dejansko najve~, kar lahko doseè pospe{evalnik tega tipa pri navadnem tlaku.613 Rutherford je dobil Nobelovo nagrado za kemijo leta 1908, leta 1951 pa sta si Cockcroft in Walton delila Nobelovo nagrado za fiziko za uspehe pri razvoju pospe{evalnikov. Svojo nagrado je

220 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Rutherford pospremil z robato {alo: "Videl sem `e veliko pretvorb kemijskih elementov v druge, a tako hitre pretvorbe fizika v kemika pa {e nikdar!"

11.4 Pospe{evalniki prerastejo v "visoko znanost"

Leta 1936 je Lawrence postal direktor Radiation Laboratoryja. William Brobeck je bil prvi poklicni inènir, ki je leta 1938 nastopil slu`bo pri Lawrenceu in si kar najbolj prizadeval k spremembi prej{nje tehnologije "niti in voska" v sodobno inènirsko prakso. V 1930-ih letih je Lawrence sestavil ciklotron velikosti 70 cm, ki je dajal nekaj mikro- amperov toka devteronov z energijo 5 MeV ali helijevih jeder z energijo 10 MeV. Pól velikega elektromagneta je imel premer 114 cm in je bil zakopan v zemljo do vi{ine kuhinjske pe~i. Komandni prostor je bil 5 m vi{je, operaterja pa je varovala pred sevanjem {e dodatna za{~itna ovojnica. Leta 1939 je Lawrence postavil svoj ciklotron velikosti 70 cm v ve~ji ciklotron velikosti 1,5 m, ki je bil postavljen za medicinska preu~evanja raka. Ve~ji ciklotron je bil teàk 220 ton in je dajal tok devteronov 10 mA s 16 MeV ali pa tok 1 mA helijevih ionov z energijami po 32 MeV. Julija 1941 je Lawrence za~el v Berkeleyju zidati zgradbo s 24 stranicami. Visoka je bila 30 m, s 50 m premera, vanjo pa naj bi postavili ciklotron do tedaj {e ne doseène mo~i. Dela so se nadaljevala tudi po napadu na Pearl Harbour 7. decembra, saj je bilo mogo~e pri~akovati tudi dejavnosti za voja{ke potrebe. Ta 467 cm velik sinhrociklotron je bil kon~an po vojni leta 1949. Stal je 1,8 milijona dolarjev in je dosegal 340 ali celo 380 MeV. Leta 1887 rojeni Ameri~an Alfred Lee Loomis, bankir multimilijonar in znanstvenik, je bil posebno zasluèn za zbiranje potrebnega denarja. Da bi presegli prag okoli 100 MeV, ki nastane zaradi nara{~anja mase pospe{evanih delcev, so uporabili idejo Lawrenceovega sodelavca McMilana in Rusa Vekslerja iz let 1944 in 1945 o sinhronizaciji magnetnega in elektri~nega polja. Tako so dosegli stalno pospe{evanje ionov v sinhrociklotronu.614 McMilan je leta 1951 dobil polovico Nobe- love nagrade za kemijo za odkritje transuranskih elementov.

11.5 Van de Graaffov pospe{evalnik

@e leta 1749 je Franklin delal nevarne poskuse s strelo. Manj sre~e je imel akademik Richman leta 1753 v Sankt Peterburgu.615 Kranjci nismo zaostajali, saj je Ambschell opisal strelo, ki je leta 1782 udarila v samostansko cerkev tri milje ju`no od Ljubljane. Pri prvih poskusih s prednikom elektroforja je sodeloval Kranjec Hallerstein v Pekigu v 1750-ih letih, Hummel pa je leta 1833 objavil razpravo o preprostem elektroforju za zbiranje elektri~nega naboja s trenjem.616 Med tekmo za razbijanje atomov v 1930-ih letih so raziskovalci vedeli, da nosi strela 15 MeV energije, kar je bilo precej ve~, kot so v laboratorijih lahko takrat uporabljali za pospe{evanje delcev. Zato so Brush, Lange in Urban delali poskuse na gori Generoso v [vici. Med dvema skalama so napeli kovinsko mre`o, na kateri se je nabiral pozitiven naboj. Pri posebno mo~ni streli so lahko dobili iskro, dolgo 5 m, ki je ustrezala energiji 10 MeV. Vendar se je Urban med poskusom smrtno ponesre~il, tako kot Richman dve stoletji prej.

POSPE[EVALNIKI 221 Med letoma 1919 in 1932 so pospe{evalnike gradili z uporabo generatorjev visoke napetosti, ki so neposredno pospe{evali nabite delce v stalnem elektri~nem polju. Razvoj tak{nih naprav je bil okronan z elektrostatskim Van de Graaffovim generatorjem leta 1931 in kaskadnim generatorjem Cockcrofta in Waltona leto pozneje. Van de Graaff iz Alabame je izbolj{al elektroforni elektrostati~ni generator. Uporabil je idejo transformatorja za pove~evanje napetosti in s tem sledil starim Guerickejevim idejam iz leta 1671. Naelektritev elektrostatskega generatorja s teko~im trakom je prvi opisal Righi, ko je leta 1890 priredil starej{o W. Thomsonovo idejo o ge- neratorju na nabite kapljice vode. K. T. Compton s fizikalnega oddelka Univerze v Princetonu je podprl idejo svojega sodelavca Van de Graaffa. Tako je leta 1929 nastal prvi model. ^ez dve leti je dosegel napetost 1,5 MV in navdu{eno poro~al pred Ameri{kim fizikalnim dru{tvom. Leta 1932 je Van de Graaff pre{el na MIT, kjer je ob Comptonovi podpori za~el delati pri mo~nej{ih genera- torjih. Isto~asno so Merle A. Tuve, Odd Dahl in Lawrence Hafstad v Carnegie Institution v Washingtonu zgradili prvi uporabni Van de Graaf- fov elektrostati~ni pospe{evalnik (slika 11.2).617 Med prvimi so presegli Slika 11.2: Van de Graaffov pospe{evalnik na MIT-u, ~arobnih 1 MeV energije, potrebne pod njim trije Van de Graaffovi sodelavci618 za prodor v jedro atoma. 618 Leta 1933 je Van de Graaff sestavil napravo "Grosse Bertha" iz dveh 16-tonskih delov. Skrbno zglajeno aluminijevo kroglo premera 5 metrov in debeline 6 mm je postavil na vrh izoliranega valja, ki je imel premer 7,5 m in vi{ino 2 m. V votli valj je speljal premi~ni jermen iz svile za prenos naboja iz visokonapetostnega usmernika. Iskra je lahko preskakovala pri napetosti 7 MV. Pozneje je Westinghousova elektri{ka dru`ba na enakih principih postavila velikansko hru{kasto napravo za razbijanje atomov v predmestju Pittsburgha.

11.5.1 Ljubljanski Van de Graaff 27. 11. 1954, stoletje po Hummlovem odhodu iz Ljubljane v Gradec, so na IJS v laboratoriju Edvarda Cilen{ka "za gradnjo in vzdr`evanje akceleratorjev" uporabljali elektri~ni del Van de Graaffovega pospe{evalnika lastne izdelave. Doma~i znanstveniki so sami napravili na~rte, konstruirali, sestavljali in preizku{ali posamezne dele in tako

nadaljevali Hummlova prizadevanja (slika 11.3). 619 Celotna gradnja pospe{evalnika je trajala nekaj ve~ kot {tiri leta od 1953 so 1957. Zgradili so napravo zaprtega tipa, ki je obratovala pod tlakom 10 bar du{ika. Lahko so

222 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 11.3: Prerez elektrostati~nega pospe- Slika 11.4: Elektrostati~ni Van der Graaffov {evalnika za dva milijona voltov, ki so ga pred pospe{evalnik za dva milijona voltov z odkritim pol stoletja za~eli sestavljati na IJS v Ljub- kotlom in visokonapetostno elektrodo na IJS v ljani619 Ljubljani620 usmerjali elementarne delce na tar~o v obmo~ju med 200 kV in 2,3 MV. Za visoki vakuum v pospe{evalni cevi so uporabili difuzijsko ~rpalko s ~rpalno hitrostjo 500 L/s. Maja 1956 so prvi~ pospe{ili `arek skozi cev z napetostjo 2 MV pri tlaku 8 bar. Marca 1961 je bil pospe{evalnik za 1,8 MeV dokon~an in od takrat v skoraj stalnem obra-

tovanju (slika 11.4). 620 Leta 1963 so z Van de Graaffom preu~evali strukturo nivojev v la`jih elementih z reakcijo (p, γ). Vendar je bila naprava za raziskave v jedrski fiziki `e zastarela, podobno kot betatron in nevtronski generator.

11.6 Pospe{evalniki elektronov

Prvi pospe{evalnik elektronov je bila katodna elektronka, ki so jo uporabljali è pred poldrugim stoletjem. V 20. stoletju so elektrone najprej pospe{evali z napravami tipa Van de Graaff, s katerimi ni bilo mogo~e prese~i nekaj megaelektronvoltov. Ciklotron ni bil uporaben, saj za~ne masa pospe{evanih elektronov zaznavno nara{~ati è pri nekaj 10 keV. Ameri{ki inènir Joseph Slepian z Westinghousa in Wideröe zato v 1930-ih letih nista dosegla ve~jih uspehov pri pospe{evanju elektronov. Leta 1933 je Steenbeck pri Siemens Röhrenwerk v Berlinu zapisal matemati~ne pogoje za stabilnost polja v pospe- {evalniku.621 Ameri~an Kerst z Univerze Illinois je leta 1940 konstruiral betatron, ki je uporabljal zakon elektromagnetne indukcije in dosegal 2,3 MeV. Uporabil je Wideröejevo idejo

POSPE[EVALNIKI 223 "pretvornika curka" iz leta 1928 za magnetni indukcijski del betatrona. Vendar Wideröe {e ni poznal zakonitosti, s katerimi obdr`imo elektrone v orbiti.622 Kranjci smo bili hitro zraven. Poleti 1954 so na IJS kupili betatron. Leta 1956 se je Darku Jamniku posre~ilo pri energiji 20 MeV dose~i stabilizacijo na 5 keV. Tako je bil na{ betatron v obmo~ju energij do 30 MeV najnatan~nej{a naprava na svetu za raziskovanje jedrskega fotoefekta.

224 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Katodna elektronka in drugi vakuumski elementi za televizijo

12.1 Poimenovanje televizije

Ob razvoju telegrafije se je zdelo, da bo mogo~e tudi slike prena{ati na razdalje, ki presegajo fiziolo{ke mo`nosti. Leta 1843 je Angle` Alexander Bain opisal sistem za prenos slik, predvsem kemi~no obarvanih portretov. Tok med elektrodama, pritisnjenima na sliko, je vseboval podatke o narisanem. Bainov telegraf s popravki dunajskega mehanika Eklinga so uporabljali v Avstriji od leta 1847 do vpeljave Morsejevega telegrafa.623 Vzporedno so razvili {e druge na~ine za kemi~no detekcijo in elektri~ni prenos zapisa, med drugim Friderick Collier Bakewellov telegrafski faksimile leta 1847. Prenos slik gibanja je postal aktualen {ele z Edisonovo iznajdbo kinematografa konec stoletja. Besedo "televizija" je skoval Rus Konstantin Perski med pripravami za Mednarodni kongres elektrike, ki je bil del Pari{ke razstave leta 1900. Bil je ~lan peterbur{kega Tehnolo{kega in{tituta, kjer sta pozneje delala Rosing in Zworykin. Naziv so sprejeli, ko ga je uporabil Hugo Gernsback, izdajatelj vodilne ameri{ke radijske revije Radio News, v razpravi "Television and the Telephot", ki je bila tiskana decembra 1909 v reviji Modern Electrics. Gernsback je pozneje ustanovil podjetje Gernsback Inc., ki je izdajalo revijo Radio-Electronics, leta 1993 preimenovano v Electronics Now.624 Leta 1890 je Stephen napravo, podobno Nipkowemu "Elektrisches Teleskop", imenoval "Elektrischer Fernseher". Naslednje leto je E. Liesegang objavil knjigo Beitrage zum elektrischen Fernsehen. Slovenci pod vplivom nem{kega Fernsehen nismo dolgo uporabljali naziva "gledanje na daljavo" ali "daljnozor", saj je s politi~no prevlado prenehal tudi nem{ki jezikovni vpliv v Jugoslaviji. Ko je v 1930-ih letih prevladala ameri{ka elektronika, je Ilustrirani Slovenec 4. 5. 1930 `e uporabljal izraz "televizija".

KATODNA ELEKTRONKA ... 225 12.2 Senzorji in fotocelica

Pri televiziji je treba pretvoriti svetlobni signal v elektri~ni tok, ki so ga v 19. stoletju è znali prena{ati na velike razdalje. A. E. Becquerel je v Parizu leta 1837 oziroma 1839 prvi opazil, da svetloba povzro~a elektri~ni tok v nekaterih elektrolitih. Med drugim je odkril fototok pri osvetlitvi selena. Leta 1851 je Hittorf raziskal vpliv toplote na elektri~no prevodnost selena. Dve desetletji pozneje je delavec England’s Telegraph Construction and Maintenance Company, Joseph May, po naklju~ju odkril {e svetlobno odvisnost elektri~ne prevodnosti selena med preizku{anjem podmorskih kablov ob irski obali v Valentii. Miza z eksperimenti je bila ob oknu in tako je lahko opazil, da se pove~a prevodnost selena, ko ga osvetli sonce. Vodja elektrotehnikov pri podjetju, Willoughby Smith, je 4. 2. 1873 pisal podpredsedniku dru{tva inènirjev Latimerju Clarku, naj o pojavu poro~a na letnem zboru naslednji dan. Pove~anje prevodnosti selenskih palic za 15 % do 100 % ob osvetlitvi je opisal kot oviro pri poskusih, odkritelja Maya pa sploh ni omenil. Nekaj dni pozneje je Smith sre~al Edisona, ki je bil maja 1873 na obisku v Londonu. Smith je pozneje razvil sistem "vizualne telegrafije", May pa je raziskoval prenos slike po vodniku. Pojav je uporabil E. W. Siemens pri iznajdbi prve selenske fotocelice, ki jo je po dobrih dveh letih dela sestavil leta 1876. G. R. Carey je v Bostonu leta 1875 prvi opisal televizijski sistem s projekcijo slike objekta na fotoob~utljivo povr{ino izolatorja, ki ni bil selen, temve~ srebrova spojina. O njegovem delu je poro~al Sci. Am. Angle{ka profesorja William E. Perry in John Ayrton sta leta 1877 poro~ala v reviji Nature o selenovi celici in Faradayevem odkritju vpliva magneta na polarizacijo svetlobe. B. F. Rignoux in Fournier sta leta 1906 medsebojno povezala 64 selenovih celic na kontaktni plo{~i za skeniranje.625 Bell in Symner Tainter sta 27. 8. 1880 uporabila selen v fotofonu. Kmalu smo o odkritju è lahko brali v slovenskem jeziku: "Ako govorimo v Bellovo elasti~no zrcalo, in ako se lu~ takrat od zrcala vra~a in letí v stekleno bu~ico, ki ima saje v sebi, ponavljajo saje v bu~ici na{e govorjenje!" 626 To je bil za~etek slovenske telefonije in temelj sodobne izjemne priljubljenosti prenosnih telefonov v deèlici na son~ni strani Alp. Fotocelica je kmalu presegla mo`nosti selena. Fotoefekt je odkril Hertz maja 1887 ob raziskovanju resonance med hitrimi oscilacijami v dveh Braunovih prirejenih tuljavah, ki ju je uporabljal kot vibrator in resonator. Opazil je, da razelektritev Ruhmkorffove indukcijske tuljave sproì dve popolnoma isto~asni elektri~ni iskri v obeh tuljavah. Prva je bila iskra razelektritve induktorja in je rabila za vzbujanje primarne oscilacije. Med poskusi je natan~no meril najve~jo dolìno druge, {ibkej{e iskre v resonatorju, ki je nastajala ob inducirani sekundarni oscilaciji. Zaradi la`jega opazovanja je drugo iskro osen~il s {katlo in presene~en opazil, da se je njena dolìna ob~utno skraj{ala. S pre- mikanjem {katle je dognal, da ovira med obema iskrama vpliva na dolìno druge iskre tudi na ve~ji razdalji med obema iskrama. UV-svetloba iz prve iskre je povzro~ila drugo iskro, ovira pa je lahko njen vpliv prekinila. Hertz ni mogel pojasniti odkritja z naelektrenjem ovire, saj so efekt opazili tako pri ovirah iz prevodnikov kot pri izolatorjih, ne pa pri kovinskih mreàh. Menil je, da gre za vpliv kratkovalovne UV-svetlobe, ki jo absorbira ve~ina trdnin, mogo~e pa jo je tudi odbijati in lomiti. Meril je v dokaj zamotanih okoli{~inah, zato se je v svojem poro~ilu 627

raje previdno izognil razlagi fotoefekta (slika 12.1). 628 Geitel in Elster z Gimnazije v Wolfenbüttelu sta leta 1889 fotokatodo iz kalijevega ali natrijevega amalgama osvetljevala z vidno svetlobo skozi anodo v obliki obro~a. Pri osvetljevanju z UV-svetlobo sta uporabljala fotokatodo iz cezija. Naslednje leto sta

226 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK napravo zaprla v stekleno vakuumsko cev in tako dobila prvo sodobno fotocelico, ki jo je Rosenthal prvi uporabil za "svetlobno telegrafijo". Hertzov asistent Lenard in astronom Wolf sta marca 1889 v Heidelbegu zdruìla idejo Hallwachsa iz leta 1888 o izbijanju elektronov z UV- svetlobo in Nahrwoldovo raziskovanje razpr{evanja kovinskih katod v vakuumu iz let 1887 in 1888. Lenard je sprva domneval, da UV-svetloba izlo~a delce z merljivo maso.629 19. 10. 1899 je kot Hertzov naslednik v Bonnu dokazal, da svetloba pri fotoefektu izbija elektrone. Fotoefekt poteka celo v najbolj{em vakuumu, kjer drugi znani pojavi razelektritve odpo- vedo; pri navadnih tlakih se izbiti elektroni ustavijo v okoli{kem plinu. Slika 12.1: Shema naprave, s katero je Hertz odkril 628 Lenard je izmeril naboj, ki ga àrki fotoefekt UV-svetlobe spravijo v gibanje v praznem prostoru pri razli~nih napetostih med elektrodama. Dokazal je, da same elektri~ne sile ne zadostujejo za premagovanje izstopnega dela pri fotoefektu.630 Lenard in J. J. Thomson sta izmerila pribli`no enako razmerje e/m za "katodne àrke", za delce izlo~ane pri fotoefektu in za delce pri "Edisonovem efektu" àrenja kovinskih povr{in.631 Tako sta dokazala, da gre v vseh primerih za enako vrsto delcev, za katere se je postopoma uveljavil naziv elektron. Leta 1902 je Lenard z napa~no razlago fotoefekta navdu{il {tevilne nem{ke raziskovalce, med njimi Francka in Heinrichovega ne~aka G. Hertza. Seveda je bil po{teno jezen, ko je Einstein ~ez tri leta objavil pravilno teorijo.

12.3 Oja~evalniki in trioda

Geitel, Elster in Guthrie (1873) so raziskovali termoionsko emisijo, ki so jo pozneje poimenovali po Edisonu.632 Podobno Crookesu se je tudi Edison ob~asno zanimal za "okultne sile". Novembra 1874 je objavil prve poskuse o nihanju razli~nih vrst vodnikov. Leta 1875 je patentiral odkritje "eteri~ne sile", ki naj bi povzro~ila "revolucijo v telegrafiji". Naslednje leto je odkritje objavil v tisku, neposredno za prvimi ameri{kimi zapisi o podobnih raziskovanjih "{ibkih isker" nem{kega fizika Petrusa Reissa iz leta 1775. Razpravo o Edisonovem odkritju je povzel Sci. Am., kjer sta Elihu Thomson in Edwin Houston trdila, da gre za indukcijo. Edison je novembra 1878 kot galvanometer uporabljal `abje krake. Vendar je ve~ina raziskovalcev kritizirala njegovo domnevo o dotlej neraziskani naravni sili, podobni Reichenbachovemu "Odu".633 Podobno odkritje je pozneje Mihajlo Pupin pripisoval starej{im raziskavam Josepha Henryja, {ele med letoma 1888 in 1889 pa ga je pojasnil Hertz z elektromagnetnimi valovi.634

KATODNA ELEKTRONKA ... 227 Edison je leta 1880 in 1883 med raziskovanjem po~rnitve àrnic med elektrodi postavil {e dodatno tretjo izolirano elektrodo. Odkril je, da te~e tok skozi vakuum od tretje elektrode na àrilno nit, ~e je prva elektroda pozitivno in druga negativno nabita. Pojav je postal znan pod imenom "Edisonov efekt". Leta 1883 je Edison patentiral svoje odkritje in v predavanju na razstavi v Filadelfiji opisal "eteri~no silo", zaradi katere se nabita plo{~a prazni v bliìni razàrjene àrnice. Izolirano platinsko elektrodo je postavil na razdaljo 1,35 cm od loka med razàrjeni niti iz oglja v àrnici. Z galvanometrom je meril tok med plo{~o iz platine in eno od ìc. Domneval je, da nabiti delci zraka ali oglja premo~rtno zapustijo nit iz oglja.635 Tok je spremenil smer, ko je zamenjal elektrodi v àrnici in je bil pogosteje (sic!) ve~ji, ko je bila platinska plo{~a povezana s pozitivnim polom. Intenziteta toka se je spreminjala so~asno s àrilnim tokom skozi nit àrnice. êz nekaj ~asa je oslabel tok med platinsko elektrodo in pozitivno elektrodo, po hlajenju pa se je pri ponovnem àrenju ponovil s prej{njo intenziteto. Opazil je tok skozi steklo àrnice na elektrodo iz platine. Vendar mu je Pupin pozneje o~ital, da so pojav pred njim odkrili è drugi raziskovalci.636 Fleming, Edisonov svetovalec iz Londona, je leta 1890 pojasnil "Edisonov pojav" s termoelektronsko emisijo. Kot tehni{ki svetovalec Marconija je leta 1904 uporabil termoelektronsko emisijo v diodi, predhodnici dana{nje radioelektronke.637 Richardson je v Cavendishevem laboratoriju svojega u~itelja J. J. Thomsona med letoma 1901 in 1903 raziskoval prevajanje pri nizkih tlakih pod vplivom segretih kovin. Pojav je zamotan, saj je odvisen od stopnje ionizacije, temperature, narave plina v vakuumu, "preteklosti" kovine in tudi od njene povr{ine. Razmere se poenostavijo pri visokih temperaturah, ko je prevajanje odvisno samo od negativnih delcev, izlo~enih iz kovine. Richardson je raziskoval temperaturno odvisnost toka med segreto kovino in kovinsko elektrodo v bliìni. Velikost toka v ravnovesju je odvisna od polnega {tevila delcev, ki jih povr{ina izlo~i v ~asovni enoti. Pri tlaku 2,2 · 10–3 mbar je Richardson dobival presenetljivo visoke tokove do 0,4 A med elektrodama, oddaljenima 2 mm pri napetosti 60 V. Segrete elektrode iz platine, oglja ali natrija so spremenile vakuum v odli~en prevodnik elektrike po termodinamski ena~bi, ki povezuje gostoto toka s povr{ino katode. Zato je Richardson zavrnil mo`nost, da se molekule plina ionizirajo pri trkih s segreto kovino. Po teoriji Nemca Drudeja in J. J. Thomsona z mednarodnega kongresa fizikov v Parizu leta 1900 je bilo znano, da hitri prosti elektroni prevajajo elektriko v kovinah. Segre- vanje pove~a povpre~no hitrost elektronov. Zato s povr{ine uide ve~ elektronov v procesu, podobnem izparevanju, s katerim je Richardson pojasnil tudi Edisonovo "eteri~no silo".638 Termoemisijo naj bi povzro~ali pobegi elektronov z visokimi kineti~nimi energijami; ve~ina sodobnikov pa je v njej iskala posledice kemijskih reakcij zaradi preostalega plina. Da bi se izognila dvomom, sta tako Langmuir kot Richardson, ki je med letoma 1906 in 1913 prav tako raziskoval v ZDA na Univerzi Princeton, merila v kar se da visokem vakuumu. Langmuirjevi poskusi z volframom so leta 1913 dokon~no prepri~ali kritike Richardsona, ki se je nato vrnil v London na King's College. Za raziskovanje termoemisije je dobil Nobelovo nagrado za fiziko za leto 1928.639 Wehneltovo odkritje po~asnih "katodnih àrkov" je Dunaj~an Lieben uporabil leta 1906 v patentu v Nem~iji in drugod. "Katodne àrke" je odklanjal z magnetom in tako spreminjal upornost tokokroga. V drugem patentu leta 1910 je odkritje nekoliko spemenil, v tretjem patentu istega leta pa je postavil v elektronko mreìco z nizko negativno napetostjo za uravnavanje toka. Ve~ nem{kih podjetij je dru`no izkori{~alo Liebenov patent, ki ga je AEG leta 1912 razvil v uporaben oja~evalnik.

228 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Samostojni podjetnik de Forest, nekdanji inènir pri Western Electricu v Chicagu, je neodvisno od Liebena leta 1907 v ZDA patentiral "audion", Flemingovo diodo z mre- ìco. De Forestova trioda je bila manj ob~utljiva na spremembe temperature od Liebenove, ki je vsebovala slab{i vakuum s sledmi ìvega srebra za domnevno pove- ~anje oja~itve. Leta 1913 je Alexander Meissner pri Telefunknu uporabil triodo s povratno vezjo za prepre~evanje du{enja. Triodo bi medtem malodane izumil na{ Julij Nardin, ki se je u~il fizike pri [antlu v Gorici in leta 1904 diplomiral pri Boltzmannu na Dunaju. Leta 1905 se je vrnil k [antlu, le-ta pa mu je pokazal vetrno kolo z deloma premakljivimi, pro`no name{~enimi lopaticami po Resslovi ideji. Nardin je pou~eval na Realki v Idriji med letoma 1905 in 1912. Leta 1913 sta s prijateljem Zeijem iz Gorice patentirala v Avstriji samostojni izum releja za telefone in

telegrafe, {e posebno pri uporabi podmorskih kablov (slika 12.2). 640 Uporabila sta Wehneltov generator po~asnih elektronov z napetostjo 400 V v iz~rpani cevi z dvema (ali ve~) enakovrednima, medsebojno izoliranima anodama. Anodi sta povezala v isti tokokrog tako, da sta njuna konca zunaj elektronke navila v nasprotnih smereh okoli èleznega jedra primarne tuljave transformatorja. Med anodi sta lahko postavila {e kraj{o anodo s stalnim tokom za prepre~evanje motenj. Katode nista segrevala neposredno, kot to po~nemo danes, temve~ sta jo razàrila s posebno plo{~o, ki je bila postavljena za njo v elektronki. Med elektrodi sta postavila elektromagnet za usmerjanje katodnih in drugih àrkov. Nardin je v patentu dvakrat omenjal "druge àrke" poleg "katodnih", da bi se zavaroval ob "odkritjih" cele vrste dvomljivih in manj dvomljivih novih àrkov ob prelomu stoletja.* ê so elektroni padali simetri~no na oba dela anode, sta imela oba enak potencial in je skozi obe veji tekel enak tok. U~inka obeh tokov sta se na nasprotno usmerjenih navojih tuljave izni~ila. Ko je na eno od anod padalo ve~ elektronov, jih je padalo na drugo toliko manj, vpliva njunih tokov pa sta se v nasprotnih navitjih tuljave se{tevala in zato oja~ila. Med prizadevanjem za pridobitev patenta je Nardin dognal, da je njegov oja~evalnik {tirikrat mo~nej{i od Liebenovega iz leta 1906. Ionizacija plinov ga ni motila tako kot Liebeno- vo triodo iz leta 1910. @al svoje naprave ni mogel preizkusiti, saj ni imel na voljo dovolj u~inkovitih vakuumskih ~rpalk. Z Zeijem nista zmogla Slika 12.2: Shema oja~evalnika, ki sta ga leta 1913 nakupa mo~nej{e ~rpalke in sta se patentirala Zei in Nardin640

* Goldsteinovi "kanalski àrki", Righijevi elektri~no nevtralni "magnetni àrki", Blondlotovi "N-àrki" in drugi

KATODNA ELEKTRONKA ... 229 brez uspeha dogovarjala za sodelovanje s tovarno telefonov Zwietusch iz Berlina, ki se je med prvo svetovno vojno priklju~ila Siemens & Halskeju. Med letoma 1912 in 1920 je Nardin pou~eval na Klasi~ni gimnaziji v Ljubljani. Tam je na~rtoval vakuumsko ~rpalko z uporabo tlaka kapljic in adhezije par `ivega srebra. @al je vojna pokopala dogovor z dunajskim izdelovalcem. Zato je Nardin eksperimentiral kar z elektromagnetnim odklanjanjem `are~ega plinskega loka med anodama iz oglene palice pri navadnem tlaku. Po koncu 1. svetovne vojne se je pokazalo, da ga je prehitela de Forestova iznajdba triode z izbolj{avami Langmuirja pri GE.641 Od leta 1922 je bil Nardin honorarni, nato redni profesor fizike na Medicinski fakulteti v Ljubljani, kjer je osnoval Fizikalni in{titut. Med letoma 1927 in 1928 je honorarno predaval fiziko na Filozofski fakulteti Univerze v Ljubljani. Na Tehni{ki srednji {oli je pou~eval med letoma 1920 in 1947 s premorom med drugo svetovno vojno.

12.4 Skenerji

Leta 1880 je pisal Sci. Am., da bi bilo treba vsaj 10 000 tokokrogov za natan~en prenos trinajstih kvadratnih centimetrov slike. Zato je `e Bakewell uporabljal princip vrsti~enja (skeniranja) slike, ki ga je Portugalec De Paiva, profesor fizike na politehni{ki {oli, leta 1878 prvi predlo`il za uporabo pri televiziji. Preden se je uveljavila Braunova elektronka so za (mehansko) analizo slike uporabljali plo{~o, luknjano v obliki spirale, ki jo je nem{ki fizik Nipkow patentiral v svojem "elektri~nem teleskopu" 8. 1. 1884. Priro~en je bil tudi teleskop z vibrirajo~imi zrcali Avstrijcev Jana van Szczepanika in Ludwiga Kleinberga, patentiran leta 1897, in druge mehanske priprave.

Nem{ki fizik Paul Nipkow je {tudiral naravoslovje in matematiko v Lauenburgu v Pomeraniji in se je è leta 1883 zanimal za fotografijo (slika 12.3). Za nem{ki patent svojega "elektri~nega teleskopa" {t. 30105 je 8. 1. 1884 dobil le 25 mark. Uporabil je Faradayev efekt na selenski celici. Profesor Engelhardt von Dietrich je v Stuttgartu leta 1885 poro~al o Nipkowem odkritju pred Zdruènjem nem{kih inènirjev. Nipkow je raziskovanje televizije kmalu opustil in se leta 1886 zaposlil v oddelku za signalizacijo pri nem{kih èleznicah.

642 Po vojni se je Nipkow upokojil, njegov patent pa je postal temelj novih sistemov televizije. V visoki starosti si je 11. 5. 1928 ogledal razstavo v Berlinu. Med obiskovalci ga ni nih~e poznal, saj je è skoraj pol stoletja ìvel v skromnih razmerah. Pozornost je zbudil s pismom reviji Fernsehen, ki ga je potem slavila kot pionirja televizije. V tem ~asu se je ob mehanski è razvila elektronska analiza slike, ki je pozneje prevladala. Berlinsko televizijsko postajo so leta 1935 preimenovali v "Paul Nipkow Fernsehen, Berlin", saj je pod nacisti Nipkow postal edini izumitelj televizije.643

Slika 12.3: Paul Nipkow642

230 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 12.5 Katodna elektronka 12.5.1 Braun Karl Ferdinand Braun je bil rojen v Fuldi v uradni{ki druìni, ki se je sedem let pred tem priselila iz severnej{ega Bad Hersfelda (slika 12.4). O~e je bil protestant in je tako vzgojil tudi sina. Braunova mati je bila katoli{ke vere, ki je prevladovala v Fuldi. 30 km severovzhodno v mestu Geisa je bil poltretje stoletje prej rojen Kircher. Braun je za~el {tudirati na Univerzi v Magdeburgu, vendar se je kmalu odpravil v obetavnej{i Berlin, kjer ga je podpiral 17 let starej{i izredni profesor Quincke. Med 263 {tudenti je bil eden izmed {tirih, ki so smeli eksperimentirati v slovitem Mag- nusovem laboratoriju. 8. 2. 1872 je zagovarjal doktorat iz akustike, za izpra{evalca pa si je izbral vodilnega strokovnjaka Helmholtza, tako kot osem let pozneje Hertz. Naslednji dve leti je bil Quinc- kejev asistent v Würzburgu, kjer sta zamenjala Kundta in Röntgena. Pi~le asistentske dohodke si je Braun pove~al z objavljanjem satiri~nih pesmi v münchenskem ~asopisu pod psevdonimom Debe- linko. Umetni{ko ìlico je ohranil v starej{ih letih z risanjem akvarelov. V Würzburgu je nadaljeval Stefanove (1865) raziskave oja~anja v polprevodni{kih kristalih in 23. 11. Slika 12.4: Karl Ferdinand Braun 1874 opisal "detektor", nepogre{ljiv usmernik pred iznajdbo triode. Podoben mikrofon z vro~o ìco je izbolj{al Forbes. Napravo sta pozneje uporabila Arnold in Crandall.644 Braun se je re{il gmotnih zagat septembra 1874; postal je pomo`ni predavatelj in nato profesor na Gimnaziji St. Thomas v Leipzigu. Med decembrom 1877 in 1878 je na Univerzi v Marburgu nadaljeval Hittorfova (1869) raziskovanja razpr{evanja katode in elektri~ne prevodnosti plinov v Geisslerjevi elektronki. Leta 1880 je nasledil Röntgena kot izredni profesor za teorijsko fiziko Univerze v Strasbourgu, kjer je eksperimentiral v Kundtovem fizikalnem laboratoriju. Kot redni profesor na Tehni{ki univerzi v Karlsruheju je Braun septembra 1883 obiskal mednarodno elektrotehni{ko razstavo na Dunaju, katere znanstveni vodja je bil Stefan. V drugo je Stefana na Dunaju obiskal dve leti pozneje, ko si je skupaj z arhitektom ogledoval vodilne evropske fizikalne in{titute, da bi si pridobil izku{nje za gradnjo svojega novega Fizikalnega in{tituta v Tübingenu. Tudi pozneje se je Braunova raziskovalna pot ve~krat sre~ala s Stefanovo, denimo leta 1887, ko je Braun objavil meritve sevanja razàrjene plo{~ice kvadratnega centimetra porcelana v primerjavi s platino in kovinskimi oksidi. V razpravi ni omenil Stefanovega zakona iz leta 1879, ~eravno sta oba citirala meritve Irca Tyndalla iz leta 1864. Marca leta 1895 je Braun prevzel nekdanje Kundtovo mesto direktorja Fizikalnega in{tituta v Strasbourgu. Raziskovanja posebnosti prevajanja elektrike v plinih645 so ga leta 1897 pripeljala do odkritja katodne elektronke. Takoj po odkritju se je pridruìl raziskovanju rentgenskih àrkov. Druga~e od drugih raziskovalcev se je Braun odlo~il, da bo katodno elektronko uporabil za "opazovanje dogajanja v elektri~nem tokokrogu". Delo je pri~el poleti 1896 in naro~il nekaj vrst katodnih elektronk pri Franzu Müllerju,

KATODNA ELEKTRONKA ... 231 Geisslerjevemu nasledniku v Bonnu. Pozimi 1896/97 so pripeljali v Strasbourg "pol metra dolgo (stekleno) cev s sto`~astim koncem", v kateri je bil zaslon iz sljude prekrit z luminiscen~no barvo. V Bonnu so jo do milimetra natan~no izdelali po Braunovem na~rtu: "...Steklena stena mora biti kar se da enakomerna in brez gr~, s fosforescen~nim zaslonom, skozi katerega steklo in sljudo se lahko vidi fluorescen~ni made` katodnih `arkov." Katodno elektronko so postavili na delovno mizo, jo priklju~ili na elektriko in pognali vakuumsko ~rpalko. Po priklju~itvi visokofrekven~nega generatorja se je na luminiscen~nem zaslonu ob koncu cevi pokazalo {ibko ble{~anje. Pri drugem poskusu so s ~rpanjem dosegli bolj{i vakuum, tako da je bilo na zaslonu mogo~e opaziti made`. Braun je pribli`al tuljavo cevi in priklju~il izmeni~ni tok. Made` se je spremenil v nihajo~o ~rto. Nihanje je opazoval na vrte~em se zrcalu, ki je kazalo dvodimenzionalno sliko. Profesor Braun je vstal, prepustil mesto asistentom in jih povabil, naj se "osebno sre~ajo" z izmeni~nim tokom strasbour{ke generatorske postaje

Slika 12.5: Shema Braunove elektronke646 (slika 12.5). 646 Odkritje je bilo objavljeno 15. 2. 1897, ob 25. obletnici Braunovega doktorata. Braun je elektrone iz hladne aluminijeve katode pospe{eval s Töplerjevim influen~nim strojem z dvajsetimi plo{~ami mimo anode skozi odprtino v aluminiju {irine 3 mm. V bliìno odprtine je postavil majhen elektromagnet z osjo pravokotno na os elektronke. Ko je spu{~al tok skozi elektromagnet, se je to~ka zapisa premikala po zaslonu. Poleg sinusnega zapisa izmeni~nega toka elektri~ne centrale v Strasbourgu je opazoval {e krivulje Lissajousa in fazni premik pri polarizaciji ter meril hitrost {irjenja magnetne motnje skozi èlezo.647 14. 4. 1898 si je posre~eno ponazoril "katodne àrke" z "vodnikom", pritrjenim na katodi. Drugi konec "vodnika" je krivil z magnetom in pri tem upo{teval veliko hitrost elektronov in njihovo trenje z delci plina v elektronki. Braunovo odkritje ni minilo brez sporov za prioriteto. Albert Hess, vodja elektro- kemijskega oddelka podjetja Sigmunda Schuckerta iz Nürnberga, je trdil, da je sam izumil katodno elektronko è leta 1894. Leta 1898 je Hess zaslovel s konstrukcijo zelo priljubljene oblike elektrod. Braun in sodelavci so v tednih po odkritju veliko predavali o novi napravi. Asistent Zenneck je spravil v zadrego inènirje generatorske postaje v Strasbourgu, ko je med predavanjem pokazal, da frekvenca njihovega izmeni~nega toka niha med 48 in 52 Hz. Zna{li so se tako, da so zatrdili, da morajo biti njihove stranke zadovoljne, ker jim dobavljajo celo tok nad zapovedano frekvenco 50 Hz brez dopla~ila. Med julijem in oktobrom 1897 je Braun predstavil svoj izum v Torontu na sre~anju Britanskega dru{tva za napredek znanosti. Demonstracijski poskus se ni posebno posre~il, vendar je tako Braun svojo katodno elektronko prinesel v Ameriko, kjer je v naslednjem stoletju prodrla skoraj v vsako hi{o. Braun je obiskal svojega naslednika Hertza v Karlsruhe, vendar se sprva ni zanimal za Hertzove nove elektromagnetne valove in fotoefekt. V naslednjih mesecih je Braun seveda spremenil mnenje o Hertzovih odkritjih, vendar se je {ele po vrnitvi iz Amerike

232 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK za~el ukvarjati z radiotelegrafijo na pobudo skupine podjetnikov iz Strasbourga. Skupaj so osnovali podjetje Telebraun, ki se je decembra 1900 zdruìlo s podjetjem Siemens in Halske. Braunovo podjetje je bilo dolga leta v sporu s Slabyjevim in Arcovim berlinskim podjetjem AEG, dokler se ni po nalogu cesarja 27. 5. 1903 z njim zdruìlo v Telefunken. Tako so lahko konkurirali Marconijevemu britanskemu podjetju, saj so imeli monopol pri nem{kemu radiu. Arco je, druga~e od Slabyja, postal velik Braunov (in Codellijev) prijatelj. Braun je celo uredil Arcov ~astni doktorat na Univerzi v Strasbourgu. Za uspehe pri razvoju radia je Braun leta 1909 delil z Marconijem Nobelovo nagrado za fiziko.648 Graetz z Univerze v Münchnu je 25. 4. 1897 odkril, da katoda iz aluminija, prekrita s tanko plastjo oksida, deluje kot usmernik brez premi~nih delov, ki pretvarja izmeni~ni tok v enosmerni. Pollak je dva meseca pozneje objavil, da je sam è uporabljal isti pojav v tovarni akumulatorjev v Frankfurtu na Maini.649 14. 4. 1898 je Braun nadaljeval Pollakovo in Graetzovo raziskovanje z merjenjem izsevane svetlobe aluminijeve elektrode v elektrolitu. 29. 3. 1898 je Braun svojo elektronko dopolnil {e z dodatno èlezno palico v stekleni cevi na zaslonu.650 Braun je bil predvsem eksperimentalni fizik in je v {ali obàloval svoje pomanjkljivo znanje matematike.651 [tudenti in prijatelji so radi razdrli kak{no pikro na ra~un Braunovih ra~unskih spodrsljajev. Braunov {tudent in poznej{i sodelavec Zenneck je pripovedoval, kako je profesor Braun med predavanjem mnoènje "2 × 25" zaokroìl na "2 × 30" ter zapisal 60 kot re{itev, nato pa dodal: "ker pa smo pred tem uporabili 2 × 30 namesto 2 × 25, bo resni~ni rezultat bli`je 50." Kot profesor v Strasbourgu je Braun sprejel Alzacijo za svojo domovino in je februarja 1905 celo zavrnil najimenitnej{o katedro v Berlinu, ki mu jo je ponudil minister za izobraèvanje po predavanju v ~ast cesarjevega rojstnega dne. Nacionalizem mu je bil tuj, tako da je bil ob za~etku 1. svetovne vojne leta 1914 med redkimi nem{kimi profesorji, ki so zavrnili podpis pod {ovinisti~ni "Manifest 93 (17)". Kljub temu se je skupaj z Zenneckom 17. 12. 1914 odlo~il za skrivno potovanje z norve{ko ladjo v New York, kjer naj bi branil interese svojega podjetja proti Marconijevim zahtevam. Vrnitev v Evropo se mu zaradi angle{ke blokade ni posre~ila. Tako je ostal v ZDA na skrbi sina Konrada, ki je è od leta 1912 delal v Newyor{ki banki. Po vstopu ZDA v vojno so Zennecka internirali kot sovra`nega vohuna, Braunu pa niso delali teàv, vendar ni imel mo`nosti za znanstveno raziskovanje. 20. 6. 1917 je Braun dobil ~astni doktorski naziv Tehni{ke univerze na Dunaju, edini te vrste na svoji bogati ìvljenjski poti. Nekaj mesecev pred koncem vojne je umrl v New Yorku. Prero{ko je visoko ocenil mo`nosti katodne elektronke za znanstveno raziskovanje, ~eprav je bila sprva po~asna zaradi majhne gibljivosti ionov.652

12.5.2 Zenneck Braunov asistent Zenneck je izbolj{al katodno elektronko z uporabo dodatne odprtine v vratu za bolj{e fokusiranje. Izdelal je metodo za odklon v vodoravni smeri, tako da ni bilo ve~ treba opazovati nihanja toka na vrte~em se zrcalu. 26. 9. 1899 je objavil, da je katodoluminiscenco CaWO4 la`e fotografirati od zelenega CaS, posebno pri {ibki razelektritvi, ko luminiscen~na to~ka hitro potuje po zaslonu. CaWO4 je priporo~al za uporabo v rentgenski fotografiji, Zworykin pa ga je leta 1925 patentiral kot modri luminifor za barvno televizijo. Leta 1904 je Zenneck z Braunovo elektronko fotografiral oscilogram du{enega nihanja.

KATODNA ELEKTRONKA ... 233 Zenneck je bil sin ministra iz [vabije. Sprva je nameraval postati srednje{olski u~itelj matematike in naravoslovja. Po doktoratu iz zoologije je `e raziskoval v Londonu in {ele petindvajsetleten pri{el v Braunov laboratorij v Tübingen. Braun mu je ponudil mesto asistenta v Strasbourgu, vendar bi Zenneck dva tedna pozneje kmalu "pobegnil" za asistenta k profesorju zoologije v Tübingen. V tistem ~asu je bilo namre~ malo {tudentov naravoslovnih znanosti, pa {e ti so raje z bolj{o pla~o pou~evali srednje{olce, kot da bi na nepla~anih asistentskih mestih ~akali na prosto katedro. V {olskem letu 1901/1902 je Zenneck prvi na nem{ki univerzi predaval na te~aju o elektromagnetnih nihanjih. Poleti 1905 je Zenneck postal izredni profesor v Danzigu (dana{nji Gdansk), kmalu nato pa mu je Braun uredil redno profesuro na Tehni{ki univerzi v Braunschweigu. Leta 1913 je pre{el na Tehni{ko univerzo v Münchnu. Leta 1933 je postal vodja kuratorjev uprave Nem{kega muzeja v Münchnu, kamor je postavil kopije Braunovih originalnih naprav, ki so se izgubile v ZDA.

12.5.3 Drugi nem{ki raziskovalci: Wehnelt in Rogowski Nemec Arthur Wehnelt je bil rojen v Braziliji. V Charlotenburgu in Berlinu je najprej {tudiral inènirstvo, nato pa fiziko. Leta 1898 je doktoriral v Erlangenu na Bavarskem. Tam je kot izredni profesor leta 1903 po naklju~ju odkril ve~je sevanje z delov katode, po{kodovanih z mazilom, ki so ga uporabljali za pipe katodnih elektronk. Domneval je, da zamazana podro~ja vsebujejo kovinske okside, zato je med njimi iskal najbolj{ega. Izbral je barijev oksid, ki ga uporabljamo {e danes. Dobil je curek elektronov è pri pospe{evalni napetosti nekaj sto voltov v katodni elektronki z zelo tanko àre~o katodo iz platine, prekrito z nekaj milimetrov {irokim madeèm iz kovinskega oksida. Napetosti nad 1000 V ni uporabljal, saj je povzro~ala mo~no razpr{evanje platine. Po~asne elektrone je zlahka usmerjal z elektri~nim ali magnetnim poljem. Elektroni so mo~no ionizirali plin, zato je bil zaèlen ~im bolj{i vakuum. Tok elektronov je bil zvezen, njihovo hitrost pa je bilo mogo~e spreminjati v {irokih mejah.653 Leta 1903 sta Wehnelt in König postavila v Braunovo elektronko uklonske elektrostati~ne plo{~e, ki sta jih leta 1908 demonstrirala na zborovanju nem{kih naravoslovcev in zdravnikov v Kölnu. V letih 1904 in 1905 je Wehnelt uporabil valj z reò, ki ga je postavil okoli katode za krmililjenje toka elektronov. Leta 1908 je postal redni profesor, leta 1926 pa direktor Fizikalnega in{tituta v Berlinu. Wehneltov valj so najprej uporabili za rentgenske àrke, leta 1923 pa ga je Engelhardt priredil za Braunovo elektronko. Profesor na Tehni{ki visoki {oli v Aachnu, Walter Rogowski, je bil s svojo skupino sedmih raziskovalcev dolgo ~asa vodilni strokovnjak za Braunove elektronke, posebno ko so za~eli uporabljati Wehneltovo oksidno katodo. V Aachnu so leta 1925 razvili osciloskop z zaslonom iz fosforescen~ne plasti ZnS. Elektroni so se z àre~e katode pospe{evali v pravokotni smeri s 25 000 V proti anodi. Med anodo in fluorescen~nim zaslonom je postavil ozko zaslonko. V starej{em C. Samsonovem modelu je bila zaslonka preblizu katode. Zato je bil zapis premera 5 mm na zaslonu pretemen in neuporaben za visoke frekvence.654 Na zaslonu Rogowskega je àrek zarisal krivuljo, ki so jo lahko opazovali, merili ali fotografirali. Prvi uporabni model so naredili pri AEG, med razvojem pa so sestavili {e elektronski mikroskop.655

234 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 12.6 "Mehansko" obdobje razvoja televizije

Dieckmannova, Rosingova in Campbell-Swintonova uporaba katodne elektronke v za~etku 20. stoletja ni takoj vplivala na razvoj televizije. Hitrost odklanjanja `arkov, ostrina zapisa, trajnostna doba naprave in kvaliteta fokusiranja skeniranih `arkov so bili prenizki pred uporabo Buscheve elektronske optike. Zato sam Braun ni podpiral uporabe svoje elektronke v televiziji, ki se mu je zdela podobna telepatiji.

12.6.1 Televizija med Rusi Rosing je zgradil skupno ve~ kot 120 razli~nih shem in sistemov televizije. Leta 1907 je na peterbur{ki Univerzi sestavil elektronski televizijski sistem z Braunovo elektronko na sprejemni strani, ki ga je patentiral doma, v ZDA, Nem~iji in Angliji. Elektronski curek je moduliral s signalom fotocelice in odklanjal z magneti. Snemalna naprava je bila {e mehanska. Za skeniranje prena{ane slike je uporabil dva medsebojno pravokotna bobna z zrcali, ki ju je vrtel okoli skupne osi. Po~asne selenove fotoinduktivne celice je nadomestil s hitrej{imi fotocelicami iz alkalijskih kovin, vendar {e ni znal oja~iti {ibkih tokov reda 0,1 pA. Svoj sistem je razstavil v Sankt Peterburgu leta 1910656 in naslednje leto prikazal sprejem preprostih geometrijskih oblik. Z raziskovanjem televizije je nadaljeval do leta 1931, ko je bil Slika 12.6: Boris L'vovi~ Rosing658 med stalinisti~nimi ~istkami obsojen na tri leta v Arhangelsku; tam ga je pri~akala mrzla smrt 657

(slika 12.6). 658 8. 11. 1925 so Grabovski, V. I. Popov in N. G. Piskunov v Leningradu (dana{njem Sankt Peterburgu) prijavili patent "radiotelefota", prve prakti~ne popolnoma elektronske televizije. Poskuse so za~eli julija 1925 v laboratoriju industrijskega tehnikuma v Sara- tovu. V njihovem sistemu je fotokatoda pod vplivom svetlobe izlo~ala elektrone, ki so jih odklanjali z mreìco v njeni bliìni. Elektronski "àrki" s termokatode so prehajali skozi mreìco in trkali ob fotokatodo. Tam so se sre~avali z nasprotno usmerjenimi fotoelektroni, ki so tem bolj oslabili àrke, ~im ve~ jih je bilo v dani to~ki fotokatode. Tako so modulirali elektronski àrek, ki je potem prena{al informacijo o osvetljenosti objekta. V naslednjih treh mesecih so delali poskuse na Leningrajskem vakuumskem zavodu. Porabili so le 1500 rubljev, kljub sorazmerno zapletenim poskusom. @al v Leningradu imenovana komisija sprva ni podprla uporabe njihove naprave. Grabovski se je preko Saratova vrnil v Ta{kent in z Rosingovo pomo~jo nadaljeval raziskave. 28. 7. 1928 je komisija priznala uporabnost "telefota", ki sta ga patentirala Grabovski in njegov laborant I. F. Beljanski. Prena{ala sta po 7 senc v sekundi na 6–7 m oddaljen zaslon premera 5–6 cm z 200 do 300 vrstami v drugi sobi. Svojo prvotno idejo sta spremenila tako, da sta fotoob~utljivo plast nanesla na neprepustno podlago iz

KATODNA ELEKTRONKA ... 235 srebra. Projekcija slike in elektronski `arki so bili sedaj na isti strani fotoob~utljive plasti, podobno kot v Zworykinovem ikonoskopu leta 1933.659

12.6.2 Televizija v Veliki Britaniji

660 Na [kotskem rojeni inènir Campbell Swinton je bil direktor industrijskih podjetij v Londonu, kjer se je ukvarjal predvsem z name{~anjem elektri~ne razsvetljave (slika 12.7). Po Röntge- novem odkritju je med letoma 1896 in 1899 s posredovanjem Lorda Kelvina objavljal raziskovanja katodne elektronke pri RS. 27. 2. 1897 je potrdil, da rentgenski àrki izhajajo iz obmo~ja zelene luminiscence stekla katodne elektronke in raziskal katodoluminiscenco oglja. Dve leti pozneje je meril katodoluminiscenco redkih zemelj, 22. 6. 1906 pa je opisal barvanje katode z radioaktivnim radijem, ki zmanj{a tok, potreben za razelektritev Wehneltove katodne elektronke. Campbell Swinton {e ni poznal fotoelektri~nega pojava za oddajnik tako velike hitrosti in oja- Slika 12.7: Campbell Swinton660 ~itve. Leta 1908 je odgovoril na razpravo v Nature o televizijskem sistemu Francoza M. Armegauda s predlogom o uporabi katodne elektronke. 7. 11. 1911 je pred Röntgenovim dru{tvom v Angliji, katere predsednik je bil, opisal zaslon oddajnika iz majhnih kock rutenija kot samostojnih fotocelic v vakuumski posodi s fotob~utljivo natrijevo paro.661 Do leta 1926 je v lastnem laboratoriju v Londonu brez uspeha preizku{al tak{ne mozai~ne fotoelemete. Septembra 1921 je na predavanju pred BAAS opisal sprejemanje radijskih signalov z Eiffelovega stolpa v svojem londonskem laboratoriju. Braun je 6. 12. 1913 objavil rezultate podobnih meritev v Strasbourgu. Campbell-Swinton je 26. 3. 1924 pred RS poro~al o mo`nostih ì~ne in brezì~ne televizije. Namesto mnoìce vodnikov, ki prena{ajo posamezne elemente mozaika osvetljene slike po vzoru na svetlobno ob~utljive ìvce v o~esu, je na~rtoval le tri vodnike in ozemljitev. Oddajnik in sprejemnik sta bili Crookesovi katodni elektronki s preluknjano anodo. Pri napetosti 100 kV naj bi fluorescen~ni zaslon zasvetil vsako desetinko sekunde. Campbell-Swintonova televizija ni nikoli delovala. Njegove ideje so se uveljavile {ele v naslednjem desetletju, saj se velika podjetja zanje sprva niso zanimala. Drugi raziskovalci so v razli~nih dràvah do novembra 1925 razvili {e {est modelov slikovne elektronke za televizijo.662 [kot Baird je ustanovil prvo izklju~no televiziji posve~eno dru`bo Television Limited in do odlo~itve britanske komisije 13. 2. 1937 uspe{no konkuriral elektronski televiziji Marconijeve dru`be E. M. I. Kljub pi~li materialni podpori je aprila 1925 javno demonstriral svojo televizijo z uporabo Nipkowe plo{~e frekvence 8,3 Hz in koloidne celice lastne izdelave za skeniranje odbite svetlobe. Senzor je moral biti tiso~krat ob~utljivej{i od starej{ih aparatov, ki so prena{ali samo sence prepu{~ene svetlobe. ^rka "H" je bila na sprejemniku dobro vidna, te`je pa je bilo s premikom roke ali obrazom, na katerem je bilo mogo~e opaziti premikanje ust.663

236 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK V nekaj mesecih je Bairdu uspelo re{iti problem prenosa slike po ìci in {e brezì~no, kar je 27. 1. 1926 pokazal {tiridesetim ~lanom RI. Campbell Swinton si je ogledal Bairdov izum in v svojem londonskem klubu poro~al o svoji "spreobrnitvi". Vendar se je julija 1928 premislil in v pismu Timesu ostro kritiziral Bairdovo delo, saj je prisegal na elektroniko. Leta 1927 je Baird dobil britanski patent za stereoskopski ì~ni ali brezì~ni prenos slik ali gibanja. Okoli vrtljive Nipkowe plo{~e je eno v drugo postavil dve ali ve~ spiral le~ in fotocelic tako, da je vsaka pokrivala le eno podro~je slike ali pa le eno barvo. Svetlobo je filtriral, nato pa v sprejemniku projiciral barve eno na drugo. Delovanje naprave je demonstriral 3. 6. 1928 v Londonu.664 Baird je s sodelavci 8. 2. 1928 prvi brezì~no poslal sliko ~ez Atlantik z valovi dolìne 45 m brez vmesnih pretvornikov. 18. 7. 1929 je Schapira pri Telefunknu v Berlinu prejel dva modela televizije, izdelka Bairda in njegovega direktorja Captaina O. G. Hutchins- sona. Napravi sta stali 90 oziroma 12 mark; prena{ali sta 12,5 slik s po 30 vrstami na sekundo pri 9000 Hz. Baird je oddajal slike po telefonskem kablu znotraj hi{e in prepoznaval sede~e osebe brez podrobnosti. Schapiru se je zdelo, da je Telefunknova naprava z osemin{tiridesetimi zrcali bolje prena{ala gibljive slike. Baird je Nipkowo plo{~o nadomestil z bobnom s tridesetimi zrcali, kar je junija 1931 in 29. 4. 1932 uporabil BBC v prvi javni televizijski oddaji, prenosu konjskih dirk iz Derbyja. 2. 8. 1932 je BBC za~el osemmese~no oddajanje televizijskega programa, 2. 11. 1936 pa prve redne televizijske oddaje v Londonu.665

12.6.3 Televizija v Nem~iji Braunova asistenta Dieckmann in Glage sta 12. 9. 1906 v Strasbourgu patentirala Braunovo elektronko za prenos ~rk in risb brez premi~nih delov v sprejemniku. Slike kovinskih modelov sta skenirala z dvajsetimi kontaktnimi krta~ami, ki so nadome{~ale odprtine v Nipkowi plo{~i. Krta~e so bile povezane z generatorjem àgaste napetosti v vodoravnih odklonskih tuljavah katodne elektronke in s kontaktnimi krta~ami na drse~ih ìcah potenciometra, ki so oddajale tok tuljavam za navpi~ni odklon. Ob stiku s prevodno to~ko na kovinskem modelu so krta~e Nipkowe plo{~e povzro~ale tok skozi elektromagnet; ta je odklonil elektronski curek v osciloskopu, da je zgre{il odprtino na svoji poti. Prevodni deli modela so zato videti temno na svetli podlagi zaslona osciloskopa. Celoten obrat Nipkowe plo{~e je trajal 0,1 s, zato je lahko svetlobni zapis na zaslonu sledil premikom in vrtenju modela. Zaslon sta lahko fotografirala, kar sta kar dvakrat poudarila v svojem patentnem spisu. êprav je bil Dieckmannov aparat bolj telefaks kot televizija, je s sprejemnikom napredoval v elektronskem snema- 666 nju slike. 667 Patent ni razveselil njunega u~itelja, kot bi morda pri~akovali. Braun je bil jezen, ker se je njegova iznajdba uporabljala za tak{ne namene. Po Dieckmannovem zapisu 42 let pozneje "gledanje na daljavo sploh ni bilo spo{tovanja vredno podro~je raziskav v tistih ~asih – imeli so ga za nekaj podobnega, kot neko~ perpetuum mobile". Braun je umrl prezgodaj, da bi moral spremeniti svoje mnenje. Dieckmann je kon~al Gimnazijo St. Thomas v Leipzigu (slika 12.8). Leta 1906 je postal Braunov asistent v Strasbourgu, naslednje leto pa je pri njem zagovarjal disertacijo. Marca 1914 je kot privatni docent v Münchnu sodeloval z Braunom in grofom Zeppe- linom pri poskusih v radiotelegrafiji in aeronavtiki. Tem problemom je posvetil svojo poklicno pot. Med 1. svetovno vojno je raziskoval mo`nosti za televizijsko povezavo

KATODNA ELEKTRONKA ... 237 med letalom in kopnim. Leta 1925 je na razstavi transporta in prometa v Münchnu prikazal svoj televizijski sistem s katodno elektronko. Naprava morda ni delovala, saj se mu je ni posre~ilo patentirati. S sodelavcem Rudolfom Hellom sta opisala podobno snemalno cev, kot jo je poldrugo leto pozneje patentiral Farnsworth v ZDA.668 V vojnih letih je bil Dieckmann direktor nem{kega Raziskovalnega in{tituta za telekomu- nikacije v bliìni Münchna. Glage je bil sin ni`jega èlezni{kega uradnika in je leta 1908 postal Braunov asistent. Doktoriral je z raziskovanjem resonan~nega induktorja ob podpori Telefunkna in nato postal gimnazijski profesor. Dember je na Fizikalnem in{titutu Visoke {ole v Dresdnu maja 1925 odkril pove~anje emisije pri so~asnem vzbujanju fotoplasti z elektroni in s fotoni. Pri raziskovanju odvisnosti dodatnega Slika 12.8: Max Dieckmann667 fototoka na aluminiju od intenzitete svetlobe pri konstantnem toku "katodnih àrkov" je uporabljal difuzijsko ~rpalko s Kaiser Wilhelmovega in{tituta v Berlinu. Fotoefekt je zaradi "katodnih àrkov" narastel, mejna valovna dolìna pa se je pomaknila proti dolgim valovom. Demberjevi poskusi so potrjevali Lenardovo teorijo, po kateri je povpre~na energija vpadnih "katodnih àrkov" manj{a od notranjega dela in zato ne zadostuje za izbijanje elektronov iz podlage. Zato elektroni ostanejo v kovini v vzbujenem stanju in jih potem lahko izbije iz podlage svetloba manj{e energije.669 Dember je leta 1931 dognal, da pri osvetlitvi bakrovih oksidov z mo~no absorbirajo~o svetlobo nastane razlika potencialov v smeri {irjenja àrkov. Naslednje leto so tak{en pojav opazili v diamantu in ZnS, pozneje pa {e v drugih polprevodnikih. Leta 1935 je Frenkel pokazal, da tak{na razlika potencialov nastane v neenakomerno osvetljenih primerih zaradi razlik v koeficientih difuzije elektronov in vrzeli. Hitrej{i nosilci naboja prehitevajo po~asnej{e in med osvetljeno povr{ino in notranjostjo nastane razlika potencialov. ê sta hitrosti elektronov in vrzeli enaki in so enake tudi njihove trajnostne dobe (relaksacijski ~asi), potem efekt Demberja izgine. V praksi ga zakrijejo veliko ve~je spremembe kontaktne razlike potencialov, ki jih povzro~ajo neravnovesni nosilci v bliìni elektrod. Madàr Mihály je poleti 1919 v Budimpe{ti javno demonstriral svoj televizijski sistem "telehor". Rojen je bil v Gödöllu pri Budimpe{ti v druìni zdravnika. Po realni gimnaziji je {tudiral na Tehni{ki visoki {oli v Budimpe{ti. S problemi televizije se je seznanil med vojno, ko je delal pri Telefonfabrik v Budimpe{ti. Leta 1923 je objavil prvo knjigo, popolnoma posve~eno televiziji. Naslednje leto je od{el v Berlin in od leta 1927 raziskoval televizijo za nem{ko dràvno po{to, medtem ko je Edouard Bélin raziskoval v Parizu tudi za Avstrijsko dràvno radijsko dru`bo RAVAG. Sodelavec Telefunkna in asistent Fizikalnega in{tituta v Leipzigu, Karolus, je izbolj{al fotocelico z uporabo efekta [kota Kerra in jo uporabil za moduliranje svetlobe v televizijskem sprejemniku. 21. 6. 1924 je dobil nem{ki patent za skeniranje z dvema Nipkowima plo{~ama s po 48 luknjami, za katerimi je postavil Elster-Geitlove alkalijske fotocelice.670

238 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 11. 5. 1928 so na razstavi radia v Berlinu poleg Telefunknove televizije, ki sta jo izdelala Karolus in Schröter, predstavili tudi Mihályevo 30-vrsti~no televizijo. Ta je v eni sekundi zamenjala 10 slik velikosti 4 cm × 4 cm. Mihály je uporabljal oblo~no lu~ z volframovo nitjo in Nip- kowo plo{~o iz pertinaksa s 30 luknjami (slika 12.9). Marca 1929 je imela dr`avna po{ta v Berlinu `e televizijsko sliko z 900

to~kami, vendar brez tona. 671 Allgemeiner Deutscher Fernsehverein je bil ustanovljen 13. 9. 1929 in je za~el avgusta naslednjega leta v Berlinu izdajati Slika 12.9: Dénes von Mihály671 revijo Fernsehen. Razen Codellija in Mi- hálya je ve~ina drugih avtorjev nove revije zagovarjala prednosti elektronske televizije s katodno elektronko pri sinhronizaciji in gostoti to~k v sliki. Najve~ razprav v Fernsehen je objavljal von Ardenne, ki je v lastnem laboratoriju v Berlinu vzporedno z Zworykinom v poznih 1920-ih letih razvil katodno elektronko v obliki sodobne elektronske pu{ke. Zavzemal se je za uporabo ultrakratkih valov v televiziji. Leta 1931 je opisal posredno segrevanje katode, ki prepre~uje razpr{evanje katodnega materiala v katodni elektronki in na berlinski razstavi radia skupaj s podjetjem Loewe prvi javno demonstriral povsem elektronsko televizijo. Njegov sistem je zasen~il Mihályevega in Bairdovega (slika 12.10).672

Slika 12.10: John L. Baird (levo) na obisku v von Ardennejevem laboratoriju673

KATODNA ELEKTRONKA ... 239 673

Manfred von Ardenne je bil rojen v Hamburgu v dru`ini armadnega oficirja. Leta 1925 in 1926 je {tudiral fiziko, kemijo in matematiko na Univerzi v Berlinu. Bil je dovolj premo`en, da je lahko organiziral delo v lastnem laboratoriju, ki je dobival naro~ila od veleindustrije in od Hitlerjevega po{tnega ministra. Poleg dohodkov od {tevilnih izumov, predvsem povezanih s katodno elektronko, je imel tudi pogodbo s podjetjem Siemens & Halske. Leta 1936 je pripravil televizijski prenos berlinskih olimpijskih iger, 25. 12. 1937 pa je objavil razlago delovanja vrsti~nega elektronskega mikroskopa in leto pozneje uporabil elektronski curek kot delovno orodje. V letih 1939 in 1940 se je ukvarjal z elektromagnetno separacijo 235U. Po vojni je deset let raziskoval v Sovjetski zvezi, kjer ni bil ni~ manj uspe{en kot pod nacisti~no vlado. Leta 1955 se je vrnil za direktorja Znanstvenoraziskovalnega in{tituta v Dresden.674

Von Ardenne je uporabil Zworykinovo sugestijo iz 29. 12. 1923 o katodni elektronki kot skenerju s premi~no to~ko zapisa. Skenirani model enakomerne intenzitete, katerega sliko je èlel prenesti, je upodobil na katodni elektronki. Prepu{~eno ali odbito svetlobo je zbiral s fotocelico. Fototok je bil sorazmeren prepustnosti ali odbojnosti skenirane to~ke in je generiral signal za sliko. ê je svetlobo oddajal dlje, kot je bil ~as prehoda posameznega elementa slike, se je skenirana to~ka raztegnila v ~rto in ustrezno zniàla vodoravno lo~ljivost. Prvotni skenerji s premi~no to~ko zapisa v katodni elektronki niso bili prakti~no uporabni, dokler niso za~eli uporabljati u~inkovitih fotopomnoèvalk majhne vztrajnosti in visoke ob~utljivosti.675 Osnovni problem televizije s katodno elektronko je bila ostrost in svetlost to~ke zapisa ter so~asno krmiljenje svetlosti in porazdelitve to~k v elektronki. Von Ardenne je uporabljal Wehneltovo nizkonapetostno elektronko po Schröterjevi metodi "polovi~nih slik".676 Med von Ardenovimi sodelavci na Heinrich-Hertz-Institut für Schwingungsforschung v Berlinu je bil dr. [lebinger iz Ljubljane, sin literarnega zgodovinarja akademika Janka in brat geologa Cirila. Po maturi v Ljubljani leta 1925 je {tudiral elektrotehniko v Pragi in diplomiral leta 1929. S priporo~ilom pra{ke Univerze je dobil raziskovalno nalogo za usposabljanje katodne elektronke za televizijo na Hertzovem in{titutu. Tam je med letoma 1930 in 1933 raziskoval skupaj z utemeljiteljem in{tituta in njegovim direktorjem med letoma 1927 in 1936, Wagnerjem, in njegovim vrstnikom, prof. dr. Gustavom Engelbertom Leithäuserjem. Leithäuser je 30. 6. 1933 v predavalnici in{tituta projiciral sprejeto 90-vrsti~no mehansko skenirano sliko velikosti 18 cm × 21,5 cm. Slika je imela le 30 in pozneje 90 vrstic namesto dana{njih 625. Katodno elektronko so na Hertzovem in{titutu prirejali za svetlobno modulacijo in sprejem, ki se je posre~il leta 1930 v Berlinu med zasedanjem Svetovne konference za energijo. Leta 1932 je [lebinger dobil patenta za sinhronizacijo slike v sprejemniku ter za svetlobno modulacijo "katodnega àrka". Naslednje leto se je pred nacizmom umaknil iz Nem~ije k star{em v Ljubljano. [tiri leta je bil brez redne zaposlitve in je zato do leta 1935 asistiral pri Trà~anu Osani na Oddelku za elektrotehniko na Tehni{ki fakulteti v Ljubljani. Osana se je po letu 1928 ukvarjal s televizijsko tehniko in je za prve poskuse o osnovah delovanja televizije uporabljal Nipkowo plo{~o. [lebinger je od{el za nekaj ~asa v Beograd za tehni~nega direktorja Philipsa, ki je tam nameraval zgraditi tovarno radijskih aparatov. Medtem je leta 1939 v Pragi promoviral s tezo "Izkori{~anje vodnih mo~i in plovne poti Donave v Djerdapu". Po ve~letnem delu na hidrocentralah v Jugoslaviji je leta 1968 od{el kot strokovnjak Zdruènih narodov v Abidàn v Slonoko{~eni obali. Po vrnitvi je pou~eval na ljubljanski Fakulteti za elektrotehniko, kot si je èlel od nekdaj.677 22. 3. 1935 so v Berlinu predvajali televizijski program, ki je menjaval 25 slik s 180 vrsticami na sekundo. 19. 8. 1935 je pogorel UKV televizijski sistem tretji dan 12. radijske razstave v Berlinu, ki so ga nato popravili v 30 urah. Prenosa z dneva nacisti~ne partije v Nürnbergu leta 1936 niso mogli izpeljati, saj {e ni bilo ustreznega kabla. Istega

240 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK leta so s Telefunknovim ikonoskopom in Farnsworthovo kamero prena{ali letne olim- pijske igre iz Berlina. 11. 8. 1939 so prena{ali boksarsko, 26. 11. 1939 pa nogometno tekmo med Italijo in Nem~ijo.

