Promień katody - Cathode ray

Wiązka promieni katodowych w rurze próżniowej zagięta w okrąg pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę Helmholtza . Promienie katodowe są zwykle niewidoczne; w tej demonstracji z lampą Teltron pozostało wystarczająco dużo gazu resztkowego, aby atomy gazu świeciły od luminescencji po uderzeniu przez szybko poruszające się elektrony.

Promienie katodowe ( wiązką elektronów lub e-beam ) są strumienie elektronów występujących w rurach wyładowczych . Jeżeli próżniowa rurka szklana jest wyposażona w dwie elektrody i przyłożone jest napięcie , wówczas szkło za elektrodą dodatnią świeci się pod wpływem elektronów emitowanych z katody (elektroda podłączona do ujemnego zacisku zasilania). Zostały one po raz pierwszy zaobserwowane w 1869 roku przez niemieckiego fizyka Juliusa Plückera i Johanna Wilhelma Hittorfa , a nazwane zostały w 1876 roku przez Eugena Goldsteina Kathodenstrahlen lub promieniami katodowymi. W 1897 roku brytyjski fizyk JJ Thomson wykazał, że promienie katodowe składają się z nieznanej wcześniej ujemnie naładowanej cząstki, którą później nazwano elektronem . Lampy elektronopromieniowe (CRT) wykorzystują skupioną wiązkę elektronów odchylaną przez pola elektryczne lub magnetyczne do renderowania obrazu na ekranie.

Opis

Schemat przedstawiający rurkę Crookesa podłączoną do źródła wysokiego napięcia. Krzyż maltański nie ma zewnętrznego połączenia elektrycznego.

Promienie katodowe są tak nazwane, ponieważ są emitowane przez elektrodę ujemną lub katodę w lampie próżniowej. Aby uwolnić elektrony do lampy, najpierw muszą zostać oderwane od atomów katody. We wczesnych lampach próżniowych z zimną katodą , zwanych lampami Crookesa , robiono to za pomocą wysokiego potencjału elektrycznego tysięcy woltów między anodą a katodą do jonizacji pozostałych atomów gazu w lampie. Jony dodatnie były przyspieszane przez pole elektryczne w kierunku katody, a zderzając się z nią, wybijały elektrony z jej powierzchni; to były promienie katodowe. Nowoczesne lampy próżniowe użyciu Thermionic emisji , w której katoda jest wykonana z cienkiego drutu żarnika , który jest ogrzewany przez oddzielny prądu elektrycznego przechodzącego przez nią. Zwiększony losowy ruch ciepła żarnika wybija elektrony z powierzchni żarnika do pustej przestrzeni rurki.

Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, są odpychane przez ujemną katodę i przyciągane do dodatniej anody. Przemieszczają się w linii prostej przez pustą rurkę. Napięcie przyłożone między elektrodami przyspiesza te cząstki o małej masie do dużych prędkości. Promienie katodowe są niewidoczne, ale ich obecność po raz pierwszy wykryto we wczesnych lampach próżniowych, kiedy uderzyły w szklaną ściankę lampy, wzbudzając atomy szkła i powodując, że emitują one światło, poświatę zwaną fluorescencją . Badacze zauważyli, że przedmioty umieszczone w rurze przed katodą mogą rzucać cień na świecącą ścianę i zdali sobie sprawę, że coś musi poruszać się w prostych liniach od katody. Gdy elektrony dotrą do anody, przechodzą przez drut anodowy do źródła zasilania iz powrotem do katody, dzięki czemu promienie katodowe przenoszą prąd elektryczny przez lampę.

Prąd w wiązce promieni katodowych przez lampę próżniową można kontrolować przepuszczając go przez metalowy ekran z drutów ( siatkę ) pomiędzy katodą a anodą, do którego przykładane jest niewielkie napięcie ujemne. Pole elektryczne drutów odchyla część elektronów, uniemożliwiając im dotarcie do anody. Ilość prądu, który przepływa przez anodę, zależy od napięcia na sieci. W ten sposób można wytworzyć małe napięcie w sieci, aby kontrolować znacznie większe napięcie na anodzie. Jest to zasada stosowana w lampach próżniowych do wzmacniania sygnałów elektrycznych. Triody próżniowy opracowane w latach 1907 i 1914 to pierwsze urządzenie elektroniczne, które mogłyby powielać i wciąż stosuje się w niektórych zastosowaniach, takich jak nadajników radiowych . Szybkie wiązki promieni katodowych mogą być również sterowane i manipulowane przez pola elektryczne wytwarzane przez dodatkowe metalowe płytki w rurze, do której przykładane jest napięcie, lub pola magnetyczne wytwarzane przez zwoje drutu ( elektromagnesy ). Są one używane w lampach elektronopromieniowych , znajdujących się w telewizorach i monitorach komputerowych oraz w mikroskopach elektronowych .

Historia

Po wynalezieniu pompy próżniowej w 1654 przez Otto von Guericke fizycy zaczęli eksperymentować z przepuszczaniem elektryczności o wysokim napięciu przez rozrzedzone powietrze . W 1705 r. zauważono, że iskry generatora elektrostatycznego przemieszczają się na większą odległość w powietrzu o niskim ciśnieniu niż w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym.