12.6.4 Mehanska televizija v ZDA Jenkins je za~el raziskovati televizijo leta 1894. Le nekaj mesecev za Bairdom je 21. 3. 1925 razvil brezì~ni mehanski televizijski prenos sen~nih obrisov na razdaljo ve~ kilometrov. Leta 1926 je patentiral "daljinski kino"678 in dve leti pozneje je za~el prve televizijske oddaje v bliìni Washingtona. Podobno kot na{ Codelli tudi Jenkins ni imel dovolj gmotne podpore za uspe{en prehod k vedno bolj obetavni elektronski televiziji. Isto~asno je Herbert E. Ives iz Bell Labs prijavil patent za televizijo v naravnih barvah z izbolj{anim skeniranjem. Uporabljal je Nipkowo plo{~o s fotocelicami, ki so pokrivale posamezne dele spektra. Svetloba je padala na vrtljivo zrcalo skozi luknje v plo{~i. V sprejemniku je tok po vodniku prenesel zapis na fotocelice, ki so bile povezane s posameznimi deli obrata plo{~e. Mehanizem vrtenja je bil tak, da je plo{~a naredila malo ve~ ali malo manj obratov od komutatorja in tako dosegla spreminjanje vrstnega reda povezav med fotocelico in modulatorjem pri zaporednem skeniranju objekta. Bell Labs so ponujali v tem ~asu najbolj{o mehansko televizijo.679 Razvoj je tekel v dve smeri: "videofon", ki bi ob telefonu kazal {e vidno sliko sogovornika, in brezì~na televizija, ki bi sliko ponudila ob zvoku radia. Reklamiranje proizvodov po radiu in tisku je postalo pred ekonomsko krizo 1930-ih let tako donosno, da je usmerilo televizijo v brezì~ni razvoj.

12.7 Elektronska televizija v ZDA

Campbell-Swintonove ideje o popolnoma elektronski televiziji so se najbolj prijele v ZDA. Raziskovalci so se tam soo~ali tudi s problemom prenosa slike na velike razdalje ob manj{i gostoti naseljenosti, kot je bila v Evropi. Leta 1921 sta proizvodnjo Braunovih elektronk v ZDA za~ela fizik Hendrik J. Van der Bijl iz New Yorka in Johnson iz Göteborga na [vedskem, ki je od leta 1910 {tudiral na Univerzi v Severni Dakoti. Leta 1914 je diplomiral in postal Ameri~an. Doktoriral je leta 1917 na Yalu. Med letoma 1917 in 1925 je delal pri Western Electric Co. in raziskoval oscilografe z nizkonapetostnimi katodnimi elektronkami, ki jih je patentiral v ZDA. Nato je do leta 1952 delal v Bell Telephone Labortories, Inc., Mapelwood, New Jersey, in kon~no pri Laboratories Thomas Alva Edison Inc. Poleg katodnih elektronk in {umov je raziskoval ionizacijo plinov, nadzvo~ne hitrosti v kapljevinah in sekundarno emisijo. Bijl je svoje eksperimentalne raziskave gibanja po~asnih elektronov in ionov v gostih medijih objavljal pred 1. svetovno vojno v vodilnih nem{kih revijah. Ob koncu vojne je v ZDA raziskoval teorijo termoionske katodne elektronke in o njej leta 1920 objavil knjigo.

Vladimir Zworykin je med letoma 1910 in 1912 {tudiral na peterbur{kem Tehnolo{kem in{titutu (slika 12.11). V Rosingovem laboratoriju je spoznal prednosti elektronskega sistema pred mehanskim. Po diplomi je {tudiral pri Langevinu na Collège de France v Parizu. Med 1. svetovno vojno se je teorijski fizik Langevin ukvarjal tudi z radiotelegrafijo in katodno elektronko. Zworykin je podobno delo opravljal v ruski armadi in sodeloval v peterbur{ki podru`nici Marconijevega podjetja. Ob koncu 1. svetovne vojne je od{el v ZDA.

KATODNA ELEKTRONKA ... 241 680 Elektronska televizija je prevladala po uspehih Zworykina. Sprva je delal za Westinghouse, kjer niso bili navdu{eni nad modulacijo intenzitete curka elektronov v televiziji z osnosimetri~no mre`ico, ki ga je Zworykin prijavil 29. 12. 1923; morda je zato zanj dobil patent {t. 2141059 v ZDA {ele 20. 12. 1938. [e kot ruski dr`avljan v slu`bi Westinghousa je leta 1925 patent dvakrat dopolnil. Katodno elektronko je predelil s plo{~o iz 33 plasti razli~nih snovi, ki je nadome{~ala fluorescen~ni zaslon. Na plo{~o iz aluminija ali drugega dobrega prevodnika je dal

najprej plast izolatorja, Al2O3 ali MgO. 680 Slika 12.11: Vladimir Zworykin Sledila je tanka plast fotoob~utljivega kalijevega hidrida, ki ga je naparil do sive barve, medtem ko bi bil pri ve~jih debelinah srebrn. Nanj je za kratek ~as spustil vodik tako, da je dobil spojino svetlo modre barve, ki {e ni pre{la v vijoli~no. Vsaka kroglica kalijevega hidrida je delovala kot fotocelica. Mozai~ni zaslon za zeleno, modro in rde~o barvo je postavil med le~e. Fotoefekt na vsaki kroglici kalijevega hidrida je bil pravzaprav prevajanje med kroglicami in mre`o. Elektroni s kalijevega hidrida niso prihajali na zaslon zaradi vmesnega izolatorja, tako da je tok tekel samo med zaslonom in mre`ico. Modulirali so ga v skladu z generiranim tokom, oja~ili s triodo in oddali preko antene. Zworykin je uporabljal izmeni~ni tok frekvence 16 Hz, slike pa je menjaval dvakrat hitreje, po 32 na sekundo. Zasloni so bili iz spojin, ob~utljivih za razli~ne barve, npr. cezijev klorid za rde~o.681 18. 11. 1927 in v naslednjem letu so opravili prve televizijske oddaje v ZDA.682 Novem- bra 1928 je Westinghouse poslal Zworykina na ogled elektri~nih laboratorijev v Franciji, kjer so mu v Bélinovem pari{kem laboratoriju pokazali mo`nost elektrostati~nega fokusiranja elektronov v dovolj dobrem vakuumu, s katerim je pozneje nadomestil magnetno fokusiranje. V za~etku januarja 1929 je Zworykin obiskal dve leti mlaj{ega beloruskega @ida Sarnoffa pri Radio Corporation of America (RCA) v New Yorku in mu opisal svojo zamisel elektronske televizije. Sarnoff je vodil razvoj radia v ZDA in je 3. 1. 1930 postal predsednik RCA (slika 12.12). Iz pogovora se je rodila ruska naveza med podjet- nikom in izumiteljem, ki je omogo~ila prevlado 683

elektronske televizije v naslednjih letih. 684 16. 11. 1929 je Zworykin na sestanku I. R. E. v Rochesterju, New York, poro~al o kineskopu, ki ga je patentiral 22. 2. 1938 v ZDA pod {t. 2109245. RCA, katere ~astni podpredsednik je Slika 12.12: David Sarnoff 684

242 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK postal leta 1954, je imela è tedaj na voljo delujo~ televizijski sistem in potrebna finan~na sredstva. Vendar je finan~ni zlom oktobra 1929 odloìl trènje è kon~ane tehnologije. Druìnske idile pred TV-zasloni so morale malce po~akati zavoljo vi{je sile. Leta 1930 je Zworykin postal vodja elektronskega laboratorija pri RCA, ki se je leta 1919 razvila iz podru`nice Marconijevega podjetja v ZDA. S svojimi idejami je pri Sarnoffu izpodrinil Ernsta Frederika Wernerja Alexandersona, rojenega leta 1878 v Uppsali, ki je s svojo mehansko televizijo dotlej vodil razvoj pri RCA.685 13. 11. 1931 je Zworykin razvil ikonoskop in dobil zanj ameri{ki patent {t. 2021907 dne 26. 11. 1938. Prvi ikonoskop ni zmogel ve~ kot 240 vrst, kljub temu pa je prvi na{el prakti~no uporabo. Slika se je prena{ala na mozaik medsebojno izoliranih srebrovih kroglic, ki so fluorescirale zaradi dodanega cezija. Kroglice so bile obenem fotokatode in plo{~e kondenzatorja. Druga stran podlage iz sljude je bila prekrita s kovinsko elektrodo, ki je bila obenem druga plo{~a kondenzatorja. Vsak element slike je imel svojo fotocelico (kondenzator), tako da je bila gostota zrn mozaika okoli 100 000 na kvadratni centimeter. Osvetlitev fotocelice je bila odvisna od svetlosti pripadajo~ega elementa. Fototok je nabil kondenzator. Med rotacijo elektronskega àrka, ki ga je ikonoskop uporabljal kot komutator, so se kondenzatorji drug za drugim praznili preko upora. Padci napetosti na uporu so ustrezali svetlobni jakosti na posameznih elementih slike. Signale so nato oja~ili in z njimi modulirali nosilni val. Idejo so leta 1931 razvili pri RCA s stro{ki 4 milijonov dolarjev in z njo po letu 1934 izpodrinili mehansko televizijo. Pri analizatorju slike se je prenesena slika projicirala na fotokatodo. Tok fotoelektronov iz katode se je odklanjal s pravokotnima magnetnima poljema, tako da so {li skozi odprtino v zaporedju elektroni iz razli~nih elementov slike vzdol` skenirane ~rte in generirali slikovni signal. Farnsworth je v San Franciscu izbolj{al Dieckmannv nem{ki patent analizatorja. Dodal je longitudinalno magnetno polje za fokusiranje vzporedno osi, s katerim je dosegal ostro elektronsko sliko v ravnini odprtine. Ideje je ~rpal iz poljudnih razprav Rusa Rosinga, ki je tako vplival na poglavitna ameri{ka tekmeca Farnswortha in Zworykina. Leta 1931 je Farnsworth skeniral 200 000 elementov slike treh ljudi velikosti 4 × 2,75 in~ev z izmeni~no àgasto napetostjo frekvence 12 Hz in 4800 Hz. Oddajnik je bil Braunova elektronka s hladno katodo v visokem vakuumu in majhno fotokatodo na posrebrenem steklu. Le majhen del fotokatode ni bil osen~en pred tlivno razelektritvijo. Fotokatodi vzporedna anoda je bila iz tanke plasti volframa na niklju. Za{~ita je bila tanka plast platine na notranji strani elektronke. V ravnini fotocelice je bil fluorescen~ni zaslon. Elektrone je pospe{eval z napetostjo okoli 500 V in odklanjal s transverzalnim magnetnim poljem. Z izmeni~no àgasto napetostjo frekvence 3000 Hz in 15 Hz je skeniral 200 ~rt s 15 slikami na sekundo. Sprejemnik je bil "oscilit", podoben Zworykinovemu, z dvema medsebojno pravokotnima tuljavama. Anodna cev je bila v gori{~u elektronov, ki so leteli z oddajnika ali vlakna. Dajal je bolj{o sliko od mehanske televizije iz Bell Labs. Konec leta 1931 so prodajali Farnsworthovo televizijo po 50 angle{kih funtov, adapter pa za dodatnih 20 funtov. Kupci so se lahko veselili TV-oddaj 1000 ur, cena obnove dotra- janega sprejemnika pa je bila 2–3 funte.686 22. 7. 1935 je bila Farnsworthu dosojena prioriteta pri iznajdbi sistema televizije po dolgoletnem sporu z RCA.687 Farnsworthov analizator slike je dolgo tekmoval z Zworyki- novim sistemom, dokler slednjemu 20. 12. 1938 niso priznali patenta.

KATODNA ELEKTRONKA ... 243 Philo Taylor Farnsworth iz mormonske dru`ine v Utahu je pre`ivel mladost na kmetiji brez stika z radijskimi aparati in je za elektriko sli{al {ele pri {tirinajstih letih (slika 12.13). Srednjo {olo je kon~al v Ragbyju, Idaho, nato pa je dve leti {tudiral na Univerzi Brigham Young v Provu, Utah. Leta 1926 je njegove ideje o elektronski televiziji podprlo podjetje Crocker Research Labo- ratories iz San Francisca, ki se je leta 1938 preimenovalo v Farnsworth Television and Radio Corporation. Njegove ideje so poleg televizije vplivale tudi na razvoj radarja in jedrskih reaktorjev. Pozneje se je ~ez mero vdal pija~i in umrl pozabljen od sveta znanosti v Salt Lake Cityju.

688 Naslednjih 30 let se niso mogli znebiti efekta ionizacije plinov zaradi preslabega vakuuma v katodni elektronki. Zato so uporabljali posebne "zanke" za ione, da bi prepre~ili destruk- tivno razpr{evanje z oksidom prekrite katode zaradi pozitivnih ionov, nastalih v elektron- Slika 12.13: Philo Taylor Farnsworth688 skem curku. Dokler niso v katodno elektronko dodali zaslona iz aluminija, so hitri negativni ioni ve~krat pre`gali sredi{~e fosfornega zaslona. Nezaèleni vpliv sekundarne emisije so v Zworykinovem laboratoriju pri RCA v Princetonu leta 1939 odpravili fiziki Harley Ambrose Iams in Albert Rose. Uporabili so po~asni komutacijski àrek, ki pada povsod pravokotno na mozaik v snemalni cevi, imenovani ortikon. Januarja 1946 so pri RCA ob sodelovanju Paula Kesslerja Weimera in Harolda Bella Lawa razvili {e 100- do 1000-krat ob~utljivej{i slikovni ortikon. Super ortikon je pri{el v uporabo leta 1947, manj{i vidicon pa leta 1950.689 Najstarej{i med na{tetimi raziskovalci, Iams, je bil rojen leta 1905 in je diplomiral na Stanfordu leta 1928. Med letoma 1927 in 1929 je delal pri Westinghousu, med letoma 1931 in 1933 pa pri RCA. Med letoma 1933 in 1942 je bil projektni inènir pri Harissonu, nato pa je bil do leta 1947 na Princetonu skupaj z Einsteinom. Rose je bil rojen leta 1910 v New Yorku. Po treh letih asistiranja na Univerzi Cornell se je po doktoratu leta 1935 zaposlil pri RCA. Tam je ostal do leta 1975 in v tem ~asu objavil 50 televizijskih patentov. Leto dni mlaj{i Law iz Iowe je doktoriral leta 1941. Med letoma 1939 in 1941 je bil asistent na Dràvni univerzi v Ohiu, kjer je leta 1942 doktoriral Weimer, rojen leta 1914 v Indiani. Med letoma 1936 in 1937 je bil Weimer asistent v Kansasu, med letoma 1939 in 1942 pa znova na Dràvni univerzi v Ohiu, od koder je leta 1942 pre{el k RCA, ki je zdruìl ve~ino ameri{kih televizijcev. Rose, Weimer in Law so leta 1946 prejeli nagrado "Television Broadcasters". Rose je obenem prejel tudi Liebmanovo nagrado, Law pa leta 1955 Zworykinovo nagrado.

12.8 Barvna televizija

2. 11. 1880 je Maurice Leblanc objavil {tudijo o re{itvi problema televizije s prizmo, ki bi sedem barvnih podro~ij razdelila na oja~evalne selenove celice. [lo je za naivno predstavo, ki je problem re{ila le na kvantitativnem nivoju.

244 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Ruski znanstvenik Polumordvinov je leta 1889 zaprosil za patentiranje barvnega televizijskega sistema z vrtljivimi Nipkowimi plo{~ami in koncentri~nimi valji z reàmi, pokritimi z rde~imi, zelenimi in modrimi filtri. Vendar {e ni imel na voljo tehnologije, ki bi omogo~ala delovanje tak{nega sistema. Leta 12. 6. 1902 je Nemec Bronk patentiral boben z zrcali, selenovo celico in mreò Geisslerjevih cevi z barvnimi filtri. Ives je v Bell Labs 27. 6. 1929 prvi~ v ZDA demonstriral barvno televizijo. Sprejemnik za elektronsko barvno televizijo je patentiral Avstrijec J. Nagler leta 1935, njegov sistem pa je razvil Baird leta 1936 v barvno televizijo s 120 vrsticami, skeniranimi z Nipkowo plo{~o v rde~i, zeleni in modri barvi. Nemec Werner Flechsig je 12. 7. 1938 patentiral idejo "sen~ne maske", ki v elektronski barvni televiziji dovoljuje elektronskim curkom, padajo~im pod razli~nimi koti, le vzburjenje luminiforja ene od treh barv. Istega leta je Gans Pressler razpravljal o televiziji v naravnih barvah in skupaj s von Ardennejem re{il vpra{anje potrebnih frekven~nih pasov.690 Peter Goldmark, rojen leta 1906 na Madàrskem, si je zamislil barvno televizijo è med {tudijem na Dunaju. Po doktoratu iz fizike leta 1931 se je brez uspeha poskusil zaposliti pri Bairdu v Londonu, nato pa se je septembra 1933 odselil v ZDA. Svoj sistem barvne televizije je objavil v British Journalu in se na novo leto 1936 zaposlil pri Columbia Brodcasting Company (CBS) v New Yorku. Izumil je mehanski vrtljivi filter, sicer pa je uporabljal Farnsworthov televizijski sistem. 28. 8. 1940 in 4. 9. 1940 je Goldmark demonstriral delovanje barvne televizije. 25. 6. 1951 je CBS za~el oddajati barvni televizijski program, ki pa je zaradi nasprotovanja Sarnoffa pri RCA imel le malo gledalcev.691 Septembra 1949 so pri RCA organizirali ve~ skupin za raziskovanje barvne slikovne elektronke, primerljive s ~rno-belo ina~ico. Herold se je po doktoratu leta 1942 zaposlil v laboratorijih RCA v Princetonu, New Jersey, ter organiziral in vodil vse Sarnoffove projekte. Law je pri RCA leta 1949 sestavil prototip kineskopa, s katerim je bilo mogo~e dobiti nekaj ve~ kot 100 cm2 veliko sliko. Marca 1950 so pri RCA javno demonstrirali delovanje prototipa katodne elektronke s sen~no masko, ki so jo naslednje leto za~eli proizvajati. Projekt so leta 1952 pri RCA dodelali Ameri~ani Lawrence, Luis Walter Alvarez in McMilan. Lawrence je dobil Nobelovo nagrado za fiziko leta 1939, Alvarez leta 1968, McMilan pa za kemijo leta 1951. Razvoj televizije je pospe{il razvoj elektronike. Po skoku v poznih 1940-ih letih je bila rast proizvodnje elektronike tudi v naslednjem desetletju petkrat ve~ja od povpre~ja v ameri{ki industriji. Skupna vsota prodaje se je podvojila med letoma 1950 in 1960. V tabeli 12.1 je pregled pomembnej{ih dogodkov v razvoju televizije.

Tabela 12.1: Prvo stoletje televizij

Leto Dogodki v svetu Slovenski prispevki 1817 Berzelius odkrije selen 1837 Becquerel odkrije fototok ob osvetlitvi selena 1843 Bainov slikovni telegraf Faraday odkrije sukanje polarizacijske ravnine svetlobe v 1845 magnetnem polju 1847 Bakewellov kopirni telegraf 1851 Hittorf razi{~e prevodnost selena

KATODNA ELEKTRONKA ... 245 1858 Plücker odkrije odklon "katodnih `arkov" v magnetnem polju 1863 Caselli prvi prakti~no prenese slike iz Pariza v Lyon 1869 Hittorf razi{~e svetlobne pojave v Geisslerjevi cevi 1881 Ayrton in Perry uporabita Faradayevo odkritje iz leta 1845 1883 Edison patentira termoionsko emisijo 1884 Nipkowa plo{~a 1887 Hertz odkrije fotoefekt 1890 Fleming pojasni Edisonovo odkritje termoionske emisije 1893 Fotocelica Elstra in Geitla 1897 Braun objavi prvo razpravo o katodni elektronki 1904 Wehneltova nizkonapetostna katodna elektronka 1906 de Forestova trioda Nem{ki patent: Dieckmann in Glage uporabita katodno 12. 9. 1906 elektronko za prenos ~rk in risb 1907 Rosenthal uporabi fotocelico v svetlobni telegrafiji 1907 Rosingova televizija v Sankt Peterburgu 1908, 1911 Campbell-Swintonova televizija v Angliji 1910 Liebenova trioda 1912 Nardinov rele 1919 Mihály demonstrira svoj TV-sistem v Budimpe{ti 1922 Korn prena{a slike ~ez Atlantik 29. 12. Zworykinov prvi patent TV, ZDA, priznan 20. 12. 1938 1923 21. 6. 1924 Nem~ija: Karolusov TV-sistem 1924 Ardennejev sprejemnik in oddajnik s katodno elektronko 1925 Biard prena{a enostavne slike ve~ kilometrov dale~ Jenkins prena{a enostavne slike ve~ kilometrov dale~ po 21. 3. 1925 patentu, priznanem v ZDA 20. 9. 1927 8. 11. 1925 Radiotelefot v Leningradu 18. 10. Busheve ena~be za gibanje elektronov v polju 1926 7. 1. 1927, Farnsworthov analizator patentiran v ZDA 17. 4. 1928 Richardson dobi Nobelovo nagrado za raziskovanje 1928 termoionske emisije 18. 5. 1928 Codellijev 1928 Mihályeva ter Karolus-Schröterjeva televizija v Berlinu TV-sistem 1929 Demonstracija barvne TV v Bell Labs 16. 11. ZDA, 22. 2. 1938: Zworykinov kineskop 1929 27. 9. 1930 Nem~ija, 23. 3. 1933: Schröterjev prenos "polovi~nih" slik 13. 11. 1932 [lebingerjeva ZDA, 26. 11. 1938: Zworykinov ikonoskop 1931 patenta 1935 Sprejemnik za barvno televizijo Avstrijca J. Naglerja 1946 Ortikon 1948 In{titut za 1947 Super ortikon elektrozveze v Ljubljani 1950 Vidicon 1952 barvna televizija pri RCA: Lawrence, Alvarez in McMilan 11. 10. Redne javne TV-oddaje 1958 v Ljubljani

246 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 12.9 Televizija v Sloveniji

Bosanski Hrvat Josip Sli{kovi}, in`enir in univerzitetni profesor na Dunaju, je prvi v Avstriji prikazal televizijo lastne izdelave za prenos senc. Skeniral je z Nipkowo plo{~o in fotocelico. O svojih izumih je predaval v Ljubljani in v drugih ve~jih mestih monarhije.692 Prvi je vpeljal radio na evropskih `eleznicah s svojim aparatom "autodyne", o katerem je poro~al ljubljanski Slovenec.

12.9.1 Codellijeva televizija Baron Anton Codelli pl. Fahnenfeld je bil rojen v Neaplju v kranjski plemi{ki druìni italijanskega rodu. Po {olanju v Ljubljani je maturiral leta 1894 na elitnem Terezijani{~u. Po zgledu pokojnega o~eta je stopil v avstrijsko vojno mornarico, vendar jo je leta 1897 zapustil in kratek ~as {tudiral pravo na Dunaju. Leta 1906 je opravil {estmese~ni strokovni tehni~ni te~aj pri Telefunknu v Berlinu. Od leta 1907 je sodeloval z grofom Arcom iz Zgornje [lezije. Po kon~ani Humanisti~ni gimnaziji v Breslauu (dana{nji Wroc³aw) je dva semestra {tudiral matematiko in fiziko v Berlinu pri Helmholtzu. Nekaj ~asa je slu`boval kot aktivni oficir, nato pa je med letoma 1893 in 1898 {tudiral strojni{tvo pri Slabyju. Doktoriral je v Strasbourgu in bil med letoma 1896 in 1898 asistent za brezì~no telegrafijo pri Slabyju, profesorju elektrotehnike na Visoki tehni{ki {oli v Charlotenburgu. Po zdruìtvi AEG-ja Slabyja in Arca z Braun-Siemensovo skupino v Gesellschaft für Drahtlose Telegraphie mbH (Telefunken) je Arco leta 1903 postal tehni~ni direktor novega podjetja. Leta 1930 se je upokojil in ~ez 10 let umrl v Berlinu. 12. 1. 1908 je Codelli opisal skeniranje televizijske slike z zrcali Wehneltovega valja s selenovimi celicami. Arco se je posvetoval s sodelavcem J. Schoemlichom in 28. 1. 1908 odgovoril, da je selen premalo ob~utljiv za svetlobo; ne bi mogel slediti hitrim spremembam svetlobe in ne bi dajal dovolj ostre slike.693 Codelli je preko Arca obve{~al Telefunken o mo`nostih za prodor njihovih kondenzatorjev namesto avstrijskih Sveticsovih na avstrijski trg in {e posebej v mornarico. Dogovarjal se je za delo pri podru`nici podjetja Siemens & Halske na Dunaju, ki je bila tesno povezana s Telefunknom.694 23. 4. 1908 je Arco poslal Codelliju najnovej{i Loewejev izum oja~evalnika fotografije in Schoemlichov trak za hkratno branje in fotografiranje. Codelli je nadaljeval raziskovanje televizije na Arcovo spodbudo dve desetletji pozneje, 14. 12. 1927. Sodeloval je s Schröterjem, direktorjem raziskovalnega oddelka Tele- funkna v Berlinu med letoma 1920 in 1947, ki je è pred 1. svetovno vojno delal poskuse s "katodnimi àrki" v tlivki. V prvi strokovni razpravi v novi reviji Fernsehen je Schröter tako za sprejem kot za skeniranje slike predloìl uporabo katodne elektronke, polnjene z argonom pri tlaku stotinko ali tiso~inko milibara.695 V istem letniku Fernsehen je Codelli opisal svoj televizijski sistem brez katodne elektronke. Schröter je 27. 9. 1930 prijavil patent za predvajanje "polovi~nih" slik z zaporednim menjavanjem sodih in lihih vrstic, ki so ga v Nem~iji priznali 23. 3. 1933. Skupaj s Knollom je raziskoval prenos elektronskih slik v Telefunknovem televizijskem laboratoriju v Berlinu in objavil ve~ knjig o televiziji. Codelli je 18. 5. 1928 v Nem~iji patentiral predvajanje slik vzdol` spirale. 22. 6. 1928 je kon~al pogajanja s Telefunknovima zastopnikoma Schapiro in Schröterjem. Telefunken je odkupil 60 % deleà pravic do Codellijevega televizijskega sistema za cel svet, razen

KATODNA ELEKTRONKA ... 247 ZDA. Do tedaj je imel Telefunken v lasti le Karolusov televizijski sistem, ki ga je nameraval dopolniti s Codellijevimi izumi.696 14. 11. 1928 je Codelli poslal Schröterju opis svoje televizije s Kerrovo celico, podobno kot v sistemu Karolusa. S Codellijevo pomo~jo so novost sestavili v Berlinu v {estih mesecih. 22. 6. 1929 je direktor Schapira pri Telefunknu izdal laboratorijsko potrdilo o izdelavi prototipa televizije po Codellijevem patentu za 25 300 mark, od tega 13 000 za od{kodnino Codelliju in za njegovo potovanje v Berlin. Kon~na cena naprave je bila skoraj dvakrat vi{ja.697 17. 1. 1930 je Codelli opisal skeniranje z Nipkowo plo{~o z dvema spiralama lukenj v skupno 25 kolobarjih. Za njima sta bili postavljeni Schröterjevi fotocelici, ki sta delovali izmenoma. Naprava je prena{ala 12,5 slik s po 2500 elementi v sekundi. Tokove fotocelic je oja~il de Forestov audion, izdelan pri Telefunknu. Namesto Nipkowih plo{~ je lahko uporabil tudi L. Weillerjevo zrcalno kolo, prvi~ izdelano leta 1889.698 Pri spiralnem skeniranju se je è majhna razlika v fazi na zunanjem robu poznala v sredi{~u slike, medtem ko se pri navadnem skeniranju fazne razlike same izni~ijo. Zato sta morala biti du{enje in frekvenca lastnega nihanja zrcala na sprejemni in oddajni strani Codellijevega sistema natan~no enaki, kar je bilo za tedanjo tehnologijo prakti~no neizvedljivo.699 Snemanje slike z mehani~nim skenerjem z zaznavno vztrajnostjo je povzro~alo izgube in po{kodbe slike. Le pri snemanju vzdol` spirale v Codellijevem sistemu so lahko to~no prena{ali slike v mehanski televiziji.700 Svojo stereoskopsko elektri~no "daljnovidenje" je Codelli med letoma 1928 in 1931 patentiral v vseh pomembnej{ih evropskih sredi{~ih in v Kanadi, ne pa v ZDA. Pred- sednik ljubljanske sekcije Udruènja inènirjev in arhitektov [uklje je 10. 11. 1933 menil, da je Codellijev odvetnik Abrahamson naredil napako, ko je zamudil rok 23. 1. 1931 za vlogo in pla~ilo zahteve za ameri{ki patent. Zaradi nepravilne vloge 25. 6. 1927 in 29. 12. 1930 pod {t. 60718 so Codellijev patent v ZDA zavrnili 18. 8. 1932. Kljub temu je Shortwave and TV Corporation, podjetje multimilijonarja in Teslovega mecena J. Pierponta Morgana, 11. 10. 1932 prosilo Codellijevega washingtonskega odvetnika Emila Bönnelycka za podatke o Codellijevem patentu. Vendar so pozneje 20. 1. 1933 zavrnili odkup Codellijevega patenta.701 Sam Morgan je bil v tem ~asu è mrtev in Codelliju ni bil v pomo~. Codelli je prvi na slovenskih tleh za~el uporabljati katodno elektronko v televiziji {ele v sodelovanju z ljubljanskim trgovcem z elektroopremo in radijsko tehniko Francijem Barom. Codelli je 14. 3. 1930 v odgovor na mesec dni starej{e Schröterjevo pismo sporo~il, naj televizijsko opremo iz Berlina dostavijo kar na Barov naslov na Mestnem trgu 5/I v Ljubljani.702 Schröter je 11. 5. 1928 v Berlinu {e razstavljal mehanski sistem, avgusta 1930 pa je è zagovarjal uporabo katodne elektronke. Tako sta Schröter in Codelli pribli`no isto~asno sprejela "ameri{ko" ina~ico elektronske televizije, ki je kmalu prevladala. Nekdanja deèla Indijancev je za~ela narekovati svoja merila evropskim prednikom. Da bi se uveljavil v ZDA, je Codelli poleg mehanskega skeniranja in premi~nih opti~nih naprav kot tretjo mo`nost na 80 straneh z 61 patentnimi zahtevki opisal popolnoma elektronsko televizijo, brez premi~nih mehanskih delov (slika 12.14). Uporabil je Farnsworthovi podobno Braunovo elektronko s fotokatodo. Sliko je reproduciral z mo~no Braunovo cevjo oblike lijaka s preluknjano anodo in rahlo izbo~enim fluorescen~nim zaslonom. Katoda v obliki konkavnega zrcala je imela gori{~e sredi zaslona. Snemalna cev je bila steklena posoda, razdeljena s stekleno plo{~o v dva izpraznjena prostora, od katerih je bil drugi Braunova elektronka z vro~o katodo.703 Elektronka je

248 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 12.14: Slike 7–11 kot priloga nem{kemu Codelli- jevemu tekstu, ki se deloma (z izjemo slike 10) nana{ajo tudi na 80 strani dolg Codellijev tipkopis, br`kone poslan v ZDA (Codelli, AS, {k. 19) imela dve katodi za oddajanje elektronov in eno anodo. Codelli je za "katodne àrke" è uporabil naziv elektron,704 ~eprav je v tipkopisu ve~krat pisal tudi o odklonu "katodnih àrkov".705 Na enem mestu je izrecno opisal transmiter iz dolge Geisslerjeve elektronke, postavljen v isti ploskvi z osvetljenim difuznim reflektorjem iz stekla.706 Codelli je tudi v elektronski ina~ici obdràl osnovno idejo snemanja in sprejemanja slike vzdol` spirale z gostej{imi elementi v sredi kot na robovih. Ideja je temeljila na fiziologiji o~esa, med prvimi pa sta jo uporabila A. Ekstöm v {vedskem patentu {t. 32220 z dne 24. 1. 1910 in Britanec Alexander McLean Nicholson 7. 12. 1917 in 16. 10. 1923 v patentu {t. 1470696 v New Yorku. Nicholson je za sprejemnik uporabil Braunovo elektronko, v kateri je curek elektronov na fluorescen~nem zaslonu risal sliko po Arhimedovi spirali. Priro~nik Korna in Gatzela iz leta 1931 navaja francoski patent {t. 570825 (14. 9. 1923 / 21. 1. 1923, 7. 5. 1924) za skeniranje po spirali z Braunovo elektronko. Dipl. ing. Paul Kirchhoff iz Frankfurta na Maini je svojo ina~ico, predloèno 6. 9. 1925, zaradi nasprotovanja Codellija in Telefunkna patentiral {ele 14. 8. 1936 v

KATODNA ELEKTRONKA ... 249 Berlinu.707 Tekmeci so bili ostri in je tudi Codelli moral v~asih pokazati zobe. @al pa je klju~ za uspeh ~akal onstran Atlantika. Zato je pisal Ameri~anom*:708 "Za odprtinama v zaslonu sem postavil dve fotocelici z anodama povezanima preko upora. Katodi sta bili vsaka zase povezani z mreìcama v drugih dveh elektronkah, katerih razàrjeni katodi sta bili medsebojno povezani z izvirom toka, ki se potem nadalje oja~uje. To se potem preko upora 12 vodi k naslednji stopnji oja~itve. Med enim nihajem tokokroga iz tuljave in kondenzatorja gre fototok skozi eno in nato skozi drugo elektronko. Tokokrog je ugla{en na frekvenco, enako produktu med {tevilom to~k slike in {tevilom oddaj na sekundo vse do 0,18 MHz. Sprejemnik je bil naravnan tako, da je oja~evalnik (de Forestov audion) proizvajal zvezne curke toka s frekvenco elementov slike, ki se je preko kondenzatorja pretvarjal v izmeni~ni tok enake frekvence na mreìcah dveh elektronk. Anodni tok elektronke poganja tok skozi tokokrog, ki je ugla{en na frekvenco toka resonan~nega nihanja elementov dveh slik z veliko amplitudo. Ta izmeni~ni tok visoke napetosti je uporabljen kot anodni tok v drugi elektronki 10. V tem tokokrogu 11 je frekvenca dvakrat ni`ja kot v prej{njem tokokrogu 8. Tokokrog 11 je na znani na~in v povratni zvezi z mre`nim tokom elektronke 10 preko transformatorja 12. Zaradi te povratne vezi je vsak drugi pozitivni impulz toka izmeni~nega toka anode zadu{en zaradi negativnega naboja mreìce. Ker negativne faze izmeni~nega toka sploh ne morejo skozi elektronko, ostanejo le tokovi, ki so v resonanci z nihajnim krogom 11 s polovi~no frekvenco (sl. 4). Tok v oscilatorju 11 je povezan z mre`nim tokom elektronk 15 in 16 preko transformatorja 13 in 14 tako, da isto~asno ena obeh mreìc v elektronki (15 ali 16) sprejema negativno napetost in druga sprejema pozitivno napetost relativno na ustrezno katodo. Ko je ena (15) plinskih prevodnih elektronk (17), namenjena za sliko na levem o~esu, povezana v vrsto, je v vrsto povezana tudi druga elektronka za sliko na desnem o~esu. Obe elektronki s svojima mreìcama sta postavljeni vzporedno z anodnim tokom elektronke 6, katere mreìca 6 uravnava mo~ toka in s tem tudi stopnjo osvetlitve plinske prevodne elektronke v povezavi z osvetljenostjo vsakega elementa slike obeh slik, medtem ko elektronki 15 in 16, ki delujeta v faznem zamiku, razdelita elemente slike na levo in desno oko. Nasproti plinskim prevodnim elektronkam sta preluknjani diafragmi v obliki enakostrani~nih trikotnikov. S konkavnim zrcalom 21 sprejemnika dve realni sliki odprtin v diafragmi projiciramo na povr{ino, kjer jih prestreèmo in jih lahko opazujemo z navadnim stereoskopskim aparatom. Dve sliki lahko opazujemo z ustreznim sinhronim gibanjem oddajnega zrcala in sprejemnega zrcala. Oddajnik projicira dve realni sliki med gibanjem ~ez pripadajo~e aparature na zaslonu tako, da lahko vsi deli zaslona vrèjo svoje àrke na fotocelico. Na ta na~in obe sliki diafragm na sprejemniku, katerih svetlobna intenziteta je kontrolirana na enak na~in, potujeta na enak na~in, tako da nastaneta dve sliki. Med nihajnim ~asom izmeni~nega toka se spremeni smer kroènja in namesto kroga dobimo elipso, ki je tem bolj strma, ~im hitreje se tok spreminja v enoti ~asa. Diagram za gibajo~e zrcalo takole opi{emo: generator za triodo in nihajni krog, ki je ugla{en na naravno frekvenco zrcala je generiran na znan na~in s pomo~jo izmeni~nega toka povratne vezi. S transformatorjem 4 je voltaà izmeni~nega toka prevajana na mreò elektronke 6 ~ez spremenljivi kondenzator 5 in po drugi strani do elektronke 8

* Vrstne {tevilke v oklepajih ozna~ujejo strani tipkopisa. V tekstu omenjene skice se niso ohra- nile.

250 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK preko spremenljive du{ene tuljave 7, medtem ko sta fazi dveh alternativnih tokov premaknjeni. Anodni tok elektronke 1 se prevaja ~ez prekinja~, ki prekine tok po nekaj nihajih tokokroga 2. Ta se potem lahko zadu{i zaradi naravnega du{enja. Po ve~jem {tevilu teh oscilacij je lahko anodni krog ponovno zaprt s prekinitvijo anodnega toka, kar se potem ponavlja. Prekinja~ sestavlja èlezna posoda z ìvim srebrom, v katerem je èlezna palica iz spiralnega navitja, ki ima frekvenco tokokroga v resonanci s {tevilom slik, oddanih na sekundo. Spiralna vzmet je prevodno povezana z navitjem magneta. Gladina ìvega srebra v posodi se lahko dviga ali spu{~a. Spremenljivi curki anodnega toka v elektronki 1 zaradi spremenljivega toka 2 se prevajajo na mreìco oddajne elektronke preko kondenzatorja 16 in sklopke upora 17 tako dolgo, dokler prekinja~ drì sklenjen tokokrog. Omenjena mreìca vpliva na modulacijo oddajanega vala preko oja~enega toka iz fotocelice. Tako dolgo, dokler prekinjamo anodni tok elektronke 1, vpliva na oddajno elektrodo 18 le z rahlo modulacijo in med tem ~asom uga{ajo~a nihanja tokokroga 2 {e naprej kontrolirajo elektronki 6 in 8. îm se anodna napetost poveè z elektronko, izmeni~ni tokovi, ki so premaknjeni iz svojih faz, spravijo oddajno zrcalo v nara{~ajo~e spiralno nihanje do maksimalnih vrednosti, ki so zaradi velikega naravnega du{enja zrcala kmalu doseène. Med tem ~asom ima oddajna elektroda enako frekvenco, kot jo oddajajo modulirani valovi. Anodni tok generatorja cevi 1 je potem prekinjen. Spirala ima logaritemsko obliko. Pri sprejemniku 6 modulirani valovi, oddajani iz oddajnika med kaskadno spiralo nihajo~ega zrcala in modulirani s frekvenco nihanja zrcala, so sprejeti od antene 1 in na znan na~in prevedeni do oja~evalnika (audiona). Od tod izhajajo~i nizkofrekven~ni impulzi so na znan na~in prevedeni do mreìce elektronke 3 in do mreìce elektronke 4. Anodni tok elektronke 3 se uporablja za delovanje plinske prevodne svetilke (po sl. 4). V anodni tok elektronke 4 vstavimo nihajni krog 5, ki je ugla{en na frekvenco nihanja oddajnega zrcala. Preko transformatorja 10 se izmeni~na napetost oscilatorja 5 prevaja skozi mreìce elektronk 6 in 8: skozi prvo ~ez kondenzator, skozi drugo pa preko samoindukcije, kot je bilo è opisano. Sinhronizacija gibanja zrcala nastane avtomati~no ob pravilni uglasitvi oscilatorskega toka. Z generacijo toka za magnetno tuljavo oddajnega zrcala kot tudi na sprejemno zrcalo vplivajo mre`nice elektronk, ki so obenem kontrolirane z oddanimi impulzi toka. Sinhronizacijo tokov lahko dobimo tudi tako, da se tako na oddajniku kot na sprejemniku alternirajo~i tokovi z magnetov na zrcalu generirajo preko redukcije frekvence po prej opisani metodi. Namesto permanentnega magneta lahko uporabimo tudi elektromagnet. Uporabimo lahko Nipkowo plo{~o z dvema spiralama lukenj, za katerimi sta postavljeni dve fotocelici ali plinski prevodni svetilki, vsako za svojo spiralo, kjer se izmenoma priìgata. Uporabimo pa lahko tudi Weillerjevo zrcalno kolo.709 Tudi z njim dobimo dve realni sliki objekta za stereoskopsko oddajanje, na kateri vplivamo z dvema konkavnima zrcaloma okoli nosilca zrcala (sl. 8). Weillerjevo zrcalno kolo tako nadome{~a kro`no nastavitev konkavnih zrcal. Pri oddajanju stereoskopskega filma lahko uporabimo tudi kontrolo svetlobnih àrkov. Pri stereoskopskem oddajanju objektov je osvetlitev nezadostna. Lahko pa uporabimo tudi kontrolirano navadno svetlobo, ki pada pod dvema razli~nima kotoma. Difuzno odbita svetloba potem pade na nekaj bli`njih celic (sl. 10). Izviri svetlobe so postavljeni tako, da lahko gre svetloba samo skozi dolo~eno serijo odprtin. Podobno kombinacijo delov uporabimo tudi pri sprejemniku. Izna{el sem:

KATODNA ELEKTRONKA ... 251 1. Metodo za stereoskopsko televizijo, kjer oddajnik zaporedoma oddaja elemente slike, ki so razdeljeni v svoje elemente ter porazdeljeni na slike za levo in desno oko. 2. Postopek v skladu s 1. zahtevo, po katero se v oddajniku objekt osvetljuje z dveh strani pod nekoliko razli~nima kotoma, od koder je slika projicirana na stacionarni zaslon. Ta ima v sredi dve majhni odprtini in fotocelici za njima, ki se zaporedoma aktivirata. 3. Odprtini na sprejemniku imata obliko enakostrani~nega trikotnika. 4. Dve realni sliki preslikata dve votli zrcali, postavljeni s stranjo pred delujo~im raz- deljevalnim aparatom. 5. Kontroliranje svetlobnih àrkov, dolo~eno s padanjem svetlobe na premi~no razdeljevalno zrcalo skozi dva diapozitiva ali filma nad dvema fotocelicama, ki se zaporedoma aktivirata. 6. Modifikacija metode 5 z enim samim virom svetlobe. 7. Dva zaporedoma priìgajo~a se izvira svetlobe, ki jih objekt difuzno odbija, tako da je ena ali ve~ fotocelic zaporedoma vidna z enim ali drugim o~esom. 8. Na sprejemniku sta realni sliki dveh zaporedoma aktiviranih virov svetlobe projicirani skozi premi~no razdeljevalno zrcalo skozi stereoskop. 9. Sprememba 8. to~ke, kjer je vsaka le~a opremljena z elektronko in kontrolno luknjo na razdalji gori{~a. 10. Naprava za zaporedno aktiviranje fotocelic v oddajniku ali od izvirov svetlobe v sprejemniku. Zna~ilni sta dve vzporedno vezani fotocelici ali dva izvira svetlobe. Elektrode so postavljene v serije. Nanje je pritisnjena izmeni~na napetost tako, da v eni fazi prepusti tok le ena elektronka, med drugo fazo pa le druga elektronka prepusti tok. 11. Izmeni~na aktivacija fotocelic v oddajniku, za katero sta zna~ilni dve odprtini na zaslonu v oddajniku ali nasproti izvira svetlobe na sprejemniku premi~ne diafragme, tako da pokrijejo eno od odprtin za tolik{en del ~asa, kot je potreben za prehod elementa slike in odprejo drugo odprtino za prehod àrkov proti drugemu elementu slik skozi omenjene preluknjane plo{~e. 12. Naprava za sinhronizacijo distribucije individualnih elementov slike za levo in desno oko, tako da impulzi, ki gredo skozi oddajnik in sestavljajo element slike sprejemnika, producirajo nihanja v elektri~nem resonan~nem tokokrogu, ugla{enem na {tevilo elementov slike na sekundo, oziroma njeno polovico. 13. Na~in izpeljave opisane sinhronizacije za posamezne elemente slike. 14. Na~in za redukcijo frekvence, ki ga opredeljuje visokofrekven~ni izmeni~ni anodni tok skozi triodo, s katerim je nihajni tokokrog nizke naravne frekvence povezan v serijo, tako da na znan na~in vpliva na mreìco s pomo~jo povratne vezi. Tako gredo lahko skozi elektronko le tisti impulzi, ki so primerni za generiranje nizkofrekven~nih oscilacij v tokokrogu. 15. Naprava, ki lahko spreminja frekvenco. 16. Magnetni sistem z nekaj magneti, ki obkroàjo zrcalo, tako da spreminjajo amplitudo izmeni~nega toka (~e gre za stalne magnete) ali spreminjajo amplitudo enosmernega toka, ~e uporabljamo elektromagnete. 17. Rotacijski magneti najbolj privla~ijo èlezne okvirje zrcala le med nekaterimi periodami izmeni~nega toka." Codellijevo nasprotovanje nacisti~nemu reìmu v Nem~iji je verjetno botrovalo preki- nitvi sodelovanja s Telefunknom. Po vojni je bila gra{~ina Turn ob Ljubljanici naciona-

252 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK lizirana, Codelli se je pred koncem vojne previdno umaknil v [vico. 26. 4. 1954 je umrl v Portu Roncu pri Asconi, kjer je tudi pokopan. Decembra 1995 mu je bila na njegovi nekdanji gra{~ini Turn na Kodeljevem odkrita spominska plo{~a, ki ga mimoido~emu prestavi {e kot prvega avtomobilista v na{em delu Evrope.

12.9.2 Slovenska televizija po drugi svetovni vojni Preproste poskuse s televizijo so è leta 1937 pripravili v prvem prirodoslovnem kro`ku v Sloveniji na 1. dràvni realni gimnaziji v Ljubljani. Osmo{olca Drago Leskov{ek in [vajgar sta iz Erlenmeyerjeve bu~ke naredila katodno elektronko dolìne okoli 30 cm. Na dno sta nanesla ZnO. V delavnici Arnolda Zupan~i~a sta vloìla elektrodi v posodo in do neke mere izsesala zrak, ne da bi dosegla posebno visok vakuum. Pri demon- straciji sta uporabila Nipkowo plo{~o lastne izdelave in poèla veliko odobravanja poslu{alcev, med katerimi so bili poznej{i vodilni slovenski znanstveniki (slika 12.15). Razvoj televizijske tehnike po drugi svetovni vojni je bil v Sloveniji in tudi v Jugoslaviji povezan z dejavnostjo In{tituta (pozneje Industrije) za elektrozveze v Ljubljani, ki je bil uradno ustanovljen v za~etku leta 1948. Sprva so v njem delali nem{ki strokovnjaki, med doma~imi pa predvsem Albin Wedam, organizacijski in tehni~ni vodja TV-laboratorija od poletja 1949 ali 1950 dalje. Kupili so super ortikon od RCA in vpeljali 625-vrsti~ni sistem Nemca Walterja Gerberja, sicer zasnovan v Sovjetski zvezi. Na razstavi leta 1953 v dvorani TVD Partizan na Taboru v Ljubljani so improvizirali majhen TV-studio s super ortikonom kot edino snemalno kamero. Ob mednarodni razstavi elektronike v Ljubljani so avgusta 1956 za~eli predvajati slovenske filme s stolpa na Ljubljanskem gradu. Slika 12.15: Vabilo na predavanje Rasta [vaj- garja o televiziji leta 1937

KATODNA ELEKTRONKA ... 253 254 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Rutherfordovo odkritje ionske implantacije in tranzistor

13.1 Uvod

Ionsko implantacijo (vcepljanje) pri{tevamo k plazemskim tehnologijam. Omogo~a nad- zorovano vgrajevanje ne~isto~ v podlago z elektri~nim pospe{evanjem izbranih ionov. S pospe{evalno napetostjo od nekaj kilovoltov do nekaj sto kilovoltov spreminjamo energijo implantiranja in z njo globino vgrajevanja. Tok v obliki pulzov dolo~a oddani naboj in z njim {tevilo implantiranih ionov (dozo). Doze segajo do 1016 cm–2 s–1 in jih lahko kontroliramo med samim postopkom. Osnovni sestavni deli implanterja so izvir ionov, masni separator in odklonski mehanizem s tar~o. Ionska implantacija ima prednost pred difuzijskimi postopki, ker ne ones- naùje okolja, je uporabna pri bistveno ni`ji temperaturi podlage (od 20 °C do 200 °C), masni separator pa omogo~a implantacijo ionov enega samega elementa. Ob visoki ceni so pomanjkljivosti postopka {e nezaèlene radiacijske po{kodbe, ki spremenijo elektri~ne lastnosti podlage in jih lahko deloma odpravimo s poznej{im segrevanjem do visokih temperatur s termi~nim popu{~anjem (annealing). Dopiranje v ve~je globine je manj uspe{no kot v tanke plasti pod povr{ino. Med implantacijo in po njej dopirani ioni prodrejo v ve~je globine od predvidenih zaradi difuzije in drugih pojavov.710 Ionska implantacija je omogo~ila polprevodni{ki tehnologiji razvoj, v katerem so se mikrometrske razdalje iz 1960-ih let mo~no skraj{ale na pragu novega tiso~letja. êprav se razvijajo tudi nove povr{inske tehnologije dopiranja za nadomestilo posameznih stopenj obdelave polprevodnika, ima ionska implantacija {e vedno prihodnost. Danes se uporablja tudi zunaj industrije integriranih vezij, kjer je skupni finan~ni dele` plazemskih tehnologij pri proizvodnji ~ipov okoli 30 %. Razvoj ionske implantacije je posebno zanimiv, ker so od "iznajdbe" do prve tehnolo{ke uporabe minila nenavadno dolga {tiri desetletja. Zamuda je v 20. stoletju primerljiva le

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 255 {e z Einsteinovo teorijo stimuliranega sevanja iz let 1916 in 1917, ki je prav tako ~akala {tiri desetletja na prve maserje in laserje. Vendar je Einstein objavil le teorijo in ne uporabnega izuma, podobnega Rutherfordovi ionski implantaciji.

13.2 Rutherfordovo raziskovanje ionske implantacije 13.2.1 Naelektreni delci v trdni snovi: "katodni àrki" Helmholtzovih u~encev Nemci so objavili prve raziskave prehajanja naelektrenih delcev skozi trdno snov. Leta 1882 je Goldstein v Berlinu dokazal, da se "katodni àrki" difuzno odbijejo nazaj ob prehodu skozi svetlo tanko plast kovine. Devet let pozneje je Hertz v Bonnu nadaljeval raziskovanje sipanja "katodnih àrkov". Opazil je, da jih kovina bolj prepu{~a kot svetlobo. "Katodni àrki" so lahko prebili tanko plast kovine, kar do tedaj znani àrki niso mogli. Del plo{~ice iz stekla, obogatene z uranovimi spojinami, je pokril s tanko plastjo zlata, drugi del pa s sljudo. Plo{~ico je postavil v katodno elektronko tako, da je bila proti katodi obrnjena stran prevle~ena z zlatom. Opazil je luminiscenco na delu stekla, prekritem z zlatom, ne pa tudi pod sljudo. Luminiscence niso prepre~ile niti dve ali tri plasti zlatih listov. @arki so prodirali tudi skozi liste iz srebra, aluminija ter zlitin zlata ali srebra s svincem, cinkom in bakrom. Prav tako jih niso ustavile plasti bakra, srebra ali platine, napr{ene v vakuumu po razelektritvi.711 Meritve dosega in sipanja "katodnih àrkov" v trdnih snoveh je po Hertzovi smrti nadaljeval njegov asistent Lenard. Uporabljal je aluminijeve liste debeline 2,65 μm, preu~e- val pa je tudi zlato, srebro, baker, papir, steklo in sljudo. Pri vseh meritvah je bila absorpcija "katodnih àrkov" pribli`no sorazmerna gostoti snovi. Leta 1898 je spu{~al "katodne àrke" skozi aluminijevo okno debeline 3 μm in premera 1,8 mm pri tlaku 3·10–4 mbar in tako opazoval prodiranje nabitih delcev skozi trdno snov.712 Med poskusi s "katodnimi àrki" zunaj "Lenardove" elektronke po prehodu skozi tanke kovinske liste so v nekaj letih odkrili celo vrsto pomembnih pojavov, med njimi rentgenske àrke leta 1895 in kmalu za njimi {e elektron. Do srede 20. stoletja so se zanimali predvsem za lastnosti izstrelkov in manj za spremembe, ki jih njihov prelet ali implantacija povzro~i v tar~i. Izjema je bil sam Lenard; raziskovanje tar~e in ne le izstrelkov je bil morda eden od vzrokov, da so mu "smetano" odkritij rentgenskih àrkov, elektrona in fotona pobrali drugi, ~eprav je veljal za najpomembnej{ega poznavalca "katodnih àrkov".

13.2.2 Montreal in Pariz: ionska implantacija pri absorpciji àrkov (1905–1906) Razvoj fizike na prehodu v 20. stoletje so zaznamovala razmi{ljanja o sestavi atoma in odkritja razli~nih àrkov in delcev. Med {tevilnimi novostmi si je Rutherford konec 19. stoletja za svojo raziskovalno pot izbral àrke α, o katerih je med letoma 1895 in 1914 objavil 50 od svojih 130 najpomembnej{ih del.713 V letih 1905 in 1906 je v Montrealu raziskoval zmanj{evanje hitrosti àrkov pri prehodu skozi snov. Po letu 1909 je v Manchestru dokazoval, da so delci α helijevi ioni. Med letoma 1909 in 1914 je nizal poskuse za potrditev modela atoma z majhnim "sredi{~nim nabojem", ki ga je leto ali dve po odkritju imenoval "jedro". Rutherfordovemu opisu absorpcije àrkov α je nasprotoval Becquerel, modelu atoma pa Thomson. Oba nasprotnika sta dobila Nobelovi nagradi za fiziko, Rutherford pa za kemijo.

256 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Do "izuma" ionske implantacije je pri{lo med sporom raziskovalcev v Parizu in Mon- trealu o naravi àrkov α. Leta 1898 je Rutherford v prvih samostojnih raziskavah po prihodu v Montreal opazoval absorpcijo àrkov iz urana na aluminijevih listih razli~nih debelin. Ugotovil je, da absorpcija mo~no pade pri nekaj stotinkah milimetra in nato znova pri nekaj centimetrih. Zato je domneval, da opazuje àrke dveh vrst. Takoj po novem letu je objavil, da gre za valovanje α in β. Slednje naj bi bilo podobno rentgenskim àrkom, prvo pa njihovemu sekundarnemu, mehkej{emu sevanju. Domneva o valovni naravi radioaktivnih àrkov je bila morda nenavadna glede na mo~no tradicijo zagovornikov delcev v Cavendishu. Becquerel je marca 1899 v Parizu sprejel Rutherfordovo ugotovitev; le-ta pa je kraljevala le eno leto, dokler nista zakonca Curie obe vrsti sevanja iz mo~nej{ega polonijevega vira lo~ila z magnetom. To je do leta 1902/1903 ve~ino raziskovalcev prepri~alo, da so àrki β elektroni. Za àrke α sta leta 1900 objavila, da se po prehodu skozi kovino ne sipajo, kar je v naslednjih letih sproìlo ìvo razpravo med Parizom in Montrealom. Zakonca Curie sta skupaj z Becquerelom lo~evala obe vrsti àrkov z odklonom v magnetnem polju, Rutherford pa z njihovo absorpcijo v kovinskih listih. Prijemi pari{kih in angle{kih raziskovalcev so si bili znova naravnost nasprotni. Ponovil se je nekaj let starej{i poloàj, ko je J. J. Thomson "odkril" naravo "katodnih àrkov" z odklonom v magnetnem polju, ki ga je imel Villard v Parizu za sekundarno lastnost in je sam raziskoval pred- 714 vsem njihove kemijske vplive. 715 Rutherfordov prijatelj, nekdanji J. J. Thomsonov {tudent Bragg z Univerze Adelaide v Avstraliji, je leta 1904 vstopil v svet eksperimentalnih raziskav s teorijo absorpcije àrkov α in opisom njihove ionizacije v zraku. V Braggovem pismu 31. 8. 1904 je Rutherford prvi~ bral opis "odprte- ga" atoma z veliko praznega prostora.716 Tako je Bragg spodbudil Rutherfordovo raziskovanje pro- Slika 13.1: Rutherford v {tudentskih 715 dornosti àrkov α in jedrskega modela atoma. letih

Ernest Rutherford (slika 13.1) je bil rojen na Novi Zelandiji v druìni kolarja in nekdanje u~iteljice. Kot enajstletni fanti~ se je znanosti u~il iz Stewartove knjige Outlines of Physics, katerega katedro v Manchestru je prevzel ~etrt stoletja pozneje. Rutherford je {tudiral na Univerzi Canterbury, ki je bila leta 1873 ustanovljena v mestu Christchurch. Po magisteriju leta 1893 ni bil posebno uspe{en kot srednje{olski u~itelj. Sestavil pa je detektor, s katerim je lahko lovil radijske valove na razdalji 3 km, kar je bil v tistem ~asu rekordni doseèk. Raziskovalno delo mu je odprlo pot do {tipendije "Razstave 1851 za {tudij znanosti", ki se ji je leto dni starej{i kemik J. S. Maclaurin iz Aucklanda odrekel iz druìnskih vzrokov.Tako se je Rutherford leta 1895 odpravil v Cambridge, kjer so {ele tedaj za~eli podeljevati raziskovalne stopnje kot na univerzah v Berlinu, Glasgowu in drugje. Na poti se je ustavil {e pri Braggu v Avstraliji. Rutherford je postal prvi raziskovalni asistent J. J. Thomsona. Thomson je pravilno ocenil visoke zmo`nosti novega sodelavca in ga je è leta 1896 povabil k sodelovanju pri poro~ilu o prevajanju elektrike v plinih za sre~anje BAAS. Thomson in Rutherford sta si bila globoko razli~na. Thomson je najve~je uspehe poèl z raziskovanjem àrkov β, Rutherford pa je skoraj {tiri desetletja raziskoval predvsem àrke α.717 Oba sta imela do raziskovanih "korpuskul" zelo oseben odnos, ki se je ohranil v {tevilnih zgodbah. Vendar so sodelavci raje videli, da Thomson ne prijemlje laboratorijskih naprav. Njegova nespretnost je bila è kar legendarna, skoraj primerljiva z Dunaj~anom Paulijem, ki je baje na ve~ metrih razdalje kvaril poskuse.718 Rutherford pa je bil

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 257 sila spreten in je pozneje kot vodja laboratorija po ve~krat na dan obiskoval raziskovalce in jih kar zapovrstjo grajal zaradi neu~inkovitosti in po~asnosti. Neko~ je tako v kratkem ~asu dvakrat pobaral zidarja, ki ga je pomotoma zamenjal za enega svojih "fantov". Mo` se je silno razburil in odpovedal delo.719 Med septembrom 1898 in junijem 1907 je Rutherford od{el v Kanado za profesorja McGillske univerze v Montrealu in vodjo tamkaj{njega laboratorija, ki ga je gmotno podpiral MacDonald s svojo toba~no industrijo. Leta 1899 je odkril novi element radij ter àrke β in α. Za radioaktivne `lahtne pline je uporabil naziv iz dobe Roberta Boyla "emanation", saj ni vedel, ali opazuje plin, paro ali delce. Leta 1905 je bil izbran v RS. Do leta 1919 je pou~eval na Univerzi Victoria v Manchestru, ki se je razvila iz Owensovega kolidà, ustanovljenega leta 1846. Tam sta fiziko neko~ pou~evala Dalton in Joule, ki je bil Daltonov u~enec od leta 1835 do aprila 1837. Od leta 1870 do smrti je predavanja prevzel Stewart skupaj z znamenitim spektroskopistom Henryjem Roscoejem in pred Rutherfordom Schuster. Tehniko je med letoma 1868 in 1905 pou~eval Reynolds. Kolid` je leta 1900 dobil fizikalni laboratorij, tri leta pozneje pa je postal samostojna univerza.720 Leta 1908 je Rutherford prejel Nobelovo nagrado za kemijo za raziskovanje radioaktivnosti, s katerim je za~el spodkopavati anti~no idejo o nedeljivosti atomov. Na pojedini po nobelovskem predavanju je Rutherford razglasil, da je "imel opraviti è s {tevilnimi razli~nimi pretvorbami z razli~nimi periodami, vendar je med vsemi najhitrej{a moja lastna trenutna pretvorba iz fizika v kemika". Ob novici o Nobelovi nagradi mu je mati, ena prvih u~iteljic na Novi Zelandiji, v pismu ~estitala in izrazila upanje, da bo vendarle pri{el domov pomagat kopati krompir. Pri tem je br`kone pozabila, da ji je sin è pred leti pokazal "zadnji krompir, ki ga koplje", ko mu je med delom na vrtu sporo~ila novico o prejemu {tipendije 1851. leta.721 Leta 1914 je Rutherford odkril proton in dobil naziv dvorjana. Leta 1917 je raziskoval ultrazvok za potrebe vojske, skupaj z nekdanjim sodelavcem v Cavendishu Langevinom. Na Collège de France je pred tem {tudiral poznej{i izumitelj televizije Zworykin. Leta 1919 je Rutherford nasledil Thomsona kot vodja Cavendisha. Leta 1925 je postal predsednik RI, leta 1931 pa je dobil naziv Lord Nelson po mestecu v Novi Zelandiji, kjer je obiskoval srednjo {olo. Rutherfordova knjiga Radioactivity je po prvem natisu leta 1904 dobivala vedno nova poglavja in je vplivala na celo generacijo eksperimentalnih fizikov. Med Rutherfordovimi u~enci in sodelavci jih je ve~ kot 10 pozneje dobilo Nobelovo nagrado, med njimi tudi tujci: Nemci, Rusi in prebivalci habsbur{ke monarhije.

722 Rutherford je julija 1905 objavil meritve zmanj{evanja hitrosti àr- kov α med prehodom skozi snov (slika 13.2). Ko se je za~etna hitrost àrkov na poti skozi aluminijeve liste zmanj{ala na okoli 60 %, niso ve~ mogli vplivati na fotografsko plo{~o ali ionizirati plin. Rezultati so podpirali Brag- govo teorijo absorpcije in ugotovitev, da "radij oddaja {tiri vrste àrkov α razli~ne prodornosti"; Slika 13.2: Rutherfordova fotografija àrkov v vaku- le-te so pozneje pojasnili s fino umu, ki so prileteli na polovico fotografske plo{~e skozi strukturo spektra àrkov α oziro- osem aluminijevih listov, na drugo polovico pa so padali 226 brez vmesnih ovir722 ma s sevanjem potomcev Ra v radioaktivnem nizu.723 Rutherfordovi rezultati so nasprotovali raziskovanjem H. Becquerela, ki je leta 1903 na fotografski plo{~i meril magnetni odklon àrkov α pri navadnem tlaku. Ugotovil je, da dvakrat mo~nej{e polje ne premakne sledi àrkov α na fotografiji. Zato je trdil, da je izvir homogen in oddaja le àrke α enakih hitrosti. Polmer odklona àrkov je nara{~al z oddaljenostjo od izvira, kar je H. Becquerel pojasnil z domnevo, da masa àrkov α nara{~a z razdaljo zaradi "prira{~anja delcev iz zraka". Podobne ideje so ob prelomu stoletja objavljali zakonca Curie, Crookes, Kelvin in Perrin,724 vendar s sodobnega stali{~a zvenijo dovolj nenavadno, da jih je Rutherford lahko u~inkovito zavrnil.

258 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Antoine Henri Becquerel je bil sin predsednika pari{ke Akademije in è tretja generacija v znameniti druìni fizikov in kemikov. Leta 1874 je kon~al pari{ko Politehniko in postal tam dve leti pozneje lektor, leta 1895 pa profesor. Leta 1892 je nasledil o~etovo slu`bo v Muséum d'Histoire Naturelle v Parizu skupaj z odli~nimi preparati uranovih spojin, zataljenih v steklu, ki so kar ~akali na raziskovalca. 1. 3. 1896 je odkril àrke, ki so jih mnogi, med njimi J. J. Thomson, imenovali kar "Becquerelovi". Becquerel je sprva menil, da opazuje luminiscenco v obmo~ju rentgenskih àrkov, kar je leta 1896 podprl Thomson. Rutherford jih je januarja 1899 proglasil za nove vrste àrkov α in β.725 Becquerelovo odkritje so pozneje imenovali radioaktivnost, zanj pa je leta 1903 prejel Nobelovo nagrado za fiziko skupaj z zakoncema Curie. Leta 1900 je izmeril razmerje e/m za àrke β in ugotovil, da je enako kot pri tri leta starej{ih Thomsonovih meritvah "katodnih àrkov". 16. 11. 1908 je postal stalni tajnik pari{ke Akademije.

11. 9. 1905 je H. Becquerel ponovil Rutherfordove meritve absorpcije àrkov α pri prehodu skozi aluminijeve liste. Nasprotno od Rutherforda je meril pri atmosferskem tlaku in ne v vakuumu, vklju~il pa je {e magnetno polje. Po Rutherfordu je dodajal ovire iz aluminijevih listov do debeline 0,034 mm na razdalji nekaj milimetrov od fotografske plo{~e. Fotografij àrkov α po prehodu skozi aluminijeve liste ni mogel lo~iti od drugih, na katere so àrki prileteli le skozi zrak. Zato je menil, da je Rutherford opazil absorpcijo àrkov zaradi posebnosti uporabljanega radija. Becquerel si je kritiko te vrste zlahka privo{~il, saj je imel seveda na razpolago veliko bolj{i radij in njegove soli.

Rutherford je uporabljal le radij iz 1 mg ~istega RaCl2, ki mu ga je dala na razpolago pari{ka Societé Centrale des Produits Chimiques. Becquerel je ponovno zavrnil Braggovo in Rutherfordovo teorijo absorpcije àrkov α v snovi. Menil je, da imajo vsi àrki enake hitrosti, ki se ne spreminjajo ob prehodu skozi snov, medtem ko masa àrkov α "na neki na~in nara{~a med potjo skozi zrak".726 Ohranitev mase je bila postavljena pod vpra{aj, ki ga je isto~asno re{il Einstein s teorijo relativnosti, vendar le za mnogo hitrej{e delce. Bila je to prevratna doba, ko so nemogo~e teorije postajale verjetne, neobetavni poskusi pa odlo~ilni. 15. 11. 1905 je Rutherford v Montrealu ponovno poro~al o obstreljevanju aluminijevega lista z àrki α. Seveda si ni upal oporekati meritvam bolj slavnega pari{kega kolega in Nobelovega nagrajenca. Zato je raje priznal njihovo veljavo, rezultate pa zvito pojasnil v prid svoji in Braggovi teoriji. Uporabil je aluminijeve liste debeline 3,1 μm in konstantno magnetno polje, ki ga je periodi~no obra~al. Z dodajanjem aluminijevih listov je pove~eval razdaljo med ~rtami na polovici fotografske plo{~e in ~rtami na drugi polovici plo{~e, ki so jo àrki dosegali brez ovir. S 13 aluminijevimi listi je zniàl hitrosti àrkov na 62 % in onemogo~il njihov zapis na fotografski plo{~i. V naslednjem nizu meritev je Rutherford uporabil merilno napravo, podobno Becquerelovi. Z zaslonom iz sljude je fotografsko plo{~o razdelil na dve polovici. Eno polovico je pokril z osmimi aluminijevimi listi. Ve~ja razpr{enost àrkov α po prehodu skozi aluminijev list je bila na fotografiji jasno vidna, ~eprav je imel Rutherford nekaj teàv pri prevelikih pospe{evalnih napetostih zaradi napr{evanja ~rne plasti iz bakrenega vodnika, ki je nekoliko zniàla hitrost

àrkov. 727 Slika 13.3: Rutherfordova fotografija àrkov iz Rutherford je posnel àrke α iz ~istega ~istega RaCl2 na 4 cm oddaljeni fotografski plo{~i RaCl2 na 4 cm oddaljeni fotografski v vakuumu. Uporabil je {ibko magnetno polje, s plo{~i v vakuumu. Uporabil je {ibko katerim je odklonil àrke b, ne pa tudi a.727

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 259 magnetno polje, ki je odklanjalo àrke β, ne pa àrkov α (slika 13.3). Ob stalnem toku se med poskusom magnetno polje ni spreminjalo za ve~ kot 0,5 %. Po prehodu skozi aluminijeve liste so àrki zarisali na fotografijo za 1,9-krat {ir{e ~rte od àrkov, ki so na plo{~o prileteli skozi vakuum. Raz{iritev ~rt je è tedaj napeljala Rutherforda na mo`nost odboja od velikega "sredi{~nega naboja" atoma. Rezultat poskusa je podprl opis àrkov α kot delcev z enakimi razmerji e/m in razli~nimi hitrostmi, zaradi katerih se lo~ijo v magnetnem polju. Meritev so seveda motili àrki β in γ s svojim prispevkom k po~rnitvi fotografske plo{~e. Rutherford je pojasnil Becquerelova opazovanja s svojo oziroma Braggovo teorijo absorpcije. Na fotografsko plo{~o naj bi po prehodu skozi aluminijevo oviro pri{li samo najhitrej{i àrki, ki se najbolj odklonijo v magnetnem polju. Isti àrki so se najbolj odklonili brez prehoda skozi aluminijevo oviro. ^rte na obeh polovicah fotografske plo{~e, lo~enih z zaslonom iz sljude, so se zato skladale. Ugotovitev je veljala tako pri preletu skozi zrak, kot pri preletu skozi vakuum na drugo polovico Slika 13.4: Rutherfordova fotografija àrkov pri plo{~e. Notranji rob fotografskih sledi navadnem tlaku v homogenem magnetnem polju. se je zaradi zniànih hitrosti sicer pre- Polovica fotografske plo{~e lovi àrke po prehodu maknil navzven. Pri {irokem Becque- skozi osem aluminijevih listov, druga polovica, relovem curku àrkov je bilo premik lo~ena z zaslonom iz sljude, pa posname àrke, ki te`ko opaziti. Dodatno ga je zabrisalo priletijo na plo{~o brez vmesnih ovir. sipanje àrkov na molekulah zraka,

ker ga ni meril v vakuumu. 728 Da bi raziskal Becquerelovo trditev o nara{~anju polmera ukrivljenosti poti àrkov α z razdaljo od izvira, je Rutherford meril {e pri navadnem tlaku (slika 13.4). Po 40 minutah osvetlitve fotografske plo{~e je kovinsko oviro prestavil na drugo polovico plo{~e in iz~r- pal merilno posodo. Na isti fotografiji se je sled àrkov po prehodu skozi vakuum zarisala z dvema o`jima ~rtama. Po enako dolgem preletu skozi zrak so bile ~rte bolj odklonjene in {ir{e. Majhen premik med obema skupinama ~rt je nastal zaradi naklju~nega premika plo{~e med prestavljanjem kovinskih ovir sredi poskusa. Ruther- ford je ob koncu razprave napovedal {e podobne meritve sipanja na trdnih snoveh. Rezultat je bil v nasprotju z Becquerelovo trditvijo o zmanj{evanju razmerja e/m z razdaljo od izvira. Ta je bila, po Rutherfordu, posledica napa~ne domneve o homo- genosti àrkov α. Polmer ukrivljenosti tira àrkov α na zunanjem robu fotografske sledi je nara{~al z oddaljenostjo od izvira, ker so do ve~jih razdalj prileteli le àrki z vi{jimi za~etnimi hitrostmi. Na notranjem robu je veljalo nasprotno, saj hitrost najhitrej{ih àrkov pada z oddaljenostjo od izvira. Nara{~anje polmera ukrivljenosti na zunanjem robu prevlada nad zmanj{anjem polmera ukrivljenosti na notranjem robu slike. Zato polmer ukrivljenosti naraste, kot je pravilno opazil Becquerel.729 Odlo~ilno prednost v sporu z Becquerelom so Rutherfordu prinesle meritve v visokem vakuumu, s katerimi se je bilo mogo~e izogniti stranskim vplivom snovi. ê je è imel slab{i radioaktivni vzorec od pari{kih tekmecev, ga je znal vsaj postaviti v bolj prazno posodo. V naslednjih mesecih je dopolnil svoje dokaze o stalnem razmerju e/m pri àrkih α. Za àrke β sta tak{no razmerje skoraj desetletje prej izmerila Thomson in za

260 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 13.6: Rutherfordova fotografija odklona `arkov po prehodu skozi sljudo iz leta 1906731

njim Becquerel. Rutherford je izmeril razmerje med gibalno koli~ino in nabojem ter med kineti~no energijo in nabojem za àrke α po preletu skozi vakuum oz. zaslon iz sljude. Ko je sljudi dodal aluminijev list, je skoraj za dvakrat pove~al absorpcijo. Pri vseh meritvah je dobil pribli`no enaka razmerja e/m. êprav so se mu rezultati zdeli previsoki, je z njimi dokazal, da vseskozi opazuje enake delce. Rutherfordova ugotovitev enakega α Slika 13.5: Rutherfordova merilna naprava, razmerja e/m pri vseh àrkih je bila sestavljena v Kanadi leta 1906730 uvod v tri leta poznej{i dokaz njihove

istovetnosti s helijevimi ioni. 730731 14. 6. 1906 je v Montrealu poro~al o obstreljevanju aluminijevega lista z àrki α. Opisal je {e radijev vodnik v trikotnem utoru valja iz brona, pritrjenem na osnovno plo{~o (slika 13.5). Ob eno stran valja je pritrdil navpi~no palico. Dve premi~ni stojali sta bili povezani skozi zarezo v sredi. Spodnja je imela reò, zgornja pa majhno fotografsko plo{~o. Razdaljo med stojaloma je lahko spreminjal z vijaki. Merilnik je obkroàl zgoraj zaprt valj iz brona, katerega spodnja stran je bila povezana z robom kolesa, vstavljenega v osnovno plo{~o. Z mazilom za svedre je kolo zatesnil, tako da je posodo lahko hitro izpraznil s Fleussovo ~rpalko. Tako se je izognil povo{~enju bronaste posode pri tesnjenju ob bronasto plo{~o in si je prihranil ~as in delo, kar je bilo zelo pomembno pri poskusih z magnetnim odklanjanjem àrkov α iz radija. Vse skupaj je postavil v lesen okvir med póla velikega elektromagneta s poljem, vzporednim àrkom, prakti~no enakim vzdol` njihove poti. Podro~je med radijevim izvirom in fotografsko plo{~o je z navpi~nimi plo{~ami iz sljude predelil v dve polovici. Prva je bila nepokrita ali pokrita z zaslonom, ki je absorbiral toliko àrkov α kot 3,5 cm zraka. Drugo je pokrival z razli~nim {tevilom aluminijevih listov. Tako je na fotografski plo{~i dobil dve skupini ~rt s sredi{~ema, razmaknjenima za dvojni odklon àrkov α od pravokotnice zaradi vpliva magnetnega polja. Razdalja med odklonjenimi ~rtami je bila obratno sorazmerna hitrosti àrkov po prehodu skozi oviro (slika 13.6).732 Rutherford je dal posneti ve~ kot 100 fotografij, ki so kazale vpliv elektri~nega in magnetnega polja na àrke α. Sprva so fotografije opazovali skozi mikroskop, vendar je

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 261 to mo~no utrujalo o~i. Zato so raje s svetilko projicirali 20- do 40-krat pove~ano sliko na zaslon. Uporabljali so aluminijeve liste, ki so ustavljali toliko àrkov α kot okoli 5 mm {iroka plast zraka. Razdalji med radioaktivnim izvirom in reò ter med reò in fotografsko plo{~o sta bili po 2 cm, pri drugih poskusih pa 0,5 cm in 1,5 cm. Zaporedno so postavili oviro, ki jo je sestavljalo do 14 aluminijevih listov. ê so jim dodali {e dve plasti bolj prepustne "nizozemske kovine"*, so docela absorbirali àrke α, tako kot 7,06 cm zraka po Braggovem eksponentnem zakonu.733 V za~etku 20. stoletja so absorpcijo àrkov α v snovi raziskovali predvsem v Cavendishu, Manchestru in na Dunaju. Taylor je leta 1909 izmeril, da se absorpcija àrkov α v razli~nih snoveh spreminja s hitrostjo tem bolj, ~im ve~ji sta hitrost àrkov in atomska masa snovi. Koeficiente absorpcije v vodiku, aluminiju, svincu, zlatu in kositru je primerjal z zrakom. Thomson je leta 1910 raziskoval absorpcijo àrkov α v tankih plasteh, dve leti pozneje pa {e ionizacijo snovi ob tiru nabitega delca. Braggov model absorpcije àrkov α v zraku so z meritvami àrkov iz polonija podprli Geiger, T. G. Taylor, F. Friedman in Boltzmannov vnuk Flamm na Dunaju.734

13.2.3 Ruherford v Manchestru: implanter in istovetnost àrkov in He++ (1908–1909) Rutherford je uporabljal okoli 400 mg radija, pridobljenega iz uranita, ki mu ga je dunajska Akademija januarja 1908 poslala na posodo. Podobno so Dunaj~ani pred tem priskrbeli ve~ ton ~e{ke uranove rude zakoncema Curie v Parizu. V Rutherfordovem laboratoriju so poleg fotografij {e avgusta 1908 uporabljali izbolj{ani spintariskop**, ki ga je Crookes prvi~ opisal 19. 3. 1903. Pod mikroskopom so opazovali scintilacije, ki so jih àrki α po prehodu skozi snov povzro~ali na luminiscen~nem ZnS. Geiger in Rutherford sta sestavila {tevec delcev α, ki je po poznej{ih izbolj{avah dobil ime Geiger-Müllerjev. [kot C. T. R. Wilson je è leta 1893 za~el razvijati po njem imenovano megli~no celico. Za opazovanje àrkov α jo je priredil leta 1911 v Cavendishu. Sprva so uporabljali Töplerjevo ~rpalko, dopolnjeno z grafitom v teko~em zraku. Pozneje so nabavili nekaj Gaedejevih rotacijskih ìvosrebrnih ~rpalk, vendar je bilo med {tevilnimi uporab- Slika 13.7: Prva naprava za ionsko implan- niki v laboratoriju te`ko priti na vrsto zanje. tacijo po skici Rutherforda in Roydsa736

* zlitina bakra in cinka ** Spintariskop je najstarej{i detektor sevanja, sestavljen iz medeninaste cevi, pove~evalnega stekla in zaslona iz ZnS.

262 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Tako je imel Lenard v Heidelbergu bolj{e vakuumske ~rpalke, kot so si jih lahko 735 privo{~ili v Manchestru pred 1. svetovno vojno. 736 Rutherfordova prva naprava za ionsko implantacijo ni bila ni~ bolj zapletena od majhne steklene cevi z radioaktivnim radonom, ki je oddajal àrke α (slika 13.7). 13. 11. 1908 sta jo opisala skupaj z Roydsom, ki se je, ob Geigerju, nau~il spektroskopije pri Ruther- fordovemu predhodniku Schusterju v Manchestru. Raziskovala sta naravo àrkov α pri poskusu, ki si ga je Rutherford zamislil è v Kanadi. Okoli 140 mg radija sta o~istila in stisnila s stolpom ìvega srebra v tanko stekleno cev, dolgo okoli poldrugi centimeter. Nem{kemu steklopihalcu Baumbachu sta dala napihati enakomerno debelo stekleno posodo debeline manj kot 0,01 mm, ki je bila dovolj mo~na, da je zdràla tlak ìvega srebra. Obenem je imela dovolj tanke stene, da je ustavljala le toliko àrkov α kot2cm debela plast zraka. Tako je ve~ina àrkov pobegnila iz posode proti luminiscen~nemu zaslonu ZnS, vendar sprva le do razdalje 3 cm. Po eni uri je bilo luminiscenco mogo~e opazovati na razdalji 5 cm, saj so prevladali àrki α z vi{jimi hitrostmi, ker so bili tisti z ni`jimi ve~inoma è izsevani z razpolovnim ~asom 3 minute. Steklena posoda se je dotikala notranjih sten steklenega valja dolìne 7,5 cm in premera 1,5 cm, ki sta ga izpraznila s ~rpalko. Vakuum sta izbolj{ala s cevjo, polno oglja, hlajeno v teko~em zraku. @arki α so se po preletu skozi tanko steno notranje steklene posode ustavili v stenah zunanje steklene posode ali pa na povr{ini ìvega srebra. ê bi bili àrki α ioni helija, bi postopoma difundirali iz stekla in ìvega srebra nazaj v vakuum. Pline nad stolpom ìvega srebra sta potisnila v vakuumsko posodo in jih tam opazovala s spektroskopom. Po dveh dneh sta opazila zna~ilno rumeno ~rto helija, po {tirih dneh {e zeleno, po {estih dneh pa vse glavne ~rte helijevega spektra. Geiger jima je prisko~il na pomo~ pri nekaterih poskusih.737 Rutherfordovi dokazi za istovetnost ionov helija in àrkov α so mo~no pove~ali njegov ugled, saj so jih podprli Dewar in drugi starej{i britanski raziskovalci: "Ujemanje med poskusi in Rutherfordovimi teorijskimi predvidevanji je skoraj pre~udovito, kar potrjuje pravilnost teorije radioaktivnih sprememb, za katere za~etek in razvoj je è toliko storil."738

13.2.4 Ruherfordov "sredi{~ni naboj" atoma in sipanje àrkov na kovinah (1909–1914) Rutherfordu se je è v Montrealu zdelo, da odboj povzro~a difuzne fotografije àrkov α po prehodu skozi tanke kovinske liste. @e ob prvih raziskavah sipanja àrkov α je domneval, da "se mogo~e nekateri àrki odklonijo za veliko ve~ji kot (od 2°). Toda ~e je tako, je vpliv na fotografsko plo{~o pre{ibak za zaznavo ... odklon za 2° od smeri gibanja posameznih àrkov α pri prehodu skozi 0,003 cm debelo sljudo zahteva povpre~no transverzalno elektri~no polje okoli 100 MV/cm. Rezultat jasno dokazuje, da so atomi snovi sredi{~a zelo mo~ne elektri~ne sile – domneva pa je v skladu z elektronsko teorijo snovi."739 Trditev je bila zametek poznej{e Rutherfordove jedrske teorije atoma. @e maja 1909 je Rutherford v Phil. Mag. objavil, da "ve, kak{ni so atomi".740 Jedrski model so pred njim poleg Bragga in Nagaoke obravnavali {e {tevilni raziskovalci, med njimi Lebedev 22. 1. 1887 in Stoney. [tevilni predlogi so sledili po odkritju "elektrona": J. J. Thomson in Larmor (1896), Perrin (1901) s poznej{imi dopolnitvami rojaka H. Becquerela, Kelvin (1902), Lenard (1903) po pol stoletja starej{ih dynamidah, istega leta ponovno J. J. Thomson in Stark (1907), ki je è uporabil idejo kvantov. Priljubljenost

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 263 novega modela z vakuumom v ve~jem delu atoma741 je nara{~ala zaradi prevlade poskusov z vakuumskimi napravami. Po Rutherfordovih navodilih sta Marsden in Geiger spomladi leta 1909 opazila odboj enega na okoli 8000 vpadlih àrkov α iz Ra-C* ob prehodu skozi tanko plast platine. Pri listu zlata debeline 4 μm, ki je absorbiral enako kot 1,6 mm zraka, se je v povpre~ju eden od 20 000 àrkov α odklonil za ve~ od pravega kota. Dele` odbitih àrkov sta merila tudi na listih kovin svinca, kositra, srebra, bakra, èleza in aluminija. Cev z

20 mg RaBr2 sta iz~rpala do nekaj milibarov in zaprla z oknom iz sljude, ki je absorbiralo le toliko `arkov α kot 1 cm zraka. Odklone, ve~je od 90°, sta opazila z mikroskopom kot scintilacije na ZnS-zaslonu. Razen pri svincu sta potrdila Braggovo teorijo, po kateri je absorpcija na atomu sorazmerna s kvadratnim korenom iz njegove mase. Merila sta odboj na razli~nih {tevilih tankih zlatih listov z odbojnostmi, enakimi 0,4 mm zraka. Dokazala sta, da ne gre za povr{inski, temve~ za prostorninski pojav.742 Geiger je poro~al Rutherfordu o nepri~akovanem odkritju. Pol ure pozneje je Rutherford ob nedeljskem kosilu na svojem domu poro~al sodelavcem o odkritju "sredi{~nega naboja" v atomu. Rezultat naj bi bil po enem njegovih zadnjih predavanj pred smrtjo "prav tako nepri~akovan, kot ~e bi streljali s 38-centimetrskim nabojem na list svilnatega papirja, pa bi se izstrelek odbil in vas zadel". To je bil {e eden {tevilnih Rutherfordovih izrekov, namenjenih zgodovini. V resnici je jedrski model na tihem podpiral `e ve~ let, vendar ga dotlej ni znal u~inkovito podpreti s poskusi. 7. 3. 1911 ga je opisal Manchestrskemu dru{tvu literatov in filozofov, kjer je Dalton stoletje prej poro~al o raziskovanju mas "nedeljivih" atomov.743 Dalton se je seveda nekajkrat obrnil v grobu, saj je Rutherfordov mogo~ni glas oznanjal novo dobo.

James Arnold Crowther je bil med letoma 1924 in 1946 profesor fizike na Univerzi Reading, od leta 1936 ~astni tajnik, od leta 1946 pa podpredsednik Fizikalnega in{tituta v Londonu.

V Angliji rojeni Novozelandec Ernest Marsden je {tudiral in raziskoval v Manchestru do leta 1914. Nato je od{el v Novo Zelandijo in bil tam do leta 1922 profesor v Wellingtonu, potem pa je do leta 1954 delal v Oddelku za znanstvene in industrijske raziskave, od leta 1947 kot predsednik novozelandske RS.744

Pri objavi razprave o sipanju `arkov α in β se je Rutherford {e posebej potrudil pri ra~unanju, ~eprav sicer ni slovel kot matematik. Ali pa prav zato. Naslednji mesec je razpravo z "Rutherfordovo ena~bo" poslal v Phil. Slika 13.8: Stran iz Rutherfordovega laboratorijskega Mag. Pokazal je, da so atomi sredi{~a dnevnika, na kateri je med letoma 1910 in 1911 mo~nega elektri~nega polja. Najprej skiciral sestavo atoma746 je obravnaval Thomsonovo teorijo

* Nekdanja oznaka za 214Po

264 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK sipanja naelektrenih delcev na tanki plasti "puding"-atoma, v katerem so bili masa in naboja obeh predznakov enakomerno porazdeljeni. Thomsona sta s poskusi podprla Crowther in Marsden leta 1910 z merjenjem sipanja àrkov β na aluminiju. Marsden je meril na nekoliko debelej{ih plasteh. Crowther je ocenil, da je {tevilo elektronov pribli`no trikrat ve~je od atomskega {tevila. Iz Geigerjevih in Marsdenovih meritev sipanja àrkov α na platini in zlatu je sledilo, da imajo ti atomi v sredi{~u okoli 100 osnovnih nabojev, kar je skoraj enako njuni atomski masi. Rutherford je menil, da za prehod àrkov α in β skozi snov veljajo enaki splo{ni zakoni, ki kaèjo, da je "atom sestavljen iz sredi{~nega naboja domnevno osredoto~enega v to~ki ... s sredi{~nim nabojem pribli`no enakim atomski masi, vsaj za atome, te`je od aluminija." (slika 13.8) Vrste naboja v sredi{~u atoma si {e ni upal dolo~iti. Skliceval se je na podobnost svojih domnev s "Saturnovim" atomom Japonca Nagaoke, objavljenim na seji Fizikalno- matemati~nega dru{tva v Tokiju 5. 12. 1903. Nanj je Rutherforda {ele 11. 3. 1911 opozoril W. H. Bragg, devet dni pozneje pa je Rutherford è pisal Nagaoki.745 Japonska

je vstopala v svet znanosti kot velesila, Avstralec Rutherford pa jo je priznal med prvimi. 746

John William Nicholson (*1. 11. 1881, Darlington; †3. 10. 1955) je bil fizik, astrofizik in matematik. Bil je predsednik Rentgenskega dru{tva, podpredsednik Londonskega fizikalnega dru{tva, 1910–1920 tajnik in 1920–1930 predsednik Britanske matemati~ne zveze.

Meritve Rutherfordovih sodelavcev sprva niso prinesle prevlade ideji "sredi{~nega naboja" atoma, predvsem ne v Cavendishevem laboratoriju.747 Rutherford se je konec oktobra 1911 udele`il 1. Solvayevega kongresa v Bruslju, vendar se tam {e nih~e ni zanimal za jedrski model. Nicholson ga je leta 1912 poskusil opisati s kvantno mehaniko; avgusta se je posre~ilo {ele Bohru v Rutherfordovem laboratoriju, kjer je celo pomagal pri meritvah. Bohrov model atoma ni ve~ opisoval le radioaktivnosti;748 uveljavil se je z novo generacijo raziskovalcev in spodbudil razvoj kvantne mehanike. Leta 1912 je C. G. Darwin dopolnil Rutherfordovo teorijo sipanja. Tako je podprl napovedi svojega deda C. R. Darwina o ve~ milijardah let razvoja vrst, ki jih je pojasnila {ele Rutherfordova teorija radio-

aktivnosti. 749 Naslednje leto sta Geiger in Marsden nadaljevala meritve s spreminjanjem vpadnega kota in hitrosti `arkov (slika 13.9). Rezultate sta najprej objavila pri dunajski Akademiji, br`kone iz hvale`nosti za po- sojeni radij, ki sta ga uporabljala v enakem izviru kot {tiri leta prej Rutherford in Royds. Izvir sta zaprla v svinec in zmanj{ala vpliv `arkov β. Merila sta na listih iz zlata in srebra z absorpcijo, enako 4,5 mm oziroma 3 mm zraka, vakuum pa sta izbolj{ala z grafitom, hlajenim v teko~em zraku. Sipanje na tankih listih je bilo sorazmerno njihovi debelini. Meritve sta dopolnila {e na kositru, bakru, aluminiju in oglju v parafinskem vosku. Slika 13.9: Merilna naprava Geigerja in Sipanje na zlatem listu debeline 21 μm pri Marsdena iz leta 1913749

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 265 razdalji 1 cm od izvira je potrdilo Rutherfordove napovedi; "sredi{~nih nabojev" je bilo pribli`no za polovico atomske mase snovi.750

Angle` Thomas D. Royds je, tako kot Rutherford (1895), Barkla (1899) in Chadwick (1913), dobil {tipendijo "Razstave 1851 za {tudij znanosti", da je lahko nadaljeval {tudij fizike v Manchestru pri Shusterju in Rutherfordu. To najbolj ~islano {tipendijo za diplomante provincialnih univerz v znesku 150 funtov sterlingov so na pobudo mo`a kraljice Viktorije podeljevali iz dela dohodka svetovne razstave v Londonu leta 1851.

Nemec Hans Wilhelm Geiger iz Neustadta-an-der-Weinstrasse je leta 1906 kon~al {tudij v Erlangenu pri izrednem profesorju Wehneltu. Nato je sedem let sodeloval z Rutherfordom. Leta 1911 je objavil zvezo med razpolovnim ~asom in energijo `arkov α. Leta 1912 je za~el voditi lasten laboratorij v Physikalisch- Technische Reichsanstalt v Berlinu, ki sta ga dala ustanoviti Helmholtz in Werner Siemens. Leta 1925 je Geiger dokazal, da se energija in gibalna koli~ina ohranjata pri Comptonovem pojavu. Med letoma 1925 in 1929 je bil profesor na Univerzi v Kielu, do leta 1936 v Tübingenu in nato na Tehni{ki univerzi v Berlinu.

Na 2. Solvayevem kongresu leta 1913 je Rutherford v razpravi po Thomsonovem poro~ilu è dokazal prednosti svojega opisa atoma. Naslednje leto je ocenil velikost jedra na manj kot 1,7 fm, kar je bilo celo nekoliko pod tedanjo oceno velikosti elektrona. Pribliàl se je poznej{emu pojmu vezavne energije oziroma masnega defekta.751 Po vrnitvi se je lotil sipanja àrkov α na lahkih jedrih. Zaradi voja{kih obveznosti narodnostno pisanih sodelavcev mu je med 1. svetovno vojno pomagal le laborant William Kay, ki je pred prihodom v Manchester sestavil ve~ji del naprav za visoke tlake za Dewarja v RI. Poskusi z du{ikom so decembra 1917 pripeljali do prve na~rtno sproène jedrske reakcije. To je bilo zadnje Rutherfordovo odkritje pred odhodom v Cavendish; poslovil se je od ionske implantacije in se lotil raziskovanja strukture jedra.752

13.2.5 Bohr v Manchestru in Kopenhagnu: teorija ionske implantacije Bohr je avgusta 1912 in julija 1915 v Manchestru povezal rezultate meritev iz Ruther- fordovega laboratorija v prepri~ljivo teorijo, kjer absorpcijo àrkov α pri najte`jih elementih dolo~a {tevilo elektronov v atomih in njihova lastna frekvenca. Povpre~no absorpcijo hitrih delcev je dve leti pozneje dopolnil {e z raziskovanjem izgube hitrosti posameznih delcev. Pri oceni zmanj{evanja hitrosti oziroma izgube energije na enoto poti je upo{teval le vpliv elektronov, ne pa tudi jeder atomov. Ustavljanje àrkov α in drugih ionov pri te`jih elementih je pribli`no opisal z idejo, da imajo te`ji elementi, ob zunanjih elektronih z lastnimi frekvencami v vidnem obmo~ju, {e elektrone, vezane z ve~jo energijo v obmo~ju rentgenskih àrkov. Thomsonova teorija je napovedovala pravilne rezultate ob upo{tevanju sekundarnih ionizacij, ki jih povzro~ajo elektroni, izbiti iz atomov. Bohrovo delo sta z bolj realnimi teorijami dopolnila Rutherfordov ob~asni sodela- Slika 13.10: Niels Bohr757 vec Bethe in [vicar Bloch z Univerze v Leipzigu,

266 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK poznej{i direktor CERN-a. Bloch je dobil pol Nobelove nagrade za fiziko leta 1952 za odkritje jedrske magnetne resonance, Bethe pa si je prislu`il celo nagrado poldrugo desetletje pozneje z raziskovanjem jedrskih reakcij v zvezdah.753

Niels Hendrik David Bohr je bil rojen v Kopenhagnu (slika 13.10). Tam je {tudiral fiziko, leta 1909 magistriral in 13. 5. 1911 doktoriral. [tipendija mu je po doktoratu omogo~ila {tudij pri Thomsonu v Cambridgeu. Rutherforda je prvi~ sre~al oktobra leta 1911 na vsakoletnem obedu v Cavendishu, vendar se je z njim seznanil {ele nekaj tednov pozneje ob obisku pri o~etovem prijatelju v Manchestru.754 Ker Thomson ni pokazal prevelikega zanimanja za opise atomov, ki so nasprotovali njegovim lastnim, se je Bohr sredi marca leta 1912 raje odpravil k Rutherfordu v Manchester. Tam sta teoretik Bohr in eksperimentalni fizik Rutherford ustvarila u~inkovit krog zagovornikov jedrskega modela atoma. Rutherfordov laboratorij je sproti preverjal Bohrove ideje, Bohr pa je s teorijo podprl Rutherfordov model atoma. Njuno razmerje je bilo za~injeno tudi z obilico humorja. Rutherford sicer ni spo{toval teoretikov in je ob koncu nekega Heisenbergovega predavanja povedal: "Neskon~no smo vam hvale`ni za pojasnitev {tevilnih zanimivih nesmislov, ki so nam dali veliko misliti". Zato so Rutherforda presene~eno spra{evali, zakaj ima popolnoma druga~en odnos do teoretika Bohra. Navdu{eni {portnik Rutherford se je izvlekel z odgovorom: "Bohr – on je popolnoma druga~en, on je nogometa{."755 Kljub temu pa pozneje, po Bohrovem "Scottovem" predavanju v Cavendishu o na~elu nedolo~enosti, ni mogel ostati brez opombe: "Veste, Bohr, va{a izvajanja se mi zdijo prav tako nedolo~ena kot predpostavke, na katerih temeljijo".756

Po C. Christiansenu je profesor fizike v Kopenhagnu leta 1912 postal Martin Knudsen. Zato je Bohru julija 1912 preostalo doma le mesto privatnega docenta. Jeseni 1914 je raje po Darwinu prevzel "Schusterjeva" predavanja matemati~ne fizike pri Rutherfordu v Manchestru, dokler ni poleti 1916 dobil mesta profesorja v Kopenhagnu. V naslednjih desetletjih je tam zunaj vihre 1. svetovne vojne razvil najvplivnej{o fizikalno "{olo" svojega ~asa, ki je utemeljila sodobno kvantno mehaniko. Leta 1918 je opisal na~elo korespondence, s katerim je klasi~no mehaniko povezal z nastajajo~o kvantno teorijo. Leta 1922 je Bohr za raziskovanje zgradbe atomov in iz njih izhajajo~ega sevanja dobil Nobelovo nagrado za fiziko. Po nem{ki zasedbi Danske je pobegnil v Anglijo in nato v ZDA, kjer je sodeloval pri izdelavi atomske bombe. Po koncu vojne se je vrnil v Kopenhagen kot slaven fizik. Primerljiv je le {e z Einsteinom, s katerim sta si sicer v fiziki pogosto nasprotovala, posebno glede pojma komplementarnosti, ki ga je Bohr prvi~ opisal na mednarodnem fizikalnem kongresu v mestecu Como ob stoletnici smrti

Alessandra Volte 16. 9. 1927. 757 Kljub pomembnim dose`kom je obstreljevanje z ioni ostalo dolgo ~asa le posebej prirejen poskus za dokazovanje jedrskega modela atoma, po letu 1917 pa za spro`anje jedrskih reakcij. Niso raziskali uporabnosti postopka na drugih podro~jih, ki so jih imeli le za laboratorijsko posebnost, podobno kot pol stoletja pred tem katodno elektronko in napr{evanje. Raziskovali so predvsem sile, ki ustavljajo ione v snovi, prevladovala pa so mnenja Bohra in njegovih danskih sodelavcev. Bohr je leta 1948 opisal osnove prehoda ionov skozi snov. Objavil je poseben zakon izmenjave energije vzdol` poti ionov in ocenil postopno zmanj{evanje naboja ionov. Na za~etku poti prevladujejo trki z elektroni snovi. Na koncu, ko se ioni `e upo~asnijo in ve~inoma izgubijo naboj, prevladujejo trki z jedri. Z ena~bo je ponazoril vpliv naboja in hitrosti iona na {tevilo elektronov, ki jih ion zajame med prodiranjem skozi snov. Kopenhagenska raziskovanja je nadaljeval doktorand Lassen z meritvami izgub energije delcev, nastalih po cepitvi jeder ob njihovi poti skozi argon in druge pline. Pozneje sta Danca Lindhard in Scharff postavila temelje za razumevanje ustavljanja visoko- in nizkoenergijskih ionov pri prodiranju skozi snov. Sodelavec H. E. Schiøtt jima je pomagal opisati energijsko obmo~je ionske implantacije z uporabo realnih interakcij med jedri in elektroni, ki jih niso ve~ obravnavali kot proste delce. Po za~etnicah avtorjev se je teorije prijel naziv LSS. Ob natan~nih meritvah dosega ionov v snovi J. A. Daviesa in drugih nadaljevalcev Rutherfordovega dela v Kanadi so se tehnike ionske implantacije razvijale hitreje od napr{evanja tankih plasti.758

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 267 13.2.6 Odmev Rutherfordovih raziskav med Slovenci O delovanju ioniziranih delcev v snovi je kranjski fizik Fran âde`, nekdanji Boltz- mannov dunajski {tudent, poro~al v slovenskem jeziku: "Alfa-àrki... v mali oddaljenosti 6–8 cm od radija è mirno obti~e v zraku. Svoje kratke poti pa niso napravili brez uspeha. Vse zra~ne molekule, na katere so naleteli na svoji poti, so razcepili takoj v atome ali ione. En sam -delec razpr{i na svojem potu nad 100 000 molekul v ione. Koliko ve~ji mora biti {ele vpliv vseh -delcev skupaj!" V enakost helija in àrkov α je slovenskega bralca prepri~al celo leto dni pred Ruther- fordovim kon~nim dokazom, ~eprav {e vedno v zvezi z napa~no J. J. Thomsonovo domnevo o zgradbi atoma: "@e prej smo zastavili vpra{anje, kaj so one gru~e elektronov, ki zapu{~ajo posamezne radijeve atome, in sicer s hitrostjo 10 000 kilometrov v sekundi. Te gru~e smo spoznali è pri -àrkih kot pozitivno elektri~ne atome, ki so le dvakrat te`ji od vodikovih. Kemija u~i, da imajo tako teò edinole atomi plina helija. Upra- vi~eno je tedaj mnenje, da obstajajo -àrki iz helijevih atomov in da se mora v bliìni radija nabrati toliko tega plina, da ga lahko preiskujemo. Res, dokazalo se je è na ve~ na~inov, da se nahaja okoli radija vedno nekaj helija..." In pozneje: "Rutherford je preizku{al -àrke pri prehodu skozi razne tvarine in pri{el do naslednjega nazora o sestavi atomov: vsak atom nam predstavlja kompleks, planeten sistem s centralnim jedrom, ki privla~i druge najmanj{e dele in jih zdruùje v celoto atoma v najmanj{em prostoru, da se vrte okoli jedra kakor planeti okoli solnca. Vsemir: makrokozmos! In vporabiv{i teorijo elektronov, je pristavil Rutherford, da niso ti najmanj{i deli atomi ni~ druzega nego – elektroni, tisti najmanj{i atomi elektrike. Tako je postala naenkrat materija vseh teles elektri~na: materija sestoji iz atomov, sestavljenih iz elektronov." Na{i predniki so lahko prebirali razlago novih poskusov, ki se je pozneje izkazala za neto~no: "V najzadnjem ~asu se je odkrila celo neka ~etrta vrsta àrkov, ki jih neprestano izàriva radij. Obstajajo namre~ iz atomov, ki se popolnoma ujemajo z -delci, razlikujejo se le v tem, da niso pozitivno elektri~ni kakor -delci, ampak negativno. Kakovi so njihovi u~inki, pokaè stoprav prihodnost." 759 Poznej{e raziskave niso potrdile obstoja tak{nih delcev, morda povezanih z Righijevimi elektri~no nevtralnimi "magnetnimi àrki" ali z Blondlotovimi "N-àrki".760 Slovenski bralec je tako sproti sledil Rutherfordovim dose`kom. V doma~em jeziku se je lahko prepri~al o prednostih jedrskega modela atoma: "Rutherford je sklepal, da mora biti nosilec te pozitivne elektrike helijev atom, in T. Royds je to domnevo spektro- skopi~no tudi potrdil. @arki so helijevi atomi, ki nosijo vsak po dva elementarna kvanta... Pozitivna elektrika ne more biti razvr{~ena po povr{ini tako velike krogle, temve~ mora biti po izvajanjih E. Rutherforda zgo{~ena v minimalnem prostoru, v takozvanem atomovem jedru, ~igar polumer je zelo majhen, gotovo manj{i od 10–12 cm, br`kone velikosti 10–16 cm... Elektroni niso zaprti v pozitivni elektri~ni krogli, temve~ kroìjo okoli pozitivnega jedra sli~no kakor planeti okoli sonca". Odkritja so seveda zbujala navdu{enje: "êsar pa ni zmogla alkimija, zmore danes radiokemija".761 Tesno sodelovanje med Dunajem in Manchestrom je slovenskim raziskovalcem omogo~ilo dopolnjevanje Rutherfordovih odkritij. Poznej{i ljubljanski profesor Sirk je bil eden pomembnej{ih raziskovalcev radioaktivnosti v monarhiji. Na Fizikalnem in{titutu v Gradcu je nadaljeval Rutherfordove raziskave torija. Leta 1913 je za~el delati na In{titutu za preu~evanje radija na Dunaju, ki je pod Meyerjevim vodstvom med letoma 1910 in 1920 zelo tesno sodeloval z Rutherfordovim laboratorijem v Manchestru. Tako je leta 1910 [ved Hans Pettersson na Dunaju z metodo uravnove{anja toka ionizacije opazoval toplotne pojave pri β-inγ-sevanju radija, vzporedno s podobnimi raziskavami

268 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK v Manchestru. Sirk je 13. 3. 1913 objavil razpravo o padcu tlaka tlivne razelektritve pod vplivom transverzalnega magnetnega polja. Nadaljeval je raziskovanje Goldsteina (1881), ki se je edini ukvarjal s prenosom delcev plina pri tlivni razelektritvi, ~eprav s premalo natan~nimi napravami.762 V teorijskem delu razprave je Sirk pokazal, da je povpre~na prosta pot v plinu veliko manj{a od velikosti vakuumske posode, kar je po Stefanovi teoriji dokazoval è Puluj v nasprotju s Crookesom (1879) in Stoksom.763 Med poletjem 1923 in decembrom 1927 je pri{lo do ostre izmenjave mnenj med Cavendishem in Dunajem glede meritev umetnega razpada jeder in Rutherfordovega modela atoma. Junija 1924 sta Petterson in Gerhard Kirch poslala Rutherfordu razpravo o obstreljevanju oglja in aluminija z àrki α. Rezultate sta dva meseca pozneje objavila na zborovanju nem{kih naravoslovcev in zdravnikov v Innsbrucku. Spor z Dunaj~ani sta Petterson in Chadwick maja in decembra 1927 zaman posku{ala zgladiti z medsebojnim obiskovanjem in s primerjanjem eksperimentalnih tehnik mo~no osebno obarvanega {tetja scintilacij. Rutherford je vseskozi sodeloval z dunajskimi fiziki. Razpravo o toplotnem efektu àrkov α je skupaj s svojim demonstratorjem in asistentom na Univerzi v Manchestru, Robin- sonom, julija 1912 poslal dunajski Akademiji, ki jo je objavila ~ez pol leta. [ele med letoma 1927 in 1933 je Rutherford uredil obro~no pla~evanje leta 1908 izposojenega radija in tako re{il dunajski In{titut za preu~evanje radija iz hude gmotne zagate. Rutherfordov sodelavec madàrskega rodu, Hevesy, je skupaj s Panethom v za~etku leta 1913 eksperimentiral na Dunaju. Poljak Stanislaw Loria se je leta 1916 na dunajskem In{titutu za preu~evanje radija ukvarjal s poskusi, podobnimi Sirkovim, pozneje pa je raziskoval pri Rutherfordu v Manchestru.764

13.2.7 Sklep Odkritje in prve uporabe ionske implantacije so bile povezane z razli~nimi opisi lastnosti `arkov α pri Rutherfordu in H. Becquerelu. Kmalu je porazdelitev mase in naboja znotraj atoma postala jabolko spora, Rutherfordov nekdanji u~itelj Thomson pa se je prelevil v poglavitnega nasprotnika. Kresanje mnenj je ponazarjalo generacijski prepad in je mo~no vplivalo na zgodnji razvoj kvantne mehanike. [tiri desetletja po odkritju je ionska implantacija ostajala predvsem orodje za raziskavo vpadnih in izstreljenih delcev, manj pa njihovih tar~. Raziskovali so lastnosti `arkov α in radioaktivnih produktov in ne sprememb v obstreljevani snovi. Tanke tar~e so ve~inoma izdelovali iz kovin, medtem ko je bil pozneje razvoj ionske implantacije povezan predvsem s polprevodniki. Pred 2. svetovno vojno ionske implantacije niso uporabljali v industriji, v popolnem nasprotju s sodobnim razvojem, ko smo raziskovanje preusmerili od izstrelkov k tar~am, katerih lastnosti spreminjamo z implantacijo.

13.3 Odkritje in razvoj tranzistorja 13.3.1 Uvod Konec leta 1998 je tranzistor sre~al Abrahama. Ne vemo, zakaj Abrahama sre~ujemo ravno pri petdesetih, je pa prav, da se spomnimo zanimive zgodbe. Morda ni nobeno fizikalno odkritje tako hitro vplivalo na ìvljenje ljudi kot ravno tranzistor. Zato so njegovi odkritelji è leta 1956 dobili Nobelovo nagrado, po petdesetih letih prvo za inènirsko napravo.

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 269 Tranzistor ni bil rezultat na~rtno postavljenega poskusa, temve~ {irokega programa so~asno raziskujo~ih znanstvenikov. Poleg fizikov so odkritju botrovali tudi strokovnjaki za elektroniko, fizikalno kemijo in metalurgijo.

13.3.2 Odkritje silicija in germanija Gay-Lussac in Tenar sta leta 1811 prva dobila ~isti silicij. Njegovo elementarno naravo je dokazal 12 let pozneje [ved Berzelius, ki ga je dobil iz silicijevega fluorida. Mendelejev je 17. 2. 1869 uvrstil silicij v periodni sistem. Ob njem je predvidel {e "ekasilicij"; njegove lastnosti je napovedal 3. 12. 1870 na seji Ruskega fizikalnega dru{tva. Nov element je sku{al izlo~iti iz spojin titana in cirkonija med za~etkom decembra 1870 in sredo decembra 1871. Med raziskovanjem je poro~al nem{kemu kemiku Erlenmeyerju. Podoben element je slutil `e Angle` Newlands v svoji periodni tabeli iz leta 1864, ki pa ni imela pravega odmeva. "Ekasilicij" je leta 1886 odkril profesor tehni{ke kemije Kraljevske akademije v Freiburgu na Sa{kem Winkler. Dobil ga je z analizo minerala argirodita, ki ga je profesor mine- ralogije na isti Akademiji Weissbach na{el v rudniku blizu Freiburga. Februarja 1886 je o novem elementu, ki ga je imenoval germanij, poro~al pred Nem{kim kemijskim dru{tvom in o odkritju obvestil Mendelejeva.

13.3.3 Zgodnja raziskovanja polprevodnikov Lastnosti polprevodnikov so vzbudile Faradayevo pozornost 15. 4. 1833. V nasprotju s

prevodnostjo kovin, kot jo je opisal Davy leta 1821, je prevodnost Ag2S nara{~ala z nara{~ajo~o temperaturo: "^e kos Ag2S debeline 1 cm postavimo na povr{ino platine na koncu polov voltne baterije z dvajsetimi pari plo{~, {irokih po 10 cm, se bo igla galvanometra v tokokrogu le malo odklonila zaradi majhne prevodnosti. Ko pola platine stisnemo s prsti ob sulfid, se bo prevodnost pove~ala zaradi segrevanja. S toploto svetilke pod sulfidom med poloma hitro pove~amo prevodnost, kon~no pa igla galvano-

metra sko~i v stalno lego in Ag2S za~ne prevajati prav tako kot kovina. Po odmiku svetilke si pojavi sledijo v nasprotnem vrstnem redu ... Razen vro~ega Ag2S ne poznam drugih snovi, ki bi se lahko pri prevajanju elektrike nizke napetosti primerjali s kovinami, pri ohlajanju pa izgubile to sposobnost, medtem ko jo kovine, nasprotno, pridobivajo. Verjetno bomo na{li {e mnogo tak{nih snovi, ko jih bomo iskali ..." Decembra 1838 je Faraday uresni~il svojo napoved in nadaljeval meritve pri drugih polprevodnikih, predvsem svin~evem fluoridu. Danes vemo, da si je napak predstavljal prevajanje elektrike v vseh snoveh na enak na~in; razlikoval je le velikosti prevodnosti posameznih snovi, mehanizmi pa so se mu zdeli enotni.765

13.3.4 Odkritje potencialne ovire v kristalni diodi (detektorju) Stefan je leta 1865 odkril mo~ne termoelektri~ne napetosti med kr{ci in sijajniki. V kratkem obvestilu o poteku raziskav je opisal kombinacije nekaterih `veplovih rud z neprimerno ve~jo termi~no napetostjo od kombinacij ~istih kovin. Navedel je termo- elemente, ki mo~no preka{ajo termoelement Sb-Bi. Meril je 14 razli~nih parov snovi z Danielovim galvanskim ~lenom, nekaj meritev z bakrom pa je pred njim opravil `e Bunsen. Marcus je leta 1857 pri pari{ki Akademiji opisal termo~len lastne konstrukcije,

270 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK njegovo delo pa je pozneje nadaljeval E. Becquerel z meritvami CuS med 300 °C in 400 °C z Danielovim ~lenom.766 Stefanove meritve je nadaljeval {ele Braun, ki je odkril nastanek potencialne ovire pri usmerjanju v polprevodni{kih kristalih. Meritve je za~el è kot Quinckejev asistent v Würzburgu, saj je prvo razpravo objavil 23. 11. 1874, le dva meseca po preselitvi na Gimnazijo St. Thomas v Leipzigu, kjer je uporabljal kristale iz gimnazijske zbirke. Braun je meril na stiku med vodnikom iz srebra in polprevodni{kim kristalom. Zavedal se je, da je tak{en poskus z vsaj eno majhno elektrodo najprimernej{i za opazovanje. Prva izmed {estih Braunovih objav o elektri~ni prevodnosti polprevodnikov v Ann. Phys. je pokazala omejeno veljavo Ohmovega zakona, ki ga je sku{al dopolniti s konstanto in ~lenom, odvisnim od kvadrata elektri~nega toka. Pri meritvah je uporabljal osem Grovo- vih elementov. Navajal je Hittorfove meritve in obse`no Herwigovo raziskovanje prevodnosti èleza in jekla, verjetno pa ni poznal Stefanovega dela.767 Brez prepri~ljive teorije raziskovanja 24-letnega Brauna niso dobila zasluènega odmeva. Tehnika poskusa je bila tako zahtevna, da je francoski mineralog Henri Dufet po neuspe{nih poskusih na piritu objavil, da se je Braun zmotil. W. G. Adams in R. E. Day v Angliji ter E. W. Siemens v Nem~iji so pri raziskovanju svetlobne ob~utljivosti elektri~nih lastnosti selena prav tako te`ko dobili nedvoumne, ponovljive rezultate. Braun je odkritje leta 1875 predstavil pred zdruènjem naravoslovcev v Leipzigu, kjer sta ga poslu{ala nekdanji Magnusov {tudent, profesor fizikalne kemije G. H. Wiede- mann, in Wilhelm Hankel, profesor fizike in raziskovalec elektri~nih lastnosti kristalov. Braun je na koncu predavanja petkrat uspe{no demonstriral odklon od Ohmovega zakona pri meritvah na rjavemu manganu, ki ni bil sulfid, in na PbS. Odklon galvanometra je bil odvisen od smeri toka. Pojasnil je, da Dufet ni dobil pri~akovanih rezultatov, ker je uporabljal stika enake velikosti. Eden stikov bi moral biti oblikovan v tanko konico, ~esar v svoji prvi razpravi leta 1874 Braun ni poudaril. Braun je namesto splo{ne teorije ponudil le bistroumna ugibanja. Domneval je, da tanka povr{inska plast usmerja elektri~ni tok na to~kasto elektrodo. Tok je namre~ ostajal enak, ~e je tekel ~ez kristal na eno samo elektrodo ali na par elektrod. ê bi pojav zadeval celotno prostornino kristala, bi moral biti pri poskusu z dvema elektrodama tok pol manj{i. Braun je pokazal, da pride do usmerjanja tudi, ko tok te~e le 1/500 s. To je bilo premalo za segrevanje, ki naj bi po E. W. Siemensu povzro~ilo Braunove rezultate. Tako je è Braunu mogo~e pripisati odkritje dveh temeljnih lastnosti poznej{ega tranzistorja, v katerem se spremembe zgodijo v povr{inski plasti z veliko hitrostjo.768 V svoji zadnji razpravi o polprevodnikih je Braun leta 1878 uporabil plo{~o dimenzije 8 mm × 35 mm × 20 mm iz psilomelana*. Za stik je dal izdelati kovinsko prièmo in jo trdo privil k plo{~i psilomelana, ki jo je izoliral s papirjem. Samo {pica prième iz platine dolìne 3 mm in debeline 2 mm se je s polkro`no konico dotikala minerala. Platina je mehkej{a od psilomelana, zato je pri privijanju povzro~ila made` velikosti 1/3 mm2, ki ga je opazoval pod mikroskopom. Made` ni bilo mogo~e spraskati pro~ s papirjem ali gladkim jeklom, temve~ ga je lahko odstranil le skupaj s sosednjimi delci psilomelana. Tlak okoli{kega zraka ni vplival na meritev, pa tudi elektrolitski vplivi niso povzro~ali spremembe upornosti. Hittorf je na podoben na~in raziskoval Ag2S. Braun je iskal analogijo med polprevodniki in prevajanjem skozi pline, ki je bilo pod dolo~enimi pogoji prav tako odvisno od smeri toka. Odvisnost upornosti od toka je meril

* BaMn9O16(OH)4

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 271 z diferencialnim galvanometrom na plo{~i s petimi kontaktnimi vijaki. Upor pri psilomelanu je bil razli~en v nasprotnih si smereh, podobno kot pri Geisslerjevih ceveh z lijakastimi zaklopkami. Enakega mnenja je bil tri ~etrt stoletja pozneje Shockley, nasprotnega pa Bardeen. Braun je v psilomelanu meril {e odvisnost porazdelitve tokov od magnetne sile. Spra{eval se je, ali je upornost lastnost toka nabojev ali pa morda molekul snovi. Ali spremenljivi indukcijski tok skozi snov obenem spremeni upornost glede na vrednost pri konstantnem toku ali pa na~in razelektritve nima vpliva? Braun je s poskusi potrdil drugo trditev. Schuster, tedaj Maxwellov asistent v Cavendishevih laboratorijih v Cambridgeu, je dobil Braunovim podobne rezultate pri stiku med o~i{~enimi in nato oksidiranimi bakrenimi vodniki in sulfidi.769

Nemec Arthur Schuster je bil rojen v Frankfurtu na Maini v bogati ìdovski druìni, ki se je ukvarjala s tekstilom. Ko je bil leta 1879 Frankfurt priklju~en Prusiji, se je druìna skupaj s svojimi podjetji preselila v Manchester. Za fiziko se je navdu{il z branjem u~benika spektralne analize Henryja Roscoeja, ki ga je skupaj s Stewartom pozneje pou~eval na Univerzi v Manchestru. Stewart je è leta 1872 visoko ocenil Schusterjevo raziskovanje spektra du{ika. Roscoe ga je poslal na doktorski {tudij v Heidelberg h Kirchhoffu in Bunsenu, kjer je doktoriral leta 1873. Poleti 1874 je pomagal Webru v Göttingenu pri preisku{anju Ohmovega zakona za izmeni~ne tokove visokih frekvenc, znanem kot "unilateralna" prevodnost. Nekaj ~asa je delal tudi pri Helmholtzu v Berlinu, kjer je njegov vrstnik Goldstein prav tedaj raziskoval razelektritve v katodni elektronki. Odkril je "Schusterjev pojav", kjer tok iz vrte~ega se magneta stalno vi{a povpre~ni odklon kazalca galvanometra. Zato je na sre~anju British Association v Belfastu leta 1874 objavil, da upornost ìce pada pri vi{jih tokovih. Trditev je zanimala Maxwella, saj ni imel mo~ne teoreti~ne utemeljitve za Ohmov zakon, ki so ga Schusterjevi poskusi spodbijali. Vendar so v Cavendishevem laboratoriju spomladi 1876 dognali, da je "Schusterjev pojav" le posledica neenakomerne magnetizacije v magnetu in v tuljavi. Leta 1875 je Schuster dobil angle{ko dràvljanstvo. Oktobra 1877 je za~el delati v Cavendishu in je bil leta 1884 glavni tekmec J. J. Thomsona za vodenje Cavendisha. Leta 1881 je postal profesor uporabne matematike na Univerzi v Manchestru, leta 1887 pa je, po Stewartovi smrti, prevzel Langworthyjevo katedro eksperimentalne fizike in si je tam 20 let pozneje za naslednika izbral Rutherforda.770

13.3.5 Raziskovanja polprevodnikov pred drugo svetovno vojno Z Braunovim odkritjem kristalne diode leta 1874 se je za~elo raziskovanje potencialnih ovir pri stiku, v katerem {e niso uporabljali germanija.771 [ele 30 let pozneje so uporabili stike kovin in kristalov za "detektorje" radijskih signalov. Ti kristalni oja~e- valniki zgodnjih radijskih aparatov so bili v uporabi {e v 1950-ih letih.772 Ob zori novega stoletja je Indijec Bose izumil in v ZDA patentiral prvi kristalni detektor (slika 13.11).773 Leta 1906 sta kristalni detektor patentiralala Ameri- ~ana H. H. C. Dunwoody in G. W. Pickard, neodvisno pa berlinski Tele- funken. Kovinsko os ali kristal so pritrjevali ob kristale karborunda, gale- nita, pirita itd. 5. 10. 1910 je B. F. Miessner v ZDA patentiral Braunovo elektrodo z vodnikom kot "detektor za radijske aparate".774 Slika 13.11: Jagadish Chandra Bose775

272 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Indijec Jagadish Chandra Bose je med letoma 1880 in 1884 {tudiral v Cambridgeu pri Rayleighu, direktorju Cavendishevih laboratorijev. Od leta 1885 je bil Bose profesor v Kalkuti, kjer je raziskoval detektorje in o njih ob Rayleighovi podpori predaval tudi pred RI. Bosejev `ivosrebrni detektor, o katerem je Rayleigh 6. 3. 1899 poro~al pred RS, je Marconi 12. 12. 1901 uporabil za sprejem prvega prekooceanskega radijskega signala.

775 Osnove tranzistorjev so bile znane è v ~asu, ko so bili raziskovalci iz Shockleyjeve skupine pri Bell Labs {e najstniki. Po prvi svetovni vojni so triode in druge katodne elektronke izrivale kristalne detektorje s trga. Le malo raziskovalcev se je ukvarjalo s polprevodniki, med njimi O. V. Losev, ki je med letoma 1919 in 1923 sestavil oscilator s cinkitom, predhodnikom poznej{e tunelske diode. Poljak Lilienfeld, med letoma 1910 in 1926 profesor fizike na Univerzi v Leipzigu, je leta 1920 objavil raziskavo o elektronski emisiji v vakuumu. Raziskovanje vakuumske elektronke je nadaljeval s preu~evanjem trdne snovi. Po emigraciji v ZDA je bil direktor raziskovanja v Ergon Research Labo- ratory v Maldenu, Maryland. Med 8. 10. 1926 in letom 1932 je vloìl in dobil tri patente za osnove tranzistorja s poljskim efektom (kovina – oksid – polprevodnik, MOSFET*). Predloìl je uporabo CuS, vendar ni znano, da bi kdaj sestavil delujo~ tranzistorski oja~evalnik. Leta 1935 je postal dràvljan ZDA. Prav tedaj je leta 1935 Nemec Oskar Heil v Britaniji vloìl patent z opisom delovanja MOSFET-a z uporabo sodobne teorije elektronov in vrzeli, ki jo je leta 1931 razvil A. H.

Wilson v Cambridgeu. Heil je opisal tako n- kot p-tip v telurju, jodu, Cu2OinV2O5 in tako izdelal predhodnika sodobnega FET-a, C. Zener pa je zasnoval po njem imenovano diodo. Okoli leta 1935 so razvili elektri~na stikala z bakrovim ali selenovim oksidom, ki so jih v ZDA imenovali "Westector", v Nem~iji pa "Sirutor". ^eprav so bile Lilienfeldove in Heilove raziskave med vojno ve~inoma pozabljene, so v Bell Labs med letoma 1947 in 1952 njuna odkritja pravzaprav le dopolnili s pn ploskovnim efektom (FET) in vbrizga- 776 vanjem manj{inskih nosilcev (slika 13.12). 777 Izkazalo se je, da so posebnosti polprevodnikov pri osvetlitvi in pri usmernikih povr{inski pojavi, medtem ko sta fotoprevodnost in negativni temperaturni koeficient upornosti povezana s prostornino. Konec 1920-ih let so dognali, da je polprevodnost odvisna tako od {tevila nosilcev naboja v enoti prostornine kot od njihove gibljivosti, dolo~ene z razmerjem med hitrostjo nosilca v elektri~nem polju in velikostjo tega polja. Meritve Hallovega efekta so v naslednjih letih pokazale, da se vrednosti obeh koli~in pri polprevodnikih mo~no razlikujeta od kovin. Go- stota {tevila nosilcev naboja v kovini ni domala stalna samo pri prehodu od ene kovine k drugi v Slika 13.12: Lilienfeldov patent iz leta 1933 s strukturo stiku, temve~ tudi pri spremembah MOSFET-a777

* Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 273 temperature. Gostota polprevodni{kih nosilcev naboja je razli~na in za nekaj redov velikosti manj{a kot v kovinah.

Edwin Hilbert Hall je pojav odkril `e leta 1879 v ZDA. Med letoma 1881 in 1921 je pou~eval na Harvardski univerzi.

[ele razvoj radarja je ponovno vzbudil raziskovanje kristalnih diod s prehodom na vi{je frekvence, pri katerih katodne elektronke niso bile uporabne. Okoli leta 1938 so sestavili stabilne detektorje z zataljevanjem kovinske osti na plo{~ico germanijevega kristala. A. H. Wilson je v Cambridgeu leta 1931 pojasnil mnoge lastnosti polprevodnika s kvantnomehanskim vedenjem elektronov v trdninah z diskretnimi energijskimi pasovi. Frenkel s peterbur{ke Univerze je `e leta 1917 v Phil. Mag. kvalitativno pojasnil obstoj dvojne naelektrene (zaporne) plasti,778 ki je v poznej{i Bardeenovi ina~ici dobila mo~no eksperimentalno podporo. Leta 1932 je Frenkel s kvantnomehanskim tuneliranjem opisal stik kovina-polprevodnik.

Leta 1927 je ameri{ki in`enir Grondal iz Cu2O pri visokih temperaturah reda 1000 °C dobil plo{~e, ki so dobro prevajale tok v eni smeri, v nasprotni smeri pa so imele visok upor. Tako je bilo mogo~e iz izmeni~nega toka dobiti enosmernega.

Prvo fotocelico z izolacijsko plastjo med bakrom in Cu2O je patentiral Geiger 14. 11. 1926.779 Napravo sta izbolj{ala Schottky in Duhme v laboratoriju Siemens & Halske ter samostojno B. Lange leta 1930 v Nem~iji. Schottky je opisal delovanje submikroskopske 780 tanke plasti med povr{ino bakra in Cu2O. Kljub odkritelju Braunu je pojav dobil naziv "Schottkyjev efekt".

[vicarski Nemec Walter Schottky je {tudiral pri Sommerfeldu. Med letoma 1916 in 1919 ter po letu 1927 je raziskoval pri Siemens & Halske.

Po Bardeenovem mnenju bi `e Schottky lahko odkril tranzistor, ~e bi podrobneje raziskal vedenje vrzeli n-tipa polprevodnika blizu stika.781 Seveda bi potem samemu Bardeenu izvil prvo izmed Nobelovih nagrad. Schottkyjevi podobno teorijo delovanja ovire debeline okoli 1 μm na meji med polprevodnikom in kovino sta pred 2. svetovno vojno objavila tudi bristolski profesor Mott in B. Davidov v Sovjetski zvezi.

13.3.6 Tranzistor s to~kastim stikom Polprevodni{ke diode s to~kastim stikom so bile med vojno nepogre{ljive v radarjih in drugih elektronskih napravah. Russel S. Ohl je v Bell Labs leta 1940 zaprosil kemike in metalurge za bolj homogen material, ki bi imel stabilnej{e lastnosti od silicija. Dobili so veliko bolj ~iste materiale kot doslej in v njih celo kontrolirali tip defektov in ne~isto~. Prevodnost so povzro~ale è majhne koli~ine teh primesi, ki jih je Ohl razdelil na n- in p-tip.782 Shockley si je è 29. 12. 1939 zapisal, kak{en naj bi bil bodo~i "tranzistor". Idejo je izbolj{al 29. 2. 1940 z opisom poznej{ega MOSFET-a (slika 13.13). Po vojni 783 je postal vodja skupine raziskovalcev germanija in silicija pri Bell Labs. Z elementarnimi snovmi je bilo namre~ laè delati in tudi tehnologija zanje je bila è razvita, ~eprav so tiste ~ase

bolj uporabljali bakrove okside in ZnO. 784 Poleg tehnolo{kih so se lotili {e teorijskih problemov. Po Schottkyju naj bi zaporno plast sestavljalo prostorsko nabito podro~je polprevodnika debeline od 10–6 cm do 10–4 cm in

274 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK inducirani naboj na povr{ini kovine. Prostorsko porazdeljen naboj dvigne elektrostatsko potencialno energijo na povr{ini polprevodnika. Elektroni so iz~rpani iz obmo~ja s prostorskim nabojem, kar da plasti visoko upornost. ê je potencial polprevodnika negativen glede na kovino, se energijski nivoji v polprevodniku dvignejo in lahko elektroni laè prehajajo ~ez vi{ji potencial v kovino. To je prevodna smer. Po drugi strani pa so v pozi- tivnem polprevodniku nivoji zniàni, kar dvigne nivo ovire, tako da elektroni teè prehajajo iz polprevodnika v kovino. To je zaporna smer. Po Schottkyju je bila ravnovesna vi{ina Slika 13.13: Shockleyjeva skica tranzistorja 29. 2. potencialne ovire in z njo stopnja 1940 z Brattainovim podpisom784 usmerjanja odvisna od izstopnega dela kovine,785 napa~no je napovedal razlike med stiki n- in p-tipa v siliciju, rezultatov Shockleyja in G. L. Parsonsa pa ni znal pojasniti.786 Druga raziskovanja so podpirala Schottkyjeve domneve, med njimi H. Schweickertove meritve soodvisnosti med uporom selenskih usmernikov in izstopnim delom v kovini.787 Brattain in J. N. Shive sta pod vodstvom J. A. Beckerja v Bell Labs leta 1940 namerila dobro korelacijo med stopnjo usmerjanja in izstopnim delom kovinskih stikov, naparjenih na bakrov oksid ter na silicij n- in p-tipa. Shive je dobil Schweickertovim podobne rezultate pri raziskovanju stikov razli~nih kovin, naparjenih na selen. Joffe je v Leningradu s poskusi zavra~al teorije Schottkyja in Davidova, prijateljeval pa je z Bardeenom; àl pa problem Schottkyjeve pregrade ostaja {e danes nere{en.788 Zaradi neskladja s poskusi je ~lan Shockleyjeve skupine, Bardeen, 13. 2. 1947 podrobno raziskal naravo stika med kovino in polprevodnikom. Zanimal ga je vpliv elektronskih stanj s povr{ine polprevodnika na ravnovesno vrednost potencialne ovire in presenetljiva odsotnost vpliva kovine v stiku. Vendar je imel {e premalo eksperimentalnih potrditev obstoja povr{inskih stanj, ki jih je è leta 1939 Shockley uporabil v enodimenzionalnem modelu. Bardeen je domneval, da elektroni na povr{ini polprevodnika pridejo v ravnovesje po vsakem elektri~nem stiku; za ravnovesje je nujna izmenjava elektrostatskega potenciala med notranjostjo polprevodnika in njegovo povr{ino. Dogajanje znotraj polprevodnika ni odvisno od stika s kovino, kar je pojasnilo rezultate W. E. Meyerho- fovih meritev zveze med razliko kontaktnih potencialov in oja~itvijo. Analiza dogajanja na povr{ini kovine in polprevodnika med stikanjem je pokazala, da povr{inski naboj le malo spremeni izstopno delo v kovini, precej ve~ pa v polprevodniku. Izstopno delo silicija n-tipa se za okoli 0,25 eV razlikuje od izstopnega dela p-tipa, kar je bilo precej manj od energijske vrzeli, {iroke okoli 1,1 eV. Pri stiku s kovino potencialno razliko v to~ki stika nadomesti predvsem pravi povr{inski naboj, ne pa prostorninski naboj; zato naj bi bila vi{ina potencialne ovire ve~inoma neodvisna od kovine.

Lokalizirana stanja, imenovana "Tammovi nivoji", je Igor' Evgenevi~ Tamm prvi~ opisal v Physik. Zeits. Sowietunion (1932) 1: 733, za njim pa Shockley v Phys. Rev. (1939) 56: 317789. Leta 1958 je Tamm dobil Nobelovo nagrado za raziskovanje elektromagnetnega valovanja, ki ga oddajajo delci pri hitrem gibanju v snovi.

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 275 Bardeen se je zavedal pomanjkljivosti modela pri tesnem stiku med kovino in polprevodnikom, ki onemogo~a lo~evanje obeh izstopnih del. V dodatku je podrobno obdelal primer enakomerne Schottkyjeve zaporne plasti. Opisal je naslednje zaporne plasti, sestavljene iz dvojnih plasti:790 1. Enoatomska plast na povr{ini kovine 2. Enoatomska plast na povr{ini polprevodnika 3. Plast povr{inskega naboja na kovinah in polprevodnikih debeline nekaj atomskih plasti 4. Plast povr{inskega naboja debeline nekaj atomskih plasti in prostorskega naboja, ki sega od 10–6 cm do 10–4 cm globoko v polprevodnik.

Oja~enja v zapornih plasteh je po Bardeenu mogo~e oceniti na razli~ne na~ine: a) Pri gostoti povr{inskih nivojev nad 1013 cm–2 bo dvojna zaporna plast (4) neodvisna od kovine in enaka kot na prosti povr{ini polprevodnika. Sposobnost usmerjanja bo potem v glavnem neodvisna od izstopnega dela kovine. Razlika v kontaktnih potencialih je kompenzirana z zaporno plastjo (3). b) Pri gostoti povr{inskih nivojev manj{i od 1013 cm–2 bo dvojna zaporna plast (3) majhna in bo (4) pribli`no dolo~ena z razliko izstopnega dela. c) Ob zelo tesnem stiku med kovino in polprevodnikom ni mogo~e lo~iti med dvojnimi zapornimi plastmi (1), (2) in (3). ^e je {irjenje povr{inskih nivojev kovine majhno v primerjavi z energijsko vrzeljo, bo ugotovitev {e vedno veljavna. ~) Pri velikem {irjenju povr{inskih nivojev ni mogo~e opisati povr{inskega naboja na osnovi merjenj razlike potencialov na kraju stika.

Brattain in Shockley sta s poskusi podprla Bardeenovo teorijo. Med lastnostmi povr{ine sta upo{tevala fotoelektri~ni efekt, ki spremeni kontaktni potencial pri osvetlitvi. Nepo- sredno za njunim pismom je Brattain opisal dvojno zaporno plast na povr{ini polprevodnika. Pri sobni temperaturi naj bi sistem dosegel ravnovesje v nekaj sekundah. Naslednja stopnja raziskovanja je bila meritev sprememb potenciala na povr{ini silicija ali germanija pri razli~nih temperaturah. Poskus je ovirala kondenzacija vodnih par na hladni povr{ini polprevodnika, zato so sistem namo~ili v neprevodno kapljevino. Merili so kontaktne napetosti in ugotovili spremembe fotonapetosti pri namakanju. Brattain je opozoril sodelavca R. B. Gibneyja, da voda in nekatere uporabljene kapljevine niso bile dobri dielektriki, temve~ elektroliti. Zato so predpostavili, da se potencial spreminja med povr{ino polprevodnika in primerjalno elektrodo. Z rezultati poskusa so seznanili vso raziskovalno skupino v Bell Labs. Nekaj dni pozneje je Bardeen zjutraj pri{el v Brattainov kabinet in opisal napravo, s katero bi bilo mogo~e dobiti èleno oja~itev. Brattain je pripravil poskus v laboratoriju, kjer so kovinski okov prekrili s tanko plastjo voska in ga pritrdili k silciju p-tipa. Povr{ina je bila tako obde- lana, da je nastal prehod v n-tip. Stik so ovlaìli s kapljo vode in podstavili elektrodo. To~ko stika so s plastjo voska izolirali od vode. Po pri~akovanju so odkrili, da potencial med vodo in silicij spreminja tok, ki te~e ~ez kovinsko ost v silicij.791 To odkritje oja~evalnika je omogo~ilo napredek elektronike v naslednji polovici stoletja. Potem ko je bilo è dolgo znano, da dvig temperature polprevodnika pove~a {tevilo elektronov in vrzeli, osvetlitev pa pove~a {tevilo nosilcev naboja, sta Bardeen in Brattain elektri~ni tok uporabila za spremembo porazdelitve nosilcev z vbrizgavanjem vrzeli, ki so bile manj{inski nosilci naboja. Pozitivna kovinska elektroda (emitor) v stiku s povr{ino polprevodnika n-tipa (bazo) je povzro~ila tok vrzeli vanj.

276 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Naziv tranzistor je iz angl. "transfer resistor" skoval John Robinson Pierce, ki je so~asno s Shockleyjem doktoriral in pri{el v Bell Labs. Kot in`enir je raziskoval predvsem vakuumske elektronke za mikrovalovne naprave, vendar je poznal tudi bistvo polprevodni{kih raziskav svojih kolegov. Ko so pred 28. 3. 1948 skupaj iskali primerno ime za novo napravo po analogiji s podobnimi rezistorji, termistorji in varistorji, je na Brattainovo pobudo vrstil predloge "transprevodnik... transupornik... tranzistor". In pri tem je ostalo.

Sredi decembra 1947 je Bardeen z zna~ilnim tihim glasom sporo~il èni, medtem ko je pripravljala ve~erjo: "Danes smo nekaj odkrili."792 V kuhinji je rahlo zadi{alo po Nobe- lovi nagradi, prvi od obeh, ki si jih je prisluìl Bardeen. @ena je razumevajo~e pokimala in pri~ela nalivati juho... Bardeen je predloìl podoben poskus na germaniju n-tipa, ki bi dal {e bolj{i rezultat. Po razpravi z Bardeenom je Brattainova skupina sestavila elektronsko napravo z emitorjem, kolektorjem in razse`nim stikom nizke upornosti na bazi iz germanija, ki jo je bilo mogo~e uporabljati kot oja~evalnik, oscilator in {e druga~e, namesto vakuumskih elektronk. Na povr{ini so naredili dva to~kasta stika, lo~ena z razdaljo od 0,25 mm do 0,05 mm. Dve diodi so torej postavili tako blizu skupaj, da je dogajanje v eni vplivalo na sosedo. Iz polistirena so izrezali trikotno plast z majhnim ozkim in ravnim koncem in nanj pritrdili tanek list zlata. Brattain je z noèm razrezal list po polih do vi{ine trikotnika in ga pritrdil na gemanij. Del zlatega lista so uporabili kot emitor, drugega pa kot kolektor. To~kasti stiki so bili iz volframa in tudi iz fosforne bronze. Ko sta to~kasta stika pribliàla drug drugemu in pritisnila enosmerno napetost, sta dobila medsebojno influenco, ki je omogo~ila oja~enje signalov izmeni~nega toka. Majhna pozitivna napetost na emitorju je povzro~ila tok nekaj miliamperov. Na kolektor so pritisnili dovolj visoko nasprotno napetost, da so dobili kolektorski tok enakega ali ve~jega reda velikosti od emitorskega toka. Kolektorska napetost je imela tak{en predznak, da je privla~ila vrzeli z emitorja, tako da je velik del emitorskega toka tekel proti kolektorju. Kolektor je zaviral tok elektronov v polprevodnik, tok vrzeli v to~ki stika pa je bil le malo oviran. ê sta potem spreminjala emitorski tok s signalno napetostjo, sta dobivala ustrezne spremembe v kolektorskem toku. Tok vrzeli z emitorja na kolektor je lahko spreminjal normalni tok od baze na kolektor tako, da je bila sprememba kolektorskega toka ve~ja od spremembe toka emitorja. Bardeen in Brattain sta raziskovala naravo dodatne prevodnosti tranzistorja z merjenjem potenciala v bliìni stika na ravni povr{ini debele germanijeve baze n-tipa, ki sta jo pripravila na enak na~in kot za uporabo v visokonapetostnih us- Slika 13.14: Laboratorijski zapisnik demonstracije mernikih. Pri preskusih sta povr{ino oja~itve zvoka s tranzistorjem s to~kastima stikoma 24. najprej brusila in jedkala, nato pa 12. 1947

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 277 eno uro oksidirala na zraku pri 500 °C. Pri drugih preizkusih sta zgornjo povr{ino dodatno anodno oksidirala v raztopini glikol borata, nato pa ozemljila in jedkala na navaden na~in. Sprani oksid ni neposredno vplival na rezultate. Pozneje so dognali, da lahko povr{ine pripravijo {e na druge na~ine. Spreminjanje prevodnosti s tokom je kazalo, da poleg ohmske prevodnosti nastopa {e druga~na komponenta dodatne prevodnosti, ki nara{~a z nara{~ajo~im tokom. Pripisala sta jo nara{~anju koncentracije nosilcev (vrzeli in elektronov) v bli`ini to~ke z nara{~a- jo~im tokom. Domnevala sta, da lahko prevodna plast p-tipa nastane zaradi nad{tevil- nosti ne~isto~ v sprejemniku blizu povr{ine ali zaradi zaporne plasti v prostorskem naboju, ki zadostuje za dvig nasi~enega pasu blizu Fermijevega nivoja. S. Benzer z Univerze Purdue je `e 31. 12. 1945 objavil meritve temperaturne odvisnosti germanijevega oja~evalnika, ki so potrjevale domnevno prevodnost p-tipa na povr{ini. 23. 12. 1947 so dobili stokratno oja~itev v vsem spektru frekvenc zvoka (slika 13.14).793 17. 6. 1948 sta Bardeen in Brattain dru`no patentirala iznajdbo. Osem dni pozneje sta opisala odkritje v dveh pismih, ki sta bili objavljeni julija 1948. Odkritja so dopolnile so~asno poslane meritve njunega predstojnika Shockleyja in Pearsona iz Bell Labs. Uporabila sta kondenzator s plo{~ino 1 cm × 2 cm iz zlata in polprevodnika, naparje- nega na nasprotni strani silicijeve plo{~e debeline 0,06 mm. Za merjenje sprememb prevodnosti so uporabili tok med dvema dodatnima zlatima elektrodama, naparjenima na dva konca polprevodnika. Meritve na germaniju so bile primerljive z leto starej{imi Brattainovi in Shockleyjevimi na siliciju.794

13.3.7 FET-tranzistorji

795 Shockley je bil vodja raziskovalne skupine, v kateri sta Bardeen in Brattain po vrsti poskusov odkrila tranzistor s to~kastima stikoma (slika 13.15). Odkritje je sicer temeljilo na Shockley- jevi ideji, vendar pri poskusih ni bil neposredno udele`en. To ga je gotovo jezilo, zato je v naslednjih mesecih pozorneje spremljal raziskovanja svojih sodelavcev, bolj kot je v navadi v skupinah ustvarjalnih znanstvenikov. ^util je, da se mu lahko Nobelova nagrada izmuzne. Z vsemi mo~mi se je vrgel v raziskovanje tranzistorja na poljski efekt, katerega ina~ico JFET* je razvil do 23. 1. 1948, 38 dni za odkritjem Bardeena in Brattaina. Izum je patentiral 26. 6. 1948 in 24. 9. 1948 (slika 13.16).796

Slika 13.15: Shockley, Brattain in Bardeen pri Bell Labs

* Junction Field Effect Transistor

278 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 13.16: Shockleyjeva skica tranzistorja iz patenta, vlo`enega 34. 9. 1948

797 Delovanju nove Shockleyjeve ina~ice tranzistorja je bilo la`e slediti s teorijo, njegov {um je bil manj{i in je lahko uporabljal ve~je mo~i. Zato je kmalu izrinil tranzistor s to~kastima stikoma, ki ga je kmalu po Bell Labs v podobni obliki, vendar z razli~nimi mehanskimi podrobnostmi, izdelal {e raziskovalni laboratorij GE, za njim pa leta 1949 {e podjetja RCA, Raytheon in Sylvania.798

William Bradford Shockley je bil rojen v Londonu v druìni premo`nega ameri{kega rudarskega inènirja. Diplomiral na CalTechu leta 1932 in doktoriral na MIT-u leta 1936 pri Slaterju, ki je sredi 1920-ih let z Bohrom utemeljeval kvantno mehaniko. Leta 1936 je Shockley pri{el v Bell Labs. Tam si je obetal sodelovanje z Davissonom, ki je naslednje leto dobil Nobelovo nagrado za fiziko za raziskovanje interferen~nega odboja elektronov na kristalu. Shockley se je med vojno ukvarjal z uporabnimi raziskavami, po vojni pa je postal predstojnik novega oddelka za raziskovanje trdne snovi. Vanjo je vklju~il tudi Bardeena, ki ga je spoznal è sredi 1930-ih let v Cambridgeu. Leta 1955 je Shockley postal direktor skupine za raziskave razvoja oroìj pri ameri{kem obrambnem ministrstvu in je ustanovil lastno podjetje za uporabo tranzistorjev. Leta 1963 je postal profesor inènirstva na Univerzi v Stanfordu.

Teorija tranzistorja je prinesla nov izziv fiziki. Delovanje vakuumske elektronke je bilo sredi 1950-ih let `e del standardnega znanja elektroin`enirja, medtem ko je bilo gibanje delcev v trdnini precej{nja novost. Tudi sicer so procesi v trdnini bolj zapleteni. Lastnosti katodne elektronke so odvisne le od geometrije in zunanjih robnih pogojev, pri tranzistorju pa vplivajo tudi lastnosti trdnine. V katodni elektronki obravnavamo le gibanje elektronov v elektri~nem polju, v polprevodniku pa imamo poleg elektronov tudi vrzeli. Zato je razumljivo, da so zgodnji raziskovalci tranzistorja sprva razli~no pojasnjevali dogajanje v njem. Bardeen je uspeh poskusov z elektrolitom pripisal navzo~nosti modificirane plasti polprevodnika na povr{ini, ki je omejevala tok elektronov. Vendar je tak{na razlaga postala dvomljiva, ko so za~eli izdelovati dobre tranzistorje s povr{ino, izdelano z izravnavanjem visoke nasprotne napetosti, pod pogojem, da je bil kolektorski kontakt narejen elektri~no. V nasprotju z Bardeenom sta Shockley (23. 1. 1948) in neodvisno od njega Shive domnevala, da spremenjeni povr{inski sloj nima va`ne vloge. Oja~itev tranzistorja sta imela predvsem za prostorninski in ne za povr{inski pojav. Shive je februarja 1948 njuno domnevo dokazal s poskusom. To~ki emitorja in kolektorja sta se stikali na nasprotnih straneh 0,01 mm tanke plasti germanija in tako povzro~ali tranzistorski efekt, primerljiv z delovanjem tranzistorja Bardeena in Brattaina. Stoletje pred uravnavanjem prevodnosti s tranzistorskim efektom je E. Becquerel leta 1839 prvi opazil, da svetloba povzro~a elektri~ni tok v nekaterih elektrolitih, saj osvetlitev pove~a prevodnost polprevodnika.

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 279 Spremenjena teorija je izraàla druga~ne razmere, v katerih je deloval Shockleyjev tranzistor. Druga~e od Bardeen-Brattainovega, kjer je do oja~itve pri{lo v stiku med kovinskim vodnikom in germanijem, je v Shockleyjevem pnp-tranzistorju do oja~itve pri{lo v notranjosti kristala germanija. Tok je tekel predvsem zaradi difuzije, bolj kot zaradi elektri~nega polja. Shockley je v poenostavljenem modelu predpostavil: 1. da so donorji in akceptorji popolnoma ionizirani, kar dobro velja za germanij pri sobni temperaturi; 2. da je gostota manj{inskih nosilcev naboja veliko manj{a od gostote ve~inskih v vsakem obmo~ju; 3. da je skupno razmerje rekombinacije v vsakem obmo~ju linearno odvisno od nepravilnosti gostote manj{ine nosilcev glede na njeno vrednost v termi~nem ravnovesju; 4. da prostorski naboj ni pomemben razen v samih pn-stikih. Vedenje polprevodni{ke naprave se je Shockleyju, tako kot pol stoletja prej Brau- nu, zdelo podobno vakuumski elektronki. Podro~je emitorja naj bi ustrezalo katodi elektronke, baza podro~ju okoli vodnikov mreìce, kolektorsko podro~je pa anodi. Tranzistor z ozemljenim emitorskim podro~jem in s signalom, obrnjenim proti bazi, je deloval kot trioda z ozemljeno katodo. Tako tranzistor kot katodno elektronko uravnavamo z interakcijo med dvema obli- kama toka elektronov. V katodni elektronki napetost na mreìci dolo~a tok elektronov

Slika 13.17: pnpn-tranzistorja iz Shockleyjeve Slika 13.18: Kopija ~lanka iz New York razprave leta 1951 Timesa s prvo omembo tranzistorja

280 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK od katode k anodi. V tranzistorju tok vrzeli v bazi spreminja napetost med bazo in emitorjem in uravnava tok elektronov skozi plast baze. Bardeen pa od vsega za~etka ni priznaval analogije z vakuumsko elektronko; prav zato je vpeljal {e danes uporabljane nazive emitorski, kolektorski in bazni tok. Shockleyjeva raziskovalna skupina je uporabila monokristal germanija s plastjo p-tipa, vrinjeno med dve podro~ji n-tipa. Tranzistor je enakomerno deloval na povr{inah pn-stikov. Velikost njene aktivne povr{ine se je lahko zelo spreminjala, kar ni bilo mogo~e pri Bardeen-Brattainovem tranzistorju s to~kastim stikom. Tako je Shockley lahko pove~al izhodno mo~ brez pove~evanja toka. Eden ve~jih npn-tranzistorjev, ki ga je predstavil junija in julija 1950, je imel sti~no povr{ino velikosti 30 mm2, bazo debeline okoli 0,7 mm in je dajal 2,0 W nedeformirane mo~i na izhodu. Tudi pri manj{ih napravah s sti~no povr{ino okoli 1 mm2 so bile vse karakteristike Bardeen- Brattainovega tranzistorja s to~kastima stikoma izbolj{ane za nekaj redov velikosti (slika 799

13.17). 800 1. 7. 1948 je New York Times poro~al o odkritju tranzistorja med radijskimi novicami (slika 13.18). Nekaj mesecev pozneje so v Bell Labs objavili {e podrobnej{e fizikalne principe in elektri~ne lastnosti naprave. G. K. Teal in J. B. Little sta leta 1948 pri Bell Labs izdelala tehnologijo rasti velikih monokristalov germanija, v katerega notranjosti so lahko odkrivali in prepoznavali nosilce naboja, vstavljene po stiku s kovino. Aprila 1950 so Shockley, Sparks in Teal vzgojili kristal, ki je imel tanko plast p-tipa na materialu n-tipa. [ele tedaj so lahko za~eli proizvodnjo tranzistorjev tipa npn in pnp, danes nepogre{ljivimi deli vsakega mikro~ipa. Shockley je leta 1949 in 1954 patentiral napravi za implantacijo ionov v polprevodnike. Po Ohlovi implantaciji helijevih ionov v polprevodike leta 1952 se je tako nadaljevalo raziskovanje obstreljevanja trdnin z ioni Rutherforda, Roydsa in Bohra iz leta 1909, vendar to pot za potrebe industrije.801

13.3.8 Problem prioritete

802 Izum tranzistorja je bil rezultat kolektivnega dela Bell Labs (slika 13.19). Ameri{ka mornarica se je sprva potegovala za prioriteto svojega raziskovalca, vendar je prizadevanja kmalu opustila. Problem prioritete je {e dodatno omilila Bardeenova lastnost, da je rad priznaval {e tako majhne zasluge svojih predhodnikov. Tako se je 25. 6. 1948 zahvaljeval Shockleyju za "...pobudo in vodenje raziskovalnega programa, ki je pripeljal do odkritja..." Decembra 1950 je "Bill" Shockley zapisal posvetilo v svoji novi knjigi: "Johnu Bardeenu, ki je naredil tak{no knjigo potrebno." V predgovoru je navedel Bardeena in Brattaina kot izumitelja tranzistorja. Med Bardeenovimi in Shockleyjevimi ob~udovalci je vendarle pri{lo do razprav o prioriteti, ki {e danes niso dore~ene. Nekateri raziskovalci menijo, da je Bardeen `e 17. 12. 1947 poznal koncept vbrizgavanja manj{inskih nosilcev v tranzistorju, po drugih pa naj bi ga izna{el {ele Shockley ve~ kot mesec dni pozneje. Skupna raziskovalna pot Bardeena in Shockleyja se je lo~ila, ko sta v prvi polovici 1950-ih let drug za drugim zapustila Bell Labs in nadaljevala poklicno pot v tako razli~nih smereh kot sta raziskovanje superprevodnikov na univerzi in komercializacija tranzistorjev na podro~ju zaliva San Francisco. Raziskovalca po skupni Nobelovi nagradi leta 1956 nista ve~ sodelovala, tako da se je Bardeen avgusta 1989 celo izognil pisanju osmrtnice za svojim nekdanjim predstojnikom Shockleyjem.803

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 281 Slika 13.19: Bell Labs v Murray Hillu, New Jersey, leta 1950802

13.3.9 "Silicijeva dolina" in raziskovanje znanstvenikov v industrijskih laboratorijih Septembra 1955 je Shockley zapustil Bell Labs in se osebno lotil komercializacije svojih izumov tranzistorja. S tem je sledil Edisonovemu tri ~etrt stoletja starej{emu primeru proizvodnje àrnic v Menlo Parku. Shockley je ustanovil tranzistorske laboratorije v svojem rojstnem kraju Palo Alto v Kaliforniji in jih vodil do avgusta 1963. Tako je neposredno omogo~il nastanek silicijeve tranzistorske industrije na podro~ju zaliva San Francisco, pozneje posre~eno kr{~ene za "Silicijevo dolino". Sredi{~e razvoja je pre{lo od vzhodne na zahodno obalo ZDA, od koder je bila doma ve~ina najpomembnej{ih raziskovalcev tranzistorja. Industrija, ki je rasla iz iznajdbe tranzistorja, je veliko obetala. Kot naro~ena je pri{la ra~unalnikom, saj so tranzistorski elementi v veliki meri re{ili problem pregrevanja, po~asnosti in predvsem velikosti prvih ra~unalnikov z elektronkami, ki so jih za~eli sestavljati tik pred izumom tranzistorja. Raytheon, eno izmed 35 podjetij, ki so se seznanila s tehnologijo FET-tranzistorjev na simpoziju Bell Labs aprila 1952, je marca 1953 proizvajalo è po 1000 germanijevih tranzistorjev na mesec po ceni 9 dolarjev za kos. Do leta 1957 je Raytheon kontroliral trg, vendar je nato zaostal v razvoju tehnologije. Sredi 1950-ih let, ko so tranzistor po Shockleyjevi ideji ve~inoma {e imeli za "izbolj{ano elektronko", je proizvodnja tranzistorjev {e vedno dajala dvajsetkrat manj dohodka od proizvodnje elektronk. Dobi~ki obeh industrij so postali primerljivi {ele v za~etku 1960-ih let, ko je vlada ZDA, po uspehu ruskega Sputnika 4. 9. 1957, v strahu pred tehnolo{kim zaostajanjem za~ela radodarno pospe{evati miniaturizacijo tranzistorjev. Poseg znanstvenika Shockleyja v proizvodnjo tranzistorjev je bil sad polstoletnega soìtja med akademsko {olanimi znanstveniki in industrijo v visoko razvitih zahodnih dru`bah. Uspe{no delovanje znanstvenikov v industriji se je za~elo s kemikom Char- lesom Dudleyjem, ki je med letoma 1875 in 1905 pri Pennsylvania Railroad organiziral laboratorij za presku{anje materialov s tridesetimi kemiki. Znanstveniki so posebno

282 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK uspe{no razvijali àrnice, saj sta imela fizika Edward Nichols in Upton mnogo zaslug za Edisonov uspeh. Podobne naloge sta imela John Stone in George Campbell v Bellovih telefonskih sistemih, kjer je v za~etku 1880-ih let v oddelku za elektriko in patente raziskoval tudi fizik Jacques, med letoma 1885 in 1911 Hayes, od aprila 1911 dalje pa je posebno raziskovalno vejo pri Bellu vodil Edwin Colpitts. Tako je imel Bell ob Shockleyjevem prihodu za sabo è bogato znanstveno tradicijo. Znanstvenikov niso ve~ najemali za posamezno raziskavo v industriji, temve~ so akademsko podkovani raziskovalci postali stalni nosilci razvoja v posebnih laboratorijih. Novost se je najprej uveljavila pri kemijskem podjetju Bayer, kjer je nove barve è od leta 1884 raziskoval kemik Duisberg, ki je doktoriral v Jeni.804 Leta 1889 so se odlo~ili, da ga bodo vklju~ili v nov glavni znanstveni laboratorij, ki so ga odprli avgusta 1891, ~ez {est let pa so mu dodali {e urad za patente. Z novostmi pri Bayerju so za~eli razvijati sodobna razmerja med znanostjo in industrijo, ki so jih kmalu sprejela britanska kemijska podjetja in elektrotehni~na industrija. Na ameri{ka podjetja je posebno vplival eksperimentalni elektrokemijski laboratorij, ki so ga spomladi leta 1900 ustanovili pri GE po ve~letnih Steinmetzovih prizadevanjih. Steinmetz je è od leta 1890 raziskoval v ra~unskem oddelku GE in je dobro poznal napredek v Evropi; kljub temu pa laboratorija ni uspel popolnoma lo~iti od tovarne, saj ji je moral zagotavljati prostor na trgu.

13.3.10 Uporaba ionske implantacije v industriji polprevodnikov Ionska implantacija je na videz grob postopek, ki pa ob popolnoma elektronskem vodenju omogo~a izredno natan~no vgrajevanje posameznih ionov v `elene dele podlage. @e izdelan postopek je pri{el kot naro~en novorojeni industriji polprevodni{kih naprav. Ob tem je imel kar ob za~etku svojega razvoja v laboratorijih na razpolago {tevilne pospe{evalnike in separatorje, ki zaradi prenizkih energijskih zmogljivosti niso bili ve~ resno uporabljani v jedrski fiziki. Hitra rast po izredno optimisti~nem "Moorovem zakonu" je bila neizogibna posledica ujemanja sre~nih okoli{~in. V treh desetletjih je ionska implantacija postala zrela oblika tehnologije, danes pa se njena uporaba iz industrije polprevodnikov {iri {e drugam.

13.3.10.1 Tranzistor in za~etki uporabe ionske implantacije v polprevodnikih Slika 13.20: Shockleyjeva ideja za izdelavo pn- Edini vakuumski proces, uporabljen pri stika z ionskim obstreljevanjem v ameri{kem pa- izdelavi prvih tranzistorjev in integrira- tentu {t. 2666814, potrjenem dne 19. 1. 1954807

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 283 nih tokokrogov, je bil naparevanje aluminijevih in zlatih kontaktnih plasti z vro~ega vanadijevega vodnika. V naslednjih letih so sicer objavili ve~ poro~il o obstreljevanju polprevodnikov z ioni, niso pa sestavili delujo~e naprave.805 27. 4. 1949 je Shockley vloìl patent Naprave za polprevodni{ko prevajanje. Opisal je izdelavo pn-stika posameznega lo~enega JFET-tranzistorja z uporabo ionske implan- α 806 tacije. Predloìl je obstreljevanje polprevodnika z devteroni in àrki (slika 13.20). 807 31. 1. 1950 je Ohl predloìl prvi patent o obstreljevanju z ioni kisika, vodika, du{ika,

helija, argona, CO in celo CHCl3 pri izdelovanju polprevodni{kih naprav. Prvi je opisal vse temeljne zna~ilnosti ionske implantacije. @al je napa~no verjel, da ioni ne~isto~ vstopijo v povr{insko plast kristala ter spremenijo {tevilo nosilcev naboja in z njim elektri~ne zna~ilnosti snovi. Napaka je br`kone marsikoga zavedla na stransko pot.808 êz pet let je pri Bell Labs prvi uporabil implantacijo He+ v polprevodni{ki diodi s to~kastim stikom. S tem je izbolj{al lastnosti povratnega toka, ki ga je spreminjalo obstreljevanje s He+.809 28. 10. 1954 je Shockley pri Bell Labs vloìl patent za "tvorbo polprevodni{kih naprav z ionskim obstreljevanjem". Opisal je osnove opreme za ionsko implantacijo pri izdelavi JFET-tranzistorja.810 êprav je podal le temelje postopka, je predloìl {e separacijo ionov pred implantacijo ter elektri~no in mehansko skeniranje. Vpeljal je tudi pojem obmo~ja ionske implantacije in opredelil po{kodbe na kristalnem siliciju zaradi obstreljevanja z ioni. Shockleyjev patent pomeni rojstvo uspe{nega ionskega implantiranja, ki pa ga ni posebej patentiral, saj je bilo znano. Lastil si je predvsem izum segrevanja polprevodnika do 400 °C po implantaciji, ki je bilo nujno za odstranjevanje po{kodb zaradi obstreljevanja z ioni in za elektri~no vzbujanje implantiranega dopanta. Tak{ni uspehi, neodvisni od same opreme za ionsko implantacijo, so tudi pozneje ostali zna~ilnost njenega razvoja. Druga~e od Ohla, ki je obravnaval le povr{inske spremembe, je Shockley menil, da energija vpadnih ionov dolo~a tudi globino implantiranih dopiranih ne~isto~. Tako je prvi opisal bistvo ionske implantacije kot mo`nost vstavljanja ne~isto~ na èleno mesto v polprevodniku. J. W. Moyer pri GE je podoben patent vloìl è {tiri mesece pred Shockleyjem. Vendar je bil Moyerjev patent potrjen {ele 15 mesecev za Shockleyjevim, ko se je uporaba ionskih curkov è udoma~ila pri izdelavi stikov pn in tranzistorjev. Leta 1955 je Cussins iz neko~ Rutherfor- dovega Cambridgea poro~al o prvem dopi- ranju polprevodnikov z implantacijo. Dopiral Slika 13.21: Shockleyjev patent, vloèn dne je 12 razli~nih elementov v germanij. Nas- 25. 4. 1956 za "polprevodni{ki pomi~ni re- lednje leto je Ohl dobil prvi patent za osnove 811 gister" 813 ionske implantacije.

284 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 13.3.10.2 Integrirana vezja Prvo desetletje po izumu tranzistorja so pn-stike izdelovali z difuzijo dopirnih elementov. Vzporedno so raziskovalci polprevodnikov razmi{ljali o integriranem vezju, saj so bile mo`nosti za miniaturizacijo na dlani, potrebe vesoljske industrije pa ogromne. Shockley je 25. 4. 1956, è po odhodu iz Bell Labs, vloìl patent za "polprevodni{ki 812 pomi~ni register". To je bil za~etek razvoja monolitnih intregriranih vezij (slika 13.21). 813 Iznajdba integriranega vezja se je posre~ila Kilbyju julija leta 1958, ko je upore, kondenzatorje in diode iz germanija postavil na skupno podlago. Naslednji mesec je Kilby sestavil poenostavljeno ina~ico tokokroga in 2. 9. 1958 prikazal delovanje prvega enostavnega mikro~ipa. 6. 2. 1959 je vloìl patent, imenovan "Pomanj{ano integrirano vezje" za nanos plasti aluminija na plast SiO2. Vedel je, da bo njegov izum pomemben za elektroniko, vendar si ni mogel misliti, v kolik{ni meri bodo zniàne cene tranzistorjev pospe{ile njen razvoj. Njegov polprevodni{ki mikro~ip je bil nekoliko okoren in 814 drag za proizvodnjo (slika 13.22). 815

Slika 13.22: Prvo Kilbyjevo integrirano vezje pri Texas Instruments (TI)815 Slika 13.23: Jack StClair Kilby816

Jack StClair Kilby iz Missourija je otro{tvo preìvel v sosednjem Kansasu (slika 13.23). @e v mladosti je pomagal o~etu elektroinènirju. Leta 1941 je pri~el {tudij na Univerzi Illinois, vendar je diplomiral {ele po vojni in magistriral leta 1950 v Wisconsinu kot inènir elektronike. Leta 1947 je za~el razvijati elektronske pripomo~ke v oddelku za polprevodnike osrednjega laboratorija Globe Union Inc. v Milwaukeeju. S tranzistorji se je seznanil na predavanjih v Bell Labs. Maja leta 1958 se je zaposlil pri TI. Polprevodni{ki laboratorij TI je od leta 1952 vodil G. K. Teal, ki je pri{el iz Bell Labs, kjer je leta 1948 sodeloval pri razvoju tehnologije velikih kristalov germanija. Med letom 1965 in 14. 4. 1971 je Kilby razvil prvi èpni ra~unalnik. Novembra 1970 je postal samostojni izumitelj in je med drugim raziskoval son~ne celice. Med letoma 1978 in 1984 je bil profesor elektrotehnike na Univerzi A&M v Teksasu. Leta 1982 so ga postavili v "dvorano ~asti" ob bok Edisonu in drugim ameri{kim izumiteljem, ki se jim je naslednje leto pridruìl tudi Noyce. Oba raziskovalca sta leta 1989 dobila nagrado Charlesa Starka Draperja NAS za tehniko, ki je za izumitelje enakovredna Nobelovi nagradi. Kilby je prejel polovico Nobelove nagrado za fiziko za "svoj dele` pri izumu integriranih vezij". Drugo polovico nagrade sta si delila Zhores Alferov s peterbur{kega fizikalno-tehni{kega in{tituta in profesor Herbert Krömer s kalifornijske Univerze v Santi Barbari za "razvoj polprevodni{kih heterostruktur, uporabljanih v visokohitrostni in opti~ni elektroniki". Razvila sta idejo supermreè, ki sta jo prva objavila Leo Esaki in Raphael Tsu. Krömer je prvi uporabil heterostrukture v tranzistorjih in laserjih s kristalno snovjo, Alferov pa je sestavil prvi laser z GaAs-heterostrukturo. Sredi 1950-ih let je Krömer posku{al pove~ati hitrost tranzistorskih naprav, v zadnjem desetletju dvajsetega stoletja pa so heterostrukture postale klju~na sestavina elektronike trdnin, brez katerih ne bi bilo sodobnih CD-jev.

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 285 Slika 13.24: Stavba Fairchild Semiconductor v Palo Altu, Kalifornija817

816 To je bila doba sovjetskega uspeha s Sputnikom 4. 9. 1957, ko je ameri{ka vlada vlagala ogromna sredstva v miniaturizacijo. Zato ne presene~a, da je idejo za druga~no ina~ico integriranega vezja neodvisno razvil tudi fizik Noyce januarja 1959. Dober teden za Sputnikom je Noyce skupaj z osmimi raziskovalci razli~nih strok po poldrugem letu zapustil Shockleyjeve polprevodni{ke laboratorije. Ustanovili so podjetje Fairchild s sede`em le miljo pro~ ob gmotni podpori Fairchild Camera and Instrument Corporation. Prvotni cilj Fairchilda je bil razvoj, izdelava in prodaja dvojno difundiranih silicijevih tranzistorjev brez uporabe ionske implantacije. @e po nekaj mesecih je pri{lo do prvega uspeha, ko je teorijski fizik Hoerni izumil proces izdelave planarnega tran-

zistorja, da bi se izognil ne~isto~am. Vendar ideje niso takoj uporabili. 817 Noyce je edini pri Fairchildu è pred raziskovanjem v Shockleyjevem podjetju imel izku{nje s polprevodniki, in sicer z germanijem. Na pobudo patentnega urada je kot vodja oddelka za raziskave in razvoj pri Fairchildu sklical vodilne tehni{ke raziskovalce (slika 13.24). Razloìl jim je, kako bi Hoernijevo idejo lahko uporabili za izdelavo celotnih tokokrogov in ne le posami~nih komponent s tiskanjem plo{~e ob uporabi litografije.818 30. 7. 1959 je Noyce vloìl patent za "polprevodni{ko napravo in usmernik" z opisom planarnega integriranega vezja in z uporabo Hoernijevih idej. Vodnike v vezju je nadomestil z implantacijo aluminija. Avgusta 1959 so pri Fairchildu javno oznanili, da bodo za~eli proizvajati tranzistorje po novem Hoernijevem planarnem postopku. Skupina pod vodstvom fizika Jaya T. Lasta je {e istega leta pri Fairchildu izdelala prvo planarno integrirano vezje (sliki 13.25 in 13.26).819

Slika 13.25: Mikrofotografija prvega planarnega tranzistorja po Hoerni- jevem izumu pri Fairchildu820

286 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 13.26: Mikrofotografija prvega planarnega integriranega tokokroga, ki so ga po Noyceovem izumu izdelali pri Fairchildu821

Robert N. Noyce je bil sin protestantskega duhovnika iz Iowe (slika 13.27). Bardeenov so{olec z univerze, sicer profesor fizike na Cornellu, ga je navdu{il za fiziko in matematiko ter seznanil s tranzistorji. Noyce je doktoriral leta 1953 na MIT-u in se je pridru`il Philco Corporation v Filadelfiji pri razvoju tranzistorjev. Januarja 1956 se je po Shockleyjevem vabilu zaposlil v polprevodni{kih laboratorijih v Palo Altu. Kot je bilo v navadi v Silicijevi dolini, je tudi Noyce pogosto sodeloval pri ustanavljanju novih podjetij. Septembra 1957 je soustanovil Slika 13.27: Robert N. Noyce822 Fairchild, julija 1968 Intel in kon~no {e Sematech.

822 Proizvodnja se je za~ela naslednje leto. Maja 1961 je predsednik John F. Kennedy objavil program Apollo. Ob koncu leta so `e vpeljali prva {tiri integrirana vezja MicrologicTM, ki jih je sestavljalo pet osnovnih logi~nih funkcij. Kupovala jih je predvsem vojska. Ra~unalnik, ki ga je Apollo ponesel na Luno, je imel nekaj delov iz Micrologicove dru`ine tokokrogov.823 Vendar ni {lo brez prepira o prvenstvu. Noyce je dobil patent pred Hoernijem in Kilbyjem, zato je bil sprva progla{en za iznajditelja. Dolgoletni spor med Fairchildom in TI pa se je vendarle kon~al s sporazumom leta 1966, tako da si Noyce in Kilby delita prioriteto pri iznajdbi integriranega vezja.824

Kitajec Chin-Tang Sah je leta 1949 prispel v ZDA in leta 1953 poslu{al Bardeenova predavanja o tranzistorjih na Univerzi Illinois v Urbani. Z Noyceom je sodeloval pri Shockley Transistor Laboratory in pri Fairchildu od leta 1959, kjer je vodil fizikalni oddelek s 65 sodelavci in razvil velik del prve generacije silicijevih integriranih vezij do leta 1964. Leta 1963 je Bardeen posredoval, da je bil Sah imenovan za profesorja elektrotehnike in fizike na Univerzi Illinois.825

Junija leta 1960 sta D. Kahng in M. M. Atalla iz Bell Labs objavila opis MOS-tranzistorja, ki je realiziral ideje ob izumu tranzistorja iz leta 1947. Leta 1964 je RCA prva uporabila tehnologijo MOS za izdelavo integriranih vezij.826 Kljub o~itnemu uspehu integriranih vezij so zaradi nekaterih dvomov {e najmanj pet let razvijali tudi druga~ne vrste "molekulske elektronike", npr. pri ameri{kem letalstvu in v Bell Labs. Pri slednjem so ustanovili skupino za ionsko implantacijo {ele sredi 1960-ih let, desetletje po Shockleyjevem patentu, potem ko je raziskovalce ionske implantacije spodbudilo iskanje novih podro~ij uporabe za pospe{evalnike in masne separatorje, ki so jih jedrski fiziki nadome{~ali z napravami vi{jih energijskih zmogljivosti. Tako so `e

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 287 imeli na voljo raziskovalno opremo za ionsko implantacijo v Chalk River Nuclear Laboratories, Oak Ridge National Laboratories, AERE Harwell in drugod. Vendar pospe{evalniki z visokimi energijami reda megaelektronvoltov in majhnimi tokovi niso bili posebej primerni za ionsko implantacijo in so sprva usmerili raziskovanja k navadnim temperaturam, kve~jemu do nekaj 100 °C, kjer se {e niso pokazale resni~ne mo`nosti nove metode dopiranja.827 Majhno dansko podjetje za pospe{evalnike Danfysik je leta 1960 izdelalo prvi industrijski implanter za kanadsko dràvno raziskovalno podjetje v Ontariu. Model s 70 keV so imenovali "skandinavski". Tako so pionirske raziskave ionske implantacije na Uni- verzi v Kopehagnu kmalu po Bohrovi smrti omogo~ile danski industriji uspehe svetovnih razse`nosti. Vlaganje v temeljno znanost se je razmeroma hitro obrestovalo. Med letoma 1956 in 1961 ni bilo posebnega napredka na podro~ju ionske implantacije. Leta 1961 je F. M. Rourka s sodelavci opisal ionsko dopiranje silicija z elementi III. in V. skupine. Dobili so koncentracijo atomov 1018 cm–3 v plasti blizu povr{ine silicijeve tar~e. Rourkovo delo je spodbudilo raziskave [vedov Alvägerja in Hansena, ki sta leta 1962 poro~ala o prvi uporabi implantacije za dopiranje polprevodnika v industriji. Implantirala sta fosforjeve ione z energijo 10 keV v silicijev kristal p-tipa, dopiran z borom, upornosti 9000 Ω cm, v elektromagnetnem separatorju izotopov v Aragonni. Dobila sta stik nekaj deset nanometrov pod povr{jem. Po obstreljevanju sta izdelek segrela do 600 °C, da bi se znebila radiacijskih po{kodb, vendar je pri tem nekaj fosforja difundiralo v silicij. Njun detektor delcev α s plo{~ino 25 mm2 je bil primerljiv z napravami, narejenimi z difuzijskim postopkom. Leta 1947 so Van de Graaff z MIT-a, njegov pomo~nik John G. Trump in vodja britanske delegacije pri MIT-u Denis M. Robinson ustanovili podjetje High Voltage Engineering Company (HVEC) za proizvodnjo implanterjev. Thump je prvi opisal uporabo ionske implantacije za zdravljenje raka. Raziskovalci iz podjetja HVEC so pozneje ustanavljali nova podjetja, npr. Ion Physics Corporation (IPC) za vesoljske raziskave. Leta 1965 je HVEC v ZDA izdelal prvi implanter za industrijo. Uporabniki opreme za ionsko implantacijo so okoli leta 1967 morali re{iti problem optimalnega ~rpanja in izbrati najugodnej{o postavitev ~rpalne naprave ob izviru, àrku ali ob tar~i. Na~rtovalci implantacije so bili predvsem strokovnjaki za visoke napetosti in so se morali {ele priu~iti vakuumski tehnologiji. Leta 1971 so ustanovili Extrion, prvo dolgoro~no uspe{no podjetje za dobavo implanterjev. Pozneje se je podjetje preimenovalo v Varian SEA in prevladuje na trgu {e danes. Poleg njega so se leta 1971 z ionsko implantacijo v ZDA ukvarjali {e KEV, Ortec in Accelerators, Inc., v Angliji pa Linott, Ltd., ki se je pozneje pridruìl podjetju Applied Materials.828

13.3.10.3 Ionska implantacija pri vi{jih temperaturah Na konferenci v Århusu leta 1965 je K. E. Manchester s sodelavci poro~al o prvem bipolarnem tranzistorju, izdelanem izklju~no s curki elektronov in ionov. Novo tehno- 829

logijo so v naslovu svoje razprave è imenovali "ionska implantacija" (slika 13.28). 830 King iz IPC je na isti konferenci opozoril na mo`nost predvidevanja globine implantiranih stikov in na uporabo visokih temperatur, ki so {ele odprle prave mo`nosti ionske implantacije. Kingovi predlogi so bili v nasprotju z mnenjem ve~ine udeleèncev. Kljub temu so jih upo{tevali, saj je King è pred tremi leti zaslovel z implantacijo fosforja in drugih elementov V. in III. skupine s pospe{evalnimi energijami 1 MeV v son~ne celice. Raziskava je sledila leto dni starej{i Alvägerjevi in Hansonovi implantaciji fosforjevih ionov v silicij za izdelavo detektorjev jedrskega sevanja, v njej pa je King è uporabil naziv "ionska implantacija".

288 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Kingova skupina je z Van de Gra- affom pospe{evala spektroskopsko ~iste ione 11Bin31P z napetostmi med 80 keV in 400 keV. Pri 1 μA do 10 μA so dobili plasti n- in p-tipa v polprevodni{kih snoveh IV. skupine, predvsem v siliciju. Z visokimi napetostmi so zmanj{a- li razpr{evanje, tako da so dobili stike na uporabni globini brez procesa "kanaliranja" vzdol` izbranih povr{in kristalov. V prvi polovici 1960-ih let so pri IPC na ta na~in izdelovali son~ne celice s plo{~ino 2cm2, detektorje sevanja premera 1,25 cm, spektrometre, unipolarne Slika 13.28: Prvi bipolarni tranzistor, izdelan s tehniko (FET) in bipolarne tranzistorje. ionske implantacije v Manchestrovi skupini leta 1965830 Preizku{ali so tudi diode z izdelavo plasti n-tipa po implantaciji 31P v diamantu. Kingov postopek je omogo~al dober nadzor gostote implantiranih ionov med 1014 cm–3 in 1020 cm–3 na ponovljiv na~in. Ione visokih energij so implantirali skozi pasivno varovalno plast SiO2. Ker so bile uporabljene temperature pod temperaturami difuzije, so lahko v enem kosu brez pojavov interakcije izdelali razli~ne naprave ali elemente, tudi tranzistorje npn in pnp. Tako so prepre~ili difuzijo ne`elenih ne~isto~. Temperaturo podlage so kontrolirali med –195 °C in +800 °C. Pri koncentraciji ionov do 1018 cm–3 so bili vsi ioni uporabljeni za substitucijo, pri stokrat vi{ji koncentraciji pa je {tevilo uporabnih ionov padlo na 50 %. Koncentracijo so ra~unali po teoriji LSS. Razlika med teorijo in meritvami je bila pod 10 %. Pri ve~ini porazdelitev in upornosti silicijeve tar~e je samo najvi{ja energija implantacije dolo~ala globino stika.831 Kingova pobuda je omogo~ila iznajdbo samonastavljivih MOSFET-vrat, ki se je v letu dni posre~ila razli~nim skupinam raziskovalcev na Nizozemskem in v ZDA. Re{evanje razli~nih problemov jih je pripeljalo k enakim rezultatom. Sku- pina H. A. Klasensa pri Philipsu je 1. 6. 1964 patentirala in istega leta objavila izbolj{an postopek za izdelavo tanko- plastnega tranzistorja. Prvi~ so uporabili vrata za avtomatsko kontrolo podro~ja izvira in odtoka. Dve leti pozneje je T. S. de Velde pri istem podjetju izumil uporabo vrat tranzistorja kot za{~itne maske proti obstreljevanju z ioni (slika 13.29). Po{kodbe zaradi obstreljevanja z ioni argona, kisika ali du{ika je uporabil za izdelavo tranzistorja v polprevodni{ki podlagi iz sulfidov ali selenidov kadmija Slika 13.29: T. S. de Veldejeva samonastavljiva ali cinka. MOSFET-vrata, izdelana leta 1966 pri Philipsu832

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 289 832 Slika 13.30: H. Dillova samonastavljiva MOSFET- vrata, izdelana leta 1966 pri Hughes Aircraft Company833

Isto~asno je H. Dill 1. 5. 1966 v Hughes Air- craft Company preizku{al polikristalni silicij s tali{~em pri 1410 °C za uporabo v vratih pri visokih temperaturah. 26. 10. 1966 je vloìl patent z opisom procesa izdelave samona- stavljih vrat (slika 13.30). Naslednji dan je njegov sodelavec R. Bower vloìl podoben patent z vrati iz aluminija, izdelanimi pri nizki temperaturi. R. Kerwin, D. Kline in J. Sarace so pri Bell Labs 27. 3. 1967 vloìli patent, ki je bil tehni~no enak pol leta starej{emu Dillovemu. B. Watkins iz General Micro-Electronics (GME) je svojo iznajdbo sicer patentiral ve~ kot leto pred drugimi, vendar ne brez napak. Prioriteta je bila leta 1974 pripisana Bell Labs, vendar so razli~na podjetja razvijala razli~ne tehnologije. Zaradi nesoglasij pri izbiri tehnologije je skupina inènirjev z Noyceom in Gordonom E. Moorom zapustila Fairchild in ustanovila Intel za razvoj izdelkov na temelju tehnologije silicijevih vrat. Pri Intelu so razvili prvi mikroprocesor.834

13.3.10.4 Ionska implantacija kot zrela oblika tehnologije Vzporedno z ZDA so ionsko implantacijo razvijali v Sovjetski zvezi; svoje dose`ke so v bolj poljudni obliki predstavili {ele po padcu Berlinskega zidu oktobra 1991 in sproìli nemajhno presene~enje. @e leta 1952 je namre~ M. M. Bredov opazil spremembe prevodnosti germanija p-tipa po obstreljevanju z Li+ v Fizikalno-kemijskem in{titutu v Leningradu. Leta 1961 sta v Laboratoriju za ionsko obstreljevanje In{tituta za atomsko energijo Kur~atova V. M. in M. I. Gusev dobila pn-stik z dobrimi oja~evalnimi lastnostmi po obstreljevanju silicija z ioni iz III. in V. skupine periodnega sistema. Pet let pozneje so tam tehnologijo ionske implantacije prvi~ v Sovjetski zvezi uporabili za mnoì~no proizvodnjo preklopnih pin-diod in bipolarnih tranzistorjev. Prednosti ionske implantacije pri izdelavi son~nih celic je skupina Guseva objavila è pred Kingom v ZDA.835 Koli~ino implantiranih ionov so sprva dolo~ali opti~no. Leta 1973 so pri IBM prvi~ uporabili preizku{anje z avtomatskim merilnikom upornosti plasti.* Danes dolo~amo koli~ino implantiranih ionov z merjenjem elektri~no aktivnih dopiranih atomov ali z opti~nim ocenjevanjem po{kodovanosti tar~e.836 Leta 1967 je bila v Grenoblu v Franciji prva konferenca, posve~ena uporabi ionske implantacije v polprevodni{ki industriji. Leta 1970 so izdali prvo knjigo, v celoti posve~eno ionski implantaciji837; od tedaj pa si redno sledijo mednarodne konference o teh tehnologijah. Extrionov DF-4 iz leta 1975 je v Varianovi proizvodnji dve leti pozneje postal najpogostej{e uporabljani implanter na svetu. S temi dose`ki je ionska implantacija postala zrela oblika tehnologije, razvite pri polprevodnikih. V naslednjih deset-

* IITS, Ion implant test site

290 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK letjih so jo zato za~eli uporabljati tudi na drugih podro~jih, predvsem v metalurgiji za razvoj novih zlitin, za bolj{e razumevanje vloge ne~isto~ v kovinah, za spreminjanje temperature faznega prehoda superprevodnikov ter kemijskih in mehanskih lastnosti kovinskih povr{in. Da se izognemo te`avam zaradi razpr{evanja molekul s povr{in in omejeni koncentraciji implantirane snovi z ioni, raje obstreljujemo `e napr{ene tanke plasti. Tako se dopolnjujeta dve vakuumski tehniki, ki so ju dotlej razvijali neodvisno. Ionska implantacija ima ve~ prednosti, saj ne zahteva povi{ane temperature tar~e, dovoljuje zvezno spreminjanje sestave, ne tvori oksidov in drugih ovir med tankimi plastmi kot druge metode ter omogo~a vi{je hitrosti reakcij in ni`je temperature od klasi~nih metalur{kih postopkov.838 Z mo`nostjo natan~nega doziranja katere koli dovolj nizke koncentracije ionov v tankih plasteh ima ionska implantacija upo{tevanja vredno prihodnost med prihodnjimi nanotehnologijami.

13.3.10.5 Sklep Razvoj ionske implantacije se je za~el kot laboratorijska posebnost, ki sta jo Rutherford in Bohr uporabila za meritve v podporo jedrskemu modelu atoma. Spremljajo~i pojavi v tar~ah {tiri desetletja niso bili dele`ni posebne pozornosti. Ob miniaturizaciji tranzistorjev za uporabo v vesoljskih raziskavah so se pokazale potrebe po uporabi prav tak{ne, na videz enostavne, okorne tehnike, ki s pospe{evalno napetostjo dolo~a globino vnosa ionov v podlago, s tokom pa njihovo gostoto. V nekaj letih je nova tehnologija dobila ime, navdu{ila posebne raziskovalne skupine, pojavile so se specializirane konference, monografije in prevladujo~ model implanterja. S tem se je ionski implantaciji kot notranje dograjeni tehnologiji odprla {iroka mo`nost za uporabo zunaj meja industrije polprevodnikov, za katero je bila razvita (tabela 13.1).

Tabela 13.1: Prvo stoletje ionske implantacije

Leto Raziskovalec Kraj Podro~je raziskovanja ali odkritje prodornost "katodnih àrkov" skozi ovire iz 1891–1895 Hertz, Lenard Bonn trdnih snovi 1904 Bragg, Kleeman Adelaide obmo~je ionizacije zraka ob preletu àrkov α prva ionska implantacija pri raziskavah 1905–1906 Rutherford, Becquerel Montreal, Pariz prodornosti àrkov α objavljen opis prvega implanterja v razpravi o 1908–1909 Rutherford, Royds Manchester helijevi naravi àrkov α obstreljevanje trdnih snovi z ioni, odkritje 1911–1914 Rutherford in sodelavci Manchester atomskega jedra teorija interakcije naelektrenih delcev z 1913, 1915 Bohr Manchester elektroni in jedri tar~e teorija zmanj{evanja nabojev naelektrenih 1948 Bohr Kopehagen delcev pri prodiranju skozi snov patent za prvo uporabo implantacije v 1952 Ohl New Jersey polprevodnikih, potrjen 1956 patent za pregrevanje z opisom ionske 1954 Shockley New Jersey implantacije, potrjen 1958 patenti za planarni tranzistor in integrirano 1958–1960 Kilby, Hoerni, Noyce Dallas, Kalifornija vezje, potrjeni med letoma 1961 in 1964 uporaba naziva "ionska implantacija", 1962 King in S. J. Solomon Massachusetts ustanavljanje posebnih raziskovalnih skupin

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 291 Lindhard, Scharff, LSS-teorija energijskega obmo~ja ionske 1963 Kopenhagen Schiøtt implantacije prva uporaba ionske implantacije v planarnem 1967 Fairchild Kalifornija integriranem vezju 1970 Mayer, Eriksson, Davies New York prva monografija o ionski implantaciji ustanovitev prvega dolgoro~no uspe{nega 1971 podjetje Extrion Kalifornija podjetja za dobavo implanterjev DF-4 postane najpogosteje uporabljani 1975–1978 podjetje Extrion Kalifornija implanter

Izjemno hiter razvoj ionske implantacije je botroval nekaterim stranpotem, ki bi se jim bilo morda mogo~e izogniti s {ir{im poznanjem zgodovine sorodnih tehnologij. Zani- miva je vzporednica med ionsko implantacijo in elektronskim mikroskopom. Obe tehnologiji sta leta 1935 oziroma 30 let pozneje uporabljali ozke curke, ki so povzro~ali sen~enje, odboj, razpr{evanje in onesna`enje. Po desetih letih so se pri obeh tehnologijah leta 1945 oziroma 1975 odlo~ili za {iroke curke. Zakaj se raziskovalci ionske implantacije niso pravo~asno u~ili iz izku{enj starej{ih raziskovalcev elektronskega mikroskopa?839 Seveda je to zgolj ocena "generala po bitki".

13.3.11 Prodor tranzistorjev v Evropo A. F. Philips se je med obiskom v ZDA leta 1911 navdu{il nad Langmuirjevo uspe{no uporabo znanstvenih dose`kov za utrjevanje poloàja podjetja na trgu. Sklenil je slediti primeru GE; zato je ustanovil oddelek za znanstvene raziskave Natuurkundig Labora- torium (Nat. Lab.) s posebnim statusom v podjetju Philips. Vodenje oddelka je v za~etku leta 1914 prevzel Holst. Le-ta je kon~eval doktorat pri Kamerlingh-Onnesu v Leydenu, ki je prav tedaj prejel Nobelovo nagrado za kondenzacijo helija. Pod Holstovim vodstvom so Philipsovi raziskovalci med obema vojnama uspe{no raziskovali uporabo polprevodnikov. Med drugo svetovno vojno Philips ni opravljal raziskovanj, ki so v Bell Labs omogo~ila obvladovanje tehnologije ~i{~enja in dopiranja germanija in silicija za uporabo v radarju. Nem{ka okupacija je postavila Philips v izolacijo, tako da so se z ameri{ko tehnologijo germanija seznanil {ele po vojni, ko je ob prvem obisku v ZDA van Verwey prinesel nekaj gramov germanija. Leta 1949 pa sta Ploos van Amstel in Wieringen è proizvajala polikristalini~ne germanijeve diode z novo metodo, pri ~emer sta veliko pozornosti posve~ala ~istosti materiala in stopnji dopiranja. êz {est let so raziskave prerasle v novo tovarno, ki so jo postavili v Nijmegenu. Koncentracija ameri{kih podjetij je ovirala evropski dostop do trga tranzistorjev. Leta 1948 je bil F. H. Stietjes pri Philipsu odgovoren za za~etek raziskovanja tranzistorjev. Po {tirih letih je è vodil skupino desetih raziskovalcev, ki so razvili tranzistor s to~kastima stikoma in ga prenesli v razvojni laboratorij po Bellovem simpoziju aprila 1952. Med Philipsovimi evropskimi tekmeci sta se simpozija udeleìla nem{ki podjetji Telefunken in Siemens & Halske. Sodelovanje je omogo~il Main Agreement iz leta 1947, ki so ga raz{irili 31. 3. 1952. Philipsov Nat. Lab. {e ni obvladal tranzistorske tehnologije in je zato potreboval pomo~ Bella in RCA. Na simpoziju so demonstrirali razli~ne metode proizvodnje germanijevih kristalov, vendar so v Nijmegenu raje uporabili metodo zlitin podjetja RCA. Philipsu se je namre~ mudilo, da bi pobude ne prevzela druga podjetja, ki pred tem niso sodelovala v proizvodnji elektronk. Med tak{nimi sta bila, denimo, ameri{ki IBM in Geophysical Services,

292 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK pozneje preimenovani v Texas Instruments, katerega vodstvo je prevzel Teal iz Bell Labs. Do konca leta 1954 je Philips obvladal novo tehnologijo, ki je vplivala na celotno podjetje. Najprej so sledili ameri{kim odkritjem, nato pa so v Nat. Lab. po lastnem postopku izdelali tranzistor z difuzijo v trdnini POB (Pushed Out Base), ki se je zelo dobro prodajal. Leta 1957 je polprevodnike raziskovalo è 35 raziskovalcev v Nat. Lab. in {e 20 Philipsovih raziskovalcev v tujini. Philips je postal vodilno evropsko podjetje za raziskovanje polprevodnikov, mo~nim tekmecem navkljub. Ameri{ka podjetja so namre~ ustanavljala svoje veje v Evropi, konkurenti pa so dobivali mnogo voja{kih naro~il, ki so omogo~ala hiter razvoj. Nizozemske univerze se kljub pogostemu sodelovanju s Philipsom sprva niso posebno zanimale za polprevodnike. Zato je bil Philips v zelo neugodnem poloàju v primerjavi z Bell Labs. êprav je veliko Philipsovih strokovnjakov, skupaj s samim Holstom, ob~asno predavalo tudi na univerzi, je Philips svoje strokovnjake za polprevodnike moral usposabljati kar v podjetju. Poloàj se je izbolj{al leta 1952, ko je G. W. Rathenau zapustil Philips in na Univerzi v Amsterdamu postal prvi profesor fizike trdne snovi na Nizozemskem.840 Sredi 1990-ih let je Philips med evropskimi podjetji prodajal najve~ polprevodni{kih naprav, v svetovnem merilu pa je zaostajal za devetimi ameri{kimi in japonskimi tekmeci.

13.3.12 Razvoj tranzistorjev pri nas Prvi uspe{no delujo~i tranzistorji so se pojavili aprila 1950. Vendar polprevodniki niso hitro prodrli v manj razvite deèle, kot je bila na{a. Tako A. Wedam v svoji knjigi iz leta 1955 {e ni obravnaval polprevodnikov in tranzistorjev, v tri leta starej{i knjigi pa jim je sloviti belokranjski fizik Adle{i~ è obetal lepo prihodnost: "...da se je s tranzistorjem rodil elektronki tekmec, ki mu bo morala v mnogih pogledih prej ali slej podle~i."841 Leta 1958 je Lon~ar z Elektrotehni{ke fakultete v Zagrebu objavil razpravo o polprevodnikih z lastnimi poskusi. S tem je odprl vrata drugim raziskovalcem, tako da je dipl. ing. Zdravko Bendekovi} iz RIZ–Tvornice poluprovodnika izdelal prvi doma~i silicijev tranzistor, ko jih je v Evropi izdeloval le SGS v Milanu. Kljub temu so imeli doma~i raziskovalci {e v poznih 1960-ih letih manj izku{enj s tranzistorji kot z elektronkami. Tranzistorske naprave so bile dra`je, tako da je integriranih vezij pri nas {e primanj- kovalo. V Jugoslaviji so kmalu za~eli izdelovati tranzistorje v ljubljanski Iskri in "RR" v Ni{u, tako da so bili leta 1962 è v prodaji. V Oddelku za polprevodnike pri In{titutu za elektrozveze so v za~etku 1960-ih let razvili tudi lastne germanijeve diode in tranzistorje. Tehnologijo so pozneje prenesli v Iskro Polprevodniki v Trbovljah, kjer so se preusmerili na silicijeve diode in planarno tehnologijo kot osnovo za integrirana vezja. Vendar razvoj ni {el dlje od poskusnih serij, saj se ni izpla~alo hoditi v zelje dràvam z mnogo obse`nej{im trgom. V Laboratoriju za mikroelektroniko Fakultete za elektrotehniko so v 1970-ih letih uporabljali Varian-Extrionov implanter s hladno katodo. Preskusno vezje je izdelala skupina mag. Andreja Beli~a. Ione so pospe{evali z 20 keV do 200 keV pri tokovih 75 μA za bor in 250 μA za fosfor in arzen. Curek ionov je bil usmerjen pod kotom 7°. Pred implantacijo MOS-tranzistorjev s kanalom p so napravo iz~rpali do 0,03 mPa, med delom pa do 2 mPa. Koncentracijo ionov v odvisnosti od globine so dolo~ali s plastno

RUTHERFORDOVO ODKRITJE IONSKE ... 293 upornostjo implantiranega sloja in s pragovno napetostjo MOS-tranzistorjev s kanalom p. Po implantaciji so izdelek popu{~ali na 900 °C. Sodobne plazemske tehnologije uporabljajo na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. V kisikovi plazmi odstranjujejo fotopolimer po fotolitografskih postopkih. Za selektivno

jedkanje silicijevega nitrida, oksida in polikristalini~nga silicija se uporablja SF6-plazmo z dodatki. Podobni postopki se uporabljajo tudi za mikroobdelavo silicija. Plazemski postopki se uporabljajo tudi za PECVD*-nanose silicijevega oksida in nitrida. Napr{e- vanje kovin (aluminij, titan, zlato...) v argonovi plazmi se uporablja za izdelavo prevodnih povezav na elementih.

13.3.13 Prihodnost tranzistorjev Raziskovanje polprevodnikov je vseskozi prepletalo razli~ne veje naravoslovja. V obdobju prevlade katodnih elektronk so polprevodnike raziskovali predvsem metalurgi in fiziki. Po odkritju tranzistorja so postale zanimive predvsem fizikalno-kemijske lastnosti uporabljanih snovi. Tedaj je cena postala prevladujo~ dejavnik, tako da so fiziki in tehniki dolo~ali razvojne usmeritve z opredelitvami potrebnih lastnosti izdelka. Kon~no so v proizvodnji integriranih vezij prevzeli vodilno vlogo konstruktorji vezij. Spremembe v industriji tranzistorjev so potekale tako hitro, da jim tudi marsikateri strokovnjak ni mogel slediti. Leta 1965 je direktor raziskovanja in razvoja pri polprevodnikih Fairchild, fizikalni kemik Moore, pripisal izdelovalcem tranzistorjev podvojitev {tevila integriranih komponent v enakih ~asovnih intervalih. Trditev {e velja: ~e se bo sedanji ~as podvojitve 18 mesecev obdr`al v prihodnje, bomo leta 2020 imeli tranzistor z dimenzijami reda velikosti 10 nm.842

Gordon E. Moore iz San Francisca je {tudiral na Berkeleyju in doktoriral na CalTechu leta 1954 (slika 13.31). Kmalu po ustanovitvi se je leta 1956 pridru`il Shockleyjevim tranzistorskim laboratorijem. Leta 1957 je soustanovil Fairchild, kjer je ~ez dve leti postal direktor razvoja. Leta 1968 je skupaj z Noyceom zapustil Fairchild in soustanovil dru`bo Intel za razvoj in proizvodnjo LSI (Large Scale Integrated Products). Intel je za~el proizvodnjo polprevodni{kih spominov, `e sredi 1990-ih let pa je med vsemi podjetji na svetu prodajal najve~ polprevodni{kih Slika 13.31: Gordon E. Moore843 naprav.

843 Po Mooru naj bi prav v sedanjem ~asu proizvodnja tranzistorjev v ~ipih presegla {tevilo tiskanih ~rk v knjigah. S tem bo nov na~in komunikacije za~el resno nadome{~ati pol tiso~letja starej{i Gutenbergov izum.

* plasma enhanced chemical vapor deposition

294 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Zgodovina raziskovanja plazme

14.1 Uvod

Anti~nim Grkom se je zdel svet sestavljen iz {tirih (vrst) snovi: zemlje, vode, zraka in ognja. ^e so imeli pri tem v mislih agregatna stanja, je njihovo mnenje podobno dana{njemu. Baje je bil Prometej tisti, ki je dal ogenj ljudem in je bil za to bridko kaznovan. V naslednjih tiso~letjih je bil ogenj koristen in seveda tudi zanimiv. Vendar so {ele v drugi polovici 19. stoletja raziskovalci obvladali visoke temperature pri visokih in nizkih tlakih. Raziskovanje visokih tlakov je bilo posebno razvito v na{i nekdanji habsbur{ki monarhiji, kjer je Natterer od leta 1844 dalje dosegal tlake 3000–4000 bar in uspe{no prodajal svoje naprave. Vendar se fizika plazme, ki je ob koncu tiso~letja praznovala {ele sedemdeseto obletnico svojega poimenovanja, ni razvila iz raziskovanja visokih tlakov, temve~ iz raziskovanja razelektritve plinov pri nizkih tlakih v katodnih elektronkah.

14.2 [ibkoionizirana plazma v plamenu 14.2.1 Faradayevi poskusi s plamenom Raziskovanje plamena je postalo posebej priljubljeno po Faradayevih bo`i~nih predavanjih za mladino: "...Kateri brilijant bi se mogel kosati v blesku s plamenom? Brilijant se leske~e samo tedaj, ~e svetlobo odbija, plamen pa sveti tudi v temi..." Faraday je opazoval slojevitost plamena, ki ga je osvetljenega s son~no svetlobo projiciral kot senco na bel papir.844 Njegova prva leta 1818 objavljena fizikalna razprava "O pojo~em plamenu" razli~nih plinov v cevki je spodbudila mnoge nadaljnje raziskave.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 295 Leta 1845 je Faraday za~el raziskovati "magnetne lastnosti plinov". Njegova odkritja je pozneje dopolnjeval Plücker. Diamagnetizem plamena je odkril genovski univerzitetni profesor fizike, piarist Michele Alberto Bancalari, rojen leta 1805 v Chiavariju pri Genovi. O svojem odkritju je poro~al 21. 7. 1847 fizikalni skupini 9. zborovanja italijanskih naravoslovcev v razpravi o uni- verzalnosti magnetizma. Tri mesece pozneje je Bancalarijeve poskuse dopolnil Zantedeschi, profesor fizike in matematike na Liceju sv. Katarine v Benetkah in ~lan tamkaj{njega in{tituta. Ob Danielovi bateriji z desetimi elementi s premeri po 18 cm je uporabljal pre{ibak magnet, ki je dvigoval le s silo 480 N. Zato je v Torinu naro~il mo~nej{i valjasti elektromagnet z èleznim jedrom dolìne 33,5 cm in debeline 1,5 cm, ovit z bakrenim vodnikom dolìne 33 m. Pola magneta je postavil na razdaljo 2,7 cm. Plamen sve~e, oljne ali {piritne svetilke je naravnal tako, da je bil vrh {tirikrat o`ji od sredine. Dokazal je, da plamen odbija neposredno magnet in ne zra~ni vrtinec. Vendar je diamagnetizem plamena povezal s Keplerjevo teorijo magnetnega Sonca, ki privla~i planete; urednik nem{kega prevoda Zantedeschijeve razprave, Poggendorff, pa je o tem krepko dvomil. Zantedeschi je poslal kopijo svoje razprave Aragoju v AR in Faradayu v London, saj je poznal Faradayevo raziskovanje diamagnetizma. Faraday je razpravo decembra 1847 skupaj s svojimi poskusi dal v objavo Richardu Taylorju, uredniku Phil. Mag. Uporabil je veliko mo~nej{i elektromagnet z valjastim èleznim jedrom dolìne 117 cm, premera 9,5 cm in oddaljenosti med poloma 15,2 cm. Bakreno navitje je bilo dolgo 1326 m s polmerom vodnika 4,3 mm. Dokazal je, da magnet vpliva na vse vrste plamenov. Dognal je, da je vro~ zrak in plamen bolj diamagneten od hladnega in se zato od njega lo~i v toku proti polu magneta. Faraday je zavrnil Zantedeschijev o~itek, da je pripisal magnetne lastnosti le trdninam in kapljevinam, ne pa plinom. Bancalarijevo odkritje je Faradaya prepri~alo v temperaturno odvisnost diamagnetizma, ki ga je opazil le pri plinih, ne pa pri trdninah in kapljevinah. Opravil je {tevilne primerjave med diamagnetnostjo razli~nih plinov v odvisnosti od temperature.845 Tako je dopolnil Zantedeschijevo uvrstitev kisika med najbolj diamagnetne pline.846 Faraday je dokazal, da se diamagnetizem pojavi "predvsem zaradi segretega stanja plinastega dela plamena". Faraday je po okrevanju tri leta pozneje nadaljeval raziskovanje diamagnetizma plinov pri navadnih temperaturah z meritvami v ozra~ju. Plamen je privla~il tudi mladega Brauna. Med decembrom 1877 in 1878 je na Univerzi v Marburgu nadaljeval Hittorfova (1869) raziskovanja razpr{evanja katode in elektri~ne prevodnosti plinov v Geisslerjevi elektronki. Z meritvami "unipolarnosti", ve~je prevodnosti plamena v eni smeri, je nadaljeval delo Herwiga (1877), Hoppeja, Hittorfa (1869) in E. Becquerela. Braun je domneval, da elektri~ni tok ne premika samih delcev plamena, temve~ prevajanje poteka podobno kot v kapljevini.847

14.2.2 Raziskovanje {ibkoionizirane plazme plamena na dunajskem Fizikalnem in{titutu Grailich, profesor in pomo~nik kustosa Dvornega mineralo{kega kabineta na Dunaju, je raziskoval plamen skupaj z Weissom, poznej{im direktorjem observatorija in univer- zitetnim profesorjem na Dunaju. Ugotovila sta, da neperiodi~ni zvoki med gorenjem nastanejo ob spreminjanju prostornine pri prodiranju segretega kisika in odletavanju produktov gorenja iz gore~e cevi v segreti zrak.848 Sprejela sta Faradayevo teorijo pla-

296 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK mena, podobno kot pozneje Zoch v Erlangenu. Zoch je domneval, da se plamen v vi{jih legah izgublja in neti na novo. Upo{teval je Grailichovo raziskovanje sprememb prostornine pri gorenju, opravil poskuse s cigaretnim dimom in ugotavljal, da vse pojave ognja spremlja zvok zaradi povi{anja temperature.

Johann Zoch, poznej{i direktor Realne gimnazije v Sarajevu, je {tudiral na Univerzi v Erlangenu pri Beetzu. Beetz je pou~eval v Erlangenu med letoma 1858 in 1868, pozneje pa je na politehniki v Münchnu uporabljal tanke plasti za raziskovanje magnetnih pojavov.849

Poleti 1861 je Blaserna, poznej{i predstojnik Akademije v Rimu, v Fizikalnem in{titutu na Dunaju raziskoval svetle~e figure v vodi, ki so bile pri ve~ini kovin enake Lichten- bergovim figuram*. Reitlinger je isto~asno na in{titutu opravljal podobna raziskovanja plamena, anodnega razpr{evanja in Lichtenbergovih figur. Potrdil je Faradayeve ugotovitve o prebojni razdalji, obliki figur in razmerju med figurami v pozitivni in negativni elektriki. Meril je v {tirih zelo razli~nih plinih, kar je omogo~alo splo{ne sklepe.850

William Thomas Brande je leta 1813 nasledil Davyja kot profesor kemije na RI, kjer je med letoma 1827 in 1854 raziskoval in urejeval Quaterly Journal skupaj s Faradayem. Med letoma 1816 in 1826 je bil tajnik RS.

10. 7. 1862 sta Reitlinger in Franz Kraus priredila Brandov poskus s plamenom med izoliranima kroglama, ki sta bili z vodniki povezani z elektri~no napravo.851 Na{ Stefan je naslednje leto nadome{~al bolnega Ettingshausna kot pomo~nik direktorja in{tituta in je tako neposredno nadziral zgodnje raziskovalce plazme. Brandovo odkritje sta raziskovala Faraday v Londonu in Magnus v Berlinu. Reitlinger in Kraus sta namesto Brandovih krogel uporabila kondenzatorja in dokazala, da se razelektritev razli~no vede do obeh elektrod. Plamena alkohola in olja sta se odklanjala proti negativni elektrodi, plameni `vepla, fenola in SO2 pa proti pozitivni. Rezultati njunih poskusov so se skladali z napovedmi Clausiusove teorije elektrolize.852

14.3 ^etrto agregatno stanje

Fiziki in kemiki so se vse bolj posve~ali red~enju plinov. Nenavadno visokotla~no visokotemperaturno plazmo v Soncu so za~eli bolje razumevati {ele po uspe{nih poskusih z razelektritvami pri nizkih tlakih katodnih elektronk. Izraz "razelektritev" uporabljamo {e danes, ~eprav z njim poleg trenutne iskre opisujemo {e stalne elektri~ne tokove skozi plin. [tiriindvajsetletni Faraday je na za~etku svojega znanstvenega dela leta 1816 v predavanju "O snovi sevanja" prvi spregovoril o posebni snovi: "Zamislimo si spremembo, tako razli~no od izparevanja, kot je para razli~na od kapljevine, in upo{tevajmo razse`nost sprememb kot merilo za velikost razlik. ^e si znamo zamisliti tak{no spremembo, potem nismo dale~ od te snovi sevanja; podobno kot pri izparevanju, se tudi pri tej spremembi {tevilne lastnosti prej{njega stanja izgubijo, {e ve~ pa jih izgine."

* Lichtenbergove figure so vzorci, ki nastanejo ob visokonapetostni razelektritvi na neprevodni plo{~i.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 297 Faraday je idejo {e dopolnil; {est desetletij pozneje se je Crookes skliceval prav nanj, ko je opisal sevanje kot ~etrto agregatno stanje snovi: "Tako razli~ni so ti pojavi od vsega drugega, kar se dogaja v zraku ali v plinih pri navadnih tlakih, da smo prisiljeni domnevati, da se sre~ujemo iz o~i v o~i s ~etrtim agregatnim stanjem ali stanjem, ki je tako dale~ od plina, kot je plin dale~ od kapljevine." Sklicevanje na Faradaya je {e stopnjevalo priljubljenost Crookesovih idej v Britaniji. @al je Crookes umrl prezgodaj, da bi v sodobni fiziki plazme lahko prepoznal uresni~enje svojih domnev o ~etrtem agregatnem stanju.

14.4 Kaj sveti v Soncu?

V ~asu prvih Crookesovih razprav o ~etrtem agregatnem stanju je Stefan 20. 3. 1879 prvi izra~unal sprejemljivo temperaturo Sonca 5586 °C (slika 14.1).853 Nadaljnjih 40 let je minilo v iskanju goriva, ki bi Soncu dajalo toliko energije, ne da bi se zaznavno izrab-

ljalo. 854 Helmholtz je leta 1854 imel gravitacijo za vir energije Sonca. Izra~unal je potek kr~enja Sonca zaradi izgub energije, vendar je dobil pre- majhno starost Zemlje. Po- dobno je W. Thomson termodinamsko dolo~il veliko ni`jo starost Zemlje kot so si jo zami{ljali geologi ob preu~e- vanju fosilnih ostankov. Poz- neje je 20. 5. 1904 na RI nejevoljno poslu{al zaklju~ek razprave po Bakerijanskem predavanju Rutherforda z Univerze McGill v Montrealu o novoodkriti radioaktivnosti Slika 14.1: Faksimile Stefanovega rokopisa ra~una tempe- kot viru notranje energije rature Sonca, oddanega na seji dunajske Akademije 20. 3. nebesnih teles. Rutherford je 1879854 imel br`kone v mislih cepitev in ne zlivanja jeder, ko je povedal da: "... obstoj radija na Soncu v razmerju {tirih ute`nih delov na milijon sam po sebi pokriva sedanjo izsevano toploto. Odkritje radioaktivnih elementov, ki ob svojem razpadu osvobajajo ogromne koli~ine energije, tako pove~a mo`no limito trajanja `ivljenja na tem planetu in omogo~a ~as, ki ga geologi in biologi zahtevajo za potek evolucije."855 Seveda se je Rutherford upal to povedati le zato, ker je Kelvin v prvi vrsti kinkal in po malem spal. @al ga je zaklju~ek nenadoma zdramil; prestra{eni Rutherford je takoj dodal opazko, da je Kelvinova teorija ohlajanja Zemlje popolnoma pravilna, odkritje radioaktivnosti pa jo predvsem dopolnjuje.

298 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Rutherfordovim podobna ugibanja o procesih, s katerimi nam sveti Sonce, smo {tiri leta pozneje prebrali v slovenskem jeziku. Besedilo omenja helij in zato è veliko bolj spominja na sodoben opis zlivanja jeder v zvezdah: "Vpra{ati se moremo, odkod se jemlje toplota na solncu, da je navidezno nikdar ne zmanjka... Na solncu se nahajajo namre~ silne mnoìne plina helija. Zelo verjetno je, da je nastal ta helij iz radioaktivnih snovi, ki se istotako nahajajo v veliki mnoìni na solncu. Ako je to mnenje pravo, nam ni te`ko razloìti, zakaj je soln~na gorkota neizpremenljiva. Pri postajanju helija iz radioaktivnih snovi se razvija namre~ tolika toplota, da se z njeno pomo~jo vzdrùje soln~na toplota na vedno isti stopnji..." 856 Aston je leta 1920 in 1925 v Cavendishevem laboratoriju z masnim spektrografom ugotovil, da je masa helija za 0,8 % manj{a od {tirikratne mase protona. Kemik Harkens z Univerze v Chicagu je razliko imenoval "vezavno energijo". Direktor observatorija Univerze v Cambridgeu, kveker Eddington, je energijo zvezd pripisal zlivanju vodikovih atomov v te`je elemente. Leta 1928 sta v Göttingenu Nemec Houtermans in ruski teoretik Gamow napisala razpravo o razpadu α s tunelskim efektom. Houtermans je menil, da je moèn tudi obrnjen proces, v katerem jedro absorbira delec α in nato razpade. Vendar tak{na fuzija ni bila izvedljiva pri energijah, dosegljivih v tedanjih laboratorijih. Mladi britanski fizik, Robert d'E. Atkinson, je med izpopolnjevanjem v Göttingenu preu~il Eddingtonovo dolo~itev temperature v notranjosti zvezd,857 kjer energije ni manjkalo. Marca 1929 sta Houtermans in Atkinson odposlala razpravo z naslovom "Kako lahko kuhamo helijeva jedra v potencialnem loncu", vendar so zgroèni ured- niki naslov spremenili v "O vpra{anju mo`nosti Slika 14.2: Friederich Georg Houter- mans (*1903; †1966)858 sinteze elementov v zvezdah". 858

Friederich Georg ("Fizzl") Houtermans iz Zappota pri Danzigu (dana{nji Sopot pri Gdansku) je odra{~al na Dunaju, kjer je njegova mati Elza, napol @idinja, kot prva ènska dobila doktorat iz kemije (slika 14.2). Leta 1921 je za~el {tudirati fiziko v Göttingenu. Vendar je moral {tudij zaradi pomanjkanja denarja prekiniti in se preìvljati kot turisti~ni vodnik v Rimu. Leta 1927 je v Göttingenu kon~al disertacijo o resonan~ni fluorescenci v ìvem srebru pri Jamesu Franku, ki je leto pred tem delil Nobelovo nagrado z G. L. Hertzom. Leta 1929 je Houtermans na Tehni{ki visoki {oli v Berlinu asistiral Wilhelmu Westphalu in nato Hertzu. Pri Hertzu je razvijal elektronski mikroskop, ki ga je tisti ~as v Nem~iji sestavljalo ve~ raziskovalnih skupin. Avgusta 1930 je bil Pauli med konferenco fizikov v Odesi poro~na pri~a Houtermansu in Charlotte Rieffenstahl, ki je skupaj z njim doktorirala iz fizike v Göttingenu. Leta 1932 je bil Houtermans habilitiran na univerzi, vendar je zaradi ìdovskega porekla in kot ~lan nem{ke komunisti~ne partije poleti 1933 zapustil Nem~ijo in se zaposlil v laboratoriju elektri~nih in glasbenih naprav blizu Londona. Decembra 1934 je od{el na fizikalno-tehni{ki in{titut v Harkov, kjer je raziskoval Landau. Houtermans je delal v eksperimentalnem laboratoriju za jedrsko fiziko, vendar so ga 1. 12. 1937 aretirali kot nem{kega obve{~evalca, podobno kot pol leta pozneje Landaua. 25. 4. 1940 je bil Houtermans izro~en Gestapu. Iz krempljev ga je re{il von Laue, tako da se je leta 1941 lahko priklju~il privatnemu laboratoriju von Ardenneja v Lichterfeldeju pri Berlinu, kjer je raziskoval teorijo veri`ne reakcije za dràvni po{tni urad. Pred koncem vojne je pre{el na 2. fizikalni in{titut v Göttingenu, leta 1952 pa je postal profesor na Univerzi v Bernu. Umrl je v [vici leta 1966.

Ve~er po kon~anem ~lanku o jedrskih reakcijah kot viru energije zvezd se je Houter- mans sprehajal pod zvezdnim nebom s prijetno mladenko, svojo poznej{o `eno. "Ali ne

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 299 sijejo prelepo?" mu je ne`no {epetala. Skomignil je z rameni in ji pojasnil: "@e od v~eraj vem, zakaj sijejo." Vendar Houtermans in Atkinson nista imela na razpolago skoraj nobenih eksperimentalnih rezultatov. Vedela sta, da bi pri visokih temperaturah v jedru Sonca atomi vodika lahko pri{li ob svoje elektrone. Visoki tlak v Soncu bi jih nato stisnil v zmes protonov, osemkrat gostej{o od svinca. Izra~unala sta, da bi zlivanje vodika zadostovalo za toploto Sonca. Nista pa vedela, ali bi zmes protonov pri razmerah v notranjosti Sonca v resnici vzdrèvala termonuklearno reakcijo. Pozneje so ugotovili, da sta Houtermans in Atkinson napa~no dolo~ila presek za ujetje v jedru in verjetnost za radioaktivni razpad. Vendar so se napake med seboj izni~ile v dovolj pravilen rezultat. Houtermansov opis jedrske reakcije je dal leta 1928 Cockcroftu idejo za gradnjo proton- skega pospe{evalnika, ki sta ga leta 1932 kon~ala skupaj s {est let mlaj{im Ernestom Waltonom v Cavendishevem laboratoriju. Bethe je leta 1938 na Univerzi Cornell è imel na razpolago eksperimentalne raziskave jedrskih reakcij, saj so bile v zgodnjih 1930-ih letih prav fuzijske reakcije v gori{~u raziskovanj fizike visokih energij. Izra~unal je, kako hitro se morajo zlivati protoni, da obdrìjo razmere v notranjosti Sonca. V letih 1938 in 1939 sta Bethe in Charles Critchfield ugotovila, da termonuklearna reakcija v vesolju poteka po dveh poteh: v vodikovem (proton-proton) ali v ogljikovem ciklu. Slednjega je v Berlinu neodvisno odkril tudi Nemec Karl von Weizsäcker (rojen 1912).859 Vodikov cikel je mo~no spominjal na kvantitativne predloge cele vrste raziskovalcev, med njimi M. Curie leta 1912 in neodvisno Perrina, Eddingtona ter [veda Arrheniusa leta 1923.860

Nemec Hans Albrecht Bethe je bil rojen v Strasbourgu, kjer je njegov o~e sodeloval z Braunom na univerzi (slika 14.3). [tudij fizike je kon~al pri Sommerfeldu v Münchnu leta 1928. Raziskovalno delo je nadaljeval pri Rutherfordu v Cambridgeu in pri Fermiju v Rimu. Poklicno pot na univerzah v Münchnu in Tübingenu je ob za~etku nacisti~ne oblasti leta 1933 prekinil z odhodom v Anglijo. Leta 1935 je od{el na Univerzo Cornell v ZDA, kjer je dve leti pozneje postal profesor fizike. Leta 1940 je na Cornell pri{el tudi Debye kot profesor kemije. Bethe je bil vodja tehni~nega oddelka pri izdelavi atomske bombe v Los Alamosu. Tam je zadnje leto vojne pod njegovim vodstvom poldrugo leto mlaj{i naturalizirani Ameri~an mad`arskega rodu Edward Teller raziskoval vodikovo bombo. Leta 1949 je Bethe patentiral iznajdbe, povezane z vodikovo bombo.861 Po vojni je v @enevi sodeloval v pregovorih s Sovjetsko zvezo glede kontrole nad jedrskimi poskusi.

Slika 14.3: Hans Bethe (spodnja vrsta, prvi z desne) na sre~anju v Rochesterju januarja 1952

300 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Bethejevo pionirsko delo je izzvalo navdu{enje in `ive razprave, saj se je izkazalo, da orja{ke zvezde niso mogle sevati z dana{njo svetilnostjo milijarde let. Ker {e niso poznali prehoda zvezde v stanje ni`je svetilnosti, je Spitzer leta 1948 domneval, da so orja{ke zvezde morale nastati razmeroma pozno iz prahu v spiralnih ozvezdjih.862 Ralph H. Fowler, Rutherfordov zet in Diracov profesor v Cambridgeu, je visoke tlake pojasnjeval z modelom plina iz jeder in elektronov. Njegove raziskave je nadaljeval Chandrasekhar, Diracov {tudent na Cambridgeu. Leta 1931 je objavil, da so bele pritlikavke, ki jih je leta 1915 odkril Adams in raziskoval Eddington, sestavljene iz mo~no stisnjene snovi, plazme. Po vojni je Chandrasekhar kot profesor v Chicagu nadaljeval re{evanje astrofizikalnih problemov 863 skupaj s Fermijem. 864

Subrahmanyan Chandrasekhar iz Lahoreja je pri dvajsetih kon~al Univerzo v Madrasu (slika 14.4). Teorijo belih pritlikavk je prera~unal med dolgim potovanjem v Anglijo poleti 1930, kjer je {tudiral pri Diracu v Cambridgeu in doktoriral leta 1933. Z Eddingtonom se je zapletel v spor glede realnosti ~rnih lukenj in zgornje meje za maso belih pritlikavk. ^eprav je Eddingtonova ostra kritika na zborovanju Kraljevega astronomskega dru{tva januarja 1935 skoraj uni~ila Chandrasekharjevo kariero, je vedno ostal ob~udo- valec Eddingtonovega dela. Od leta 1937 je Chandrasekhar delal na Univerzi v Chicagu. Leta 1944 je postal profesor, leta 1953 pa naturaliziran Ameri~an. Leta 1983 je delil Nobelovo nagrado za fiziko z Williamom Fowlerjem, profesorjem na CalTechu. Fowler je od leta 1947 v laboratoriju simuliral termonuklearne reakcije, ki naj bi potekale v zvezdah. Pri tem so mu pomagale bogate izku{nje raziskovanja elementarnih delcev v pospe{evalnikih. Ko je leta 1953 njegov in{titut na CalTechu obiskal pet let mlaj{i sloviti angle{ki astronom Fred Hoyle, sta za~ela dolgoletno raziskovanje sinteze kemijskih atomov v zvezdah in leta 1980 tudi v supernovah. Subrahmanyan Chandrasekhar je na Rama- novem raziskovalnem in{titutu v Bangaloreju raziskoval Slika 14.4: Subrahmanyan Chandra- teko~e kristale. Umrl je v Chicagu. sekhar864

14.5 Langmuirjevo raziskovanje nihanja plazme

Sredi 1920-ih let je Langmuir spu{~al tok plina vodika na segreto volframovo nit v àrnici, da so molekule vodika razpadle na atome. Ko se je tok vodika oddaljil do segretih delov poskusne naprave, so se atomi ponovno zdruèvali v molekule in s toploto rekombinacije dvignili temperaturo do blizu 6000 °C, kot jo ima povr{ina Sonca. Najpomembnej{e lastnosti plazme merimo z napetostjo med stenami posode in Langmuirjevo tanko sondo iz kovine z visokim tali{~em, kot sta volfram ali molibden. Dovolj drobna sonda ni zaznavno spreminjala porazdelitve napetosti v plazmi.865 V oblo~ni razelektritvi v ìvosrebrovih parah je s segreto katodo pri sobni temperaturi ugotovil celo vrsto mo`nosti za pospe{evanje primarnih elektronov do hitrosti nad potencialno razliko v katodni elektronki. Drugi imajo ni`je hitrosti, tako da je v povpre~ju energija ravno prava. Med {tevilnimi razlagami pojava nobena ni popolnoma ustrezala. Ponujala se je naravna domneva, da elektri~na nihanja v oblo~nici povzro~ijo sipanje tako z vplivom

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 301 hitro se spreminjajo~ih elektri~nih polj na elektrone kot s spremembami napetosti na elektrodah. A. F. Dittmer je v letih 1923 in 1924 z uporabo Langmuirjeve tehnike odkril posebno izrazito anomalijo v tanki plasti nekaj milimetrov pro~ od vlakna. Da bi pojasnil Langmuirjevo odkritje nenavadno mo~nega sipanja v oblo~nici, je Dittmer prvi napovedal mo~na notranja nihanja. Nihajni ~asi so bili primerljivi z 10–8 s trajajo~im prehodom primarnih elektronov energije 50 eV iz niti v obmo~je najve~jega sipanja, vendar jih ni mogel zaznati. [e pred natisom njegove razprave pa je Penning objavil opazovanja kontroliranih visokofrekven~nih radijskih sevanj v oblo~nici ob razelektritvi v ìvem srebru pri nizkem tlaku, ki so prepri~ljivo potrjevala povezanost med opaènim mo~nim sipanjem in sevanjem.866 Poleg presenetljivo mo~nega sipanja so opazili dve drugi posebnosti razelektritve v plinih, povezani z nihanji v plazmi. Prva med njimi je "kotno" sipanje primarnega curka blizu katode pri oblo~nici. Najbolj prepri~ljivo so ga preu~ili K. G. Emeléus in njegovi {tudentje s Queen's University v Belfastu po letu 1941 s poenostavljenimi Langmuir- jevimi sondami. Ve~krat so opisali povezavo med kotnim sipanjem primarnega curka in obstojem primarnih nihanj pri razelektritvi. Uporabljali so volframovo katodo v ìvem srebru pri nizkem tlaku in anodo v obliki koaksialnega valja. Dovolj drobna premi~na sonda, ki ni zaznavno spreminjala porazdelitev napetosti v plazmi, je bila postavljena med elektrodi. Pri napetosti od 15 V do 100 V in toku od nekaj miliamperov do 100 mA so skoraj vedno zaznavali nihanja z valovnimi dolìnami okoli 10 cm pri zelo razli~nih frekvencah in amplitudah (slika 14.5).

Slika 14.5: Skica enostavne sonde za odkrivanje nihanj v plazmi867

867 Drugo posebnost v~asih imenujemo Langmuirjev paradoks. Maxwellova porazdelitev energij elektronov se obdr`i pri razelektritvi v plinu do zelo majhnih razdalj od izolirane stene. Meritev je presenetila raziskovalce, saj se na negativnem naboju stene zbirajo le visokoenergijski elektroni iz plina in zato kvarijo Maxwellovo porazdelitev elektronov v bli`ini. Dale~ od stene se Maxwellova porazdelitev ponovno vzpostavi zaradi prehajanja energije pri trkih med elektroni in drugimi nabitimi in nevtralnimi delci. Vsekakor so bile vse dotlej znane povpre~ne proste poti prehajanja energije za ve~ redov velikosti ve~je od zelo majhnih razdalj, potrebnih za ponovno vzpostavitev ravnovesne porazdelitve pri razelektritvi.

14.6 Plazma dobi ime

Pol stoletja je minilo od Crookesove ideje o ~etrtem agregatnem stanju do Langmuirja, ki ga je imenoval "plazma" in opisal nihanja v njej. Langmuir je raziskoval neonsko svetilko in s sondo meril parametre nizkotemperaturne plazme v razred~enem plinu. Med raziskovanjem oblo~ne razelektritve v `ivem srebru

302 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 14.6: Prva omemba naziva "plazma" in elektronskih nihanj v Langmuirjevi in Tonksovi razpravi 20. 11. 1928868 pri nizkem tlaku pri sobni temperaturi je spomladi 1928 sodelavca v laboratoriju GE poprosil za nasvet: "Poglej, Tonks, i{~em ime. Pri teh plinskih razelektritvah imenujemo podro~je v neposredni bli`ini stene elektrode 'mejno plast', kar je v redu. Toda, kako naj imenujemo glavni del razelektritve? Prevodnost je tam velika, tako da ne more{ dobiti napetostne razlike kot pri mejni plasti, ki pobere ves naboj. Tam imamo popolno nevtralizacijo prostorskega naboja. No~em si izmi{ljati naziva, toda moram opisati to vrsto prostora lo~eno od mejne plasti. Kaj predlaga{?" Langmuir je seveda pretiraval glede napetostne razlike in nevtralizacije prostorskega naboja, vendar si je Tonks vzel ~as za premislek. @al je bil prepo~asen, saj je Langmuir `e naslednji dan privihral k njemu in razglasil: "Vem, kako ga bomo imenovali! Imenovali ga bomo 'plazma'." Raz- pravo z novo skovanko je poslal v tisk 21. 6. 1928 (slika 14.6). Crookesove sanje so se

uresni~ile, njegovi nem{ki kritiki pa so medtem è vsi pomrli. 868 Tonks se je 39 let pozneje spominjal, da je Langmuir ob izbiri omenil kri. Izbiral je namre~ ime v nasprotju z nazivom "mejna plast" ob steni, da bi opisal {irok spekter pojavov gibanja v elektrolitih, plamenu in Heavisidovi plasti v atmosferi. Na izbiro naziva niso vplivale ne nihajne zna~ilnosti nestabilne plazme, niti kipe~e gibanje v ìvih celicah ali podobnost s protoplazmo. V tistem ~asu so tako o plinski kot o krvni plazmi vedeli veliko manj kot danes. Tonks in Langmuir sta naziv plazma uporabila za tisti del lo~ne razelektritve, kjer so gostote ionov in elektronov visoke, vendar v bistvu enake med seboj. Plazma obsega ves prostor, ki ga ne zasedajo "mejne plasti".869 Delno ioniziran plin imenujemo plazma, ko je Debyejeva dolìna majhna v primerjavi z drugimi razdaljami.870 Langmuir je bil nadvse uspe{en pri kovanju novih nazivov. Med drugim je leta 1914 pomagal uveljaviti kon~nico "-tron", ki se {e danes drì cele vrste elektronskih naprav. Imel je nadvse uporabne ideje, predvsem pa pomembne zveze, po katerih jih je spravil v obtok.

Irving Langmuir iz New Yorka je leta 1903 postal metalur{ki in`enir na Univerzi Kolumbija (slika 14.7). Tri leta pozneje je doktoriral v Göttingenu pri profesorju elektrokemije Nernstu, nekdanjem Boltzmannovem {tudentu. Nernst sicer ni bil uporaben svetovalec, toliko bolj pa je Langmuirju pomagal nekdanji Plückerjev u~enec, matematik Klein, ki je med letoma 1886 in 1910 prav tako pou~eval na Univerzi v Göttingenu. Po nekaj letih pou~evanja kemije je Langmuir poslu{al so{olca in za~el raziskovalno delo pri GE Research Laboratory v Schenectadyju, New York, kamor je leta 1886 Edison preselil svoje raziskovalne naprave. Laboratorij je bil sprva decembra 1900 postavljen v skednju ob Steinmetzovi hi{i. Steinmetz je nastavil dotedanjega in{truktorja za kemijo pri MIT-u, Whitneyja, za prvega direktorja raziskovanja pri GE z enim asistentom. Whitney je {tudiral v Leipzigu in nato pou~eval na MIT-u.871 Langmuir je pisal materi: "Medtem ko sem v Schenectadyju, bom iskal zares dobro slu`bo na univerzi." Ta "medtem" se je podalj{al na skoraj pol stoletja Langmuirjevega raziskovanja pri GE.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 303 Leta 1911 je Langmuir pridobil enoatomni vodik in opisal varjenje kovin v vodikovem plamenu. Leta 1913 je objavil po njem imenovan zakon termoionske emisije. Leta 1916 je konstruiral manometer in visokovakuumsko ~rpalko. Tri leta pozneje je predloìl svoj model atoma na osnovi starej{ega Bohrovega. Znan je postal tudi po ena~bi Langmuira in M. Saha, ki povezuje stopnjo povr{inske ionizacije s povr{insko temperaturo kovine, njenim izstopnim delom in potencialom ionizacije atomov. Skupaj z Lewisom sta postavila teorijo kemijskih valenc. Leta 1916 je objavil ena~bo izoterme enomolekulske adsorpcije. Langmuir je tudi pomagal izumitelju Williamu Stanleyju pri problemih prehajanja toplote v termovki, kar mu je pomagalo pri izumu za 25 % u~inkovitej{e vakuumske àrnice. Leta 1932 je Langmuir kot prvi ameri{ki industrijski znanstvenik dobil Nobelovo nagrado za kemijo za raziskovanje enomolekulskih povr{inskih tankih plasti. Istega leta 1932 je Coolidge nasledil Whitneyja kot direktor laboratorija GE, pa tudi Langmuir je postal direktor in pozneje svetovalec. Med svetovalci GE so bili tudi drugi Nobelovci: Hans Bethe s Cornella, Ernest Lawrence z Berkeleyja in Eugene Wigner s Princetona. Do konca 2. svetovne vojne je laboratorij GE bolj spominjal na Edisonovo kot na Einsteinovo dobo. Raziskovalci GE so se ukvarjali izklju~no z elektriko, kjer so imeli mo~ne patente. Delali so v majhnih skupinah po metodi, ki so jo v Cambridgeu posre~eno krstili za "klasi~no tradicijo vrvic in pe~atnega voska". Tako je Langmuir s priu~enim znanstvenikom Vincentom Schaeferjem in prvo ènsko z doktoratom iz fizike v industrijskem laboratoriju Katharine Blodgett med iskanjem bolj{ega maziva za leàje odkril enomolekulske tanke plasti kapljevine na kapljevini. Po njiju se imenujejo Langmuir-Blodgettove plasti. Leta 1939 se je Langmuir navdu{il nad Hahnovim odkritjem veri`ne reakcije, tako da sta Kingdom in Pollock è leta 1940 za~ela raziskovati uran pri GE, kar je ob koncu vojne preraslo v Skupino za raziskovanje jedra. Leta 1947 so Langmuir, Pollock in Franck Edler na sinhrotronu za 70 MeV prvi opazili sinhotronsko sevanje. Leta 1945 je imel laboratorij GE 630 zaposlenih, med njimi 160 znanstvenikov in inènirjev. Okoli pol jih je raziskovalo fiziko, 30 % kemijo, 15 % metalurgijo in 5 % mehaniko. Kmalu za Whitneyjem se je leta 1946 upokojil Coolidge. Konec leta 1948 sta jima sledila {e Dushman in Albert W. Hull. Leta 1950 se jim je na "zape~ku" pridruìl tudi Langmuir. Tedaj je v laboratoriju delalo è 1000 ljudi, ki so si dali postaviti novo stavbo v Knollsu. Nove generacije raziskovalcev in konkurenca na trgu so tedaj tudi v GE è zahtevala izvajanje velikih projektov.

872 Menil je, da je se je pri poskusih s plazmo izognil mo`nostim nihanja.873 Po Dittmerjevi razpravi iz leta 1926 je Langmuir leta 1928 in februarja 1929 skupaj s Tonksom raziskoval nihanja zelo visokih frekvenc. Objavila sta enostavno teorijo elektronskih in ionskih oscilacij v ioniziranem plinu z enim samim mehanizmom za pojasnitev obeh posebnosti elektri~ne razelektritve v plinih: "kotnega" sipanja in Lang- muirjevega paradoksa. Nekatere teorijske re{itve jima je v osebnih pismih pomagal najti sloviti J. J. Thomson. Nova teorija je temeljila na popolnoma enakomerni, makroskopsko nevtralni plazmi pri ni~elni temperaturi. Majhen premik elektronov iz pribli`no nevtralnega ravnovesja povzro~i delovanje Coulombove sile nazaj k ravnovesju. Nastanejo harmoni~na ni- Slika 14.7: Irving Langmuir (*1881; hanja z zna~ilno frekvenco, ki so jo imenovali †1957)872 po Langmuirju, ~eravno jo je prvi objavil `e Lorentz v teoriji elektronov leta 1909. Vendar je Lorentz obravnaval transverzalne valove, medtem ko sta Tonks in Langmuir opisala longitudinalne valove popolnoma druga~ne narave. Da bi poudarili razliko, so valove Langmuirjevega tipa imenovali elektri~ni zvo~ni valovi, ~eprav naziv ni ~isto ustrezen. Poleg teh valov so v plazmi mo`ni tudi drugi, med njimi akusti~ni in pozneje, leta 1942 odkriti hidromagnetni (Alfvénovi).

304 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Nihanja elektronov s 1000 MHz so prehitra, da bi jim te`ji ioni lahko sledili. Ionske oscilacije pa so tako po~asne, da pustijo elektronsko gostoto ves ~as pri ravnovesni vrednosti, ki ustreza Boltzmannovem zakonu. Tonks in Langmuir sta leta 1929 merila v dveh katodnih elektronkah z vlaknastima katodama kot izvir elektronov. Kolektorji so bili postavljeni tako, da so sprejemali del direktnega curka primarnih elektronov iz vlakna. Pri strani je bila anoda, ki je vzdr`evala razelektritev. V prvi elektronki sta bili dve volframovi vlakni oprti na dolge vodnike, pokrite s steklom blizu srede okrogle `arnice velikosti 18 cm. Njuna Slika 14.8: Langmuirjeva in Tonksova merilna napra- izpostavljena dela sta bila dolga va, opisana 20. 11. 1928875 1,1 cm in vzporedna na medsebojni razdalji 0,5 cm. Vzporedno z njima sta 4,2 cm pro~ s sljudo pokrila okroglo kolektorsko plo{~o premera 1,1 cm. Druga katodna elektronka je bila enaka, ~eprav je imela tri navpi~ne volframove niti (slika 14.8). Z Zn-Te-detektorjem in galvanometrom sta zazna- 874 vala napovedana nihanja s frekvencami elektronov v plazmi. 875

Lewi Tonks je doktoriral leta 1923 na Univerzi Kolumbija, kjer je generacijo pred njim {tudiral Langmuir (slika 14.9). Tri leta po diplomi je za~el delati pri GE. Leta 1937 je poimenoval "pinch"-efekt, ki ga je tri leta prej odkril Bennett kot "magnetne samouravnavajo~e se tokove".

Slika 14.9: Lewi Tonks (*1897; †1971) v laboratoriju876

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 305 876 V naslednjem zvezku Phys. Rev. sta Tonks in Langmuir preu~ila {e mejno plast, ki nastane ob stiku plazme s trdno povr{ino brez magnetnega polja. Uporabila sta razli~ne domneve o potencialni razliki med plazmo in steno; debelina mejne plasti je bila v grobem podana z Debyejevo dol`ino, ki je podobna obratni vrednosti absorpcijskega koeficienta ioniziranega fluida za elektri~ne sile.877

14.7 "Pinch"-efekt

Med veliko svetovno ekonomsko krizo so se v fiziki plazme zdruìla raziskovanja astronomov (pozneje imenovanih astrofiziki), geofizikov in raziskovalcev razelektritev v razred~enih plinih. Za Langmuirjevo definicijo plazme je bilo {e bistveno elektri~no polje, ki je povzro~ilo segrevanje in ionizacijo. Pozneje je plazma postala sopomenka za delno ionizirani plin.878 Langmuirjevi dedi~i so raziskovali predvsem nenavadno vedenje plazme v magnetnem polju in v naslednjih desetletjih razvili novo panogo znanosti, imenovano magnetohidrodinamika. Fizika plazme je è hitro dala slutiti svoj pomen pri raziskovanju vesolja in pri simulaciji tamkaj{njih razmer v laboratorijih. Osnovna teàva ni bila priìganje plazme, temve~ njeno zadrèvanje v omejenem prostoru. Podobno kot pri elektronskem mikroskopu v za~etku 1930-ih let so se tudi raziskovalci plazme odlo~ili, da bodo plazmo z elektromagnetnim poljem raje zadrèvali dovolj dale~ od sten posode, saj niso verjeli, da bi katerikoli material lahko zdràl tako visoke temperature. Ameri~an Bennett je leta 1932 domneval, da preboj pri hladni emisiji povzro~ajo majhni tokovi pozitivnih ionov iz anode, ki se vzdol` toka elektronov vra~ajo na katodo. ê so tokovi ionov manj{i od 10–2 A, le-ti s trki odstranijo vsa sevajo~a podro~ja. Pri mo~nej{ih tokovih pa, nasprotno, povzro~ajo po{kodbe na povr{ini katode in tako ustvarjajo nove emisijske povr{ine. Bennett ni znal razloìti pojava; dve leti pozneje pa je na Dràvni univerzi v Ohiu odkril "pinch"-efekt med raziskovanjem vzrokov za preboj pri hladni emisiji in regulacijo plazme z magnetnimi polji: "Tok hitrih elektronov lahko zbere dovolj pozitivnih ionov, da pribli`no doseèjo linearno gostoto elektronov; magnetno samofokusirajo~ postane, ko tok preseè vrednost, dolo~eno z za~etnimi razmerami v toku... Samofokusiranje delce pribliùje osi v vedno ve~jem delu toka elektronov... Ta vrsta procesa se lahko nadaljuje v neskon~nost, ~e je omogo~eno magnetno samofokusiranje v vsakem delu toka, ki je dolg v primerjavi z lastnim premerom... Opisani proces je verjetno le kratkotrajen, reda velikosti 10–4 s ali 10–5 s. Pozneje tokovi prenehajo biti samofokusirajo~i, ker transverzalne energije elektronov ob ostrih robovih kra- terjev katode postanejo prevelike ali pa blizu katode gostota snovi toliko naraste, da ne moremo ve~

zanemarjati trkov." (slika 14.10) 879 Pred Bennettom so sicer raziskovali fokusiranje po~asnih elektro- Slika 14.10: Shema "pinch"-efekta879

306 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK nov zaradi ostankov plina; niso pa preu~evali fokusiranja zaradi magnetnega privlaka med deli toka elektronov, ki postane pomembno pri visokih napetostih. Bennett je dokazal, da preboja pri hladnem sevanju ne povzro~ijo strukturni defekti povr{ine katode, temve~ razmere v toku plazme. Ob preboju pri hladni emisiji je opazil: 1. Poru{enje je bilo izrazitej{e pri elektrodah, iz katerih je izlo~il pline. 2. Poliranje povr{ine katode vpliva le na za~etne majhne tokove; povr{inske ne~isto~e so vzrok prebojev. 3. ^e pri razplinjenih elektrodah poljska jakost na katodi po preboju pade malo pod vrednost med prebojem, ste~ejo mo~ni nenadni curki elektronov skozi elektronko. Ti tokovi so podobni tokovom ob samem preboju, vendar njihova frekvenca pada s ~asom. 4. Preboj lahko prepre~imo ali vsaj mo~no zmanj{amo njegovo ostrino z razplinjanjem elektrod ali s pove~anjem upornosti zaporedno vezanega reostata. 5. Pred poru{enjem "pinch"-efekta postane tok zelo neurejen. 6. Ob poru{enju je opazil majhne bliske svetlobe na obeh elektrodah. Odkritij ni mogel pojasniti z dotedanjimi idejami o trganju ne~isto~ ali kosov kovine iz katode s poljem; tem bolj pa je ustrezala ideja o magnetnem samofokusiranju.

Willard Harrison Bennett iz mesta Findlay je leta 1926 kon~al Univerzo v Wisconsinu. Med letoma 1928 in 1930 je delal na CalTechu, nato pa do leta 1938 na Univerzi Ohio. Med letoma 1946 in 1950 je raziskoval v Nacionalnem biroju standardov. Sledile so akademske slu`be: med letoma 1951 in 1961 je predaval na Univerzi v Arkansasu, nato pa na Univerzi v Severni Carolini. Razvil je princip tandemskega pospe{evalnika.

Bennettovi nabiti delci tvorijo elektri~ni tok, ki lahko inducira svoje lastno magnetno polje. Ta potem ti{~i* plazmo skupaj in prisili posamezne ione k medsebojnim trkom. ^im mo~nej{i in pogostej{i so trki, torej ~im bolj "vrela" je plazma, tem ve~ja je verjetnost zlivanja jeder.

14.8 Kinetika plazme

Lev Davidovi~ Landau (1936, 1946) ter A. A. Vlasov (1938) sta raziskovala kinetiko plazme. Landau je odpravil Langmuirjevo in Tonksovo omejitev na ni~elno temperaturo. Pokazalo se je, da Langmuirjeva frekvenca880 ni edina frekvenca vibracij tlaka, temve~ le spodnja meja vibracijskih frekvenc, povezanih z najmanj{im du{enjem difuzijskega tipa. Spekter vibracij je urejen z disperzijskim zakonom, ki frekvenco povezuje z valovnim {tevilom motnje. Za zgornjo mejo frekven~nega spektra je Landau valovno dolìno oscilacij izena~il z Debyejevo dolìno, definirano è leta 1912. Landau je prvi pojasnil, da v razred~eni plazmi ni trkov, pride pa do du{enja valov. Elektroni se v plazmi gibljejo kaoti~no z razli~nimi hitrostmi. Nekateri elektroni se gibljejo skupaj z valovi plazme, saj imajo tak{no hitrost, da ostanejo vseskozi v fronti valov. Tako so vedno pod vplivom istega elektri~nega polja in se zato vsi enako pospe{ujejo in ustavljajo. To "du{enje Landaua" so desetletja imeli za prakti~no neuporabno; v vro~i plazmi so na{li premalo hitrih elektronov, ki bi ustvarili dovolj toka glede na vloèno mo~. Do spremembe je pri{lo leta 1978 po teoreti~nih raziskavah

* Angle{ko: pinch

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 307 plazme v TOKAMAK-u na MIT-u, tako da danes z du{enjem Landaua dodatno grejemo plazmo pri uravnavanju termonuklearnih reakcij.

14.9 Magnetohidrodinamika

@e leta 1822 je Ampère raziskoval gibanje prevodne teko~ine, tj. ìvega srebra, v magnetnem polju. Preizku{al je "elektri~ni mlin~ek", ki je vrtel magnetno iglo na gladini ìvega srebra. Vendar so bili zaradi nizke prevodnosti ìvega srebra hidromagnetni pojavi {ibki in jih {e celo stoletje niso opazili.881 Stefan je v svojih raziskavah transportnih pojavov v teko~inah uporabil ena~be hidrodinamike zvezne snovi na problemih kineti~ne teorije plinov. S tem se je leta 1886 izognil dolo~itvi sile med molekulami, saj njene odvisnosti od razdalje ni z gotovostjo poznal. Pol stoletja pozneje je dovr{ena matematika klasi~ne hidrodinamike ponovno pomagala fizikom iz zagate; Alfvén je leta 1942 pojasnil vrsto pojavov v kozmi~ni plazmi z ena~bami magnetohidrodinamike.882 Objavil je njene osnovne domneve z idejo o "zmrznjenosti" magnetnega polja v plazmi in opisal magnetohidrodinami~ne valove, novo vrsto valovnega gibanja prevodnega medija v magnetnem polju.

Hannes Olof Gösta Alfvén iz Norrköpinga na [vedskem je {tudiral v Uppsali (slika 14.11). Med letoma 1937 in 1940 je delal v Nobelovem in{titutu fizike v Stockholmu, nato pa je predaval na univerzi prav tam. Kot Skandinavec je bil naravnost namenjen pojasnitvi severnega sija. Nadaljeval je raziskovanja Norve`anov Birkelanda in Carla Störmerja s konca 19. in z za~etka 20. stoletja, ki sta severni sij povezovala s "katodnimi `arki" po vzoru Aragojevega opisa Davyjeve oblo~nice iz leta 1820. Alfvén je leta 1939 zasnoval teorijo magnetnega viharja in severnega sija, ki je temeljila na ideji "zmrznjenja" magnetnih polj v plazmi. Leta 1943 je razvil planetno kozmogonijo s prasoncem, ki je med potovanjem skozi galakti~no meglico povzro~ilo ionizacijo v njenem plinu. Ioni naj bi se nato po spiralah gibali okoli silnic magnetnega polja Sonca in se kasneje zgostili v planete. Tako je Alfvén zasnoval novo vedo, imenovano kozmi~na elektrodinamika, ki pa je potrebovala dolga leta do priznanja, tako da je moral svoje razprave sprva objavljati v drugorazrednih revijah. Leta 1970 je dobil polovico Nobelove nagrade za fiziko.

883 Za opis najenostavnej{ega vedenja plazme so iz Slika 14.11: Hannes Olof Gösta Alfvén883 omar privlekli klasi~no Boltzmannovo transportno teorijo s konca 19. stoletja. Dotedanje teorije prevodnosti so razvili le za delno ioniziran plin; zato so le pribli`no veljale za popolnoma ioniziran plin iz nabitih delcev v plazmi. Po koncu 2. svetovne vojne se je Spitzer vrnil na Yale in prav s tem problemom nadaljeval svoja raziskovanja medzvezdne snovi iz obdobja pred vojno. Spitzerju se je {e po prehodu na univerzitetni observatorij v Princetonu razvijanje poglobljene teorije zdelo jalovo, brez uporabnih eksperimentalnih rezultatov. Leta 1948 se je med Alfvénovim obiskom v ZDA seznanil s temelji magnetohidrodinamike, ki jo je v naslednjih letih {e sam razvijal. Leta 1950 je s sodelavci izra~unal termi~no in elektri~no prevodnost popolnoma ioniziranega plina. Upo{teval je vpliv posameznih elektronov na porazdelitev hitrosti in ga opisal kot

308 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK difuzijo v hitrostnem prostoru. ^ez tri leta so objavili natan~nej{o teorijo predvsem za astrofizike.884 Spitzer je `e zgodaj spoznal pomembnost dolo~itve toplotne in elektri~ne "Spitzerjeve" prevodnosti ter mehanskih transportnih koeficientov v popolnoma ioniziranem plinu. Njegovo pionirsko raziskovanje fizike plazme je kronala monografija o fiziki popolnoma ioniziranih plinov.

Lyman Spitzer iz Toleda, Ohio, je po diplomi na Yalu med letoma 1935 in 1936 {tudiral pri Eddingtonu na Kolid`u St. John’s v Cambridgeu (slika 14.12); Eddingtona je ob~udoval, ~eprav je bil nad osebnimi stiki z njim razo~aran.885 Doktorat je pripravil med letoma 1936 in 1938 pri Russellu v Princetonu in nato pou~eval na univerzah Harvard, Yale in Kolumbija. Leta 1947 je nasledil Russella kot profesor astronomije in direktor observatorija v Princetonu, ki ga je vodil ~etrt stoletja do leta 1979. Leta 1985 je dobil Crafoordovo nagrado [vedske kraljeve akademije znanosti, ki je na ravni Nobelove nagrade za tista podro~ja, ki jih ta ne pokriva. Spitzerjeva dela pokrivajo {tiri velika podro~ja: medzvezno snov, zvezdno dinamiko, astronomijo in fiziko plazme, ki jo je raziskoval do leta 1966.

886

Slika 14.12: Lyman Spitzer (desno) z ameri{kim astronomom in direktorjem Univerze Princeton Henryjem Norrisom Russellom (*1877; †1957), ki je leta 1929 spektroskopsko dokazal, da je Sonce ve~inoma sestavljeno iz vodika886

Ameri~an Rosenbluth in sodelavci iz Radiacijskega laboratorija kalifornijske Univerze v Berkeleyju so Boltzmannovo transportno ena~bo po Chandrasekharjevi ideji iz leta 1943 razvili za opis trkov dveh teles z izotropno porazdelitveno funkcijo v prostoru in v hitrostnem prostoru. Numeri~no so re{evali enostavno konzervativno osnosimetri~no ena~bo Fokker-Plancka za Newtonovo silo, ki pada obratno sorazmerno s kvadratom razdalje; Chandrasekharjev in Spitzerjev na~in so predstavili kot posebna primera. Med prvimi so è 31. 8. 1956 predloìli uporabo ra~unalnika, kar je teoriji takoj dalo obetaven pridih sodobnosti. Postopek je bilo mogo~e izpeljati dovolj korektno v limiti nizkotla~ne plazme, kjer je povpre~na prosta pot dolga v primerjavi z Debyejevo dolìno. Druga~e povedano, potencialna energija med delci je veliko manj{a od produkta med Boltzmannovo konstanto in temperaturo. Podalj{anje do limite mo~nih interakcij pa je zahtevalo bolj zapleteno statisti~no mehaniko.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 309 Rosenbluth je po mednarodnem seminarju o fiziki plazme med 5. in 31. 10. 1964 vodil program fizike plazme na Mednarodnem centru za teorijsko fiziko v Trstu in je tako vplival na Slovence tostran meje. Leta 2002 je od Evropskega fizikalnega dru{tva dobil presti`no Alfvénovo nagrado za raziskovanje fuzije.

14.10 Nadaljevalci Langmuirjevega raziskovanja nihanja v plazmi

Nihanja plazme niso omogo~ila posebne prakti~ne uporabe razen "plazemskega oscilatorja", ki ga je opisal G. Wehner leta 1950; zato pa ima preu~evanje nastanka nihanja velik znanstven pomen. Leta 1952 je Gabor izra~unal hitrost izmenjave energije med posameznimi elektroni in celotnim spektrom oscilacij plazme v razelektritvi ob domnevi o ekviparticiji energije med razli~nimi na~ini nihanja plazme. S premajhnim prenosom energij ni mogel opisati pojavov, zaradi katerih je bil koncept nihanj plazme sploh vpeljan. Izkazalo se je, da spremenjena teorija pojasni mnogo manj od prvotne Langmuirjeve; ostareli svetovalec GE {e ni bil za staro {aro ob svoji kr{~enki, plazmi. Zato se je Gabor vrnil k prvotni domnevi o obstoju mo~nih koherentnih, skoraj enotnih frekven~nih nihanj znotraj razelektritve. E. A. Ash in D. Dracot sta mu leta 1955 pomagala preveriti domnevo s po{iljanjem posebnega curka elektronov skozi razelektritev na fluorescen~ni zaslon. Ugotovili so, da obstajajo presenetljivo visoka nihanja amplitude plazme v plasti pozitivnih ionov, ki lo~i plazmo od izolirane stene. Tak{nih nihanj ni v sami plazmi; zato so upo{tevali vpliv meja plazme in mejne plasti ob njih na nihanje plazme, s katerim sta Bohm in E. P. Gross è leta 1949 v Princetonu dopolnila starej{e Vlasove domneve.887 Ena izmed napovedi Bohmove in Grossove teorije je bila, da nihanje povzro~ijo elektroni, poslani skozi homogeno plazmo. Njuno domnevo so potrjevali deset let starej{i poskusi H. J. Merilla in H. W. Webba. Z izbolj{ano tehniko sta lokalizirala nihanja v plazmi in dolo~ila zvezo med nihanjem in mo~nim sipanjem, kar se Langmuiru in Tonksu leta 1929 ni posre~ilo. Rezultate Merilla in Webba je analiziral R. Q. Twis leta 1951. Vendar ujemanje med poskusi in teorijo ni bilo nesporno, saj so v Merrillovi in Webbovi meritvi elektroni pri{li v plazmo skozi tulec, tvorjen iz ionov. Da bi ob{la dvome, sta D. H. Looney in S. C. Brown med letoma 1952 in 1954 ekspe- rimentirala brez tulca. V plazmi nista zaznala nihanj, ki naj bi jih napovedala Bohm in Gross. Zato so sistemati~no analizirali in interpretirali disperzijske zakone; J. E. Drumond in D. B. Chang sta leta 1958 pokazala, da Bohmov in Grossov zakon sipanja napoveduje bolj oja~enje kot nihanje. Do enakih sklepov se je è pred njima dokopal Pierce z druga~nimi metodami. Looney in Brown verjetno nista opazila oja~enj zaradi izgub v merilnem sistemu. V podobno zastavljenem poskusu je R. Demirkanov dobil mo~no interakcijo med moduliranim curkom in plazmo. Sturrock je pokazal, da je bil premer curka elektronov v poskusu Looneyja in Browna veliko manj{i, kot bi bila valovna dolìna v plazmi in tako ni bilo zado{~eno pogoju Bohma in Grossa o neskon~no ozkem curku. Teorijo o disperziji valov in o kon~nem curku v plazmi je objavil

G. J. Budker leta 1956 pri CERN-u (slika 14.13). 888 Osnovni problem fizike plazme je bil interakcija posameznih elektronov z drugimi v ioniziranem plinu. Bohm in P. Pines sta leta 1951 in 1952 raziskala nihanja plazme. Osrednji problem raziskovanja plazme so "pobegli" elektroni v termonuklearnih napra-

310 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Slika 14.13: Poskusi Merilla in Webba z lokalizacijo nihanja v plazmi leta 1939 vah; hitri elektroni mo~no interagirajo s plazmo in povzro~ajo visokofrekven~ne nesta- bilnosti, oja~enja ali nihanja. Drugi, prav tako star in pomemben problem je interakcija nihanj plazme z elektromagnetnim poljem. Nihanja plazme naj bi pojasnila nepravilnosti, povezane z vedenjem elektronov v oblo~nicah. Obstoj teh nihanj je podprlo odkritje radijskih valov pribli`no ustrezne frekvence, ki jih oddajajo oblo~nice. Vendar je teorija nihanja pokazala, da so ta valovanja longitudinalna in ne sevajo. Tonks in Langmuir sta sicer napovedala {e transverzalne valove v plazmi, vendar ti na~ini {irjenja niso vplivali na druga nihanja plazme. Zato je bilo nujno upo{tevati vpliv robov ali nehomogenosti, ki zdru`ijo oba tipa valov v teorijah N. G. Danisova (1954), G. B. Ferldeja (1956) in V. V. Zhelez- makova (1956). Drugi pomemben na~in sklapljanja energij nihanja plazme s sevalnim poljem omogo~a nastanek stati~nega magnetnega polja v plazmi. Fizika plazme je prvotno obravnavala izmenjavo energij med posameznim elektronom in kolektivnim gibanjem {tevilnih delcev; podobno se je godilo tudi kvantni fiziki plazme. Leta 1934 je Bloch raz{iril svoje raziskovanje mo~i ustavljanja nabitih delcev s kvantizacijo vzbujenih stanj Fermijevega plina. Delcev ni opisal z vrzelmi in vzbujenimi stanji, temve~ kot stanja

nihanj plina, podobna zvoku. 889 Leta 1949 je Bohm v teoriji superprevodnosti domneval, da nihanja plazme v kovini zelo te`ko zmotimo z zunanjimi silami peturbacije; napoved je dokazal Sin-Itiro Tomonaga s tokijske Univerze

Sin-Itiro Tomonaga iz Tokia je {tudiral v Kyotu in se nato med letoma 1937 in 1939 izpopolnjeval pri Heisenbergu na Uni- verzi v Leipzigu (slika 14.14). Leta 1946 je razvil matemati~no orodje za opis interakcij med fotoni in elektroni in do leta 1948 samostojno razvil teorijske temelje kvantne elektro- dinamike. Podobno sta neodvisno storila Richard Feynman in Julian Schwinger v ZDA, tako da je z njima leta 1965 delil Nobelovo nagrado za fiziko. Leta 1950 je Tomonaga obravnaval fermione kot kvante zvoka. Slika 14.14: Sin-Itiro Tomonaga

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 311 leta 1950 in 1958. Po letu 1954 so za~eli razlikovati med kolektivnimi in posameznimi vzbujanji delcev, ki jih hitri elektroni povzro~ijo v kovinah. Merili so lastne energije in intenzitete v odvisnosti od kota sipanja vpadnih elektronov, ne~isto~ v tar~i in temperature. Tako kot v klasi~ni je bil tudi v kvantni fiziki plazme problem {e interakcija nihanj plazme z elektromagnetnim poljem, ki jih je raziskal R. A. Ferell leta 1958 in 1959 v Naval ordonance Laboratory v ZDA.

14.11 Zlivanje jeder

Ob ve~ini odkritij v fiziki 20. stoletja se je tudi fizika plazme razvila iz raziskovanja razelektritev v razred~enih plinih. Kmalu je posegla med snov v vesolju in postala posebno zanimiva za astrofizike, ki jih dotlej raziskovanje katodnih elektronk ni izrecno zanimalo. Tako se odkritja fizike plazme dotikajo samih temeljev spoznanj o svetu, ki nas obdaja. Plazma sestavlja 99 % vse snovi v zvezdah in med njimi, na Zemlji pa je redka. Strelo in iskro pri navadnem tlaku so dobro pojasnili {ele sredi 20. stoletja. Prevajanje elektrike skozi razred~ene pline, ki se v visokih delih atmosfere kaè kot severni sij, so za~eli intenzivno raziskovati v drugi polovici 19. stoletja.890 Iz istega ~asa so tudi prve razlage meteorjev, {e enega primera pojava plazme v zgornjih plasteh atmosfere. Polarni sij je vzbujal zanimanje tudi med Slovenci, ~eprav je bil na na{ih zemljepisnih {irinah viden bolj redko, denimo 24. in 25. 10. 1870 ter 14. 2. 1892. Magnetohidrodinamika ali, bolje, magnetofluidodinamika obravnava gibanje prevodnih teko~in v magnetnih poljih in tako zdruùje elektrodinamiko in hidrodinamiko. Astro- fiziki so se z magnetohidrodinamiko ukvarjali è od za~etkov fizike radiofrekven~ne plazme. Raziskovali so hidrodinamiko Sonca ter vir magnetnih polj Zemlje in Sonca. Obravnava tokov skozi sredico Zemlje se je razvila v raziskovanje gibanja nestisljivega prevodnega polja, ki je postalo osnovni problem magnetohidrodinamike. Prakti~no pa jo uporabljamo predvsem pri "magnetnih samofokusirajo~ih sistemih", temelju delovanja fuzijskih reaktorjev. Fizika plazme je kot posebna panoga nastala pozno glede na druge panoge znanosti. Zamuda je prinesla nekatere prednosti, saj si prav od raziskovanja plazme in fuzije obetamo re{itev energetske krize zaradi iz~rpanja fosilnih goriv. Nara{~anje cene pre- moga je predvsem Britance usmerilo k nadome{~anju termocentral z jedrskimi. Fuzija bi imela pred jedrskimi centralami seveda prednost, saj je devterij kot gorivo zelo poceni. Z uporabo v reaktorjih na zlivanje jeder tako fizika plazme obeta re{itev energetske krize in obenem zmanj{anje onesnaènja okolja. Sanje o umetnem Soncu so skoraj prirojene ljudem. V za~etku 1970-ih let se je po uspehih TOKAMAK-a T-3 v Sovjetski zvezi zdelo, da je kontrolirano zlivanje jeder pred durmi. Zanesenjaki so na~rtovali TOKAMAK-e za posamezna gospodinjstva... Vendar {e desetletja pozneje kaè, da re{itev le ni tako blizu. Ve~ina raziskovanj plazme je bila posve~ena kontroli energije zlivanja, ki naj bi se uporabljala kot neiz~rpen energijski vir. Temu problemu so posvetili ve~ino raziskovanj magnetne fuzije med letoma 1945 in 1958 in inercialne laserske fuzije.891 Poznamo dva osnovna tipa termonuklearnih reaktorjev. V prvem, katerega najstarej{i predstavnik je TOKAMAK, potrebujemo zunanjo energijo le za priìganje termonukle-

312 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK arne reakcije. Pri drugem tipu pa delci α prina{ajo premalo energije za vzdr`evanje reakcije, zato moramo energijo dovajati od zunaj.

14.11.1 Magnetne pasti in stellarator Leta 1952 sta V. D. [afranov v Sovjetski zvezi in neodvisno od njega Angle` M. D. Kroscal v tajnosti hladne vojne neodvisno drug od drugega na{la pogoje za stabilizacijo plazme z magnetnim poljem. Poskusi v Sovjetski zvezi so se izvajali pod vodstvom I. N. Golovina in N. A. Javlinskega. G. I. Budker je predloìl, da bi "trak" plazme vstavili {e v eno zunanje magnetno polje, usmerjeno vzdol` osi. Medsebojno delovanje tega polja s tokom po plazmi daje silo v smeri plazemske niti. ê pravilno izberemo velikost povpre~nega polja, lahko ta sila kompenzira balonski efekt. Nestacionarnost plazme je prisilila raziskovalce k iskanju drugih na~inov za zadrèvanje plazme z uporabo magnetnih polj. Leta 1952 so Budker v Sovjetski zvezi in neodvisno od njega York in Post v Livermoru v ZDA izdelali past, v kateri so za dalj{e zadrèvanje plazme uporabljali odboj nabitih delcev od podro~ja s pove~ano indukcijo magnetnega polja. Preprosta past je po obliki spominjala na steklenico z dvema grloma. Indukcija magnetnega polja je v grlih vi{ja kot sredi pasti. Ta povi{ana indukcija sestavlja magnetni zama{ek, ki prepre~uje pobeg plazme iz pasti. Zato je Budker svojo konstrukcijo pasti z "magnetnimi zama{ki" imenoval "probkotron". V ZDA so enako past imenovali "sistem z magnetnimi zrcali". Budker je leta 1953 domneval, da se masa delcev spreminja med prehajanjem skozi past, kar so eksperimentalno zaznali na napravi OGRA* v Sovjetski zvezi in DSH v ZDA. OGRA, zgrajena 1958 na In{titutu za atomsko energijo Kur~atova, je imela vakuumsko posodo premera 1,4 m in dolìne 12 m. Magnetno polje sredi pasti je dosegalo do 0,5 T, na koncih pa do 0,8 T. V tako velikih napravah so è lahko dosegali vakuum 10–9 mbar. 892 Druga, precej manj{a past PR-1 je delovala pod vodstvom M. S. Ioffeja na istem in{titutu (slika 14.15). Premer vakuumske posode s tlakom do 0,8 · 10–7 mbar je bil 0,5 m,

Slika 14.15: Fotografija Ioffejevega "PR-1" 892

* "Odin GRAmm nejtronov v sutki", gram nevtronov na dan naj bi ravno zadostoval za termo- jedrsko reakcijo.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 313 razdalja med magnetnimi zama{ki pa okoli 1 m. Sredi prostora je bilo magnetno polje gostote 0,2 T, v zama{kih pa 3,4 T. @e pred za~etkom poskusov na PR-2 so leta 1957 B. B. Kadomcev v Sovjetski zvezi ter Rosenblut in C. L. Longmire v ZDA predvideli, da iz pasti v magnetnem polju plazma ne be`i le skozi zama{ke, temve~ tudi povprek ~ez magnetno 893

polje (slika 14.16). 894 Argentinski predsednik Peron, mo` lepe Evite iz Madonninega filma, je marca 1951 objavil, da so njegovi raziskovalci uspe{no izpeljali kontrolirano termonuklearno reakcijo. Novica je spravila k razmi{ljanju Spitzerja, ki se je z druìno ravno odpravljal na teden dni smu- ~anja. Premi{ljeval je med dolgim ~akanjem na Slika 14.16: Skica magnetne pasti894 vle~nico in po vrnitvi v Princeton zasnoval stellarator.* Komisija za atomsko energijo mu je takoj pla~ala leto dni teorijskega raziskovanja stellaratorja za "pridobivanje energije iz termonuklearnih reakcij v devteriju ali devteriju in tritiju". Po teorijskem raziskovanju so za~eli poskuse pod vodstvom Van Allena z Univerze Iowa, ki je najprej predloìl enostavni model A s stekleno vakuumsko posodo premera 5 cm. Sledil je model B z enako veliko vakuumsko posodo, v kateri so zmanj{ali premer plazme na 2,5 cm, magnetno polje pa na 5 T. Z ultravisokim vakuumom so zmanj{ali tok ne~isto~ s sten in dobili dobro soglasje z napovedmi magnetohidrodinamike. Zdelo se je, da je uspeh pred durmi. Zato so za~eli sestavljati {tirikrat ve~ji model C, ki naj bi mu sledil model D v obliki è uporabnega reaktorja. @al so podrobnej{i poskusi pokazali, da je bil ~as omejitve plazme v modelu B nepri~a- kovano kratek, reda velikosti 10–4 s. Zato je Komisija za atomsko energijo kon~ala program na modelu C. Ker je izdelava è potekala, so maja 1961 vendarle za~eli

poskuse, ki so dali za red velikosti vi{ji ~as omejitve plazme. 895 V stellaratorjih so se te`av v toroidnih magnetnih poljih znebili s konstrukcijo v obliki {tevilke "8" za magnetno zadr`evanje plazme (slika 14.17). Magnetne sile iz tanke magnetne tuljave, ovite okoli vakuumske posode v obliki osmice, so usmerjale vodikove

Slika 14.17: Skica stellaratorja895

* zvezdna pentlja

314 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK ione v posodo. Nenavadna posoda je bila na Univerzi Princeton uporabljena zato, da bi prepre~ila izgube energije pri trkanju vodikovih ionov ob steno. Nabiti delec se je v eni zanki gibal v smeri urinega kazalca, v drugi pa v nasprotni smeri; odmik delcev se je tako izni~il. Dotedanji vodja izdelave ameri{ke vodikove bombe, Teller, je leta 1954 na Kalifornijski univerzi dognal, da ta oblika stellaratorja ni odporna proti vzbujanju plazme vzdol` vija~ne ~rte. Teàvo je pozneje razre{il Spitzer, ki je v Princetonu med letoma 1953 in 1966 vodil laboratorij za fiziko plazme, sprva pod skrivnim imenom "projekt Matterhorn".896 Ker nobena posoda ne more obdràti ~esa tako vro~ega, kot je plazma, jo je bilo treba dràti v omejenem prostoru z magnetnimi polji v "magnetni steklenici". Seveda plazma ne sme iz steklenice, saj bi se na stenah posode ohladila in tako zniàla temperaturo, potrebno za fuzijo. V ZDA so è konec 1950-ih let dosegali okoli 10 milijonov stopinj. Podobne poskuse so delali v Sovjetski zvezi, Veliki Britaniji, [vedski, Nem~iji, Japonski in drugod. Britanci so kot pionirji novega podro~ja raziskav sestavljali posebno velike naprave. Sprva so kot reakcijsko substanco uporabljali devterij, pozneje pa tritij, s katerim so bile teàve zaradi sevanja ve~je. Pri uporabi ~istega devterija, kjer dve tretjini energije nosijo nabiti delci, se je zdelo mo`no vso energijo delcev pretvoriti naravnost v elektri~no energijo. Podobno batu v parnem stroju si lahko zamislimo gibljivo plazmo, ki deluje proti magnetnemu polju, in elektri~ni tok, ki odna{a energijo. V me{anici devterija in tritija pa ve~ino energije odnesejo nevtroni. Ovira iz teko~ega litija se lahko uporabi za absorpcijo nevtronov in za spremembo njihove energije v toplotno; razpad litija pa obenem proizvaja uporabne tritijeve atome. Energija zlivanja jeder se potem uporabi za segrevanje zunaj plazme, ki se potem znova uporabi za proizvodnjo {e ve~ energije. Leta 1952 so v Sovjetski zvezi ugotovili, da je za mo~ne "pinche" v razred~enem devteriju zna~ilno, da pri nekaterih pogojih postanejo vir mo~nega sevanja nevtronov in rentgenskih àrkov. Bennettov "pinch"-efekt je postal stalna tema raziskovanj astrofizike in geofizike, v drugi polovici 20. stoletja pa tudi fuzije, ki pa je ni bilo lahko kontrolirati ali stabilizi- rati. Leta 1950 so v Sovjetski zvezi in ZDA predloìli uporabo Bennettovega odkritja magnetne termoizolacije plazme za kontrolirano termonuklearno zlivanje jeder. Med letoma 1950 in 1951 so za~eli na dràvni ravni raziskovati "pinch"-efekt devterija v Sovjetski zvezi, ZDA in Veliki Bri- taniji. V ZDA so zastavili projekt Sherwood za razvoj kontroliranega izhoda mo~i fuzije. Raziskovanje se je z majhno podporo za~elo leta 1951, do leta 1959 pa so za Slika 14.18: Fotografija naprave za raziskova- projekt dajali è po 40 milijonov dolarjev nje fuzije v Oak Ridgeu897

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 315 letno. Celo vrsto eksperimentalnih naprav za raziskovanje "pinch"-efekta so postavili v znanstvenem laboratoriju v Los Alamosu. Med njimi je napravo, zgrajeno leta 1952, Gamow posre~eno krstil za "Perhapsatron". V njem so vodikovi ioni kro`ili v vakuumski elektronki oblike, podobne krofu, elektri~ni tok pa jih je potegnil skupaj v ozko kolono znotraj elektronke. Plazmo je omejevalo le magnetno polje, ki je nastajalo zaradi samega toka plazme, kar ni omogo~alo `elene stabilnosti. V laboratoriju Univerze Lavrence Livermore v Kaliforniji so izbrali druga~en na~in re{evanja problemov fuzije, imenovan "magnetna zrcala". Namesto prostora v obliki krofa so uporabili ravno cev; vodikovo plazmo so lovili z mo~nimi magnetnimi polji in "odbijali" nazaj s konca cevi v notranjost. V nacionalnem laboratoriju v Oak Ridgeu so se fuzije lotili z zaganjanjem molekul devterija navzdol v reakcijsko posodo. Tam so jih ionizirali z elektri~no oblo~nico in

nato nanje vplivali z magnetnimi polji (slika 14.18). 897

14.11.2 TOKAMAK Struktura magnetnega polja v TOKAMAK-u* (slika 14.19) je zelo podobna stellaratorju; le vrtenja silnic magnetnega polja ne dobijo z zunanjim ovojem vija~nice, temve~ s tokom, ki te~e vzdol` plazme. Zaprte magnetne povr{ine so pri obeh napravah podobne. TOKAMAK je najenostavnej{a in najbolje raziskana omejitvena shema za plazmo, saj je potrebno le najenostavnej{e toroidno polje, plazma in tok. Prvi TOKAMAK je leta 1956 razvila Arcimovi~eva skupina na In{titutu za atomsko energijo Kur~atova v Sovjetski zvezi. Dosegali so temperature 15 milijonov stopinj.898 Sprva so za TOKAMAK uporabljali naziv "Toroid v magnetnem polju (TMR)". Leta 1958 so sestavili T-1 s posodo iz nerjave~ega jekla, vendar so dosegali le nekaj tiso~ stopinj in niso presegli potencialne bariere. Prakti~no enaka T-1 in T-2 sta imela vakuumsko posodo premera 125 cm pri 899

najve~ji magnetni poljski jakosti 0,8 MA/m. 900

Slika 14.19: Skica TOKAMAK-a900

* V ruskem jeziku: "Toroidal’naja KAmera s MAgnitnymi Katu{kami"

316 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Lev Andreevi~ Arcimovi~ iz Moskve se je {olal v Minsku. Med letoma 1930 in 1944 je raziskoval v Leningrajskem Fizikalno-tehni{kem in{titutu Nacionalne akademije Sovjetske zveze, nato pa v In{titutu za atomsko energijo Kur~atova. Leta 1936 je s sodelavci dokazal ohranitev impulza pri anihilaciji pozitrona in elektrona. Od leta 1951 je vodil raziskovanje termonuklearne sinteze v Sovjetski zvezi. @e naslednje leto je skupaj z Leontovi~em iz Moskve in sodelavci odkril sevanje nevtronov v visokotemperaturni plazmi.

Leta 1955 je bila v @enevi prva mednarodna konferenca za mirno uporabo atomske energije, na kateri {e ni bilo govora o fuziji. Leta 1956, po februarskem govoru Nikite Hru{~ova proti stalinizmu na 20. kongresu komunisti~ne partije Sovjetske zveze, je Kur~atov v Harwelskem atomskem centru v Angliji predaval o temeljnih termonuklearnih raziskavah in tako z njih razkril dotedanjo zaveso skrivnosti. Dve leti pozneje se je izmenjava izku{enj nadaljevala na 2. mednarodni konferenci za mirno uporabo atomske energije pod okriljem OZN v @enevi, kjer je Spitzer prvi~ javno predstavil svoj stellarator. Leta 1961 so se raziskovalci sre~ali v Salzburgu na 1. mednarodni konferenci za fiziko plazme in kontroliranega zlivanja jeder. Ob {tevilnih monografijah vodilnih raziskovalcev901 je fizika plazme postala priznano raziskovalno podro~je na obeh straneh "èlezne zavese". Odkritje N. V. Filippova v za~etku 1950-ih let je do dana{njih dni ostalo ena realnih ina~ic re{itev termonuklearnega problema. Ko je postalo jasno, da je ena od glavnih poti izgube energije pri teh razelektritvah povezana z izlo~anjem primesi, je akademik Arcimovi~ predloìl zamenjavo stene posode za razelektritev z bakrom. Domneval je, da bo visoka toplotna prevodnost bakra zmanj{ala gretje povr{ine pri stiku s plazmo in se bo zmanj{al tok primesi v plazmo. Zaradi varnosti so stransko steno prostora elektri~no povezali s katodo. Ko so na anodo pritisnili impulz visoke napetosti, je v prostoru zasvetila razelektritev. Raziskovalci so bili presene~eni nad izrednim pojavom, saj je sprememba materiala bo~ne stene pripeljala k velikemu pove~anju {tevila izhodnih nevtronov. Druga~e kot pri navadni razelektritvi se je v tem sistemu nevtronski impulz za~el vesti stabilno. N. V. Filippov je s svin~evimi kolimatorji z majhno odprtino in z notranjim nevtronskim {tevcem na{el izvir nevtronov v izredno majhnem podro~ju na osi med anodo in katodo velikosti okoli 1 cm. Kazalo je, da se med spro{~anjem tako sestavljenih nabojev pod tlakom magnetnega polja plazma od vseh strani usmeri v sredi{~e sistema. V to~ki simetrije "potoki" plazme trkajo in tvorijo povr{insko zgostitev, iz katere izhajajo nevtroni. To podro~je in z njim ves sistem so poimenovali "plazmatski fokus". Tok plazme se je zbiral ob osi na podoben na~in, kot se svetlobni àrki zbirajo v gori{~u le~e. Na 2. mednarodni konferenci o fiziki plazme in kontroliranem zlivanju jeder v Angliji leta 1965 je Bohm opisal zvezo med ~asom obstoja, temperaturo in velikostjo magnetnega polja v plazmi, ki je kazala izrazit pesimizem do delovanja termonuklearnega reaktorja; Bohm je namre~ predvidel kraj{anje ~asa obstoja plazme z nara{~anjem njene temperature. Leta 1961 so v Sovjetski zvezi sestavili T-3 s toroidno posodo premera 200 cm, na katerem so za~eli s poskusi poleti 1962. Manj{i "premer plazme", tj. 40 cm, so z dvema vakuumskima ~rpalkama dosegali pri tlaku4·10–8 mbar ob najve~ji magnetni poljski jakosti 3 MA/m. Leta 1968 so prvi dobili kvazistacionarno termonuklearno reakcijo in na 3. mednarodni konferenci o fiziki plazme in kontroliranem zlivanju jeder v Novosibirsku objavili, da se jim je posre~ilo prese~i radiacijsko pregrado, pod katero je skoraj vsa vloèna energija odhajala z izlo~anjem primesi. V TOKAMAK-u T-3 naj bi dosegali deset milijonov stopinj, kar je bilo skoraj desetkrat ve~ kot v najbolj{em stellaratorju.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 317 Ameri~ani tega sprva niso hoteli verjeti, zato so na konferenci sproìli razpravo o metodah merjenja temperature in drugih lastnosti plazme in sku{ali najti napako v meritvah sovjetskih kolegov. Angleì so naslednje leto sami merili temperaturo v T-3 in dobili {e vi{jo vrednost. Zato so v ZDA prenehali razvijati stellaratorje, ki so bili videti kot slepa pot. Najve~ji stellarator model C so predelali v TOKAMAK ST. Odstranili so vija~no navitje in vstavili ve~jo vakuumsko posodo.902 Poskuse so za~eli leta 1970 in o njih è naslednje leto poro~ali na mednarodni konferenci o fiziki plazme in kontroliranem zlivanju jeder v Madisonu. Na MIT-u so postavili TOKAMAK, ki je bil sicer nekoliko manj{i od sovjetskega T-3, vendar je zmogel skoraj trikrat mo~nej{e magnetno polje 9 T. Model T-3 je po vrsti modernizacij, imenovanih T-3a in T-4 obratoval do leta 1978. Poznej{i uspehi stellaratorjev v Sovjetski zvezi, kjer so prvega postavili leta 1962 v Fizikalnem in{titutu P. N. Lebedeva pri akademiji znanosti, so povzro~ili ponoven obrat, saj so tedaj imeli v ZDA okoli 20 TOKAMAK-ov in nobenega stellaratorja. Zato so Princetonov TOKAMAK PLT,* ki je dosegal 60 milijonov stopinj, predelali v stellarator. Sredi leta 1983 je Nacionalni raziskovalni laboratorij v Oak Ridgeu dobil è 15 milijonov dolarjev za stellarator. Leta 1982 so v TOKAMAK-u T-10 v Sovjetski zvezi pri ionih v osi nitke, ogrevanih s curki hitrih atomov, dosegli è "energijski ìvljenjski ~as" 0,1 s in temperaturo 80 milijonov stopinj. V naslednji generaciji TOKAMAK-ov so na T-15 v Sovjetski zvezi, TFTR** v ZDA, JET v Evropski skupnosti in JT na Japonskem dosegali parametre plazme blizu tistim, potreb- nim za termonuklearni reaktor. Leta 1957 je J. D. Lawson pokazal, da mora produkt med gostoto ionov v plazmi in zapornim ~asom presegati 3 · 1020 s/m3, da bi obdràli termonuklearno reakcijo po prenehanju zunanjega segrevanja. Leta 1994 se je TFTR v Princetonu è mo~no pribliàl Lawsonovemu kriteriju za produkt med gostoto ioniziranih jeder in ~asom, ki naj bi po dana{njih izra~unih presegal 2 · 1020 s/m3. Dosegali so temperature do 4 · 108 K, vendar ne pri istem poskusu. TFTR je za~el delovati konec leta 1982, vendar je pozneje Laboratorij za plazmo v Princetonu za{el v krizo, tako da je od 1300 zaposlenih leta 1984 ostalo le {e 800. Pozneje se je izkazalo, da bi cena preskusnega reaktorja presegla mo`nosti posameznih dràv. Zato je leta 1985 Mihail Gorba~ov predloìl Ronaldu Reaganu skupno izdelavo TOKAMAK-a. Na osnovi tega dogovora se od leta 1987 dalje v Garchingu v Nem~iji v presledkih sestajajo raziskovalci Evropske skupnosti (s [vico), Japonske, Rusije in ZDA. Aprila 1988 so se odlo~ili za skupno gradnjo TOKAMAK-a ITER***.903 Toroid plazme naj bi bil {irok okoli 5 m, dolg 10 m, premer okrog sredi{~ne linije toroida pa naj bi bil okoli 50 m. Koncept za ITER je bil dodelan leta 1990. Na Japonskem so prav tedaj za~eli graditi napravo tipa stellaratorja z manj{im pol- metrskim polmerom vakuumske posode. Naprava je mnogo manj{a od ITER, vendar omogo~a bolj neposredno primerjavo s TOKAMAK-i.

* Princeton Large Torus ** Tokamak Fusion Test Reactor v Princetonu *** International Thermonuclear Experimental Reactor

318 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 14.11.3 Laserska metoda Zlivanje jeder je mogo~e uravnavati z impulzno metodo brez uporabe magnetnega zadrèvanja plazme. Zgo{~ino devterija in tritija premera okoli milimeter lahko segrejemo v zelo kratkem ~asu, v katerem se {e ne more razleteti. Pri tem nastane zelo visok tlak, ki omogo~a intenzivnej{o izmenjavo toplote med elektroni in protoni. Uporabljamo dobro fokusirano, mo~no lasersko sevanje, ki mora zgo{~ino so~asno segrevati z vseh strani v ~asu reda velikosti nanosekunde. Na~in kaè nekaj tehni~nih in konstrukcijskih teàv, denimo, kako koristno izrabiti dobljeno energijo nevtronov (slika 904

14.20). 905 Prvo lasersko termonuklearno zlivanje se je posre~ilo leta 1968 v laboratoriju Basova na napravi Kalmar v Fizikalnem in{titutu P. N. Lebedeva pri Sovjetski akademiji znanosti. Basov je leta 1964 dobil polovico Nobelove nagrade za fiziko za raziskovanja v kvantni elektroniki, ki so pripeljala do iznajdbe laserjev in maserjev. V laboratoriju Univerze Lawrence Livermore v Kaliforniji so leta 1995 izdelali dotlej najmo~nej{i (1015 W) laser za raziskovanje fuzije.

Slika 14.20: Skica projekta laserskega termonuklearnega reaktorja905

14.11.4 Nepretrgano gretje plazme Metodo so razvili v Laboratoriju za fizikalne probleme v Moskvi pod vodstvom Kapice leta 1969.906 Druga~e od TOKAMAK-a in laserske metode je skupina Kapice slu~ajno na{la metodo za pridobivanje "gore~e" plazme. @e leta 1950 so izdelali mo~an visokofrekven~ni generator "Nigotron", ki je deloval nepretrgoma. V enem izmed modelov so valovanje prepu{~ali skozi kroglo iz kremena, napolnjenega s helijem pri tlaku 133 mbar. Krogla je v ostrih mejah za`arela za nekaj sekund, tako da se je na enem mestu stopila. Leta 1955 so objavili hipotezo, da se tudi kroglasta strela v nevihtnih oblakih pojavi po navadni streli zaradi nihanja pri visokem tlaku, ki dovaja energijo za svetlikanje krogle. Marca 1958 so za~eli meriti parametre plazme s kroglastim resonatorjem, napolnjenim s helijem pri navadnem tlaku. Dobili so prosto padajo~i naboj ovalne oblike, ki je nastal v obmo~ju maksimuma elektri~nega polja in se je po~asi gibal po krogu ter se ujemal s silnicami.

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 319 Najzanimivej{e je bilo sevanje plazme v vodiku ali devteriju. Pri majhnih mo~eh razelektritev ni imela strogo dolo~enih mej in je svetila difuzno. Pri ve~jih mo~eh je svetila bolj, premer razelektritve se je pove~al, v notranjosti pa je nastalo strogo lo~eno jedro v obliki niti. V prvotnih poskusih so razelektritev vzbujali z mo~jo do 15 kW pri tlaku 5 bar. îm ve~ji je bil tlak, tem stabilnej{a je bila razelektritev in tem izrazitej{a je bila oblika jedra plazme. S preu~evanjem prevodnosti plazme ter z aktivno in pasivno spektralno diagnostiko so ugotovili, da imajo elektroni v sredi{~u razelektritve zelo visoko temperaturo, ve~ milijonov stopinj. Na meji niti plazme nastane velik temperaturni gradient, ki ga lahko omogo~i le dobro temperaturno izolirana plast. Sprva je tolik{en gradient vzbujal dvome, dokler zanj niso na{li fizikalne razlage. Na meji "gore~e" plazme mora nastati dvojna elektri~na plast, od katere se elektroni odbijajo brez izgube energije. Podobno je, ko plazmo obdamo s plastjo dielektrika, denimo stekla ali porcelana. Zaradi dvojne elektri~ne plasti na povr{ini dielektrika imajo lahko tudi pri vi{jih tlakih elektroni temperaturo ve~ 10 000 stopinj, ne da bi zaznavno greli stene posode. Model tak{ne toplotne izolacije plazme je prvi opisal Langmuir. Elektroni pri trku ob dielektrik prodrejo globlje od bolj okornih ionov. Prostorninski naboj elektronov seè zato globlje od povr{inskega naboja ionov in obrne elektri~no polje dvojne plasti tako, da se hitri elektroni od njega elasti~no odbijajo. V 1970-ih letih so zelo izbolj{ali metodo mikrovalovne diagnostike, tako da so lahko v plazmi z natan~nostjo 5 % merili porazdelitev gostote po polmeru niti ter njeno odvisnost od magnetnega polja in tlaka. Pojasnjene so bile okoli{~ine, ki peljejo k stabilizaciji niti plazme. Nekajkrat so pove~ali mo~, dovedeno niti, in dvignili temperaturo elektronov do 50 milijonov stopinj. Tako bi lahko dobili zlivanje devterija s tritijem brez dopolnilnega segrevanja plazme z magneto-akusti~nim nihanjem, ~e bi se dalo zagotoviti temperaturno ravnovesje med ionskim in elektronskim plinom. To bi zelo poenostavilo konstrukcijo termonuklearnega reaktorja. êprav je bila konstrukcija Kapi~evega reaktorja na nepretrgano gretje plazme zelo enostavna, je Kapica dvomil, ali ga bo mogo~e uporabiti za kontrolirano zlivanje jeder. Konvekcijskih procesov izmenjave toplote namre~ ni mogo~e oceniti s teorijo in jih je zato Kapica moral eksperimentalno raziskati konec 1970-ih let. Maxwell je prvi opisal mo`nost nastanka konvekcije v zraku okoli radiometra zaradi notranjih napetosti, ki jih povzro~ajo gradienti temperature ob lopaticah mlina. Malo pred smrtjo je pri raziskavah Crookesovega radiometra pokazal, da so notranje napetosti sorazmerne kvadratu viskoznosti in odvodu gradienta temperature.907 Viskoznost je sorazmerna povpre~ni prosti poti, ki je pri navadnih plinih in pri navadnih tlakih blizu 10–4 mm. Pri majhnih gradientih temperature je potem notranja napetost premajhna za meritev. Pri plazmi povpre~na prosta pot sega do centimetra, gradient temperature pa je velik. Zato je notranja napetost po Maxwellovi ena~bi tudi desetkrat ve~ja kot v plinu in lahko v plazmi povzro~i konvekcijski tok in turbulence. Magnetno polje lahko vpliva na naravo tega pojava. Dodatno delovanje elektri~nega polja àl popolnoma onemogo~a celo grobo oceno mo~i konvekcije, potrebne za u~inkovito segrevanje ionov. Podobno nam prikrije morebitno nara{~anje kriti~ne velikosti niti plazme v reaktorju z ve~anjem dimenzij reaktorja brez ustreznega pridobivanja energije. Slednje bi seveda postavilo pod vpra{aj gospodarnost konstrukcije reaktorja te vrste.908

320 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 14.12 Prihodnost raziskovanja plazme in plazemskih tehnologij

V idealni limiti brez sipanja je plazma popolnoma zmrznjena na silnicah magnetnega polja. Resni~na plazma pa je navadno turbulentna in kompleksna, tako da je raziskovanje njenega vedenja postalo eden klju~nih prispevkov k razvoju nelinearne fizike. Dolgoletne te`ave so spodbudile raziskovalce k {aljivi pripombi, da re{itev problemov fuzijskega reaktorja odpira pred novincem na tem podro~ju vedno nove probleme z vedno dra`jimi re{itvami kot tar~a, ki se sproti odmika. Re{itev problema fuzije naj bi bila "vedno 20 let pozneje". Vendar ni dvoma, da je fuzijski reaktor zmogljivosti 1 GW mogo~e zgraditi, ~eprav je veliko problemov {e odprtih. Osnove fizike plazme v TOKAMAK-u so dovolj dobro raziskane, vendar je veliko raziskovanja {e vedno usmerjeno v razumevanje podrobne narave mikroturbulenc, ki povzro~ajo anomalno prepustnost energije in goriva. Brez pridr`kov je mogo~e napovedati, da bo fizika plazme ostala `ivo raziskovalno podro~je. Temeljni problemi dinamike Zemlje in vpliva magnetnih polj na kozmolo{ki razvoj ostajajo odprti. Ob raziskovanju fuzije nastajajo nove nena~rtovane plazemske tehnologije. Uspehi so predvsem rezultati "Edisonovega na~ina" poskusov in napak; ta res prina{a uspeh, vendar le ob visokih stro{kih. Podrobno razumevanje z mo`nostjo predvidevanja turbulenc in vedenje fuzijske plazme so pomembni izzivi sodobne fizike. Plazma postaja vedno pomembnej{a v tehnologiji varjenja, rezanja, ~i{~enja in nana{anja tankih plasti debeline 2,5–5 μm, sterilizacije itd. Najpomembnej{a in najdonosnej{a pa je uporaba plazme za jedkanje, ki je bilo v poznih 1970-ih letih prvi~ uporabljeno v proizvodnji ~ipov in je postalo nepogre{ljivo za proizvodnjo VLSI*. V letu 1990 je svetovna industrija s plazemskimi procesi ustvarila dohodke okoli milijarde ameri{kih dolarjev. Prednost plazemskih procesov je predvsem ta, da omogo~a anizotropno odstranjevanje materiala polprevodnika, izolatorja ali kovine. Pri plazemskem jedkanju z reaktivnimi ioni vódeno obstreljevanje s hitrimi ioni dopolnjujemo s kemijsko reaktivnimi interakcijami. Jedkanje zato poteka v smeri pravokotno na povr{ino. Posto- pek omogo~a dovolj hitro in enakomerno jedkanje brazd v siliciju debeline 0,2 μm in globine 4 μm, ki jih jedkanje s teko~inami ali druge sodobne metode ne zmorejo (slika 14.21). 909 Plazmo uporabljajo v pospe{evalnikih; s prostorsko nabitimi valovi v plazmi dobijo zelo mo~na elektri~na polja, ki se premikajo s fazno hitrostjo blizu svetlobni. Tako je plazma nepogre{ljiva v vseh industrijah, kjer se obra~a najve~ denarja: vesoljski, pospe{evalni{ki, fuzijski in ra~unal- Slika 14.21: Fotografija naprave za ni{ki. plazemsko jedkanje909

* Very Large Scale Integration

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 321 14.13 Sklep

"Sedaj lahko opazujemo svoje vesoljsko okolje z rentgenskimi in àrki γ – sevanji, ki jih oblike plazme ve~inoma oddajajo. Tradicionalno je na{e poznanje vesolja izhajalo iz opazovanja vidne oktave, pozneje dopolnjene z radijskimi frekvencami in nekaterimi pogledi v infrarde~e. Vesoljska doba nam je omogo~ila, da ne gledamo ve~ le 'vidnega vesolja', temve~ tudi 'vesolje plazme'... Razmerje med vidnim in plazemskim vesoljem je podobno razmerju med vidno in rentgensko sliko ~loveka... Podobno kot nam vidna slika daje informacijo o povr{ini nebesnih teles, nas raziskovanje plazme pou~i o strukturi prostora med planeti in, z ekstrapolacijo, o tem, kako je Son~ev sistem neko~ nastal iz drobnih delcev plazme... Prehod od 'vidnega vesolja' k 'vesolju plazme' je v nekaterih pogledih podoben prehodu od geocentri~ne k heliocentri~ni kozmologiji pred 400 leti. Zadnjo ve~inoma pripisujejo Koperniku, vendar je bila Galileijeva uporaba teleskopa morda bolj pomembna, saj je dala veliko novega materiala za opazovanje. V resnici je è 2000 let pred Kopernikom Aristarh s Samosa predloìl heliocentri~ni sistem, vendar ga ni mogel dokazati brez teleskopa. Podobno nam uporaba vesoljskih plovil daje bogate nove informacije, ki kli~ejo k novemu modelu vesolja."910 V tabeli 14.1 je pregled Nobelovih in Crafoordovih nagrad, ki so jih prejeli vodilni raziskovalci plazme.

Tabela 14.1: Nobelove nagrade raziskovalcev plazme

Podro~je raziskovanja Leto Raziskovalec Znanost Plazma Drugo 1932 Langmuir kemija tanke plasti povr{in 1947 Appleton fizika lastnosti ionosfere teorija teko~ega 1962 Landau fizika helija teorija jedrskih reakcij, ki dajejo energijo 1967 Bethe fizika zvezdam 1970 Alfvén fizika magnetohidrodinamika in fizika plazme 1978 Kapica fizika nizke temperature 1983 Chandrasekhar fizika teorija strukture in evolucije zvezd astronomija 1985 Spitzer (Crafoordova medzvezdna snov nagrada)

14.14 Sirkova plazma in za~etki fizike na ljubljanski Univerzi

Boltzmannove transportne ena~be so temelj raziskovanja plazme; pri njem sam Boltzmann ni ve~ aktivno sodeloval, razen kot mentor raziskav "katodnih `arkov" z ogromnim elektromagnetom dunajskega Fizikalnega in{tituta. Boltzmann je 18. 3. 1906 ocenil disertacijo J. Radakovitsa z meritvami prevodnosti ioniziranega zraka pri razli~nih tlakih kot "ne ~isto brez znanstvenega interesa". J. Radakovits je opisal zgodovino raziskovanja lastnosti segretega zraka in {e posebej Nahrwoldovo delo.911 Postal je profesor v Gradcu in si je veliko dopisoval z na{im matematikom Plemljem.

322 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Na{ prvi pomembni raziskovalec tlivnih razelektritev in plazme je bil Hugo Victor Carl Sirk, rojen 11. 3. 1881 v Gradcu. Fiziko je {tudiral pri Pflaundlerju v Gradcu, saj je bil Czermak izredni profesor eksperimentalne fizike na Univerzi v Gradcu le do 30. 3. 1898 in je od{el pred za~etkom Sirkovega {tudija. Teorijsko fiziko je predaval Wassmuth, ki je leta 1893 po dvakratni neuspe{ni kandidaturi le pre{el v Gradec iz Prage in od tam prinesel Pulujevo in Gintlovo zanimanje za "katodne àrke". Wassmuthu je pomagal tudi Streinz, ki je bil obenem tudi profesor na Visoki tehni{ki {oli v Gradcu od leta 1892. Na katedri za teorijsko fiziko Univerze v Gradcu sta bila docent Hausmaninger ter izredni profesor S. [ubic, ki je bil upokojen sredi Sirkovih {tudijev septembra 1902. Gra{ki Fizikalni in{titut, kjer je Sirk leta 1904 doktoriral in delal v naslednjih letih, je bil dobro opremljen za raziskovanje razelektritev v plinih, saj sta tam kmalu po odkritju snemala rentgenske fotografije tako Pflaundler kot Czermak.912 Pfaundler je è 21. 1. 1896 na seji dunajske Akademije objavil lastno rentgensko fotografijo igle v dlani za potrebe kirurgije z osvetlitvijo 15–20 min, osem dni za Boltzmannovim poro~ilom.913 Obenem z raziskovalnim delom se je Sirk uveljavljal na univerzi, tako da ga je pot zanesla celo v Ljubljano. @e pred ustanovitvijo ljubljanske Univerze leta 1919 so se na pobudo in`. Milana [ukljeta za~ela predavanja na za~asnem visoko{olskem te~aju za {tudente, ki so nameravali {tudirati tehniko. Predavanja so trajala od marca do novembra 1919 in so {tela za dva semestra {tudija tehnike. Na njih je Rihard Zupan~i~ pou~eval matematiko. Rubinowitcz je postal prvi redni profesor za teorijsko fiziko Filozofske fakultete Univerze v Ljubljani 24. 7. 1920, vendar je 23. 2. 1922 od{el na Tehniko v Lvov. Predmet Teorijska fizika na Filozofski fakulteti je za njim prevzel profesor na Realni gimnaziji Poljane Ku{ar iz Rete~ pri [kofji Loki. Na ni`ji gimnaziji v Kranju in vi{ji v Ljubljani je prejemal Schifersteinovo {tipendijo za nadarjene u~ence. Med {tudijem na dunajski Filozofski fakulteti je prejemal Knafljevo {tipendijo od leta 1892/93. Leta 1896 je kon~al {tudij matematike in fizike in naslednjega leta doktoriral z disertacijo s podro~ja matematike: "Kongruence tretje in ~etrte stopnje". Leta 1898 je opravil {e diplomski izpit, s katerim je lahko pou~eval matematiko in fiziko na srednjih {olah. Pou~eval je v Kranju, Kopru in Ljubljani. Bil je na strokovnem izpopolnjevanju v Berlinu leta 1903 in v Parizu leta 1902, 1928 in 1937. Leta 1919 je kraj{i ~as pomagal pri organizaciji {olstva na Ministrstvu za uk in bogo~astje v Beogradu. Od decembra 1919 je na tehni{ki fakulteti vodil te~aj eksperimentalne fizike kot "honorarni nastavnik", skrbel za Fizikalni in{titut, opremljal laboratorij in vodil knji`nico. Matematiko je na tehni{ki fakulteti honorarno predaval Rihard Zupan~i~. 1. 9. 1924 je Ku{ar postal izredni profesor eksperimentalne fizike na tehni{ki fakulteti. Pohvalno strokovno mnenje zanj je napisal matematik in drugi rektor ljubljanske Univerze prof. Zupan~i~. Zaradi teàv z o~mi je bil ve~krat na bolni{kem dopustu in je bil 31. 10. 1932 upokojen. Predavanja iz eksperimentalne fizike so bila na realni gimnaziji do spomladi 1925, ko je tehni{ka fakulteta dobila za svoj fizikalni in matemati~ni in{titut visoko pritli~je v vzhodnem traktu glavnega univerzitetnega poslopja. Tam je delovala nadaljnjih dvajset let. Zaradi Ku{arjeve bolezni je leta 1927 na tehni{ki fakulteti honorarno predaval fiziko Nardin s tehni{ke srednje {ole. Med aprilom 1928 in letom 1934 ga je kot pogodbeni redni profesor eksperimentalne fizike na tehni{ki fakulteti zamenjal dunajski privatni docent Sirk. Proti njegovi izvolitvi sta bila profesorja Plemelj in Zupan~i~, vendar sta bila preglasovana. Kljub slovenskemu poreklu je sloven{~ino obvladal le na pol, o~itali pa so mu, da je Nemec. Pou~eval je Peterlina in leto dni starej{ega Miroslava Adle{i~a. Adle{i~ je diplomiral leta 1930 iz fizike, kar se je poleg njega posre~ilo le {e enemu kandidatu do druge svetovne vojne. Peterlin, Anton Moljk, Ivan Ku{~er in drugi so raje

ZGODOVINA RAZISKOVANJA PLAZME 323 diplomirali iz matematike. Leta 1930 sta Peterlin in Kuhelj postala pomo`na asistenta na tehni{ki fakulteti, kjer je Peterlin predaval eksperimentalno fiziko od leta 1933 dalje. Peterlin je tedaj postal Sirkov asistent in je mesto obdr`al tudi po Sirkovem imenovanju za docenta na dunajski Univerzi leta 1934, ko je predavanja fizike na tehni{ki fakulteti prevzel docent za mehaniko Kuhelj. V letih 1930 in 1931 so za rednega profesorja teorijske fizike na Filozofski fakulteti v Ljubljani brez uspeha posku{ali nastaviti Hrvata Stjepana Mohorovi~i}a. Leta 1938 je bil Kuhelj izvoljen za izrednega profesorja in je nekaj ~asa nadome{~al Peterlina pri pouku fizike. Po vrnitvi s {tudijskega dopusta v Nem~iji je bil Peterlin leta 1939 izvoljen za docenta in je istega leta pre{el s Tehni{ke na Filozofsko fakulteto. Leta 1939 je bil za honorarnega predavatelja eksperimentalne fizike na Filozofski fakulteti nastavljen dr. Rihard Klemen, docent na tehni{ki fakulteti. Naslednje leto je Moljk postal asistent na Zavodu za fiziko, Peterlin pa honorarni predavatelj fizike na tehni{ki fakulteti. Pred- stojnik Fizikalnega in{tituta je bil pogosto Zupan~i~, dokler ni leta 1945 od{el v Avstrijo.914 Na Medicinski fakulteti je fiziko leta 1920/21 honorarno predaval J. Reisner. Naslednje leto ga je zamenjal Nardin, ki je na Medicinski fakulteti napredoval v rednega profesorja in tam osnoval Fizikalni in{titut. Sirk je leta 1940 napredoval v izrednega profesorja na Dunaju. Naslednje leto je objavil u~benik matematike za prirodoslovce s {tevilnimi primeri, povezanimi z van der Waalsovo, Maxwellovo in drugimi fizikalnimi ena~bami. Ni bil v posebnih sporih s fa{isti~nim re`imom, zaradi katerega je leta 1938 Schrödinger zapustil Univerzo v Gradcu. Sirk je objavljal prvorazredne raziskave {e v pozni starosti. Leta 1952 je bil upokojen, 15. 12. 1959 pa je umrl na Dunaju.

Slika 14.22: Sme{nica o vakuumu avtorice Ur{ke Ju`ni~

324 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Sklep

Razvoj vakuumskih tehnologij je mogo~e opisati s posebnim poudarkom na slovenskih razmerah, saj so na{i raziskovalci vseskozi pomembno prispevali k napredku. Ob prvih ~rpalkah in merilnikih tlaka smo postavili bojevite teoretike vakuuma. Odkrili smo pomemben prispevek turja{kega kneza k slovitim Guerickejevim vakuumskim poskusom. Prva raziskovanja vakuuma na ljubljanski jezuitski {oli so bila povezana s kole- gijem v Rimu. Zato smo posebej preu~ili zna~ilnosti na{ega in italijanskega okolja pod vplivom Guerickejevih, Boylovih, Toricellijevih in Pascalovih uspehov. Napredek tehnologije so vseskozi spremljali problemi teorije vakuuma. Ali gre za ni~ ali za kaj ve~? Podobno Parmenidu je Descartes v razpravi o obstoju praznega videl predvsem problem izraànja. "Ali prazen kozarec {e vedno vsebuje zrak", se je retori~no spra{eval zviti Descartes in svet napolnil z vrtinci etra. Newton ga ni maral in je pojem etra v mehaniki raje nadomestil z "absolutnim prostorom". V Fresnelovi teoriji, ki je pokopala Newtonovo optiko delcev, je dobil eter realno gostoto obratno sorazmerno z vrednostjo lomnega koli~nika. Po Fresnelovem vzoru so {tevilni raziskovalci sestavljali teorije etra za razli~ne vrste valovanj, medtem ko je bil Maxwell mnenja, da zado{~a en sam eter. Stokesova hitrost Zemlje glede na eter se je zvezno spreminjala od ni~ ob povr{ini do neke konstante pri dovolj velikih razdaljah, kar nikakor ni bilo v{e~ A. Lorentzu. Einstein je pojem etra zdruìl z gravitacijskim poljem in strukturo "prostora-~asa". Kljub temu pa je njegova teorija relativnosti pokon~ala klasi~ne teorije etra. Zato v sodobni fiziki izraza eter ne uporabljamo ve~, ~eprav si sodobni vrtin~ni vakuum predstavljamo na prav podoben na~in, kot si je Maxwell leta 1871 predstavljal vrtin~ni eter. V sodobnih teorijah "vsega" ima vakuum ponovno posre~eno sredi{~no vlogo; vendar na druga~en na~in, predvsem kot razmi{ljanje o lastnostih prostora. Raziskovanja "katodnih àrkov" sredi 19. stoletja smo predstavili kot uvod v sodobne tehnike vakuumskih tankih plasti, {e posebno vakuumske metalurgije. Tedanjo miselnost smo ponazorili s prizadevanji za doseganje popolnega vakuuma, ki so se seveda ponesre~ila, a so vendarle tlakovala pot nadaljnjemu napredku. Ob njih so razvili vakuumsko izolacijo in predvsem termovko, nepogre{ljiv pripomo~ek sodobne gospodinje. Vakuum je v rokah najve~jega izumitelja Edisona zgladil pot do sodobnih àrnic, ki nam v skoraj nespremenljivih oblikah svetijo è celo stoletje. Znanstvenikom so omo-

SKLEP 325 go~ile no~ne raziskave in s tem podvojile u~inkovitost. Radovedneè je zanimalo, kaj se skriva v najmanj{ih delcih; zato so nem{ki raziskovalci razvili elektronski mikroskop. Vabile so velikanske energije, ki so obetale odkrivanje novih delcev. In è so Ruther- fordovi nasledniki razvijali prve pospe{evalnike. Iz njihovih raziskav je iz{la ionska implantacija in se med letoma 1905 in 1978 razvila v zrelo obliko tehnologije. Njen poglavitni uspeh je bil v Silicijevi dolini razvit tranzistor, ki se je hitro uveljavil tudi na Slovenskem. Odkritje rentgenskih àrkov in elektrona je prestopilo prag moderne znanosti. Med najbolj uspe{nimi uporabniki vakuumske tehnologije je bil "odkritelj" elektrona J. J. Thom- son, sloviti direktor Cavendishevega laboratorija. Povzeli smo Thomsonova raziskovanja "pozitivnih àrkov" in odmeve njegovih odkritij med slovenskimi sodobniki. Vakuumske balone so razvijali vzporedno s toplozra~nimi in vodikovimi v 17. in 18. stoletju. Posebej nas je zanimalo Vegovo mnenje o vakuumskih balonih in teàve sodobnega razvoja tak{nih naprav. Raziskovanje obstreljevanja atomov z elektroni je sproìlo zaplete ob odkritju Augerjeve spektroskopije. Zanimali so nas prvi uspehi tedanjih raziskovalk, predvsem simpati~ne Lise Meitner. Pojasnili smo vzroke za dolgotrajno uvajanje Augerjeve spektroskopije v industriji. Pokazali smo, kako so z njo zadostili potrebam po meritvah lastnosti industrijskih tankih plasti v zadnjih desetletjih. Povzeli smo prednosti sodobne Augerjeve spektroskopije in omenili ~etrt stoletja njene uporabe v Sloveniji. Za konec smo povzeli razvoj raziskovanja plazme, ki morda med vsemi vakuumskimi tehnikami najbolj obeta. Pokazali smo, da je vakuum sicer res bil neko~ drugi izraz za ni~, danes pa pravzaprav povezuje domala vse tehni{ke dose`ke okoli nas. Napr{evanje tankih plasti na stenah elektronke in razpr{evanje katode sta najprej skoraj celo stoletje motili raziskovalce, nato pa sta se prelevili v najbolj obetavne oblike sodobnih tehnologij. Poudarjamo slovenski prispevek k vakuumski tehniki od turja{kega kneza do sodobnih uspehov. Konec 1. svetovne vojne je prinesel ustanovitev dolgo pri~akovane Univerze v Ljubljani. Med prvimi profesorji so bili tam nastavljeni pomembni vakuumisti, tako na katedri za fiziko kot pozneje na In{titutu za elektrotehniko. Med njimi je bil Hugo Sirk slovenskega rodu, ki je pred prvo svetovno vojno eksperimentiral z radioaktivnim torijem v vakuumski elektronki in s plazmo v magnetnem polju. Leta 1928 je prevzel Katedro za fiziko na ljubljanski Univerzi od {tiri leta starej{ega izumitelja Nardina in v slovenski metropoli raziskoval rentgenske àrke. V Ljubljani se je {e posebej izkazal z raziskovanjem magnetnih vplivov na sipanje rentgenskih àrkov, pri katerem mu je pomagal Anton Peterlin. Ljudje so bogateli in si èleli zabave. Na{ Codelli in ruski emigranti v Ameriki so zanje razvili televizijo. Baron Anton Codelli je prvi na slovenskih tleh za~el uporabljati katodno elektronko, da bi lahko svoje evropske patente televizije uveljavil tudi v ZDA. Zato je poleg mehanskega skeniranja in premi~nih opti~nih naprav kot tretjo mo`nost opisal popolnoma elektronsko televizijo brez premi~nih mehanskih delov. Tudi v elektronski ina~ici je obdràl osnovno idejo snemanja in sprejemanja slike vzdol` spirale tako, da je imela slika gostej{e elemente v sredi kot na robovih. Na ljubljanskem In{titutu za elektrotehniko je Vladimir [lebinger med letoma 1933 in 1935 asistiral Mariu Osani, potem ko je opustil raziskovanje televizije pri von Ardenneju v Berlinu. Tako tudi s televizijskih in ra~unalni{kih zaslonov na nas gledajo slovenski izumi. Katodne elektronke v ekranih so, takoj za àrnicami in termovko, med najbolj dolgoìvimi vakuumskimi izdelki, ki se o~itno {e ne nameravajo umakniti s trga. Vsekakor smo Slovenci vanje in v drugo sodobno vakuumsko tehniko vgradili veliko lastnih tehtnih dose`kov, na katere smo upravi~eno ponosni.

326 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Abstract

The book deals with the development of vacuum technologies with special concern put on the Slovene researchers. We describe the important collaboration between prince Auersperg of Ljubljana and Guericke. Torricelli's, Boyle's, and Pascal's influence was felt in Ljubljana very early. Later influence on Ljubljanian Jesuit school was primary connected with Roman College and Bo{kovi} in his prime. This is one of the first studies of history of physics based on the pictures of scientific instruments drawn in the manuscripts. Cathode ray research at the mid-19th century was developed as an introduction to the modern vacuum thin film technique, and most of all vacuum metallurgy. We described the way of thinking of those times with the search for perfect vacuum, that certainly failed, but enabled many discoveries, among them the famous thermos flask. In Edison's hands vacuum gave the fundament of the modern electric light. Science turned night into light and enabled the discovery of X-rays and electron. People wanted to see, what is behind the smallest particles and suddenly we had the electron microscope. Everybody wanted high energies and Rutherford's successors developed the first accelerators. Their research developed into ion implantation. We concentrated on the time period from the "invention" of the ion implantation in 1905 until about 1978, when ion implanters have come of age. In the first part we describe the invention of ion implantation and its development until World War II. In the second part of the article we review the development of the use of ion implantation for transistor industry after World War II. We present the use of ion implantation in semiconductor devices up to about 1978, when ion implanters have come of age and began to be used in other areas. Special concern is put on the use of the ion implantation in metallurgy of recent times. Some details about the echo of research of ion implantation among Slovenes are also described. We discussed the life and research of J.J. Thomson, famous leader of Cavendish laboratory. His key contribution in "the discovery" of the electron is described. His relations with contemporaries that made him the discoverer of "the electron" for the generations to come are described. We also analyze Thomson's research of "positive rays". The echo of his successes among Slovene contemporaries is mentioned.

ABSTRACT 327 We described the vacuum balloons that were developed in the 17th and 18th centuries parallel with the hot air and hydrogen balloons. The technological problems that postponed their effective use are emphasised in the first place. We researched Vega's opinion about the vacuum balloons and discussed some difficulties of their modern development. We researched the early results of bombarding matter with electrons. The most inte- resting were the events around the discovery of Auger's spectroscopy, also connected with one of the first successful women scientific researchers, Lise Meitner. We explained why so much time elapsed before the industrial use of Auger spectroscopy and listed the strong sides of Auger's method in modern industry. The special concern was put on application of Auger's method in Slovenia. The book ends with plasma research, probably the most promising among the modern vacuum technologies. The overall view gives us some insight in the past and also to the future of our industrial world. People wanted fun and our Codelli invented television, although, finally, his American competitors won the prizes. We are specially proud to claim very important Slovene contributions to the past development of vacuum technology. And we are even more proud to se the research continued in the fertile directions in this small but efficient middle European land. Last but not least, one great "thank you" for all my friends from the Department of the History of Science and History of Science Collections at the University of Oklahoma for many fruitful years of their financial and moral support that made this book possible. Dear friends, you made me proud to be American.

328 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Literatura in viri

Abraham, Henri, Langevin, Paul (ur.). 1905. Les quantités élementaires d'électricité. Ions, élec- trons, corpuscules. Paris: Gauthier-Villars Adle{i~, Miroslav. 1952. Od mehanike do elektronike. Ljubljana: Mladinska knjiga Alfvén, Hannes, Fälthammar, Carl-Gunne. 1963. Cosmical Electrodynamics. Oxford University Press Alfvén, Hannes. September 1986. The Plasma Universe. Phys.Today Anderson, David L. 1968. Otkrytie elektrona. Moskva: Atomizdat Andrade, E. N. da C. 1984. The History of the Vacuum Pump. Madey (ur.). History of Vacuum. 77–83 Andrews, Thomas. 1852, 1889. On a method of obtaining a perfect vacuum in the receiver of an air-pump. The Scientific Papers of the Late Thomas Andrews, M. D., F. R. S. London: Macmillan and Co. Anonimno. Okoli 1700. De Physica. 400 strani. APUG 1532. De Physico auditu considerat Physica compositus naturale. APUG 1532 Arcimovi~, Lev Andreevi~. 1964. Controlled thermonuclear reactions. Edinburgh & London: Oliver & Boyd Arco, grof Georg Wilhelm Alexander Hans. 28. 1. 1908. Pismo Codelliju iz Berlina v Ljubljano. 4 strani. (Codelli, {k. 20) Arco, grof Georg Wilhelm Alexander Hans. 23. 4. 1908. Pismo Codelliju iz Berlina na Dunaj. 3 strani. (Codelli, {k. 20) Arco, grof Georg Wilhelm Alexander Hans. 15. 9. 1930. Pismo naslovljeno na dr. Schapira od Telefunkna. 2 strani (Codelli, {k. 19) Ardenne, Manfred von. 1931. Über neue Fernsehsender und Fernsehempfänger mit Kathoden- strahlröhren. Fernsehen. 1: 65–80 Ardenne, Manfred von. 1932. Über Helligkeitssteuerung bei Kathodenstrahlröhren. Fernsehen. 3: 18–29 Aristotel. 1987. Fizika. Zagreb: Sveu~ili{na naklada Liber

LITERATURA IN VIRI 329 Asclepi, Giuseppe Maria. 1765. De objectivi micrometri usu in planetarum diametris metiendis. Exercitatio Optico-Astronomica habita in Collegio Romano a Patribus Societatis Jesu. Romae. 2: Labaci 1768 Asimov, Isaac. 1978. Biographical Encyclopedia of Science and technology. London: Pan Books ltd. Auger, Pierre. 1925. Effect photoélectrique composé. J. Phys. Radium. 6: 205–208; C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. 180: 65

Badash, Lawrence. 1987. Ernest Rutherford and Theoretical Physics. Kelvins's Baltimore Lectures and Modern Theoretical Physics (ur. Robert Kargon, Peter Achinson). The MIT Press Von Baeyer, Otto. 1909. Über langsame Kathodenstrahlen. Phys. Z. 10: 168 Baird, John Logie. 21. 1 .1925. Television, a description of the Baird system by its inventor. Wire- less Word and Radio Review. 533–535 Barancev, A. I., Urvalov, V. A. 1986. Tehni~eskie aspekty zna~enija radiotelefota B. L. Grabov- skogo v istorii televidenija. VIET. 2: 130–138 Bardeen, John. 15. 5. 1947 Surface States and Rectification at a Metal Semi-Conductor Contact. Phys. Rev. 71 Bernhardt, Jean, La question du vide chez Hobbes. Rev. Hist. Sci. XLVI/2–3 (1993) str. 224–239 Bogoljubov, A. N. 1984. Robert Hooke. Moskva: Nauka Bohr, Niels. 1970, 1971. Izbrannye nau~nye trudy. Moskva: Nauka Von Bolton, Werner. 1905. Das Tantal, seine Dartstellung und seine Eigenschaften. Z. Elektro- chem. 11: 45–51 Boltzmann, Ludwig. 1909. Wissenschaftliche Abhandlungen. Leipzig. I–III Boncelj, Josip. 1960. Jo`ef Stefan in njegovo delovanje na podro~ju elektrotehnike. Ljubljana: Elektrotehni{ka prosveta Slovenije Bondyopadhyay, K. Probir. Januar 1998. W. Shockley, the Transistor Pioneer – Portrait of an Inventive Genius. Proc. IEEE. 86/1: 191–210 Bondyopadhyay, K. Probir. Januar 1998. Under Glare of a Thousand Suns – The Pionering Works of Sir J. C. Bose. Proc. IEEE. 86/1: 218–234 Borchardt, Curt. 1930. Historischen Daten aus der Vorgeschichte des Fernsehens. Fernsehen. 1: 94–95 Bowers, Brian. 1998. Lengthening the day. Oxford, New York, Tokyo: Oxford University Press Boyle, Robert. 1965–1966. The works. I–VI. (ur. Thomas Birch). Hildesheim: Georg Olms Verlag- buchhandlung Bragg, William Lawrence. 1944. The history of X-ray analysis. London: Longmans Green & Co. Brande, William Thomas. 26. 11. 1814. On some new Electrochemical Phenomena. Phil. Trans Braun, Karl Ferdinand. 1874. Ueber die Stromleichtung durch Schwefelmetalle. Ann. Phys. (2) 153 Braun, Karl Ferdinand. 1878. Bemerkungen über die unipolare Leitung der Flamme, Ann. Phys. 3: 436–447 Braun, Karl Ferdinand. 1878. Ueber unipolare Elektricitätsleitung. Ann. Phys. 4: 476–484 Braun, Karl Ferdinand. 1896. Ueber die Leitung elektrisierter Luft. Ann. Phys. 59: 688–692 Braun, Karl Ferdinand. 1897. Ueber ein Verfahren zur Demonstration und zum Studium des zeitlichen Verlaufes variabler Ströme. Ann. Phys. 60: 552–559 Braun, Karl Ferdinand. 1898. Zeigen Kathodenstrahlen unipolare Rotation? Ann. Phys. 65: 368–371 De Broglie, Maurice, Thibaud, Jean. 1925. C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. 180: 179 Brown, Andrew P. 1997. The Neutrino and the Bomb. A biography of Sir James Chadwick. Oxford: University Press Brush, Stephen G., Everitt, C. W. F. 1969. Maxwell, Osborne, Reynolds and the radiometer. HSPS. 1

330 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Brush, Stephen G. 1976. The kind of motion we call heat. II. North-Holland Buckley, O. E. 1916. An ionization manometer. Proc. Nat. Acad. Sci. 2: 683–685 Bunshah, Rointan F. 1994. History and current status of vacuum metallurgy. J. Vac. Sci. Technol. A. 12/4: 936–945 Busch, Hans. 1926. Berechnung der Bahn von Katodenstrahlen im axialsymmetrischen elektro- magnetischen Felde. Ann. Phys. 81: 974–993 Busch, Hans. 1927. Über die Wirkungsweise der Konzentrierungsspule bei der Braunschen Röhre. Arch. Elektrotechn. 18: 583–594

Campbell, John. September 1998. Ernest Rutherford. Physics Word. 35 Campbell Swinton, Alan Archibald. 1896. The effects of a strong magnetic field upon electric discharges in vacuo. Proc. Roy. Soc. London. 60: 179 Campbell Swinton, Alan Archibald. 11. 3. 1897. Some Experiments with Cathode Rays. Proc. Roy. Soc. London. 61: 79–95 Campbell Swinton, Alan Archibald. 27. 4. 1899. On the Luminosity of the Rare Earths when heated in Vacuo by means of Cathode Rays. Proc. Roy. Soc. London. 65: 114–119 Campbell Swinton, Alan Archibald. 18. 6. 1908. Distant Electric Vision. Nature Campbell Swinton, Alan Archibald. 9. 4. 1924. The Posibilities of Television. Wireless Word and Radio Review. 51–56 Carazza, Bruno, Kragh, Helge. 1990. Augusto Righi's magnetic rays: A failed research program in early 20th-century physics. HSPS. 21: 1–28 Carnot, Sadi. 1953. Réflections sur la puissance motrice du feu. Paris: A. Blanchard Cazenobe, Jean. 1984. Maxwell, précurseur de Hertz? La Récherche. 15: 972–986 Cilen{ek, Edvard. 1958. Elektrotehni{ki vestnik. 2/4: 393 Cockcroft, John Douglas. 1944. Shattering the atom. Science lifts the veil. Cambridge: Longmans Green & Co. Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. AS, fond gra{~inski arhiv, Gr A XVIII (citirano kot: Codelli, AS). NUK, rokopisni oddelek, sign. MS 1397 (citirano kot: Codelli, NUK) Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. 14. 11. 1928. Pismo Schröterju. 9 strani (Codelli, AS {k. 19) Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. 1930. Ein neues Fernseh-System. Fernsehen. 1/ 3: 107–114 Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. 17. 1. 1930. Specifikacija s patentnimi zahtevki, nem{ki tipkopis in angle{ki prevod na 15 straneh s 17 patentnimi zahtevki na 5 straneh in 6 skicami na 2 straneh (Codelli, AS {k. 19) Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. okoli 26. 4. 1930. 60 strani dolg angle{ki tipkopis z 62 patentnimi zahtevki na nadaljnjih 20 straneh (Codelli, AS {k. 19) Codelli, baron Anton pl. Fahnenfeld. 1977. Pisma Arcu 12. 1. 1908, nedatirano (februar-marec 1908) in 20. 12. 1927 (Codelli, AS, {k.14). Dokumenti Slovenskega gledali{kega muzeja. Ljubljana. 13/29: 118–121 Conant, James B. 1958. Naturwissenschaft in der Welt, Julius Betz, Weinheim Crawford, Elisabeth. 1997. A Nobel Tale. Physics Today, September 1997, 28 Crookes, William. 1905. Sur la matière radiante. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 113–124

^ade`, Fran. 1908. Skrivnost radioaktivnosti. Ljubljana: Slovenska [olska Matica ^ermelj, Lavo. 1980. Materija in energija. Ljubljana: SM

Dadi}, @arko. 1982. Povijest egzaktnih znanosti u Hrvata. Zagreb: Sveu~ili{na naklada Liber Dahl, Per F. 1997. Flash of the Cathode Rays. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing Danin, Daniel. 1983. Probabilities of the quantum word. Moskva: Mir

LITERATURA IN VIRI 331 Darrigol, Oliver. 1998. Aux confins de l'électrodinamique Maxwellienne: Ions et électrons vers 1897. RHS. 51/1 DeKosky, Robert K. 1984. William Crookes and the Quest for Absolute Vacuum in the 1870s. History of Vacuum. Madey (ur.). 84–101 Dember. 11. 6. 1925. Über eine Beeinflussung der lichtelektrischen Elektronenemission durch Bestrahlung mit Kathodenstrahlen. Z. Phys. 33: 529–532 Derganc, Franc. 1917. Henri Bergson. Filozof moderne Francije. LZ. 37/3 Dewar, James, Tait, Peter. 1875. Charcoal vacua. Nature. 12: 217–218 Dewar, James. 1927. The collected papers of Sir James Dewar (ur. Lady Dewar, J. D. H. Dichson, H. M. Ross, E. C. S. Dickson). Cambridge, UK: University Press Dieckmann, Max, Glage, Gustav. 12. 9. 1906. Verfahren zur Übertragung von Schriftzeichen und Strichzeichnungen unter Benutzung der Kathodenstrahlenröhre. Patent {t. 190102 Dillherr, Karl. 1746. Tractatus Philosophicus de Barometro, Authore R. P. Laurentio Gobart à Societate Jesu. Graecii Dinsdale, A. 1931. Television by Cathode Ray, The New Farnsworth System. Wireless Word and Radio Review. 28: 286–288 Domin, Josip Franjo. 1987. Dissertatio physica de aeris factitii genesi, natura, et utilitatibus. Zagreb: JAZU Döttler, Remigio. 1815. Elementa physicae mathematico-experimentalis. Vienae et Tergesti Dresselhaus, M. S., Kalish, R. 1992. Ion Implantation in Diamond, Graphite and Related Materials. Springer-Verlag

Eddington, Arthur. 1928. Der innere aufbau der Sterne. Berlin: Springer Edison, Thomas Alva. 1879. The action of heat in vacuo on metals. Chem. News. 40: 152–154 Edison, Thomas Alva. 1884. Art of Planting One Material on Another, ameri{ki patent {t. 526147, vlo`en 1884, dobljen 18. 9. 1894 Edison, Thomas Alva. 1905. Un phénomene de la lampe Edison. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 183–184 Edison, Thomas Alva. 1991, 1994. The papers of Thomas A. Edison (ur. R. A. Rosenberg in drugi). The Johns Hopkins University Press Ehrenreich, Henry. 1995. Strategic curiosity: semiconductor physics in the 1950s, Phys. Today (januar 1995) 33 Einstein, Albert. 21. 7. 1924. Zur Theorie der Radiometerkräfte. Z. Phys. 27: 1–6 Erberg, Anton. 1750, 1751. Cursus philosophicus. Viennae Erberg, Bernhard Ferdinand. Okoli 1744. Fizika. AS. Zbirka rokopisov 242 r. Erberg, Jo`ef Kalasanc. 1798. Knji`ni~na {tevila in abecedni avtorski katalog Verzeichnis der Bücher in der freiherrl/ichen/ Erbergischen Bibliothek am d. J. 1798. AS, GrA, I Gospostvo Dol, knjiga 18 Esteran, Manuel, S. J. Okoli 1720. Liber 4ur Physica. (Philosophia pars 2do Physica Proemium… Pertenca ad P. Manuel Esteran). APUG 2144a, b. SLU filma 7168.3, 7169.1

Fabri, Honoratio. 1669. Physica id est scientia rerum corporearum. I. Lyon Fair, R. B. Januar 1998. History of Some Early Developments in Ion-Implantation Technology Leading to Silicon Transistor Manufacturing, Proc. IEEE 86/1: 111–124 Falconer, Isobel. 1988. J. J. Thomson's work on positive rays, 1906–1914. HSPS. 18/2 Faraday, Michael. december 1847. On the Diamagnetic Conditions of Flame and Gases. Phil. Mag. 31(10)210: 401–421 Faraday, Michael. 1857. Experimental Relations of Gold to Light. Phil. Trans. Faraday, Michael. 1950. Zgodovina sve~e. Ljubljana: Mladinska knjiga

332 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Faraday, Michael. 1952. Experimental researches in electricity. Encyclopaedia Britannica, Inc. Faujas de Saint-Fond, Barthélmi. 1784. Beschreibung der Versuche mit der Luftkugel. Dunaj: Künzbeck Feffer, Stuart M. 1989. Arthur Schuster, J. J. Thomson, and the discovery of the electron. HSPS 20: 33–61 Filonovi~, S. R. 1990. Sud'ba klassi~eskogo zakona. Moskva: Nauka Fisher, David E., Fisher, Marshall Jon. 1996. Tube. The invention of Television. Washington, D. C.: Counterpoint Fletcher, Harvey (*1884; †1981), My work with Millikan on the oil-drop experiment, Phys. Today (junij 1982), 44 Fontana, Felice. 1776. Rescherches physiques sur la nature de l'air nitreux et de l'air déphlo- gitique. Paris Fox, Robert, Guagnini, Anna. 1999. Laboratories, workshops, and sites. Concepts and practices of research in industrial Europe, 1800–1914, HSPS. 29: 55–139, 191–294 Friedel, Robert Douglas, Israel, Paul, Finn, Bernard S. 1986. Edison's Electric Light, Biography of an Invention. New Brunswick, New Jersey: Rutgers University Press Friedel, W. 1930. Die geschichtliche Entwicklung des Fernsehens. Fernsehen. 1: 12–17 Frisch, Otto Robert. 1972. The Nature of Matter. London

Gabor, Dennis. 1948. A new microscopic principle. Nature. 161: 777–778 Gabor, Dennis. 1951. Plasma oscilations, Brit. J. Appl. Phys. 2: Gabor, Dennis. 1972. Holography, 1948–1971. Nobel lecture. Science. 177: 299–313 Galilei, Galileo. 1964. Izbrannye trudy. Moskva: Nauka Gamow, George. The Atom and Its Nucleus, Prentice-Hall, INC. 1961, 132 Ganot. 1886. Elementary Treatise on Physic Experimental and Applied for the Use of Colleges and Schools. New York: William Wood and Co., Publishers Garig, G. E. 1936. "Jubilej" Rentgena v "Tret'ej imperii". Arhiv istorii nauki i tehniki. Moskva in Leningrad. 301–308 Gassiot, John Peter. 1863. Ueber die Wärme-Entwicklung an der Polen einer Volta'schen Batterie während des Durchganges leuchtender Entladungen durch Luft oder ein Vacuum. Ann. Phys. 119 Geiger, Hans, Marsden, Ernest. 1909. On a Diffuse Reflection of the β-Particles. Proc. of Roy. Soc. 82: 495–500 Geiger, Hans, Marsden, Ernest, 1913. The Laws of Deflexion of β-Particles through Large Angles, Wien. Ber; Phil. Mag. VI 25, 609 Geiger, Hans. 1910. The ionization produced by an alpha particle. Part II. Connection between ionization and absorbtion, Proc. Roy. Soc. 88: 505 (Phil. Mag. (1912) 23: 449) Geiger, Hans, Marsden, Ernest. 1913. The Laws of Deflexion of β-Particles through Large Angles. Phil. Mag. VI 25: 604–623 Geissler, Heinrich, Plücker, Julius. 1852. Studien über Thermometrie und verwandte Gegenstand von Plücker in Geissler. Ann. Phys. 162/86: 238–279 Geissler, Heinrich. 1874. Ueber die Umwandlung des Gewöhnlichen Phosphors in amorphen durch Einwirkung der Elektrizität. Ann. Phys. 228/152: 171–173 Glasser, Otto. 1959. Wilhelm Conrad Röntgen. Springer-Verlag Gloede, Wolfgang. 1986. Vom Lesestein zum Elektronenmikroskop. Berlin: VEB Verlag Technik Goebel, Gerhart. 1974. Aus der Kinderjahren des Farbfernsehens. Funkschau. 2: 853–856 Gorman, Michael John. 1994. Jesuit Explorations of the Torricellian Space: Carp-Bladders and Sulphurous Fumes. MEFRIM. 106/1: 7–32

LITERATURA IN VIRI 333 Grabnar, Boris. 1977. Nenavadni baron na Kodeljevem. Dokumenti Slovenskega gledali{kega muzeja, Ljubljana. 13/29: 110–114 Graetz, Leo. 1897. Ein electrochemisches Verfahren, um Wechselstrome in Gleichströme zu verwandeln. Ann. Phys. 62: 323–327 Graetz, Leo. 1. 10. 1902. Ueber eigenthümlische Erscheinungen. Ann. Phys. 9: 1100–1110 Grailich, Joseph Wilhelm, Weiss, Edmund. 1858. Über das singen der Flammen. Wien. Ber. 29: 271 Grailich, Joseph Wilhelm. 1859. Vibrationstheorie der Elektricität von Prof. K. Robida, Z. f. österreich. Gymn. 9: 425–427 Grant, Edward. 1981. Much Ado About Nothing. Theories Of Space and Vacuum From the Middle Ages To the Scientific Revolution. Cambridge: University Press Gren, Friedrich Albrecht Carl. 1791. Swedenborgs Vorschlag zu einer hydraulischen Luftpumpe. Journal der Physik. 4: 407–410 Grove, William Robert. 1845. On the application of Voltaic ignition to lighting mines. Phil. Mag. 27: 442–446 Grove, William Robert. 7. 1. 1852, 1. 4. 1852, 24. 4. 1852. On the electro-chemical polarity of gases. Trans. Roy. Soc. (London) 142: 87–101 Grove, William Robert. 1871. Die Verwandtschaft der Naturkräfte. Braunschweig: Friedrich Vieweg und Sohn Guarini, Ignazio. 1706. Philosophiae Pars Secunda seu Disputationes de Physico Auditu quas Ab Adm. Rev. P'dre Ignatio Guarino e Soc. Jesu. Philosophicus Trienius in Collegio Sienense prelegate Audit ac scripsit Joannes Phillipus Buoninsegni Anno D'ni 1706. APUG 2 Adiuncta Guericke, Otto von. 1986. Neue "Magdeburgische" Versuche uber den leeren Raum. Leipzig Gurikov, V. A. 1983. Stanovlenie prikladnoj optiki XV–XX vv. Moskva: Nauka Gurikov, V. A. 1985. Ernst Abbe. Moskva: Nauka

Hablanian, M. H. 1984. Comments on the history of vacuum pumps. Ponatis: Madey (ur.)., History of Vacuum. 17–23 Hauksbee, Francis. 1704. An experiment to show the causes of the descent of the mercury in the barometer in a storm. Phil. Trans. Hauksbee, Francis. 1709. Physico-mechanical Experiments on various subjects. London. Italijanski prevod, Firence 1716 Heilbron, John L. 1993. Weighing Imponderables and Other Quantitative Science Around 1800. HSPS, Supplement. 24/1 Hellemans, Alexander. 2000. 2000 Physics Nobel Prize, Europhysics news 31/6 (November/ December 2000) 29 Hellyer, Marcus. 1998. The last of the Aristotelians: The transformation of Jesuit Physics in Germany 1690–1773. Dissertation. University of California, San Diego Hertz, Heinrich Rudolf. 1895. Sur une influence de la lumière ultra-violette sur la décharge électrique. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 261–269 Hertz, Heinrich Rudolf. 1895. Schriften vermischten Inhalts. Leipzig Hess, Albert. 1898. Reclamation. Ann. Phys. 64: 622 Hittorf, Johann Wilhelm. 1869, 1883, 1884. Ueber die Elektricitätsleitung der Gase. Ann. Phys. 136: 1–31, 197–234; 20: 705–755; 21: 90–139 Hoerni, Jean A. 1961. Planar Silicon diodes and transistors, IRE Trans. Electron Devices, vol. ED-8 (Marec 1961) Höflechner, Walter (ur.). 1994. Ludwig Boltzmann. Graz: Akademisch Druck und Verlagsanstalt Holonyak, Nick Jr. april 1992. John Bardeen and the point-contact transistor. Phys. Today. 45

334 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Hounshell, David A. 8. 2. 1980. Edison and the Pure Science Ideal in 19th-Century America. Science. 207: 612–617 Hummel, Carl. po 1821. Abhandlung über die Weinbereitung nach Elisabeth Gervais. Frey übersetzt aus dem Französischen von Anton Alb. Freyherrn v. Maston, Ausschusse der k. k. Landwirthschafts=Gesellschaft in Steyer=mark und correspondirendern Mitgliede der k. k. mährisch=schlesischen Gesellschaft des Ackerbaues, der Natur= und Landeskunde. Nebst einem Anhange der Hummel'schen Anfündung des Wein= und Bier=Apparates. Laibach: Kleinmayr Hummel, Carl. 1833. Erscheinungen und Theorie des Electrophors. (Baumgartner's) Zeitschrift für Physik und verwandte Wissenschaften. Wien. 2 Hurd, D. L. in Kipling J. J. (ur.). 1964. The Origins and Growth of Physical Science. Volume 1, Penguin Books Huygens, Christiaan. 1690. Traité de la lumière. Paris.

Israel, Paul. 1998. Edison, A Life of Invention. New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singa- pore, Toronto: John Wiley & Sons, Inc. Ives, Herbert E. Television. ameri{ki patent {t. 1738007, prijavljen 20. 5. 1926 pod {t. 110378, sprejet 3. 12. 1929

Jenkins, Charles Francis, Twin light-cell transmitter. ameri{ki patent {t. 1642730, prijavljen 21. 3. 1925, sprejet 20. 9. 1927 (Codelli, AS, {k. 19) Joffe, Abram Fedorovi~. 1983. Vstre~i s fizikami. Leningrad: Nauka Joshi, J., Chandrasekhar, Subrahmanyan, Corkum, Paul B. Januar 1995. Interactions of ultra- intense laser light with matter. Phys. Today Jungnickel, Christa, McCormmach, Russell. 1986. Intellectual mastery of nature. I–II. The Univer- sity of Chicago press

Kapica, Pjotr L. 1981. Eksperiment teorija praktika. Moskva: Nauka Kedrov, F. 1980. Ernest Rutherford. Moskva: Znanie Kersnik, Janez Krsnik. 1811. Inventaire, Popis naprav v kemijskem in fizikalnem kabinetu Central- nih {ol v Ljubljani za leto 1811. Zgodovinski muzej Ljubljana, akc. fond 1, arh. enota 53 Kersnik, Janez Krsnik. 1847. Inventarium, Popis naprav v fizikalnem kabinetu Liceja v Ljubljani za leto 1847, Zgodovinski muzej Ljubljana, akc. fond 1, arh. enota 76 Khriplovich, Iosif B. 1992. The eventful life of Fritz Houtermans, Phys. Today (julij 1992) 30 Kilby, Jack StClair. Julij 1976. Invention of the integrated circuit, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED–23 Kircher, Athanasius. 1650. Musurgia universalis sive Ars magna consoni et dissoni in X libros digesta, etc. Romae Kircher, Athanasius. 1664. Ars Magna Lucis et Umbrae. Romae. (2: 1671) Klein, Franz (ur.). 1885. Bericht über die internationale elektrische Ausstellung Wien 1883, Unter mitwirkung hervorragender fachmänner, herausgegeben von niederösterreichischen Gewerbe-Vereine. Wien: Verlag von L. W. Siedel & Sohn Kleinert, Andreas. Januar-Marec 1993. Ferdinand Braun et les débuts de la TSF an Alemagne. RHS. 46/1: 59 Klemen~i~, Ignac. 1881. O fotofonu. Lj. Zvon. 52–55, 122–124 Knoll, Max, Ruska, Ernst. 1932. Beitrag zur geometrischen Elektronenoptik. Ann. Phys. 12: 607–661 Knudsen, Martin. 1910. Thermical Molekulardruck der Gase in Röhren und pörosen Körpern. Ann. Phys. (4) 31: 633–640 Knudsen, Martin. 1910. Ein absolutes Manometer. Ann. Phys. 32

LITERATURA IN VIRI 335 Knudsen, Martin. 1912. La théorie cinétique et les propriétés expérimentales des gaz parfaits. La théorie du rayonnement et les quanta. Rapports et discussions de la Réunion tenue à Bruxelles, du 30 octobre au 3 novembre 1911, Paris, Gauthier-Villars, 1912 Inventar Koper. 1850–1871. Inventario del gabinetto di Fisica disposto nell'ordino cronologico degli acquisti. Mestni Arhiv Koper, I. R. Ginnasio superiore di Capodistria, {k. 10, 3 Kramer, Bernhard. 1997. Der Transistor wird fünfzig. Phys. Bl. 53 Kundt, August Adolf, Warburg, Emil Gabriel. 1875. Ueber Reibung und Wärmeleitung verdünter Gase. Ann. Phys. 155: 337–366, 525–550; 156: 177–211 Kundt, August Adolf. 1876. Apparat zur Demonstration der Reibung in einem sehr verdünnten Gas (Vacuum). Ann. Phys. 234/158: 568–572 Kundt, August Adolf. 1886. Ueber Doppelbrechung des lichtes in Metallschichten, welche durch Zerstäuben einer Kathode hergestellt sind. Ann. Phys. 27: 60–70 Kundt, August Adolf. 1888. Ueber die brechungsexponenten der Metalle. Ann. Phys. 34: 473–474 Kurylo, Friderich, Susskind, Charles. 1981. Ferdinand Braun. A Life of the Nobel Prizewinner and Inventor of the Cathode-Ray Osciloscope. The MIT Press

Lafferty, James M. 1998. Foundations of vacuum science and technology. John Wiley & Sons, Inc. de Lana, Francesco Tertio. 1670. Prodromo ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso dell'Arte Maestra. Brescia de Lana, Francesco Tertio. 1684, 1686, 1692. Magisterium Naturae et Artis. Opus Physico-Mathe- maticum. I-III. Brescia, Parma: Ricciardi Lander. J. J. 1953. Auger Peaks in the Energy Spectra of Secondary Electrons from Various Materials. Phys. Rev. 91: 1382–1387 Lapp, Ralph E. 1960. Roads to discovery. New York: Harper & Brothers Publishers von Laue, Max. 1969. Geschichte des Elektrons. Phys. Bl. 3/15 (1959). Prevod: Stati i re~i. Moskva: Nauka. 310–311 Leblanc, Maurice. 1880. Etude sur la transmission des impressions lumineuses. Lum. Electrique. 477 Lelong, Benoit, Paul Villard, Paul. 1997. J.-J.Thomson et la composition des rayons cathodiques. RHS. 50/1-2: 89–130 Lenard, Philipp, Wolf, Max. 1889. Zerstäuben der Körper durch das ultraviolette Licht. Ann. Phys. 37: 443–456 Lenard, Philipp. 1905. Rayons cathodiques produits par les rayons ultra-violets. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 398–413 Lenard, Philipp. 1905. Effets produits par la lumière ultra-violette sur les corps gazeux. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 416–423 Lilienfeld, Julius Edgar. 1926, 1928. Method and apparatus for controlling electric currents, ameri{ki patent {t. 1745175, vloèn 8. 10. 1926, potrjen 18. 1. 1930; Device for controlling electric current, ameri{ki patent {t. 1900018, vloèn 28. 3. 1928, potrjen 7. 3. 1933; Amplifier for electric currents, ameri{ki patent {t. 1877140, vloèn 8. 12. 1928, potrjen 13. 9. 1932 Linde, Carl Paul Gottfried von. 1896. Erzielung niedridster Temperaturen. Gasverflüssigung, Ann. Phys. 293/57: 328–332 Lindley, David. 2001. Boltzman's Atom. The Great Debate That Launched a Revolution in Physics. New York, London, Toronto, Sydney, Singapore: The Free Press Linus, Franciscus. 1661. Tractatus de Corporum Inseparabilitate; in quo Experimenta de Vacuo, tam Torricelliana, quàm Magdeburgica, et Boyliana, examinatur, veraque eorum causa detecta, ostenditur, vacuum naturaliter dari non pose: unde et Aristotelica de Rarefactione sentential tam contra Assertores Vacuitatum, quam Corpusculorum demonstratur. London Livingston, Milton Stanley, Blewett, John P. 1962. Particle accelerators. McGraw-Hill

336 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Lodge, Oliver Joseph. 1. 6. 1894. The work of Hertz and some of his successors, being the substance of a lecture delivered at the Royal Institution on friday evening. London

Madey, Theodore E., Brown, William C. (ur.). 1984. History of Vacuum Science and Technology. New York: American Vacuum Society, American Institute of Physics Madey. 1984. Early applications of vacuum, from Aristotle to Langmuir. Madey (ur.). History of Vacuum. 9–16 Magni, Valerian. October 1647. Demonstratio ocularis Loci sine locato, corporis successive moti in vacuo, luminis nulli corpori inhaerentis, a Valeriano Magno, fratre cappuccino, exhibita, Serenisse, Principibus Vladislao IV Regi, et Ludovicae Mariae Reginae Poloniae et Sveciae, Magis Ducibus Lithuaniae, Virgini Deiparae, ex voto sacra et d(ed)icata. Var{ava Mattox, Donald M. 2000. A Concise History of Vacuum Coating Technology, http://www.svc.org/ HistoryofVac.html, 2000, 2 Mattox, Donald M. 2002, http://www.svc.org/VacHistory/history.html Maxwell, James Clerk. 1873. Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford Maxwell, James Clerk. 1879. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature. Phil. Trans. 170: 231–256 Mayer, W. H. Theodor. 1858. Über das geschlechtete elektrische Licht. Berlin Mayer, James W., Eriksson, Lennart, Davies, John Arthur. 1970. Ion implantation in semiconductors, silicon and germanium. Academic Press, New York Mayr, Joannis Baptistae. 1966. Catalogum Librorum qui Nundinis Labacensibus Autumnalibus in Officina Libraria. Ljubljana 1678. Reprint Narodnega muzeja v Ljubljani McLeod, Herbert G. 1874. Apparatus for measurement of low pressures of gas. Phil. Mag. 48: 110–112 Meitner, Lise. 1922. Über die Entstehung der β-Strahl-Spektren radioaktiver Substanzen. Z. Phys. 9: 131–144 Meitner, Lise. 1922. Über den Zusammenhang zwischen β- und γ-Strahlen. Z. Phys. 9: 145–152 Meitner, Lise. 1922. Über die β-Strahl-Spektra und ihren Zusammenhang mit der γ-Strahlung. Z. Phys. 11: 35–54

Meitner, Lise. 1923. Das beta-Strahlenspektrum von UX1 und seine Deutung. Z. Phys. 17: 54–66 Middleton, W. E. Knowles. 1964. The history of the barometer. Baltimore: The Johns Hopkins Press Mihály, Dénes von. 1930. Über die Synchronisierung elektrischer Fernsehapparate. Fernsehen. 1: 19–22, 52–57 Millikan, Robert Andrews. 1963. The Electron. Chicago, London: The University of Chicago Press Mitteis, Heinrich. 1866. Inventarium der Instrumente, Apparate, Sonstigen Unterrichtsbehelfe und Einrichtungsstücke des physikalischen Kabinets an k. k. Gymnasium in Laibach. ZAL. akc. fond. 1, arh. enota 49 Moore, Gordon E. Januar 1998. The Role of Faichild in Silicon Technology in the Early Days of "Silicon Valley". Proc. IEEE. 86/1

Nahrwold, Robert. 1888. Ueber die Elektricitätsentwickerung an einen glühenden Platindrahte. Ann. Phys. 35: 107–121 Nardin, Julij, Zei, René. 1912. Relais für elektrische Ströme, avstrijski patent {t. 66604, prijavljen 13. 8. 1912 z za~etkom veljave 15. 6. 1913, izdan 10. 9. 1914 Nardin, Julij. 1929. Te`ave z iznajdbo. Odmevi. 4: 43–48 Nichols, Richard. 1999. Robert Hooke and the Royal Society. Sussex, England: The Book Guild Ltd. Nye, David E. 1983. The Invented Self. An Anti-biography, from documents of Thomas A. Edison. Odense University Press

LITERATURA IN VIRI 337 Oehrlein, Gottlieb S. 1986. Reactive-ion etching, Phys. Today (oktober 1986) 27 Ohl, Russell S. 1952. Properties of ionic bombarded crystals. Bell. Syst. Techn. J. 31

Panici, Joannes (Giovanni Jacobo). 1700. Panici P. In Libros Aristotelis De Physico Audito Disputationes. APUG 1093, SLU film 3564.2 Pascal, Blaise. 1648. Récit de la Grande Expérience... Paris Penning, F. M. 1937. High vacuum gauges. Philips Tech. Rev. 2: 202–203 Penning, F. M. 1957. Electrical discharges in gases. Philips' technical library Perrin, Jean Baptiste. 1927. Les atomes. Paris: Librarie Félix Alcan Pirani, Marcello. 1906. Selbstzeigendes Vakuum-Messinstrument. Verh. d. D. Phys. Ges. 8: 686 Plank, Josef. 1876. Versuche über das Wärmeleitungsvermogen von Stickstoff, Stickoxyd, Ammo- niak und Leuchtgas. Wien. Ber. II 76: 215–236 Plücker, Julius. 1851. Ueber das magnetische Verhalten der Gase. Ann. Phys. 83: 87 Plücker, Julius. 27. 12. 1857. Ueber die Einwirkung des Magnetes auf die elektrischen Enladungen in verdünnten Gasen. Ann. Phys. 103: 88–106 Plücker, Julius. 30. 3. 1858. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung durch gasverdünte Räume. Ann. Phys. 103: 113–128 Plücker, Julius. 25. 8. 1858. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung. Ann. Phys. 105: 67–84 Plücker, Julius. 1895–1896. Julius Pluecker gesammelte wissenschaftlische Abhandlungen (ur. A. Schönflies, F. Pockel), 2. vol, Leipzig Podolny, R. 1986. Something Called Nothing. Moskva: Mir Poggendorff, Johann Christian. 1865. Uber eine neue Einrichtung der Quecksilber-Luftpumpe. Ann. Phys. 201/125: 151–153 Poggendorff, Johann Christian. 1876. Das Radiometer des Hern. W. Crookes. Ann. Phys. 234/156: 489 Polj{ak, Tone. 1931. Edison. Elektrotehni{ki vestnik. 1/2: 17–18, 1/3: 33–36 Priestley, Joseph. 1769. An Investigation of the Lateral Explosion. Phil. Trans. 60: 218 Priestley. 1775, 1966. The History and Present State of Electricity With Original Experiments. London Priestley, Joseph. 1966. A Scientific Autobiography of Joseph Priestley (1733–1804). Selected Scientific Correspondence (ur. Robert E. Schofield). Cambridge, Massachusetts, and London: The M. I. T. Press Puluj, Johann. 1889. Radiant electrode matter and the so-called fourth state. Physical memoirs. London Puluj, Johann. 1896. Über die Entstehung der Röntgen'schen Strahlen und ihre photographische Wirkung. Wien. Ber. 105: 228–245

Quincke, Georg Hermann. 1863. Ueber die optischen Eigenschaften der Metalle. Ann. Phys. 119: 369–384

Raigersfeld, (Rakovec) baron Michael. 1763. Annotationes ... Accomodata ad Compendioria Physicis Patri Pauli Mako S. J.; Philosophia in Alterum annum Auditor sub Professor R. P. Joanne Schottl In Collegio Regio Theresiano. AS. Zbirka rokopisov, 149 r. Redhead, Paul Aveling. 1984. The measurement of vacuum pressures. Madey (ur.). History of Vacuum. 31–37 Redhead, Paul Aveling. (ur.). 1994. Vacuum Science and Technology, Pioners of the 20th Century, History of vacuum science and technology, Vol. 2, AIP Press Redhead, Paul Aveling. maj/junij 1999. The birth of electronics: Thermoionic emission and vacuum. J. Vac. Sci. Technol. A 16(3): 1394–1401

338 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Redhead, Paul Aveling. 1999. The ultimate vacuum. Vacuum. 53: 137–138 Regnault, Noël. 1755. Physicae Recentioris Origo Antiqua per Dialogos Epistolares Demonstrata. Graecii Reisner, Jo`ef. 1913. Fizika za vi{je razrede srednjih {ol. Ljubljana Reitlinger, Edmund. 1861. Ueber die Schichtung des elektrisches Lichtes. Wien. Ber. 43: 15–25, 534 Reitlinger, Edmund, Kraus, Franz. 1862. Über Brande's elektrochemische Untersuchungen. Wien. Ber. 46: 389 Reitlinger, Edmund, @erjav, Luka. 1862. Über Schichtung durch Entladungschläge der Leidner Batterie. Wien. Ber. 46: 352–361 Richardson, Owen Willams. 1905. Conductibilité électrique communiquée au vide par les conducteurs chauds. Les quantités (ur. Abraham, Langevin). 381–601 Ritschl, Rudolf. 1931. Über ein Verfahren zur halbdurchlässiger Versilberung von Interferometer- spiegeln durch Verdampfen im Hochvakuum. Zeitschrift für Physik. Berlin. 69: 578–585 Robida, Karel Lucas. 1857. Vibrations-Theorie der Elektrizität. Izvestja Gimnazije Celovec. 1–37 Robida, Karel Lucas. 1858. Magnetismus, Forsetzung und Schlus der Vibrations-theorie der Elektrizität. Izvestja Gimnazije Celovec. 1–60 Robinson, Harold Roper. 1963. Rutherford: life and work to the year 1919, with personal reminiscences of the Manchester period. Rutherford at Manchester (ur. J. B. Birks). New York: W. A. Benjamin inc. Röntgen, Wilhelm Conrad. 1898. Ueber eine neue Art von Strahlen. Ann. Phys. 64: 1–37 Rosenberger, Ferdinand. 1890. Die Geschichte der Physik in grundzügen mit synchronistichen Tabellen, III. del, Braunschweig Ross, Ian M. 1998. The Invention of the Transistor, Proc. IEEE, 86/1 (Januar 1998) str. 22–23 Rosseland, Sven. 1922. Zur Quantentheorie der radioaktiven Zerfallsvorgänge. Zeitschrift für Physik. 14: 173–181 Ruska, Ernst. 1990. The development of the electron microscope and of electron microscopy, December 8, 1986. Nobel lectures, Physics 1981–1990. Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific. 357 Rutherford, Ernest. 1906. Some Properties of α Rays from Radium, Phil. Mag. 11: 166; 12: 141 Rutherford, Ernest. 1906. Retardation of the α Particle from Radium in passing through Matter. Phil. Mag. 12 Rutherford, Ernest, Royds, Thomas D. 1909. The Nature of the α Particle from Radioactive Substances. Phil. Mag. 17: 282 Rutherford, Ernest. 1911. The Scattering of α and β-Particles by Matter and the Structure of the Atom. Phil. Mag. Ser. 6, 21: 669–681 Rutherford, Ernest. 1914. Structure of the Atom. Phil. Mag. 27: 494–495 Rutherford, Ernest. 1919. Collision of α Particles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen, Phil. Mag. 6: 37 Ryssel, Heiner, Ruge, Ingolf. 1986. Ion implantation. John Wiley & Sons

Sah, Chin-Tang. Oktober 1988. Evolution of the MOS Transistor-From Conception to VLSI. Proc. IEEE. 76/10: 1280–1326 Sawyer, William E. 1880. Seeing by electricity. Sci. Am. 42: 373 Schapira, Karel, Pismo Codelliju 20. 7. 1929 (Codelli, AS. {k. 19) Schneider, Ditmar. 1986. Auf den Spuren Guerickes. Phys. Bl. 42: 397–399 Schopman, Joop. 1988. Industrious science: Semiconductor research at the N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, 1930–1957. HSPS. 19/1: 137–172 Schott, Gaspar. 1657. Mechanica hydraulico-pneumatica. Herbipoli: Pigrin

LITERATURA IN VIRI 339 Schott, Gaspar. 1658. Magiae universalis naturae et artis. III–IV. Herbipoli: Hertz. (1677. Bamber- gae: Joh. Martin Schönwetter) Schott, Gaspar. 1664. Technica curiosa sive mirabilia artis. Herbipoli: Hertz Schöttl, Gregor. 1775. Tentamen Philosophicum ex Logica, Metaphysica Algebra, Geometria, Trigonometria, Geodesia, Stereometrissa (sic!), Geometria Curvarum, Balistica et Physica, tam Generali, quam Particular... Ljubljana Schreiner, Henrik. 1889. Fizika ali nauk o prirodi s posebnim ozirom na potrebe kmetskega stanu. Celovec: Dru`ba sv. Mohorja Schröter, Fritz Georg Ernst. 1930. Die Braunsche Röhre als Fernseher. Fernsehen. 1: 4–8 Schröter, Fritz Georg Ernst. 1930. Aus der Entstehungsgeschichte der Glimmlampe. Fernsehen. 1: 244–249 Schröter, Fritz Georg Ernst, Pisma Codelliju 27. 10. 1928, 31. 10. 1928, 20. 11. 1928 in 14. 3. 1930 (Codelli, AS, {k. 19) Schröter, Fritz Georg Ernst. 1932. Handbuch der Bildtelegraphie und des Fernsehen, bearbeitet und herausgegeben von F. Schröter. Berlin: Verlag von Julius Springer, Berlin Schröter, Fritz Georg Ernst (ur.). 1937. Fernsehen. Berlin: Julius Springer Senekovi~, Andrej. 1883. ^rtice z dunajske elektri~ne razstave. Ljubljanski Zvon. 720–727, 790–795 Shapin, Steven Schaffer, Simon. 1985. Leviathan and the Air Pump. Hobbes, Boyle, and the Expe- rimental Life. New Jersey: Princeton University Press. Francoski prevod. 1993. Paris: Éditions de Découverte Shockley, William Bradford, Pearsons, Gerald. 25. 6. 1948. Modulation of Conductors of Thin Films of Semi-Conductors by Surface Charges. Phys. Rev. Lett. 74 Shockley, William Bradford. 1950. Electrons and Holes in Semiconductors. New York: D. van Nostrand Company Inc. Shockley, William Bradford, Sparks, M., Teal, G. K. p-n Junction Transistors, Phys. Rev. 83 (1. 7. 1951) 157 Siemens, Ernst Werner. 1889, 1891. Wissenschaftlische und technische Arbeiten. Berlin: Julius Springer I–II Siemens, Georg. 1957. History of the house of Siemens. II. Freiburg/Munich: Karl Alber Sigmund, P. 1981. Theoretical Concepts. Sputtering by Ion Bombardment (ur. Rainer Behrisch). Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag Sime, Ruth Lewin. 1988. Lise Meitner. Scientific American, Januar 1998, 60 Sirk, Hugo, Versuche über die kathodische Ausfällung der Thoriuminduktion aus ihren salzsauren Lösungen, Wien. Ber. 118 (29. 4. 1909) str. 363–371 Sirk, Hugo. 1913. Ein Druckgefälle im Glimmstrom bei Einwirkung eines transversalen Magnetfeldes, Wien. Ber. 122 (13. 3. 1913) Sirk, Hugo. 1934. Einfluss eines magnetisches Feldes. Wien 1934. Tudi: 27. 3. 1934. Der Einfluss eines Magnetfeldes auf die Streuung von Röntgenstrahlen in Flüssigkeiten. Zeitschrift für Physik. 89/3: 129–142 Sittauer, Hans L. 1989. James Watt. Leipzig Soulen, Robert J. jr. 1996. James Dewar, His Flask and Other Achievements. Phys. Today 32–37 Sparnaay, M. J. 1992. Adventures in vacuum. Amsterdam: North-Holland Spitzer, Lyman. 1956. Physics of fully ionized gases. New York: Interscience publishers. Ponatis 1962 Spitzer, Lyman. 1997. Dreams, Stars and Electrons. Princeton University Press Staroseljskaja-Nikitina, O. A., Ernest Rutherford, Nauka, Moskva, 1967 Stefan, Josef. 1864. Über eine Erscheinung am Newtonischen Farbenglase. Wien. Ber. II. 49: 135–137

340 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Stefan, Josef. 1872. Untersuchungen über die Wärmeleitung in Gasen, Erster Abhandlung. Wien. Ber. II 65: 323–363 Stefan, Josef. 1879. Über die Beziehung zwischen der Wärmestrahlung und der Temperatur, Wien. Ber. 79: 36–37 Stefan, Josef. 1883. Vortrag über die Ziele der Techn. Wissenschaftlischen Comission. Zeitschrift des Elektrotechnischen Vereines in Wien. 1: 269 Stewart, Balfour. 1866. An Elementary Treatise on Heat. Oxford: Clarendon Press Stoney, Georg Johnston. 1881. On the physical units of nature. Phil. Mag. 11: 381–390 Stoney, Georg Johnston. 1894. Of the 'Electron' or Atom of Electricity. Phil. Mag. 38: 418–420 Strojnik, Ale{. 1955. 50 kV elektronski mikroskop ljubljanske Elektrotehni{ke fakultete. Elektrotehni{ki vestnik. 23: 213–217 Stroke, H. Henry (ur.). 1994. The Physical Review. The First Hundred Years. New York, Maryland: American Institute of Physics Press Sturm, Johann Christoph. 1685. Collegium experimentale. Nürnberg: Endter Suhadolc, Anton. 2000. O za~etkih pouka fizike na ljubljanski univerzi. Obzornik za matematiko in fiziko 47/5: 182–184 Suhadolc, Anton. 2000. Dr. Valentin Ku{ar, prvi slovenski predavatelj fizike na Univerzi v Ljubljani. Obzornik za matematiko in fiziko. 47/6: 147–149 Su{nik, Ivan. 6. 3. 1896. Novi svetlobni trakovi. Slovenec Sutherland, William. 1896, 1897. Thermal transpiration and radiometer motion. Phil. Mag. (5) 42: 373–391, 476–492; 43: 83 Swedenborg, Emanuel. 1721. Miscellanea observata circa res naturales et praesertim circa mineralia, ignem et montium strata. Amsterdam. (2: Leipzig 1722) Swift, John. 1950. Adventure in vision. The First Twenty-Five Years of Television. London: John Lehmann

[antel, Anton. 1883. Physikalische Kleinigkeiten. Dreiunddreissigster Jahres-bericht des K. K. Staats-Gymnasiums in Görz. 27–69. Prvi del razprave Ein leicht herstellbarer Apparat zur Luftverdünnung mittelst Quecksilbers (27–36) ponatisnjen kot: Kaulbaum-[antelsche Luftpumpe Leopold von Pfaundler's (1839–1920) Compendium der Experimentalphysik [ubic, Ivan. 1897. Elektrika, nje proizvodnja in uporaba. Ljubljana: Matica Slovenska [ubic, Simon. 1862. Grundzüge einer Molekular-Physik. Wien [ubic, Simon. 1874. Lehrbuch der Physik für Ober-Gymnasium und Ober-Realschulen. Buda-Pest [ubic, Simon. 1875. Telegrafija. Ljubljana: Letopis SM [ubic, Simon. 1882. O imenitnej{ih elektri~nih iznajdbah. Kres, Leposloven in znanstven list. Celovec. 2: 479–485, 533–538, 585–590 [ubic, Simon. 1896. Fotografovanje nevidnih stvarij. Dom in svet. 9: 155–159, 186–189 [ubic, Simon. 1896. ^love{ko telo – prozorno. Dom in svet. 9: 412–414 [ubic, Simon. 1898. @ive fotografije. Dom in Svet. 18–20 [ubic, Simon. 1898. Röntgenova lu~ in ~love{ko telo. Dom in svet. 11: 218–221 [ubic, Simon. 1901. Na skrajnih mejah vro~ine in mraza. Dom in Svet. 495–500, 559–562, 627–634

Tarasov, Boris. 1979. Paskal. Moskva: Molodaja gvardija Tarasov, L. V. 1985. Lazery: dejstvitel'nost' i nade`dy. Moskva: Nauka Taufferer, Inocenc. 1760. Dissertatio Cl. Mairani De Causa Variationum Barometri. Tentamen Publicum ex Universa Philosophia... Ljubljana: Joannis Georgii Heptner Templer, Richard, Attard, George. 4. 5. 1991. The Fourth State of Matter. New Scientist. 130/1767: 25–29

LITERATURA IN VIRI 341 Thomson, George Paget. 1967. J. J. Thomson and the Cavendish Laboratory in his Day. London and Edinburgh: Nelson Thomson, George Paget Thomson. 1970. Duh nauki. Moskva: Znanie Thomson, Joseph John. 1907. Theory of Matter. London Thomson, Joseph John. 1936. Recollections and Reflections. London: G. Bell Thomson, Joseph John. 1964. The Origins and Growth (ur. Hurd). 340–362 Tonks, Lewi, Langmuir, Irving. 1929. Oscillations in Ionized Gases. Phys. Rev. 33: 195 Tonks, Lewi, Langmuir, Irving. 15. 9. 1929. A general theory of the plasma of an arc. Phys. Rev. 34: 881 Tremblay, Jean-François. 19. 7. 1999. The Skinny on Flat-Screen Displays. Chemical & Engi- neering News. 77/29: 19–28 Tricarico, Franc. 1765. Physicae recentioris Origo antiqua, per dialogos epistolares demonstrata. Authore R. P. Regnault è Societate Jesu...Dum assertiones ex Philosophia universa ex praelectionibus admodum Reverendi P. Francisci Tricarico... Gradec: Haeredum Widman- stadii Trigg, George L., Landmark Experiments in Twentieth Century Physics, New York, London 1975, ruski prevod, Mir, Moskva, 1978 Tu{ek, Ivan. 1869. Schoedler. Fizika. Poslovenil Ivan Tu{ek, profesor na véliki realki v Zagrebu. Ljubljana: SM

Urbanitzky, A. Ritter von. 1885. Das elektrische Licht. Bericht (ur. Klein). 385–470

Vega, Jurij. 1800. Vorlesungen über die Mathematik, IV Bd. Anleitung zur Hydrodynamik. Wien Vjalcev, A. N. 1981. Otkrytie elementarnyh ~astic. Moskva: Nauka Vlahovi}, Nikola. 1862. Sulla scarica instantanea della bottiglia di Leyda. Il Nuovo Cimento. 16: 30–75; Wien. Ber. 46: 531–571 Vlahovi}, Nikola. 1863. Sulla durata della scintilla elettrica. Izvestja Gimnazije Koper. 3–11; Il Nuovo Cimento. 7 Voronov, G. S. 1985. [turm termojadernoj kreposti Moskva: Nauka

Waits, Robert K. maj/junij 1997. Edison's Vacuum Coating Patents. AVS Newsletter Waits, Robert K. jul./avg. 2000. Evolution of integrated-circuit vacuum processes: 1959–1975. J. Vac. Sci. Technol. A 18 (4): 1736 Wallentin, Ignaz G. 1897. Lehrbuch der Physik. Wien: A. Pichler's Witwe & Sohn Weber, H. F. 1888. Untersuchungen über die Strahlung fester Körper. Sitz. Preus. Akad. 2: 933–957 Wegmann, Lienhard. 1981. Historical perspective and future trends for ion implantation systems. Nucl. Instrum. Methods. 189 Wehnelt, Arthur. 1905. Empfindlichkeitssteigerung der Braunschen Röhre durch Benutzung von Kathodenstrahlen geringer Geschwindigkeit. Physikalische Zeitschift. 6: 732–733 Weinberg, Steven. 1986. The discovery of subatomic particle, 1983. Prevod: Odkrytie subatomnyh ~astic. Moskva: Mir Wheaton, Bruce R. 1983. The tiger and the spark, Empirical roots of wave-particle dualism. Cambridge University Press Wien, Wilhelm. 1987. Über Elektronen. Von der Naturforschung zur Naturwissenschaft. Springer-Verlag Wilde, Franc Ksaver. 1803. Knji`ni~na {tevila in popis ljubljanske licejske knji`nice. NUK. Roko- pisni oddelek Wilson, David B. 1987. Kelvin and Stokes. Bristol: Adam Hilger Winkelmann, Adolph. 1875. Ueber die Wärmeleitung der Gase. Ann. Phys. 156: 497–531

342 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Winkler, Otto, Bakish, R. (ur.). 1971. Vacuum metallurgy. Amsterdam: Elsevier Wolff. 1758. Compendium elementorum matheosis universae in usum studiosae juventutis adornatum, a Christiano Wolffio, Tomus primus, Lausanne & Genève Woodruff, A. E. 1966. William Crookes and the Radiometer. Isis. 57/188 Wüllner, Adolph. 1870. Lehrbuch der Experimentalphysik bearbeitet von Dr. Adolph Wüllner. 3. izdaja, Leipzig

Yarling, Charles B., Johnson, Walther H., Keenan, W. A., Larson, L. A. december 1991. Uniformity Mapping in Ion Implantation. I. Solid State Technol. 34/12 Yarling, Charles B. jul./avg. 2000. History of industrial and commercial ion implantation 1906–1978. J. Vac. Sci. Technol. A 18 (4): 1746

Zalar, Anton. 1979. Spektroskopija Augerjevih elektronov. DVTS. Bilten 17, 402 Zantedeschi, Francesco. 1848. Ueber die Bewegungen der Flamme unter elektromagnetischem Einfluss. Ann. Phys. 73: 286–290 Zenneck, Jonathan. 1899. Eine Methode zur Demonstration und Photographie von Stromcurven. Ann. Phys. 69: 838–853 Zinsmeister, G. J. 1984. Die Entwicklung der industriellen Dünnschicht-Technik. Vakuum- Technik. 33 Zoch, Johan B. 1880. Neue elektrische Staubfiguren als Betrag zur Erklärungen der Erscheinungen in der Geisler'schen Röhren und zur Widerlegung der Crookes'schen Hypothese. Izvestja Realne gimnazije Sarajevo Zworykin, Vladimir Kosma. 1925–1927. Improvements in or relating Television Systems. Ameri{ki patent 13. 7. 1925 {t. 1691324, britanski patent {t. 255057, prijavljen 3. 7. 1926 pod {t. 16,736/26, sprejet 31. 3. 1927 Zworykin, Vladimir Kosma, Ramberg, E. G. 1950. Photoelectricity and its application. New York: John Wiley & Sons, Inc. Zworykin, Vladimir Kosma, Ramberg, E. G., Flory, L. E. 1958. Television in Science and Industry. New York: John Wiley

LITERATURA IN VIRI 343 344 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Seznam pomembnej{ih podjetij, ustanov in revij

AAAS American Association for the Advancement of Science Ann. Phys. Annalen der Physik und Chemie, Leipzig APUG Archivo della Pontificia Università Gregoriana, Rim (folij in stran) AR Académie Royale des Sciences, Pariz AS Arhiv Republike Slovenije v Ljubljani BAAS British Association for the Advancement of Science Balzers Gerätebau-Anstalt Balzers, Liechtenstein Bell Labs Bell Telephone Laboratories, Murray Hill, New Jersey, ZDA CalTech California Institute of Techology, Pasadena, Kalifornija Cavendish Cavendish Laboratory, Cambridge CCE Compagnie Continentale Edison C. R. Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, Pariz DVTS Dru{tvo za vakuumsko tehniko Slovenije EELC Edison Electric Light Company Extrion Extrion, Corp., danes Varian SEA Fairchild Fairchild Semiconductor Corporation, Mountain View, Kalifornija FRS Fellow of the Royal Society GE General Electrics Co., Schenectady (Edisonovo podjetje) GEC General Electric Company, Ltd. GEM General Electric Metallized

SEZNAM POMEMBNEJ[IH PODJETIJ ... 345 GME General Micro-Electronics Inc., podru`nica Fairchilda, ustanovljena leta 1963 Heraeus W. C. Heraeus Vakuum-schmelze GmbH Hanau, Nem~ija HVEC High Voltage Engineering Company, ZDA IPC Ion Physics Corporation, Burlington, Massachusetts, ZDA IJS Institut "Jo`ef Stefan", Ljubljana Intel ITPO In{titut za tehnologijo povr{in in optoelektroniko, Ljubljana. Leybold LZg Laibacher Zeitung MIT Massachusetts Institute of Technology NAS National Academy of Sciences, ZDA NUK Narodna in univerzitetna knji`nica v Ljubljani (signature) Philips Philips Corporation, Eindhoven Phil. Trans. Philosophical Transactions of RS, med Hookovim tajni{tvom 1677–1683 za~asno preimenovan v Philosophical Collections RCA Radio Corporation of America RI Royal Institution, London RS Royal Society s ~lani (fellows) FRS, London SEE Société Électrique Edison, Pariz Sematech Sematech Inc., Austin, Teksas Shockleyjevi polprevodni{ki laboratoriji Shockley Semiconductor Laboratory v Palo Altu, Kalifornija, ustanovljen 1955, podrejen Beckman Instruments, Inc. SM Slovenska matica Temescal Temescal Metallurgical Corporation v Kaliforniji TI Texas Instruments, Inc., Dallas, Teksas UELC United Electric Lighting Company, London Varian Vacuum Division of Varian Associates, Palo Alto, Kalifornija WE Western Electrics ZAL Zgodovinski arhiv, Ljubljana

346 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Seznam pomembnej{ih oseb

A Pierre Victor Auger (*1899; †1993) Ernst Abbe (*1840; †1905) Max Auwärter (*1908; †1995) Max Abraham (*1875; †1922) Walter Sydney Adams (*1876; †1956) B Georg Bauer Agricola (*1494; †1555) Francis Bacon baron Verulam (*1561; †1626) Avgusta pl. Aigentler, poro~ena [antel (*1852; Johann Friedrich Adolf vitez von Baeyer (*1835; †1934) †1917) Henriette (Jetti) pl. Aigentler, poro~ena Boltzmann Otto von Baeyer (*1854; †1936) John Logie Baird (*1888; †1946) Hannes Olof Gösta Alfvén (*1908; †1995) William Ball (*1561; †1626) Anton Ambschell (*1751; †1821) George F. Barker (*1835; †1910) Guillaume Amontons (*1663; †1705) Charles Glover Barkla (*1877; †1944) André Marie Ampère (*1775; †1836) Thomas Bartholin (*1616; †1680) Thomas Andrews (*1813; †1885) Adolfo Guiseppe Bartoli (*1851; †1896) Edward Victor Appleton (*1892; †1965) Daniello Bartoli (Bartolis, *1608; †1685) François Arago (*1786; †1853) Nikolaj Gennadievi~ Basov (*1922) Lev Andreevi~ Arcimovi~ (*1909; †1973) Martin Bau~er (*1594; †1668) Georg Wilhelm Alexander Hans grof Arco (*1869; Alexandre Edmond Becquerel (*1820; †1891) †1940) Antoine Henri Becquerel (*1852; †1908) Manfred von Ardenne (*1907; †1997) Jean Becquerel (*1878; †1953) Aristotel (*384 pr. n. {.; †322 pr. n. {.) Wilhelm Beetz (*1822; †1886) A. E. Van Arkel (*1893; †1976) Alexander Graham Bell (*1847; †1922) Richard Arkwright (*1732; †1792) Giovanni Batista de Benedictis (*1622; †1706) François Laurent markiz d'Arlandes (*1742; †1809) Abraham Bennet (*1750; †1799) Harold de Forest Arnold (*1883; †1933) Willard Harrison Bennett (*1903; †1987) Svante Arrhenius (*1859; †1927) Jacques Etienne Bérard (*1789; †1869) Jacques-Arsène d'Arsonval (*1851; †1940) Gasparo Berti (*okoli 1600; †1643) Giuseppe Maria Asclepi (*1706; †1776) J. E. Bertier (*1710; †1783) Francis William Aston (*1877; †1945) Jöns Jakob Berzelius (*1779; †1848) Karl Auer (*1858; †1929) Henry Bessemer (*1813; †1898)

SEZNAM POMEMBNEJ[IH OSEB 347 Hans Albrecht Bethe (*1906) grof Janez Filip Cobenzl (†1697) Olaf Kristian Birkeland (*1867; †1917) baron Joannes Raphael Cobenzl (Kobenzl, *1571; Leopold Biwald (*1731; †1805) †1627) Joseph Black (*1728; †1799) John Douglas Cockcroft (*1897; †1967) Patrick Mainars Stuart Blackett (*1897; †1947) baron Anton Codelli pl. Fahnenfeld (*1875; †1954) Pietro Blaserna (*1836; †1918) Jean-Baptiste Colbert markiz Seignelak (*1619; Felix Bloch (*1905; †1983) †1683) René Blondlot (*1849; †1930) Arthur Holly Compton (*1892; †1962) Ludwig Boehm (*1859; †1992) Karl Taylor Compton (*1887; †1954) J. H. DeBoer (*1899; †1971) William David Coolidge (*1873; †1975) Herman Boerhaave (*1668; †1738) Vernon Ellis Cosslett (*1908; †1990) David Joseph Bohm (*1917) Oliver Cromwell (*1599; †1658) Niels Hendrik David Bohr (*1885; †1962) William Crookes (*1832; †1919) Werner von Bolton (*1868; †1912) James Arnold Crowther (*1883; †1950) Ludwig Boltzmann (*1844; †1906) Marie Curie (*1867; †1934) Alfonso Borelli (*1608; †1679) Paul Czermak (*1857; †1912) Jagadish Chandra Bose (*1858; †1937) Rudjer Josip Bo{kovi} (*1711; †1787) ^ Fran ^ade` (*1882; †1945) Ismaël Boullualdi (Bullialdi, *1605; †1694) grof Richard Boyle, prvi grof Cork (*1566; †1643) Lavo ^ermelj (*1889; †1980) Robert Boyle (*1627; †1691) D William Henry Bragg (*1862; †1942) Louis Daguerre (*1789; †1851) William Lawrence Bragg (*1890; †1971) John Dalton (*1766; †1844) William Thomas Brande (*1788; †1866) Charles Galton Darwin (*1887; †1962) G. F. Brander (*1713; †1783) Clinton Joseph Davisson (*1881; †1958) Karl Ferdinand Braun (*1850; †1918) Humphry Davy (*1778; †1829) Louis Bréguet (*1804; †1883) François Delaroche (*1775; †1813) Roger Lord Broghill, prvi grof Orrery (*1621; †1679) Harry Dember (*1882; †1943) Louis de Broglie (*1892; †1987) Demokrit iz Abdere (*470 pr. n. {.; †380 pr. n. {.) Maurice de Broglie (*1875; †1960) René Descartes (*1596; †1650) Otto von Bronk (*1872; †1951) César Mansuète Desperetz (*1792; †1863) Lord William Brouncker (*1620; †1684) Ernst B. Brüche (*1900; †1985) James Dewar (*1842; †1923) Charles Francis Brush (*1849; †1929) Karel Dillherr (*1710; †1778) Robert Wilhelm Bunsen (*1811; †1899) Josip Franjo Domin (*1754; †1819) Hans Busch (*1884; †1973) Henry Draper (*1837; †1882) John William Draper (*1811; †1882) C Paul Karl Ludwig Drude (*1863; †1903) Louis Paul Cailletet (*1832; †1913) Karl Duisberg (*1861; †1934) Sadi Carnot (*1796; †1832) Saul Dushman (*1883; †1954) Paolo Casati (*1617; †1707) Hendrik Brugt Gerard Casimir (*1909; †2000) E Henry Cavendish (*1731; †1810) Arthur Eddington (*1882; †1944) James Chadwick (*1891; †1974) Henry Turner Eddy (*1844) Subrahmanyan Chandrasekhar (*1910; †1995) Thomas Alva Edison (*1847; †1931) Charles II. Stuart (*1630; kralj; †1685) Erik Edlung (*1819; †1888) Jacques Alexandre César Charles (*1746; †1823) knez Janez Ulrik Eggenberg (*1568; †1634) Christian Christiansen (*1843; †1917) Paul Ehrenfest (*1880; †1933) Rudolf Clausius (*1822; †1888) Paul Ehrenfest (sin, *1916; †1939) Christopherus Clavius (*1537; †1612) Felix Ehrenhaft (*1879; †1952) Philippus Cluverius (Cluverij, *1580; †1622) Albert Einstein (*1879; †1955)

348 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Eleonora Marija Joèfa Habsburànka (*1653; G poljska kraljica 1670; †1697) Dennis Gabor (*1900; †1979) Walter Elsasser (*1904) Max Paul Wolfgang Gaede (*1878; †1945) Julius Elster (*1854; †1920) Galileo Galilei (*1564; †1642) Anton Erberg (*1695; †1746) George Gamow (*1904; †1968) Bernard Ferdinand Erberg (*1718; †1773) Pierre Gassendi (*1592; †1665) Janez Danijel Erberg (*1647; †1716) John Peter Gassiot (*1797/8; †1877) Joèf Kalasanc Ferdinand Avgu{tin Erberg (*1771; Jean Motthé Gaugain (*1810; †1879) †1843) Joseph Louis Gay-Lussac (*1778; †1850) Emil Erlenmeyer (*1825; †1909) Hans Wilhelm Geiger (*1882; †1945) Paul Erman (*1764; †1851) Heinrich Geissler (*1814; †1879) Gustav von Escherlich (*1849; †1935) Hans Friderick Geitel (*1855; †1923) Andreas von Ettingshausen (*1796; †1878) Walter Gerlach (*1889; †1979) Franz Serafin Exner (*1849; †1926) Lester Halbert Germer (*1896; †1971) F Henri Giffard (*1825; †1882) William Gilbert (*1540; †1603) Honoratio Fabri (Faber, *1606/7; †1688) Wilhelm Friederich Gintl (*1843; †1908) Michael Faraday (*1791; †1867) Eugen Goldstein (*1850; †1930) Philo Taylor Farnsworth (*1906; †1971) Robert Jemison Van de Graaff (*1901; †1967) Barthélmi Faujas de Saint-Fond (Barthélémy, *1741; †1819) B. P. Grabovski (*1901; †1966) Gustav Theodor Fechner (*1801; †1887) Leo Graetz (*1856; †1941) Ferdinand I. (*1503; nem{ki cesar 1556; †1564) Thomas Graham (*1805; †1869) Joseph Wilhelm Grailich (*1829; †1859) Ferdinand I. (*1793; avstrijski cesar 1835–1848; †1875) Zénobe Théophile Gramme (*1826; †1901) Ferdinand III. (*1608; cesar od 1637; †1657) Willem Jacob 's Gravesande (*1688; †1742) Ferdinand IV. (*1633; †1654) Ralph Greatorex (†1712) Enrico Fermi (*1901; †1954) Jacques Bretel de Grémonville (*1625; †1686) Richard Feynman (*1918; †1988) Friedrich Albrecht Carl Gren (*1760; †1798) Josef Finger (*1841; †1925) Christoph Grienberger (*1564; †1636) Rudolph Heinrich Finkener (*1834; †1902) Wilhelm Friedrich Grintl Emil Fischer (*1852; †1919) William Robert Grove (*1811; †1896) Gabrijel Gruber (*1740; †1805) Thomas Cecil Fitzpatrick (*1866; †1931) Ignazio Guarini (*1676; †1748) Ludwig Flamm (*1885; †1964) Otto Guericke (*1602; †1686) John Flamsteed (*1646; †1719) Bartholomei Laurenço de Gusmão (*1685; †1724) John Ambrose Fleming (*1849; †1945) Harvey Fletcher (*1884; †1981) H Felice Fontana (*1730; †1805) Otto Hahn (*1879; †1968) Bernard Le Bovier de Fontenelle (*1657; †1757) Edwin Hilbert Hall (*1855; †1938) George Forbes (*1849; †1936) Edmund Halley (*1656; †1742) Henry Ford (*1863; †1947) Wilhelm Hallwachs (*1859; †1922) Lee de Forest (*1873; †1961) William Rowan Hamilton (*1805; †1865) Jean Nicolas Fortin (*1750; †1831) Franjo Hanaman (*1878; †1941) James Frank (*1882; †1964) Robert Hare (*1781; †1858) Benjamin Franklin (*1706; †1790) William Draper Harkens (*1873; †1951) grof Franjo Krsto Frankopan (*1643; †1671) William Harvey (*1578; †1657) Joseph von Fraunhofer (*1787; †1826) Friedrich Hasenöhrl (*1854; †1915) Walter Frederich (*1883; †1968) Francis Hauksbee (Hawksbee, *okoli 1666; †1713) Jakov Ilji~ Frenkel (*1894; †1952) Victor Hausmaninger (*1855; †1907) Augustine Fresnel (*1788; †1827) Walter Norman Haworth (*1883; †1950) Otto Robert Frisch (*1904; †1979) Werner Heisenberg (*1901; †1976)

SEZNAM POMEMBNEJ[IH OSEB 349 Herman Helmholtz (*1821; †1894) Paul Knipping (*1883; †1935) Marija Ana grofica Herberstein (*1660; †1726) Max Knoll (*1897; †1969) Edward W. Herold (*1907; †1993) Martin Knudsen (*1871; †1949) William Herschel (*1738; †1822) Matija Ahacel Kobentar (*1779; †1845) Gustav Ludwig Hertz (*1887; †1975) Walter König (*1859; †1936) Heinrich Rudolf Hertz (*1857; †1894) Arthur Korn (*1870) Georg Hevesy (*1885; †1966) Johann Heinrich Krüsi (John Krusi, *1843; †1899) Hugo Hirst (Hirsch, Lord Witton, *1863; †1943) Anton Kuhelj (*1902; †1980) Johann Wilhelm Hittorf (*1824; †1914) August Adolf Eduard Eberhard Kundt (*1839; †1894) Thomas Hobbes (*1588; †1679) Igor Vasiljevi~ Kur~atov (*1903; †1960) Jean A. Hoerni (*1925; †1997) Valentin Ku{ar (*1873; †1962) August Wilhelm von Hofmann (*1818; †1892) Gilles Holst (*1886; †1968) L Robert Hooke (*1635; †1703) Ladislaus IV. Vasa (*1585; kralj 1632; †1648) Ivan Baptist Horvat (*1732; †1799) grof Marsilio Ladriani (*okoli 1751; †1827) Friederich Georg Houtermans (*1903; †1966) Francesco de Lana Tertio (Terzi, *1631; †1687) Carl Hummel (*1801; †1879) St. George Lane-Fox Christiaan Huygens (*1629; †1695) Paul Langevin (*1872; †1946) Irving Langmuir (*1881; †1957) I Joseph Larmor (*1857; †1942) Jan Ingenhousz (*1730; †1779) Max von Laue (*1879; †1960) Ernest Orlando Lawrence (*1901; †1958) J Petr Nikolaevi~ Lebedev (*1866; †1912) Pavel Nikolaevi~ Jablo~kov (*1847; †1894) Ernst Lecher (*1856; †1926) Boris Jakobi (*1801; †1894) Gottfried Wilhelm Leibniz (*1646; †1716) Moritz Herman Jakobi (*1801; †1874) Philipp Lenard (*1862; †1947) J. Celestin Jamin (*1818; †1886) Wilhelm Lenz (*1888; †1957) Jan II. Kazimierz Vasa (Jean-Casimir, *1609; kralj Herbert G. McLeod (*1841; †1923) 1648–1668; †1672) Mihail Aleksandrovi~ Leontovi~ (*1903; †1981) Sigmund Jen~i~ (*1679; †1718) Leopold I. (*1640; cesar 1658; †1705) Charles Francis Jenkins (*1867; †1934) John Leslie (*1766; †1832) Abram Fedorovi~ Joffe (*1880; †1960) LeVkip iz Mileta (*490 pr. n. {.) John Bertrand Johnson (*1887) Gilbert Newton Lewis (*1875; †1946) James Prescott Joule (*1818; †1889) Georg Christoph Lichteberg (*1742; †1799) K Robert von Lieben (*1878; †1913) Justus Liebig (*1803; †1873) Heike Kamerlingh-Onnes (*1853; †1926) Julius Edgar Lilienfeld (*1882; †1963) Evgen Kansky (*1926; †1987) Karl von Linde (*1842; †1934) Pjotr L. Kapica (*1894; †1984) Franciscus Linus (Hall, *1595; †1675) August Karolus (*1893; †1972) Ferdinand Lippich (*1838; †1913) Walter Kaufmann (*1871; †1947) Jules Antoine Lissajous (*1822; †1880) Heinrich Gustav Johannes Kayser (*1853; †1940) Milton Stanley Livingston (*1905; †1986) William Thomson Lord Kelvin (*1824; †1907) Wenzel Franc Lobkowitz (*1609; †1677) John Kerr (*1824; †1907) Joseph Norman Lockyer (*1836; †1920) Janez Krsnik Kersnik (*1783; †1850) Aleksandr Nikolaevi~ Lodigin (Lodyguine, *1847; Donald W. Kerst (*1911; †1993) †1923) Jack StClair Kilby (*1923) Josip Lon~ar (*1891; †1971) Gottfried Aloys Kinner (*1610) Hendrik Antoon Lorentz (*1853; †1928) Athanasius Kircher (*1602; †1680) Marija Katarina grofica Losenstein, poro~ena kne`na Gustav Robert Kirchhoff (*1824; †1887) Turja{ka (*1635; †1691) Felix Klein (*1849; †1925) Jurij Ahac grof Losenstein (Georg Achaz, *1597; Ignac Klemen~i~ (*1853; †1901) †1653)

350 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK P. L. Ch. E. Louyet (*1818; †1850) Julij Nardin (*1877; †1959) Ludvik XIV. (*1636; kralj 1643; †1715) Johann August Natterer (*1821; †1901) Ludvik XVI. (*1754; kralj; †1793) Christian Ernst Neef (*1782; †1849) Otto Lummer (*1860; †1925) Herman Walther Nernst (*1864; †1941) Carl Gottfried Neumann (*1832; †1925) M Franz Ernst Neumann (*1798; †1895) Ernst Mach (*1838; †1916) Philip Neumann (*1774; †1849) Lorenzo Magalotti (*1637; †1712) Louise-Marie de Gonzaque princesa Nevers Valeriano Magni (Magnani, *1586; †1679) (Gonzaga, *1611; kraljica 1646; †1667) Heinrich Gustav Magnus (*1802; †1870) Simon Newcomb (*1835; †1909) Paul Mako von Kerek-Gede (*1723/24; †1793) Thomas Newcomen (*1663; †1729) Marija Franciska pl. Mansfeld, poro~ena grofica John Alexander Reina Newlands (*1838; †1898) Losenstein (†1654) John William Nicholson (*1881; †1955) markiz Guglielmo Marconi (*1874; †1937) William Nicholson (*1753; †1815) Edmé Mariotte (*1620; †1684) Jakob Joannes Wen~eslav Dobrzensky Nigro Ponte Ernest Marsden (*1889; †1970) (Schwartzbrug, ^erneho Mostu, *1623; Martin van Marum (*1750; †1837) †1697) Adolf Matthias (*1882; †1961) Paul Nipkow (*1860; †1940) Hiram S. Maxim (*1840; †1914) Leopold Nobili (*1784; †1835) James Clerk Maxwell (*1831; †1879) Etienne Noël (*1581; †1659) Alfred Marshall Mayer (*1836; †1896) Abbé Jean-Antoine Nollet (*1700; †1770) John Mayow (*1640; †1679) Robert N. Noyce (*1927; †1990) kardinal Gulio Mazarin (Mazarini, *1602; †1661) Pierre Des Noyers (*1608; †1693) Lise Meitner (Elise, *1878; †1968) O Dmitrij Ivanovi~ Mendeleev (Mendelejev, *1834; †1907) Albert von Obermayer (*1844; †1915) Marin Mersenne (*1588; †1648) Karol Olszewski (*1846; †1915) Oskar Emil Meyer (*1834; †1909) Mario Osana (*1880; †1958) Stefan Meyer (*1872; †1949) Wilhelm Ostwald (*1853; †1932) John Michell (*1724; †1793) P Albert Abraham Michelson (*1852; †1931) Michael Paintner (*1753; †1826) Dénes von Mihály (*1894; †1953) Giovanni Jacobo Panici (*1657; †1716) Robert Andrews Millikan (*1868; †1953) Denis Papin (*1647; †1712) Heinrich Mitteis (*1822; †1878) Blaise Pascal (*1623; †1666) François Napoleon Marie Moigno (*1804; †1884) Etienne Pascal (*1588; †1651) Henri Moissan (*1852; †1907) sir Clifford C. Paterson (*1879; †1948) Joseph Michel de Montgolfier (*1740; †1810) Wolfgang Pauli (*1900; †1958) Jacques Etienne de Montgolfier (*1745; †1799) Florin Périer (*1605; †1672) Pierre Petit de Montluçon (*1598; †1671) Jean Baptiste Perrin (*1870; †1942) Henri Louis Habert de Montmor (*okoli 1600; †1679) Anton Peterlin (*1908; †1993) Gordon E. Moore (*1929) Vasilij Vladimirovi~ Petrov (*1761; †1834) Henry More (*1614; †1687) Leopold Pflaundler von Hadermur (*1839; †1920) Auguste Morren Anton F. Philips (*1874; †1951) Neville Francis Mott (*1905; †1996) Friderik Philips (*1830; †1900) Ottaviano Fabrizio Mossotti (*1791; †1863) Gerard L. F. Philips (*1858; †1942) Pieter van Musschenbroek (*1692; †1761) Raoul Pierre Pictet (*1846; †1929) Samuel van Musschenbroek (*1639; †1681) John Robinson Pierce (*1910) Marcello von Pirani (Manfred, *1880; †1968) N Platon (*427 pr. n. {.; †347 pr. n. {.) Hantare Nagaoka (*1865; †1950) Josip Plemelj (*1870; †1967) Robert Nahrwold (*1850) Julius Plücker (*1801; †1868)

SEZNAM POMEMBNEJ[IH OSEB 351 Johann Christan Poggendorff (*1796; †1877) Marshall Nicolas Rosenbluth (*1927) Robert Wichard Pohl (*1884; †1976) Boris L'vovi~ Rosing (*1869; †1933) Henri Poincaré (*1854; †1912) Svein Rosseland (*1894; †1984) Christopher Polhem (*1661; †1751) Henry Augustus Rowland (*1848; †1901) knez Janez Ferdinand Porcia (Portia, *1606; †1665) Thomas D. Royds (*1884) Herman Poto~nik (*1892; †1929) Abbé Jean François Pilâtre de Rozier (*1754; †1785) Claude Servais Mathias Poullet (*1790; †1868) Woyciech Rubinowitcz (Vojteh, Adalbert, *1889; Cecil Frank Powell (*1903; †1969) †1974) Henry Power (*1623; †1668) Reinhold Rüdenberg (*1883; †1961) Samuel Tolver Preston (*1844) Rudolf II. (*1552; cesar 1576; †1612) Joseph Priestley (*1733; †1804), Waren de la Rue (*1815; †1889) Ernst Pringsheim (*1859; †1917) Heinrich Daniel Ruhmkorff (*1803; †1877) Peter Pringsheim (*1881; †1963) Benjamin Thomson grof Rumford (*1753; †1814) William Prout (*1785; †1850) Ernst Ruska (*1906; †1988) Karl Przibran (*1878; †1973) Henry Norris Russell (*1877; †1957) Johann Puluj (*1845; †1918) Ernest Rutherford (*1871; †1937) Mihajlo Pupin (*1858; †1935) S Q Chin-Tang Sah (*1932) Jean Antoine Quet (*1810; †1884) Megnad Sah (*1893; †1956) Hermann Georg Quincke (*1834; †1924) Henri Étienne Sainte-Claire Deville (*1818; †1886) lord Robert Cecil tretji markiz Salisbury (*1830; R †1903) Janez Friderik pl. Rain (*1613; †po 1686) David Sarnoff (*1891; †1971) baron Mihael Amadej Janez Nepomuk Raigersfeld Thomas Savery (*1650; †1715) (Rakovec, *1744; †1783) Johann Philipp von Schönborn (*1605; †1673) John William Lord Rayleigh (*1842; †1919) Janez Ludvik Schönleben (*1618; †1681) René-Antoine Ferchaut de Réaumur (*1683; †1757) Kaspar Schott (Gaspar, *1608; †1666) Paul Aveling Redhead (*1924) Walter Schottky (*1886; †1976) Ferdinand Redtenbacher (*1809; †1863) Gregor Schöttl (*1732; †1777) Henri Victor Regnault (*1810; †1878) Janez Krstnik Schöttl (*1724; †1777) Noël Regnault (*1683; †1762) Henrik Schreiner (*1850; †1920) Karl Ludwig baron Reichenbach (*1788; †1868) Erwin Schrödinger (*1887; †1961) Philipp Reis (*1834; †1874) Anton Schröter von Kristelli (*1802; †1875) Jo`ef Reisner (Josip, *1875; †1955) Fritz Georg Ernst Schröter (*1886; †1973) Edmund Reitlinger (*1830; †1882) Arthur Schuster (*1851; †1934) Josef Ressel (*1793; †1857) Marc Séguin (*1786; †1875) Osborne Reynolds (*1842; †1912) Nikolaj Nikolaevi~ Semenov (*1896; †1986) Michelangelo Ricci (*1619; †1692) Andrej Senekovi~ (*1848; †1926) Owen Willans Richardson (*1879; †1959) Wolferd Senguerd (Senguerolus, *1646; †1724) Georg Wilhelm Richman (*1711; †1753) John Northrup Shive (*1913; †1984) Peter Theodor Riess (*1805; †1883) William Bradford Shockley (*1910; †1989) Augusto Righi (*1850; †1920) Ernst Werner Siemens (*1816; †1892) Rudolf Ritschl (*1902; †1982) Wilhelm von Siemens (*1855; †1919) August de la Rive (*1801; †1873) sir William Siemens (*1823; †1883) Nicolas Marie-Noel Robert (*1761; †1828) Adolf Ferdinand Sieverts (*1874) Giles Person de Roberval (Personnier, *1602; †1675) Hugo Victor Karl Sirk (*1881; †1959) Karel Lucas Robida (*1804; †1877) Adolf Carl Heinrich Slaby (*1849; †1913) Walter Rogowski (*1881; †1947) John Slater (*1900; †1976) Wilhelm Julius Paul Rohn (*1887) John Smeaton (*1724; †1794) Wilhelm Konrad Röntgen (*1845; †1923) Adolf G. S. Smekal (*1895; †1959)

352 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Marian von Smolan Smoluchowski (*1872; †1917) August Töpler (*1836; †1912) Frederick Soddy (*1877; †1956) Evangelista Torricelli (*1608; †1647) Ernest Solvay (*1838; †1922) Richard Towneley (*1629; †1707) Arnold Sommerfeld (*1868; †1951) John Sealey Edward Towsend (*1868; †1957) baron Joseph Sonnenfels (*1733; †1817) Franc Tricarico (*1719; †1788) Lyman Spitzer (*1919; †1997) Louis Troost (*1826) Hermann Johann Philipp Sprengel (*1834; †1906) Ana Konkordia Elisabeta Turja{ka (Auersperg, *1610; Johannes Stark (*1874; †1957) †1636) J. W. Starr (*1821; †1846) grof Ditrih Turja{ki (Dietrich Teodorik Auersperg, *1578; †1634) Max Steenbeck (*1904; †1985) grof Janez Andrej Turja{ki (Auersperg, *1615; †1664) Jakob Steiner (*1796; †1863) baron Herbert VIII. Turja{ki (Auersperg, *1528; Charles Proteus Steinmetz (*1865; †1923) †1575) Simon Stevin (*1548; †1620) grof Herbert Turja{ki (Herward Auersperg, *1613; Balfour Stewart (*1828; †1887) †1678) George Gabriel Stokes (*1819; †1903) grof Herbert Turja{ki (Herward Auersperg, *1733; George Johnston Stoney (*1826; †1911) †1801) W. E. Strait (†1854) knez Janez Franc Ferdinand Turja{ki (Auersperg, Franz Streinz (*1855; †1922) *1655; †1706) Ale{ Strojnik (*1921; †1995) knez Janez Vajkard Turja{ki (Auersperg, *1615; †1677) Johann Christoph Sturm (*1635; †1703) baron Kri{tof II. Turja{ki (Auersperg, *1550; †1592) William Sutherland (*1859; †1912) grof Volk Engelbert Turja{ki (Auersperg, *1610; Joseph Wilson Swan (*1828; †1914) †1673) Emanuel Swedenborg (Emmanuel Svedenborg, Ivan Tu{ek (*1835; †1877) *1688; †1772) John Tyndall (*1820; †1893) Alan Archibald Campbell Swinton (*1863; †1930) Leo Szilard (*1898; †1964) U baron Ivan Ungnad (*1493; †1564) [ Anton [antel (*1845; †1920) V Ciril [lebinger (*1907; †2000) baron Janez Vajkard Valvasor (*1641; †1693) Janko [lebinger (*1876; †1951) Pierre Varignon (*1654; †1722) Vladimir [lebinger (*1906; †1984) Cromwell Fleetwood Varley (*1828; †1883) Ivan [ubic (*1856; †1924) baron Jurij Vega (*1754; †1802) Simon [ubic (*1830; †1903) Vladimir Veksler (*1907; †1966) Milan [uklje (*1881; †1937) Paul Ulrich Villard (*1860; †1934) Rasto [vajgar (*1919; †2001) Mykolas Kaributas Visniaveckis (Wisniowecki, *1649; kralj 1669; †1673) T Vincenzo Viviani (*1622; †1703) Peter G. Tait (*1831; †1901) Nikola Vlahovi} (Niccolò Vlacovich, *1832) Igor' Evgenevi~ Tamm (*1895; †1971) Inocenc Taufferer (*1722; †1794) W Louis Jacques Tenar (*1777; †1857) Karl Willy Wagner (*1881; †1953) Nikola Tesla (*1856; †1943) William Wallace (*1825; †1904) Jean Thibaud (*1901; †1960) Otto Wallach (*1847; †1931) George Paget Thomson (*1892; †1975) John Wallis (*1616; †1703) Joseph John Thomson (*1856; †1940) Ernest Thomas Sinton Walton (*1903) Richard Threlfall (*1861; †1932) Emil Gabriel Warburg (*1846; †1931) grof Johann Tserclaes Tilly (*1559; †1632) Anton Wassmuth (*1844; †1927) R. C. Tolman (*1881; †1948) James Watt (*1736; †1819) Sin-Itiro Tomonaga (*1906; †1979) Wilhelm Eduard Weber (*1804; †1891) Lewi Tonks (*1897; †1971) Albin Wedam (*1921; †1997)

SEZNAM POMEMBNEJ[IH OSEB 353 Arthur Wehnelt (*1871; †1944) Y Adolf Ferdinand Weinhold (*1841; †1917) Thomas Young (*1773; †1829) Edmund Weiss (*1837; †1917) Albin Weissbach (*1833; †1901) Z Willis R. Whitney (*1868; †1958) Brne Zamagna (Bernard, D`amanji}, *1735; †1820) Rolf Wideröe (*1902) Giuseppe Zamboni (*1776; †1846) Johann Emil Wiechert (*1861; †1928) Francesco Zantedeschi (*1797; †1873) Gustav Heinrich Wiedemann (*1826; †1899) Pieter Zeeman (*1865; †1943) Wilhelm Wien (*1864; †1928) Carl Frederich Zeiss (*1816; †1888) Franz Xaver Wilde (*1753; †1828) Jonathan Zenneck (*1871; †1959) Alan Herries Wilson (*1906; †1995) Ferdinand von Zeppelin (*1839; †1917) Charles Thomson Rees Wilson (*1869; †1959) Gustav Zeuner (*1828; †1907) H. E. Wilson (*1874; †1964) Johann (Ivan Branimir) Zoch Clemens Winkler (*1838; †1904) Johann Karl Friedrich Zöllner (*1834; †1882) Maximilian Wolf (*1863; †1932) grof Petar Zrinjski (*1621; †1671) Arthur Williams Wright (*1836; †1915) Nicoló Zucchi (*1586; †1670) Szygmunt Florenty Wroblevski (*1845; †1888) Vladimir K. Zworykin (*1889; †1982)

354 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK Sklici

1 Podolny, 1986, 16–17 28 Sparnaay, 1992, 19, 39–40; Frankfourt, 1976, 92, 2 Sparnaay, 1992, 11 98 29 3 Aristotel, 1987, 98–100 Sparnaay, 1992, 4; Madey, 1984, 11 30 4 Sparnaay, 1992, 12; Podolny, 1986, 19, 21 Hablanian, 1984, 18 31 5 Aristotel, 1987, 97, 98, 99, 106 Schott, 1657, 445 32 6 Asimov, 1978, 22; Podolny, 1986, 23; Sparnaay, Hellyer, 1998, 265–268; Guericke, 1986, 113 1992, 14 33 Hellyer, 1998, 280 7 Galileo, 1964, 124–125 34 Grant, 1981, 395 8 Hablanian, 1984, 17–18 35 Hellyer, 1998, 268 9 Madey, 1984, 9 36 Schott, 1664, 252, 885 10 Kircher, 1650; Middleton, 1964, 15; Hellyer, 1998, 37 Schneider, 1986, 398–399 187 38 11 Guericke, 1986, 109; Shapin, 1993, 277–278 Schott, 1664; Mayr, 1966, 89 39 12 SBL, 1: 19 Madey, 1984, 10 40 13 Hellyer, 1998, 279, 280 Redhead, 1984, 31 41 14 Guericke, 1986, 108 Sparnaay, 1992, 2 42 15 Guericke, 1986, 76 Gorman, 1994, 12, 17 43 16 Hellyer, 1998, 280–282 Wolff, 1758 44 17 Guericke, 1986, 77 Gorman, 1994, 19 45 18 Guericke, 1986, 78 Redhead, 1984, 31 46 19 Guericke, 1986, 80 Helden, 1995, 196 47 20 Guericke, 1986, 49–50 Hellyer, 1998, 264 48 21 Hellyer, 1998, 266 Guericke, 1986, 92–93, 108; Sparnaay, 1992, 4, 49 52 Guericke, 1986, 66–69, 71–73 50 22 Gorman, 1994, 19, 21 Guericke, 1986, 68/69; Schott, 1664, 38 23 Sparnaay, 1992 10, 14, 15 51 Guericke, 1986, 77 24 Bernhardt, 1993, 229–239; Shapin, Schaffer, 1993, 52 Schott, 1657, 460; Schott, 1658, 604; Schott, 1664, 83, 86–87, 122 18, 39 25 Sparnaay, 1992 15, 17; Tarasov, 1979, 128–129 53 Hellyer, 1998, 100 26 Pascal, 1648 54 Sporo~ilo dr. Janeza [umrade 9. 10. 2003 27 Bernhardt, 1993, 227; Tarasov, 1979, 330 55 Mayr, 1678, 71–72

SKLICI 355 56 Raisp, 1983, 144 96 Panici, 1700, 980–998, poglavja 1226–1254 57 SBL, 1: 162 97 Guarini, 1706, 77, 295, 304–305, 309–314, 319 58 Sparnaay, 1992, 17, 37; Nichols, 1999, 133; 98 Hellyer, 1998, 389 Shapin, 1993, 113 99 Esteran, okoli 1720, 311 59 Middleton, 1964, 59–60 100 Boyle, 1965, 1: 33–39, 168–169 (17. poskus in nje- 60 Shapin, 1993, 167, 235, 275 gova obramba pred kritiki); Hellyer, 1998, 288 61 Bogoljubov, 1984, 47; Shapin, 1993, 236, 259, 101 Guarini, 1706, 341/342 289, 297, 314 102 Guarini, 1706, 333, 342; Middleton, 1964, 48–49, 62 Nichols, 1999, 22, slika za stranjo 86 54 63 Shapin, 1993, 74, 159, 161, 227–228 103 Guarini, 1706 64 Pouillet, 1853, 132 104 Guarini, 1706, 341/342 b 65 Nichols, 1999, 1, 5, 9, 22; Bogoljubov, 1984, 47, 105 Anonimno, okoli 1700, 181 52, 54, 229; Shapin, 1993, 235 106 Esteran, okoli 1720, 406 levo; Anonimno, okoli 66 Sparnaay, 1992, 26–27 1700, 181 67 Shapin, 1993, 257–258; Nichols, 1999, 22, 26–27, 107 Anonimno, okoli 1700, 181 43–44 108 Esteran, okoli 1720, 32 levo 68 Shapin, 1993, 262–263; Conant, 1958, 68–69 109 Esteran, okoli 1720, 32 69 Nichols, 1999, 60 110 Esteran, okoli 1720, slike 10, 21, 14, 8, 7, 5, 27. 70 Sparnaay, 1992, 25 111 Esteran, okoli 1720, 320 71 Sparnaay, 1992, 48 112 Panici, 1700, 4 72 Frankfourt, 1976, 158; Shapin, 1993, 244, 271, 113 Boyle (1660), 1965, 86/87 273, 277 114 Panici, 1700, 4 73 Wallis, Phil. Trans. 24. 2. 1672/3 115 Shapin, 1993, 62, 232–237, 264–268, 273–277 74 Sparnaay, 1992, 47–50 116 Boyle (1669), 1966 75 Europhysics News, julij-avgust 2000, 30 117 Mayr, 1678, 53, 74 76 Shapin, 1993, 267; Frankfourt, 1976, 101–102 118 Fabri, 1677; Mayr, 1678, 51–52, 53, 74, 84 77 Sparnaay, 1992, 53–54, 30, 40; Frankfourt, 1976, 119 Schott, 1677 4: 518–533, 554–555 156 120 Mayr, 1678, 89 78 Sittauer, 1989, 8–9; Bogoljubov, 1984, 209; 121 Kircher, 1664, 26–29; Mayr, 1678, 79 Frankfourt, 1976, 155; Asimov, 1978, 144–145 122 Hellyer, 1998, 374 79 Shapin, 1993, 273 123 Erberg, 1750. 2: 351–353; Erberg, 1751, 2: 47, 80 Shapin, 1993, 93, 114, 134–139, 150, 189–203, 351–353, 3: 151, 161, 492–497 225, 280–281, 290–292 124 81 Dadi}, 1982, 2: 240 Hellyer, 1998, 295 125 82 Hellyer, 1998, 309 Schneider, 1986, 399 126 83 Conant, 1958, 75 Hellyer, 1998, 295, 335 127 84 Regnault, 1755, 67, 349–357 Sparnaay, 1992, 39; Schott, 1664, 66–67 128 85 Raigersfeld, 1763, 4–13 Redhead, 1999, 137–138 129 86 Raigersfeld, 1763, 5–13 Redhead, 1999, 142 130 87 AS, Rokopisi, I/40 r, stran 1742 desno Sparnaay, 1992 41–44; Hurd, Kipling, 1964, 131 258–263; Mayr, 1678, 51 Schöttl, 1775, 33–52 132 88 Gorman, 1992, 11 Vega, 1800, poglavja 62–66, 70–74, 76, 80–82 133 89 Linus, 1661; Shapin, 1993, 76, 161–165 Döttler, 1815, 1: 12–15, 33, 2: 4–25 134 90 Domin, 1987, 182–187 Hummel, po 1821, 49–56 135 91 Andrews, 1889, 224–227; Dewar, 1927, 1116, Hummel, po 1821, 56 136 121, 127, 892, 1014, 1118, 121, 127, 894, 1120, Spaarnay, 1992, 55 1244 137 Sittauer, 1989, 7, 9; Bogoljubov, 1984, 209; Frank- 92 Rosenberger, 1890, 684; Priestley, Autobiography fourt, 1976, 155; Asimov, 144–145; Dickinson, 1945, 1966, 165, 181 21 138 93 Fistulae (Guarini, 1706, 339) Bogoljubov, 1984, 180–181; Nichols, 1999, 94 110–111 Panici, 1700, 990–992, 996, poglavja 1242–1245, 139 1251 Sittauer, 1989, 11, 13 140 95 Panici, 1700, 992, 994–995, poglavja 1246, Dickinson, 1945, 29 1249–1250 141 Carnot, 1953, 61–62

356 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 142 AS, Vicedomov arhiv, {k. 181, fasc. I/102 184 Asimov, 1975, 493 143 Madey, 1984, 11; Redhead, 1999, 139 185 Hittorf, 1889 157 144 Andrade, 1984, 77 186 Tu{ek, 1869, 91–92 145 Andrews, 1889, XXIV, 223–224 187 Tu{ek, 1869, 92 146 Geissler, 1874, 171–173 188 Tu{ek, 1869, naslovnica 147 Bowers, 1998, 64, 67 189 Boltzmann, 1909, 3: 62, 697 148 Hittorf, 1869, 5, 202 190 [antel, 1883, 28, 35 149 Schott, 1657, 445 191 Beyer, 1999, 110 150 Andrade, 1984, 77 192 [antel, 1883, 42, 44–47 151 Plücker, 1857, 88–89; [ubic, 1874, 250 193 Redhead, 1994, 43 152 Mayer, 1858; Poggendorff, 1865, 153; Redhead, 194 Redhead, 1999, 144 1999, 139 195 Lafferty, 1998, 176–178, 317, 625; Plücker, 1858, 153 Sparnaay, 1992, 63–66 84 154 Jungnickel, McCormmach, 1986, 1: 199; Ganot, 196 Redhead, 1994, 185 1886, pogl. 921, 923 197 Penning, 1937, 202–203 155 Hittorf, 1869 202; Jungnickel, McCormmach, 198 DeKosky, 1984, 97–98 1986, 1: 199–200, 222, 236 199 156 Brush, Everitt, 1969, 124 Boltzmann, 1909, 89 200 157 Redhead, 1998, 1399 Tu{ek, 1869, 93–94 201 158 Redhead, 1994, 32 Tu{ek, 1869, 94 202 Redhead, 1984, 32 159 Poggendorff, 1865, 153, 158; Wüllner, 1870, 203 Dewar, 1927, 983–987 365–366 204 160 Knudsen, 1910, 828 Swedenborg, 1722; Gren, 1791; Poggendorff, 205 1865, 151; Andrade, 1984, 81 Knudsen, 1912, 137 206 161 Heilbron, 1993, 20 Redhead, 1994, 75 207 162 Gren, 1791, 408–410 Kundt, Warburg, 1875, 337–366, 177–211 208 163 Madey, 1984, 14; Friedel, 1986, 51, 53 Maxwell, 1879, 332; Knudsen, 1910, 810–811 209 164 DeKosky, 1984, 85 Ann. Phys. 34 (1911) 182 210 165 Brush, Everitt, 1969; Brush, 1976, 211 Redhead, 1984, 32 211 166 Ganot, 1886, 159 Reich, 1994, 53 212 167 McLeod, 1874, 110–112 Redhead, 1994, 83 213 168 Madey, 1984, 102 Pirani, 1906, 686; Redhead, 1984, 32; Lafferty, 169 1998, 404 Friedel, Israel, Finn, 1986, 61–62 214 170 Penning, 1937, 202–203 Günter Reich, Wolfgang Gaede, v Redhead (ur.), 215 Vacuum Science and Technology, Pioners of the 20th Phys. Z. 7 (1908) 500 Century, History of vacuum science and technology, 216 Redhead, 1984, 33; Lafferty, 1998, 383; Mattox, Vol. 2, AIP Press, 1994, 53; Lafferty, 1998, 381 2000, 2 171 U~iteljski tovari{, 1870, 317 217 Redhead, 1999, 143 172 Mitteis, 1866, 61 218 Baeyer, 1909 168; Buckley, 1916, 683–685; 173 Zgodovinski muzej Ljubljana, akc. fond 1, arh. Redhead, 1984, 33; Lafferty, 1998, 415 enota 48 219 Madey, 1984, 145 174 Izvestja Gimnazije v Ljubljani, 1868 220 Lafferty, 1998, 417, 626 175 Ganot, 1886, poglavje 928, 892–893 221 Redhead, 1984, 34 176 Inventar Koper, {t. 265, 268; Izvestja Gimnazije 222 Redhead, 1994, 33 Koper, 1897; 1907, 61; 1908, 56 223 [etina, 1993, 64 177 Ganot, 1886, poglavje 849, 800, 803 224 Redhead, 1999, 146 178 Reitlinger, 1862, 113 225 Carazza, Kragh, 1990, 4 179 [ubic, 1874, 345; [ubic, 1862, 106, 113 226 Frisch, 1972, 54–55 180 Brush, 1976, 84 227 Crookes, 1905; ^ermelj, 1980, 70 181 [ubic, 1862, 106; Hittorf, 1889, 181 228 Frisch, 1972, 55; Laue, 1969, 310–311; Anderson, 182 Reitlinger, 1861, 15; [ubic, 1862, 92–93, 107, 1968, 36, 39, 48 109, 112, 113, 202 229 Staroselskaja-Nikitina, 1967 16–17; Wilson, 1987, 183 Hittorf, 1889 157 191, 198–199, 201; Puluj, 1889, 235

SKLICI 357 230 Anderson, 1968, 69–71; Frisch, 1972, 55; 269 Mattox, 2002, 18 Wheaton, 1983, 15–18 270 Hittorf, 1883, 721; Jungnickel, McCormmach, 231 Brush, 1976, 320, 326 1986, 9; Hertz, 1895, 222 232 Cazenobe, 1984, 972–986 271 Lafferty, 1998, 222 233 Derganc, 1917, 103 272 Hittorf, 1883, 735, 741 234 Priestley, 1769, 218. Priestley, 1966. 2: 334, 359, 273 Carazza, Kragh, 1990, 3; Sigmund, 1981 12 napaginiran dodatek na koncu 274 Sigmund, 1981 11 235 Grove, 1852, 87, 89, 90, 94–95, 10; Bowers, 1998, 275 Garig, 1936, 301–308; Asimov, 1978, 567 114 276 236 Stark leta 1908, 1909; [ubic, 1862, 107 Phil. Trans. 142 (1852) 87 277 237 Sigmund, 1981, 13 Gassiot, 1863, 134, 137; Plücker, 1858, 67; Hittorf, 278 1869, 197–198, 210–211; Hittorf, 1884, 126 Winkler, Bakish, 1971, 145; Bunshah, 1994, 238 939–940 Sparnaay, 1992, 62 279 239 Bowers, 1998, 57–58 Plücker, 1896, 518, 602, 614, 651; Plücker, 1857, 280 88–106; Plücker, 1858, 67, 68, 70, 113, 117; Ander- Bunshah, 1994, 938 281 son, 1968, 31 [ubic, 1897, 201 282 240 Bunshah, 1994, 939 [ubic, 1897, 203; Hurd, 1964, 367 283 241 Plücker, 1858, 68, 69; Jungnickel, McCormmach, Siemens, 1957, 1: 209–210 , 288, 2: 255; [ubic, 1986, 235 1897, 201 284 242 Rosenberger, 1890, 781; Anderson, 1968, 31 Siemens, 1957, 1: 287–289, 2: 255; Fox, Guagnini, 243 Hittorf, 1869, 210–211; Hittorf, 1884, 125–127, 1999, 270 285 130 Bolton, 1905, 45, 48, 51 286 244 Hittorf, 1869, 202, 210 Winkler, 1971, 171, 681–682, 685 287 245 Robida, 1857, 5, 11, 12 Bolton, 1905, 48 288 246 Rosenberger, 1890, 775; Robida, 1858, 59; Bunshah, 1994, 938 Robida, 1857, 4, 31, 33; Grailich, 1858, 426 289 Winkler, 1971, 171 247 Grove, 1852, 90; Plücker, 1857, 105 290 Bunshah, 1994, 938; Winkler, 1971, VI, 517 248 Robida, 1857, 31–33 291 Grove, 1871, 84 249 Robida, 1857, 31 292 Rosenberger, 1890, 780 250 Reitlinger, 1861, 16 293 Winkler, 1971, 593–594, 613–614 251 Höflechner, 1994, 2: 50 294 Bunshah, 1994, 936, 938; Grove, 1871, 132 252 Reitlinger, @erjav, 1862, 361; Reitlinger, 1861, 15, 295 Rosenberger, 1890, 622–625 17, 20, 25 296 Rosenberger, 1890, 626 253 Wien. Ber. II 46 (1862) 297 Winkler, 1971, 338 254 Reitlinger, 1862, 361, 354 298 Winkler, 1971, 339 255 Robida, 1857, 29, 32; Reitlinger, 1862, 352, 299 Winkler, 1971, 341 356–357, 361 300 256 Winkler, 1971, 341 Rosenberger, 1890, 3: 776–778 301 257 Winkler, 1971, 343 Reitlinger, Kraus, 1862, 374–375 302 258 Bunshah, 1994, 938; Winkler, 1971, 339 Reitlinger, 1861, 22, 24; [ubic, 1862, 109–110 303 259 Winkler, 1971, 344 Puluj, 1889, 242 304 260 Winkler, 1971, 346 Crookes, 1905, 113 305 261 Winkler, 1971, 343; Bunshah, 1994, 940 Reitlinger, 1861, 23–24; Rosenberger, 1890, 306 520–521 Bunshah, 1994, 938 307 262 Puluj, 1889, 241–246; Crookes, 1905, 115 Schopman, 1988, 155, 167 308 263 Rosenberger, 1890, 780 Bunshah, 1994, 937–939 309 264 Rosenberger, 1890, 780–781 Zinsmeister, 1984, 112–113; Strong, Procedures in Experimental Physics, Parentice-Hall 1938 265 Sigmund, 1981, 12 310 Edison, ameri{ki patent {t. 767216 (Zinsmeister, 266 Faraday, 1857, 145; Quincke, 1863, 369, 384; 1984, 110) Stefan, 1864, 135–137 311 267 Mattox, 2002, 20 Bunshah, 1994, 939. Kundt, 1886, 60–61, 65, 70; 312 Kundt, 1888, 469, 473–474 Ritschl, 1931, 578–585; Mattox, 2002, 18 313 268 Nahrwold, 1888, 117, 119, 121; Bunshah, 1994, Zinsmeister, 1984, 112 939 314 Mattox, 2000, 5

358 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 315 Bunshah, 1994, 939 357 Kundt, Warburg, 1875, 156; Brush, Everitt, 1969, 316 [ubic, 1901, 631 113 358 317 Graetz, 1902, 1100–1110 Ganot, 1886, 400 359 318 Rosseland, 1923, 180 Phil. Trans. 166 (1876) 339 360 319 Ellis, 1922, 303; Meitner, 1923, 54; Meitner, 1922, Crookes. 1876. Phil. Trans. 166: 338–345; Wood- 54, 143, 145; Rosseland, 1923, 173 ruff, 1996,193; Ganot, 1886, pogl. 445, 399, 401; 320 DeKosky, 1984, 92 Rosseland, 1923, 173, 176, 181; Bohr, 1970, 516 361 321 DeKosky, 1984, 96 Meitner, 1923, 62–64 362 322 Andrade, 1984, 82; DeKosky, 1984, 85, 98, 99; Crawford, 1997, 28 323 Redhead, 1999, 139 Crawford, 1997, 32 363 324 Brush, Everitt, 1969, 112 Sime, 1998, 60 364 325 DeKosky, 1984, 99 Lander, 1953, 1367 365 326 Woodruff, 1996, 196 Lander, 1953, 1383 366 327 Brush, Everitt, 1969, 116 Zalar, 1979, 402 367 328 DeKosky, 1984, 84, 95, 97 Fabri, 1669, 153 368 329 Woodruff, 1996, 196–197 Domin, 1987, 174 369 330 Puluj, 1889, 278–279, 288–289, 284, 290, Sturm, 1685 293–294) 331 Mayr, 1678, 91, 119 370 Puluj, 1889, 292 332 Domin, 1987, 175–177; Lana, 1684, 1: 3, 175, 371 Jungnickel, McCormmach, 1986, 2: 237; Rosenber- 177–178; Lana, 1686, 2: 176, 291–294; Lana, 1692, ger, 1890, 582, 683–684 3: 214, 215, 238, 239, 262, 297, 551 372 333 Poggendorff, 1876, 489; Puluj, 1889, 274 Lana, 1670, poglavje VI; Domin, 1987, 177, 175 373 334 Ganot, 1886, pogl. 445, 399–400 Domin, 1987, 177–178; Faujas, 1784, 3 (predgo- 374 Puluj, 1889, 319–328; Brush, 1976, 755 vor), 248–249 375 335 Puluj, 1889, 320 Domin, 1987, 165, 171–172, 175–177, 181–183 376 336 Wilson, 1987, 192 Domin, 1987, na koncu knjige 377 337 Knudsen, 1910, 633–640; DeKosky, 1984, 98 Vega, 1800, 147–148, 150 378 338 [antel, 1883, 40–43 Wolff, 1758, 1: 326/327 379 339 Wallentin, 1897, 220 Redhead, 1999, 144 380 340 Izvestja Gimnazije Koper, 1907, 61 Rosenberger, 1890, 681, 679 381 341 Ganot, 1886, 181; Redhead, 1999, 139, 144 Priestley, History 1966, 2: 187–190; Priestley, 382 1966, 21, 29, 31–33, 39, 42, 52, 109 Guericke, 1986, 45–48 383 342 Bennet, 1792. Phil.Trans. 82: 46; Young. 1802. Faraday, 1952, 513–514 Phil. Trans. 92: 46; Stewart, 1866, 161, 352 384 Heilbron, 1993, 121 343 Fresnel. 1825. Annales de Chimie et de Physique. 385 Stefan, 1872, 323–363; Rosenberger, 1890, 672 29: 57–62, 107–108; Woodruff, 1966, 192 386 Winkelmann, 1875 344 Fresnel. 1825. Bull. de la Soc. Philomath. 84; 387 Winkelmann, 1875, 502, 504, 506, 514; Kundt, Rosenberger, 1890, 679 1875, 363–365 345 Rosenberger, 1890, 213, 679–680 388 Höflechner, 1994, 2: 12, 17; Boltzmann, 1909, 346 Brush, Everitt, 1969, 106 368; Plank, 1876, 215 347 Andrews, 1889, 223–224 389 Soulen, 1996, 33 348 DeKosky, 1984, 84, 88 390 Dewar, 1927, 66 349 Redhead, 1999, 143 391 Reitlinger, 1861, 17; Dewar, 1927, 694, 782, 63, 350 Woodruff, 1996, 190, 191 66, 653 392 351 Woodruff, 1966, 189 Dewar, 127 393 352 Maxwell, 1873, 793; Brush, Everitt, 1969, 109; Soulen, 1996, 34; Dewar, 1927, 1258–1259, 743, Rosenberger, 1890, 683 951 394 353 Dewar, Tait, 1875, 217–218; Woodruff, 1996, 193 Dewar, 1927, 277 395 354 Thomson, 1936, 373–374; Woodruff, 1966, 194; Mendelsohn, 1977, 53, 56; Dewar, 1927, 128, Brush, Everitt, 1969, 111; Feffer, 1989, 35–36 267, 277, 353–355, 455, 650, 678, 1117 396 355 Crookesov laboratorijski dnevnik, 28. 3. 1876 Dewar, 1927, 53, 73, 79, 127, 353, 418–419, (DeKosky, 1984, 94) 652–656, 717, 1000, 1114, 1282, 1299, 1302 397 356 Maxwellovo pismo Stokesu 10. 2. 1876 (DeKosky, Soulen, 1996, 34 1984, 94) 398 Dewar, 1927, 879, 455, 781; Linde, 1896, 332

SKLICI 359 399 Dewar, 1927, 684, 73; Wilson, 1987, 242; Men- 445 Siemens, 1957, 1: 284, 286, 288, 290, 2: 32; delsohn, 1977, 64, 72–73; Soulen, 1996, 35, 37 Dadi}, 1982, 302; Fox, Guagnini, 1999, 270; Bowers, 400 Soulen, 1996, 35 1998, 150 446 401 Dewar, 1927, 717 Siemens, 1957, 2: 79; Fox, Guagnini, 1999, 268; 402 Bowers, 1998, 145–146, 150 Dewar, 1927, 1114, 1119 447 403 Siemens, 1957, 1: 115, 290–291 [ubic, 1901, 500 448 404 Fox, Guagnini, 1999, 268; Schopman, 1988, Friedel, Israel, Finn, 1986, 198 141–146; Bowers, 1998, 150 405 Petrov, 1803; Bowers, 1998, 64, 67 449 Waits, 1997, 19 406 Grove, 1845, 442–446; Siemens, 1957, I. del, 87; I. 450 Bowers, 1998, 70, 87–91, 103; Israel, 1998, 217 [ubic, 1897, 128–129; Friedel, 1986, 7–8, 94, 115; 451 Bowers, 1998, 69–70 Urbanitzky, 1885, 402 452 407 Edison, 1991, 45 Boncelj, 1960, 54; Urbanitzky, 1885, 412; Bowers, 408 1998, 86–87 Israel, 1998, 93, 102 453 409 Fox, Guagnini, 1999, 283–284; Bowers, 1998, 109 Edison, 1994, XXXVI, 540–547 454 410 Edison, 1994, 457; Hounshell, 1980, 615 Edison, 1994, 546 455 411 E. W. Siemens, 1891, 321, 344, 454, 462–463 Friedel, 1986, 6–7 456 412 Urbanitzky, 1885, 406 Friedel, 1986, 13 457 413 Nye, 1983, 78, 87 Bowers, 1998, 93, 95 458 414 Siemens, 1957, I, 89, 91, 92–93, 95; Bowers, 1998, Israel, 1998, 612 109–110 415 Hounshell, 1980, 612; Edison, 1991, 328, 778 459 Bowers, 1998, 150 416 Madey, 1984, 14; Friedel, 1986, 46, 49, 51, 53 460 Bowers, 1998, 110, 146–147, 161 417 Friedel, 1986, 87 461 Siemens, 1957, 2: 33 418 Edison, 1991, 375; Hablanian, 1984, 19 462 Siemens, 1957, 1: 105 419 Edison, 1991, 633–634 463 Edison, 1991, 508 420 Israel, 1998, 180–181, 193 464 Fox, Guagnini, 1999, 125 421 Friedel, 1986, 61, 62, 159, 163, 251; Hablaninan, 465 Friedel, 1986, 206 1984, 19 466 Israel, 1998, 164 422 Friedel, 1986, 131 467 Bowers, 1998, 99–100; Israel, 1998, 188 423 Edison, 1879, 152–154 468 Boncelj, 1960, 13 424 Israel, 1998, 341–342 469 Urbanitzky, 1885, 399 425 Waits, 1997, 18 470 Boncelj, 1960, 34, 35 426 Israel, 1998, 255, 296, 315; Waits, 1997, 19; 471 Urbanitzky, 1885, 397–406 Mattox, 2000, 3 472 427 Boncelj, 1960, 33 Friedel, 1986, 116, 171 473 428 Boncelj, 1960, 48; Stefan, 1883, 269 Madey, 1984, 14 474 429 Senekovi~, 1883, 725–726 Polj{ak, 1931, 34 475 Boncelj, 1960, 49, 51, 54, 83. 430 Nye, 1983, 34 476 Vlahovi}, 1863, 4. 431 Israel, 1998, 465; Friedel, 1986, 138–139 477 Vlahovi}, 1863, 4. 432 Edison, 1994, 525; Siemens, 1957, 1: 86, 308 478 Vlahovi}, 1862, 535, 552. 433 Bowers, 1998, 98–99 479 Inventar Koper, {t. 103, 105 (leto 1859), 112 (leto 434 Hounshell, 1980, 613 1860); Izvestja Gimnazije Koper, 1863, 35–36. 435 Urbanitzky, 1885, 404 480 Mestni Arhiv Koper, Inventario del gabinetto di 436 Nye, 1983, 100, 123; Friedel, 1986, 194, 195, 207 Fisica disposto nell’ordino cronologico degli acquisti 481 437 Siemens, 1957, 1: 88 Izvestja Gimnazije Ljubljana, 1857, 28 482 438 [ubic, 1897, LXIV; Dadi}, 1982, 305 Izvestja Gimnazije v Kopru, 1886, 1908 483 439 Israel, 1998, 337, 339 [ubic, 1882, 483, 484–485 484 440 Bowers, 1998, 107–109, 146, 171 Bowers, 1998, 65 485 441 Israel, 1998, 337 Schreiner, 1889, 177 486 442 Fox, Guagnini, 1999, 270; Bowers, 1998, 121; [ubic, 1897, 130 Dadi}, 1982, 302–303 487 Bowers, 1998, 71 443 Bowers, 1998, 147–149 488 Glasser, 1959, 51–56, 3; Garig, 1936, 304 444 Bowers, 1998, 127 489 Ellinger, 1897–98

360 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 490 Röntgen, 1898, 1, 5, 6–7, 12–14; Glasser, 1959, 532 Vjalcev, 1981, 49 1–2 533 Wilson, 1987, 205 491 Röntgen, 1898, 10 534 Feffer, 1989, 58, 61 492 Wheaton, 1983, 18; Wilson, 1987, 172; Feffer, 535 Vjalcev, 1981, 49–50 1989, 57 536 493 Weinberg, 1986, 44; Badash, 1987, 358 Puluj, 1896, 238 537 494 Feffer, 1989, 58; Thomson, 1964, 354, 357; Birks, 1963, 27 Anderson, 1968, 53; Weinberg, 1986, 82, 85 495 Bragg, 1944, 8; Glasser, 1959, 262–264 538 Thomson, 1964, 358, 359–360; Vjalcev, 1981, 58, 496 Wheaton, 1983, 15–17; Wilson, 1987, 203 72–73 497 Bragg, 1944, 6; Glasser, 1959, 76; Joffe, 1983, 26, 539 Thomson, 1907 34–36 540 Thomson, 1964, 361–362; Vjalcev, 1981, 83; 498 Madey, 1984, 54 Lelong, 1997, 105; Darrigol, 1998, 28; Dahl, 1997, 499 Jungnickel, McCormmach, 1986, 276, 278, 285 325 541 500 Wien. Klin. Wschr. (Glasser, 1959, 177, 185) Weinberg, 1986, 85 542 501 LZg. 1. 2. 1896. Tagesneuigkeiten. Röntgen und Vjalcev, 1981, 73, 77; Weinberg, 1986, 99–100; die Chirurgie. {t. 26: 196 Dahl, 1997, 9, 197 543 502 LZg. 7. 3. 1896. Tagesneuigkeiten. Die Rönt- Thomson, 1964, 341 gen'schen Strahlen. {t. 56: 433 544 Cazenobe, 1984, 972–986 503 LZg. 27. 3. 1896. Tagesneuigkeiten. Röntgen-Strah- 545 Filonovi~, 1990, 148; Stoney, 1894, 418–420; len. {t. 71: 561 Weinberg, 1986, 106; Darrigol, 1998, 20 504 [ubic, 1896, 186–187, 188 546 Lenard, 1905, 398, 400–402, 412–414; Lenard, 505 Su{nik, 1896 1905, 416; Darrigol, 1998, 5–6 547 506 Inventar Koper, {t. 265, 268; Izvestja Gimnazije Stoney, 1881, 381–390; Millikan, 1963, 22 Koper, 1897; 1907, 61; 1908, 56 548 Feffer, 1989, 59–61; Lelong, 1997, 107–108, 110, 507 [ubic, 1897, LXIV, 344 124; Millikan, 1963, 25–27; Dahl, 1997, 188 549 508 ^ade`, 1908, 20 Weinberg, 1986, 103; Vjalcev, 1981, 65 550 509 Sirk, 1934, 129 Lelong, 1997, 115–116 510 Sirk, 1934, 130, 139 551 Darrogol, 1998, 20, 25–26; Vjalcev, 1981, 53–57, 511 Sirk, 1934, 132 72, 75 552 512 Sirk, 1934, 142 Dahl, 1997, 156 553 513 Sirk, 1934, 133 Weinberg, 1986, 104 554 514 Sirk, 1934, 142 Brush, 1976, 875 555 515 Za informacije se zahvaljujem prof. dr. Milo{u Birks, 1963, 39; Badash, 1987, 354 Budnarju, za iskanje slik pa mag. Tanji @igon. 556 Vjalcev, 1981, 26–27, 51–52, 74 516 Fox, Guagnini, 1999, 120 557 Lelong, 1997, 92, 121 517 Millikan, 1963, 15 558 Lelong, Villard, 1997, 94, 96, 102, 115, 116, 119, 518 Vjalcev, 1981, 41; Dahl, 1997, 61 121–122, 129 559 519 Puluj, 1889, 305 Thomson, 1970, 69 560 520 Filonovi~, 1990, 151; Puluj, 1889, 305 Perrin, 1927, 136–141; Vjalcev, 1981, 27–28; 521 Weinberg, 1986, 131, 133–134 Dahl, 1997, 80 561 522 Fletcher, 1982, 44 Célébration du centenaire de la naisance de Jean 562 Perrin, Presses Universitaires de France, Paris 1971, Weinberg, 1986, 136 13 563 Filonovi~, 1990, 158–166; Weinberg, 1986, 140 523 Robinson, 1963, 56 564 Nye, 1983, 32; Millikan, 1963, 163 524 Hurd, Kipling, 1964, 344; Weinberg, 1986, 52; 565 Anderson, 1968, 41, 53, 60, 62, 64; Vjalcev, 1981, Wien, 1987, 292 74, 77, 79–81 525 Anderson, 1968, 46–47 566 Dahl, 1997, 242–251, 257–264 526 Filonovi~, 1990, 151; Vjalcev, 1981, 42 567 Vjalcev, 1981, 84; Feffer, 1989, 38–39; Weinberg, 527 Anderson, 1968, 36–37, 39 1986, 141 568 528 Frisch, 1972, 55; Laue, 1969, 310–311; Anderson, Falconer, 1988, 271 1968, 36, 39, 48–49 569 Thomson, 1967, 175, 181; Dahl, 1997, 284 529 Laue, 1969, 313; Derganc, 1917, 102 570 Falconer, 1988, 277 530 Dahl, 1997, 102–104 571 Bowers, 1998, 115 531 Feffer, 1989, 33–34, 39–52; Andreson, 1968, 41 572 Thomson, 1970, 51

SKLICI 361 573 Robinson, 1963, 97 622 Livingston, Blewett, 1962, 134 574 Lenard, 1905, 369, 378, 391, 558–559; Darrigol, 623 [ubic, 1875, 21 1998, 22–23; Vjalcev, 1981, 66 624 Fisher, 1996, 29, 45, 92 575 Falconer, 1988, 297 625 Israel, 1998, 88, 483; Friedel, 1930, 12–14; 576 Falconer, 1988, 265–267 Borchardt, 1930, 95; Swift, 1950, 21; Zworykin, 577 Falconer, 1988, 271–308 Ramberg, 1950, 1–2; Zworykin, Ramberg, Flory, 578 1958, 5; Fisher, 1996, 9–11, 13 Filonovi~, 1990, 152–153; Thomson, 1967, 172 626 579 [ubic, 1882, 535–538; Klemen~i~, 1881 Dahl, 1997, 338 627 580 Thomson, 1967, 155 Hertz, 1905, 260–261, 269 628 581 Schreiner, 1889, 124–125 Vakuumist 16/1 (1996) 20 629 582 âde`, 1908, 25–26 Lenard, Wolf, 1889, 444 630 583 Reisner, 1913, 312–313 Lenard, 1905, 398, 400–402, 412–414, 416 631 584 êrmelj, 1980, 65 Weinberg, 1986, 103 632 585 Gloede, 1986, 22–28 Lodge, 1894, 42–45; Zworykin, 1950, 5–6; 586 Borchardt, 1930, 95; Beyer, 1999, 182 Gurikov, 1983, 163–164; Kircher, 1664, X. knjiga 633 587 Edison, 1991, 668–691; Nye, 1983, 38 Gurikov, 1983, 122, Gurikov, 1985, 39–42 634 588 Israel, 1998, 111–115, 469–470 Gurikov, 1985, 51; Gloede, 1986, 166 635 589 Edison, 1905, 183–184 Hittorf, 1869 220–221; Ruska, 1990, 357 636 590 Israel, 1998, 469–470 Hittorf, 1869, 214 637 591 Polj{ak, 1931, 35 Hittorf, 1869, 215–217, 219, 223 638 592 Richardson, 1905, 581–583, 601 Hittorf, 1869, 221; Vjalcev, 1981, 41, 47 639 593 Redhead, 1998, 1398–1400 Gurikov, 1985 54 640 594 Vakuumist 16/1 (1996) 22 Busch, 1926, 993; Gloede, 1986, 170 641 595 Nardin, Zei, 1912; Nardin, 1929, 44–48 Busch, 1926, 993 ter 1927, 583, 588, 592, 594 642 596 Fisher,1996, 236 Ruska, 1986 357 643 597 Fisher, 1996, 19 Ruska, 1986 360–361, 377–378 644 598 Beyer, 1999, 178 Gurikov, 1985 54 645 599 Braun, 1896, 688, 691–692 Siemens, 1957, 2: 193; Gloede 1986 177–178 646 600 Braun, 1897 Ruska, 1986 357–362, 369; Siemens, 1957, 2: 194 647 601 Braun, 1897, 552–553 Knoll, Ruska, 1932, 661, 650; Gloede, 1986, 648 176–177 Hess, 1898, 622; Siemens, 1957, 1: 204–205, 185 649 602 Thomson, 1970, 158–160 Graetz, 1897, 326–327 650 603 Knoll, Ruska, 1932 638, 642; Gurikov, 1985, 59; Braun, 1898, 368, 370–371 Gloede, 1986, 173 651 Jungnickel, McCormmach, 1986, 2: 346 604 Gabor, 1948, 778; Gabor, 1972, 302–303 652 Braun, 1897, 553 605 Strojnik, 1955, 214 653 Wehnelt, 1905, 732–733 606 Livingston, Blewett, 1962, 4 654 Busch, 1927, 583, 591 607 ponatis: êrmelj, 1980, 111 655 Siemens, 1957, 2: 192–193 608 Livingston, Blewett, 1962, 134 656 Kleinert, 1993, 71; Zworykin, 1958, 12, 9 609 Livingston, 1962, 133 657 Fisher, 1996, 263 610 Livingston, Blewett, 1962, 4 658 Fisher, 1996, 236 611 Brown, 1997, 74 659 Barancev, Urvalov, 1986, 135 612 Staroseljskaja, 1967, 258–261 660 Fisher, 1996, 236 613 Livingston, Blewett, 1962, 5 661 Schröter, 1932, 61; 246–248; Swift, 1950, 82–83 614 Lapp, 1960, 183. 662 Barancev, Urvalov, 1986, 131 615 Priestley, 1765, 1: 417–418. 663 Baird, 1925, 535 616 Hummel, 1833, 213–235. 664 Fisher, 1996, 60, 79, 301 617 Livingston, Blewett, 1962, 31–33. 665 Swift, 1950, 54, 57, 84 618 Livingston, 1962, 30 666 Dieckmann, Glage, 1906; Zworykin, 1958, 7–9; 619 Cilen{ek, 1958, 393 Kleinert, 1993, 71 620 Cilen{ek, 1958, 395 667 Fisher, 1996, 236 621 Siemens, 1957, 2: 195 668 Fisher, 1966, 119, 147

362 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 669 Dember, 1925, 529–530; Barancev, Urvalov, 709 Po Codelliju napa~no Wellerjevo kolo, ki ga je 1986, 131–136 francoski delavec Lazare Weiller sestavil leta 1888 v 670 Siemens, 1957, 100 "phoroscopu" (Swift, 1950, 49; Fisher, 1996, 85). 710 671 Fisher, 1996, 236 Ryssel, Ruge, 1986, 1–2; Dresselhaus, Kalish, 672 1992, 31 Ardenne, 1931, 69; Fisher, 1996, 202 711 673 Hertz, 1895, 355; Frisch, 1972, 55; Laue, 1969, Fisher, 1996, 236 310–311; Anderson, 1968, 48–49 674 Gloede, 1986, 178, 196, 199 712 Lenard, 1905, 369, 378, 386, 391, 558–559 675 Zworykin, 1958, 18–19 713 Vjalcev, 1981, 218–219 676 Ardenne, 1931, 65, 66 714 Lelong, Villard, 1997, 102 677 Podatke mi je prijazno posredovala Maja Ilich, 715 Rutherford, 1906, 135, 143; Danin, 1983, 40 vnukinja V. [lebingerjeve sestre. 716 678 Campbell, 1998, 35 Friedel, 1930, 17; Borchardt, 1930, 94–95; Swift, 717 Kedrov, 1980, 20; Badash, 1987, 361 1950, 34 718 679 Weinberg, 1986, 85, 143 Dinsdale, 1931, 288; Fisher, 1996, 301 719 680 Kapica, 1981, 298–299 Fisher, 1996, 236 720 681 Badash, 1987, 361; Kedrov, 1980, 46 Zworykin, 1927, 1, 3, 5 721 682 Staroseljskaja-Nikitina, 1967, 120, 123; Kedrov, Swift, 1950, 61 1980, 12 683 Fisher, 1966, 114, 167, 174, 199, 360 722 Rutherford, 1906, fig. 1 684 Fisher, 1996, 236 723 Rutherford, 11: 166, 171; 12: 141 685 Fisher, 1966, 198–199 724 Weinberg, 1986, 168 686 Dinsdale, 1931, 286–288 725 Feffer, 1989, 18–20 687 Fisher, 1966, 236 726 Rutherford, 1906, 168–169 688 Fisher, 1996, 136 727 Rutherford, 1906, fig. 2 689 Zworykin, 1958, 18–19; Ustinov, 1989, 121–123 728 Rutherford, 1906, fig. 3 690 Leblanc, 1880, 477; Fisher, 1996, 299–301; 729 Rutherford, 1906, 170–176 Goebel, 1974, 853–856 730 Rutherford, 1906, 135 691 Fisher, 1996, 302–304, 320 731 Rutherford, 1906, 358–359, 135–136 692 Codelli, {k. 19 732 Rutherford, 1906, fig. 3 693 Arco, 28. 1. 1908; Arco, 23. 4. 1908, 3; Tele- 733 Rutherford, 1906, 138, 144 funknovo pismo dr. Schapiru, 15. 9. 1930, 2 strani 734 (Codelli, {k. 19, prevod v: Dokumenti Slovenskega Geiger, 1910, 505 gledali{kega muzeja, Ljubljana 13 (1977) {t. 29, 120) 735 Kedrov, 1980, 26, 47; Rutherford, 1906, 145–146; 694 Arco, pismo 12. 1. 1908 Staroseljskaja-Nikitina, 1967, 130–131, 138–139; 695 Robinson, 1963, 66, 74; Birks, 1963, 30 Schröter, 1930, 4; Schröter, 1930, 246 736 696 Rutherford, 1909, 282 NUK, Rokopisni oddelek, sign. Ms 1397, III (155) 737 697 Rutherford, Royds, 1909, 282; Kapica, 1981, 280; AS, Codelli, {k. 19; NUK, 141, Nr. 3458, Nr. 3408 Kedrov, 1980, 52–54; Birks, 1963, 32 III 738 698 Dewar, 1927, 2: 1013 Friedel, 1930, 15; Codelli, 1930, 110–111; 739 Rutherford, 1906, 144–145 Grabnar, 1977, 112; Schröter, 1956, 19 740 699 Danin, 1983, 48 Schröter, 1932, 52–53 741 700 Vjalcev, 1981, 83–86; Badash, 1987, 364 Ardenne, 1932, 18 742 701 Rutherford, 669, 680–681; Geiger, Marsden, 1909, Grabnar, 1977, 113 495–500; Thomson, 1970, 61; Staroseljskaja-Nikitina, 702 Grabnar, 1977, 112; Codelli, AS, {k. 19 in NUK, 1967, 140 134 743 Kedrov, 1980, 55–58; Thomson, 1970, 62; Danin, 703 Codelli, AS, {k. 19, 11–12, 15, 16, 38 (75), 44 1983, 37; Weinberg, 1986, 169, 178; Robinson, (77–78), slika 6 (ohranjena v nem{ki ina~ici Abb. 6) 1963, 68 704 Codelli, AS, {k. 19, 16, slika 10 (danes br`kone iz- 744 Brown, 1997, 18, 21 in 133 gubljena in ne ustreza Abb. 10, ki ka`e L. Weillerjevo 745 Crowther. 1910. Proc. Roy. Soc. 84: 226; Ruther- zrcalno kolo) ford, 1911, 686–688; Filonovi~, 1990, 193 705 Codelli, AS, {k. 19, 75 746 Staroseljskaja-Nikitina, 1967, 141 706 Codelli, AS, {k. 19, 67–68 747 Danin, 1983, 30–31, 50, 93; Filonovi~, 1990, 707 Codelli, AS, {k. 19, 74–75, zahteva 45 189–190 708 Codelli, AS, {k. 19 748 Badash, 1987, 365

SKLICI 363 749 Geiger, 1913, 609 792 Kramer (1997, 1205) je odkritje datiral 16. 12. 750 Geiger, Marsden, 1913, 604, 606, 621–623 1947, podobno tudi Holonyak, 1992 39; Bondyo- 751 padhyay, 1998, 63 Bohr, 1971, 2: 594–595; Rutherford, 1914, 793 494–495; Filonovi~, 1990, 195; Geiger, 1913, 604 Trigg, 1978, 187, 188 794 752 Birks, 1963, 11–12, 52, 69, 71, 104–106, 139; Shockley, Pearsons, 1948, 232–233 795 Rutherford, 1919, 37 Physics Today 45 (April 1992) 24–25 796 753 Bohr, 1970, 1: 83, 216, 245–246; Ryssel, Ruge, Kramer, 1997 1205 1986, 5 797 Proc. IEEE, 86/1 (jan.1998) 34 754 Bohr, 1971, 2: 545–546 798 Kramer, 1997, 1204; Trigg, 1978, 178 755 Kedrov, 1980, 106–107 799 Holonyak, 1992, 40 756 Weinberg, 1986, 147; Badash, 1987, 350 800 Shockley, 1951, 157 757 Phys. Today 38/10 (oktober 1985) 24 801 Yarling, 2000, 1746 802 758 Bohr, 1971, 2: 446, 454, 469; Ryssel, Ruge, 1986, Ehrenreich, 1995, 33 7; Dresselhaus, Kalish, 1992, 35 803 Holonyak, 1992, 39. Nasprotno mnenje je objavil 759 Derganc, 1917, 103; âde`, 1908, 39, 33, 35 Bondyopadhyay (1998, 196, 207) 804 760 Carazza, Kragh, 1990, 12 Fox, Guagnini, 1999, 255; Schopman, 1988, 142 805 761 âde`, 1908, 31, 37; êrmelj, 1980, 97, 148, 110 Sah, 1988, 1280–1283; Waits, 2000, 1736; Weg- 762 mann, 1981, 1 Sirk, 1913, 417 806 763 Shockley, ameri{ki patent {t. 2666814, 19. 1. Wilson, 1987, 201 1954, {t. 2672528, 16. 3. 1954; Bondyopadhyay, 764 Staroseljskaja-Nikitina, 1967, 131, 180–181, 231; 1998, 199 Birks, 1963, 36, 131; Brown, 1997, 8, 12, 77–88, 95 807 Bondyopadhyay, 1998, 199 765 Faraday, 1952, pogl. 434, 439, 1340–1341 808 Ohl, 1952, 104; Fair, 1998, 112 766 Stefan, 1865; Adle{i~, 1952, 453 809 Yarling, 2000, 1746 767 Braun, 1874, 561, 562 810 Shockley, ameri{ki patent {t. 2787564, 2. 4. 1957, 768 Kurylo, Susskind, 1981, 28–34 potrjen 12. 4. 1958; Sah, 1988, 1285, 1288, 1321; 769 Bondyopadhyay, 1998, 199 Braun, 1878, 436–447, 479–482, 484 811 770 Wegmann, 1981, 1; Fair, 1998, 112–114 Fox, Guagnini, 1999, 120, 127; Feffer, 1989, 812 35–37, 39–40; Darrigol, 1998, 17; Brown, 1997, 7 Shockley, ameri{ki patent {t. 2967952, 10. 1. 771 1961; Bondyopadhyay, 1998, 204 Schopman, 1988, 170 813 772 Bondyopadhyay, 1998, 208–210 Adle{i~, 1952, 453 814 773 Kilby, 1976, 653 Bondyopadhyay, 1998, 221 815 774 Ross, 1998, 23 ameri{ki patent {t. 1104065 816 775 Hellemans, 2000, 29 Proc. IEEE 86/1 (jan. 1998) 220 817 Moore, 1998, 55 776 Waits, 2000, 1736; Wegmann, 1981, 1 818 Hoerni, 1961, 178; Moore, 1998, 53, 58–59 777 Sah, 1988, 1282 819 Noyce, ameri{ki patent {t. 2981877, potrjen 25. 4. 778 Trigg, 1978, 175 1961; Yarling, 2000, 1747; Ross, 1998, 22–23; 93; 779 Schröter, 1932, 175 Sah, 1988, 1292 820 780 Trigg, 1978, 177; Schrötter, 1932, 165–166, Moore, 1998, 58 175–176 821 Moore, 1998, 60 781 Holonyak, 1992, 38, 37 822 Bondyopadhyay, 1998, 204 782 Trigg, 1978, 177, 178; Kramer, 1997, 1205 823 Waits, 2000, 1738; Moore, 1998, 59 783 Kramer, 1997, 1204; Trigg, 1978, 178 824 Yarling, 2000, 1746–1747; Ross, 1998, 22; Fair, 784 Kramer, 1997, 1203 1998, 111, 119; Bondyopadhyay, 1998, 204 825 785 Sah, 1988, 1326 Bardeen, 1947, 717–718 826 786 Moore, 1998, 60–61; Ross, 1998, 24; Sah, 1988, Trigg, 1978, 179; Shockley, Pearsons, 1948, 1293 232–233 827 Wegmann, 1981, 1, Fair, 2000, 111, 114; Ross, 787 Bardeen, 1947, 718 1998, 23; Ryssel, Ruge, 1986, 3 788 Bardeen, 1947, 718; Joffe, 1983, 222–223 828 Waits, 2000, 1741, 1744; Fair, 1998, 115 789 Bardeen, 1947, 717, 719 829 Yarling, Johnson, Keenan, Larson, 1991, 57; Fair, 790 Bardeen, 1947, 717, 719, 720, 724–726 1998, 117–118 791 Trigg, 1978, 183, 185–186 830 Fair, 1998, 118

364 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK 831 Wegmann, 1981, 5; Yarling, 1991, 57; Fair, 1998, 873 Gabor, 1951, 210 111, 115, 117–118 874 Tonks, Langmuir, 1929, 203–210 832 Fair, 1998, 120 875 Tonks, Langmuir, 1929, 202 833 Fair, 1998, 121 876 Stroke, 1994, 724 834 Fair, 1998, 111, 119–124; Moore, 1998, 62; Waits, 877 Tonks, Langmuir, 1929, 201, 876–922; Spitzer, 2000, 1739; Sah, 1988, 1284 1956, 17–18 835 Yarling, 2000, 1750; Ryssel, Ruge, 1986, 338 878 Alfvén, 1963, 134–135 836 Yarling, 1991, 29 879 Gamow, 1961, 132 837 Mayer, 1970 880 Tonks, Langmuir, 1929, 198 838 Yarling, 2000, 1746–1747; Ryssel, Ruge, 1986, 3, 881 Faraday, 1952, 810–811; Alfvén, 1963, 106–107 1–2; Dresselhaus, Kalish, 1992, 156–158 882 839 T. G. Cowling je uporabil naziv Magnetohydro- Ruska, 1986, 359; Wegmann, 1981, 2 dinamics, ki ga je isto~asno sprejel tudi Spitzer (1956, 840 Schopman, 1988, 162, 168–170 vi) 841 Adle{i~, 1952, 454–455, 468–469 883 Europhysics news, julij-avgust 2000 842 Kramer, 1997, 1206 884 Spitzer, 1997, 409; 1997, 434–443 843 Proc. IEEE 86/1 (jan.1998) 204 885 Spitzer, 1997, 3, 505 844 Faraday, 1950, 9, 10, 18 886 Stroke, 723 845 Faraday, 1952, 856, 857, 858, 865 887 Gabor, 1951, 216 846 Plücker, 1851, 87 888 Gabor, 1951, 210 847 Braun, 1878, 441, 444 889 Phys. Today (december 1994) 59 848 Grailich, Weiss, 1858, 271 890 Penning, 1957, 1 849 Rosenberger, 1890, 745; Jungnickel, McCor- 891 Stroke, 742 mmach, 1986, 1: 204, 224; Höflechner, 1994, 2: 139 892 Arcimovi~, 1964, 336 850 Reitlinger, 1861, 534, 25 893 Arcimovi~, 1964, 251, 330, 340–342, 391 851 Brande, 1814, 1; Reitlinger, Kraus, 1862, 389 894 Voronov, 1985, 67 852 Reitlinger, 1862, 368, 388–389; [ubic, 1862, 895 Voronov, 1985, 68 199–200 896 853 Spitzer, 1997, 445 Stefan, 1879, 36–37 897 854 Lapp, 1960, 170 AVA MinCU 282 ex 1879, 4 898 855 Voronov, 1985, 87 Wilson, 1987, 220 899 856 Tarasov, 1985, 164 ^ade`, 1908, 46 900 857 Arcimovi~, 1964, 211 Eddington, 1928, 18, 149, 364, 368, 392, 394 901 858 Spitzer (1956, 2: 1962), T. G. Cowling (1957), Khriplovich, 1992, 30 Chandrasekhar (1960), Alfvén (1950, 2: 1963), 859 Lapp, 1960, 162 Arcimovi~ (1961, 2:1964) 860 Perrin, 1927, 277–278; Eddington, 1928, 368 902 Spitzer, 1997, 445, 472 861 Lapp, 1960, 162 903 Spitzer, 1997, 472 862 Spitzer, 1997, 3, 51 904 Kapica, 1981, 118 863 Spitzer, 1956, 12–14 905 Voronov, 1985, 155 864 Phys. Today (marec 1991) 65 906 Kapica, 1981, 19 865 Tonks, Langmuir, 1929, 881 907 Maxwell, 1879, 231 866 Tonks, Langmuir, 1929, 195; Lafferty, 1998, 908 Kapica, 1981, 127–128 319–320 909 Oehrlein, 1986, 27 867 Gabor, 1951, 209 910 Alfvén, 1986, 22, 23, 26–27 868 Tonks, Langmuir, 1929, 199 911 Nahrwold, 1888, 107–121; Höflechner, 1994, 1: 869 Tonks, Langmuir, 1929, 196 238 870 Spitzer, 1956, 17 912 [ubic, 1896, 187 871 Bowers, 1998, 145 913 Glasser, 1959, 186 872 Redhead, 1994, 79 914 Suhadolc, 2000, 148, 183

SKLICI 365 366 ZGODOVINA RAZISKOVANJA VAKUUMA IN VAKUUMSKIH TEHNIK