Rury wyładowcze gazu

Wyładowanie jarzeniowe w rurce niskociśnieniowej spowodowane prądem elektrycznym.

W 1838 r. Michael Faraday przyłożył wysokie napięcie między dwie metalowe elektrody na każdym końcu szklanej rurki, która została częściowo pozbawiona powietrza i zauważył dziwny łuk świetlny z początkiem na katodzie (elektroda ujemna) i końcem na anodzie (elektroda dodatnia). W 1857 r. niemiecki fizyk i dmuchacz szkła Heinrich Geissler zassał jeszcze więcej powietrza za pomocą ulepszonej pompy pod ciśnieniem około 10-3 atm i stwierdził, że rurkę zamiast łuku wypełnia żar. Napięcie przyłożone między dwiema elektrodami lamp, generowane przez cewkę indukcyjną , wynosiło od kilku kilowoltów do 100 kV. Nazywano je rurkami Geisslera , podobnymi do dzisiejszych neonów .

Wyjaśnieniem tych efektów było to, że wysokie napięcie przyspieszało swobodne elektrony i elektrycznie naładowane atomy ( jony ) naturalnie obecne w powietrzu tuby. Przy niskim ciśnieniu między atomami gazu była wystarczająca przestrzeń, aby elektrony mogły przyspieszać do wystarczająco dużych prędkości, aby po uderzeniu w atom wybijały z niego elektrony, tworząc więcej dodatnich jonów i wolnych elektronów, które następnie tworzyły więcej jonów i elektrony w reakcji łańcuchowej, zwanej wyładowaniem jarzeniowym . Jony dodatnie były przyciągane do katody, a kiedy uderzały w nią, wybijały z niej więcej elektronów, które były przyciągane w kierunku anody. W ten sposób zjonizowane powietrze przewodziło elektrycznie, a przez rurkę płynął prąd elektryczny.

Rury Geisslera miały w sobie wystarczająco dużo powietrza, aby elektrony mogły przebyć tylko niewielką odległość, zanim zderzyły się z atomem. Elektrony w tych lampach poruszały się w powolnym procesie dyfuzji , nigdy nie nabierając dużej prędkości, więc lampy te nie wytwarzały promieni katodowych. Zamiast tego wytworzyły kolorowe wyładowanie jarzeniowe (jak we współczesnym świetle neonowym ), spowodowane uderzeniem elektronów w atomy gazu, pobudzając ich orbitalne elektrony do wyższych poziomów energii. Elektrony uwolniły tę energię jako światło. Ten proces nazywa się fluorescencją .

Promienie katodowe

W latach 70. XIX wieku brytyjski fizyk William Crookes i inni byli w stanie opróżnić rury do niższego ciśnienia, poniżej 10-6 atm. Nazywano je rurkami Crookesa . Faraday jako pierwszy zauważył ciemną przestrzeń tuż przed katodą, gdzie nie było luminescencji. Nazwano to „ciemną przestrzenią katodową”, „ciemną przestrzenią Faradaya” lub „ciemną przestrzenią Crookesa”. Crookes odkrył, że kiedy wypompowywał więcej powietrza z rur, ciemna przestrzeń Faradaya rozprzestrzeniała się w dół rurki od katody do anody, aż do całkowitego zaciemnienia rurki. Ale na anodowym (dodatnim) końcu rurki szkło samej rurki zaczęło świecić.

To, co się działo, polegało na tym, że w miarę wypompowywania większej ilości powietrza z rurki elektrony wybijane z katody, gdy uderzały w nią jony dodatnie, mogły podróżować średnio dalej, zanim uderzyły w atom gazu. Zanim rura była ciemna, większość elektronów mogła podróżować po liniach prostych od katody do anodowego końca rury bez kolizji. Bez przeszkód te cząstki o małej masie zostały przyspieszone do dużych prędkości przez napięcie między elektrodami. To były promienie katodowe.

Kiedy dotarli do anodowego końca rury, poruszali się tak szybko, że chociaż przyciągało ich to, często przelatywali obok anody i uderzali w tylną ścianę rury. Kiedy uderzyły w atomy w szklanej ścianie, wzbudziły swoje orbitalne elektrony do wyższych poziomów energii . Kiedy elektrony powróciły do ​​swojego pierwotnego poziomu energii, uwolniły energię w postaci światła, powodując fluorescencję szkła , zwykle w kolorze zielonkawym lub niebieskawym. Później badacze pomalowali wewnętrzną tylną ścianę fluorescencyjnymi środkami chemicznymi, takimi jak siarczek cynku , aby blask był bardziej widoczny.

Same promienie katodowe są niewidoczne, ale ta przypadkowa fluorescencja pozwoliła naukowcom zauważyć, że obiekty w tubie przed katodą, takie jak anoda, rzucają cienie o ostrych krawędziach na świecącą tylną ścianę. W 1869 roku niemiecki fizyk Johann Hittorf jako pierwszy zdał sobie sprawę, że coś musi poruszać się w linii prostej od katody, aby rzucać cień. Eugen Goldstein nazwał je promieniami katodowymi (niem. kathodenstrahlen ).

Odkrycie elektronu

W tym czasie atomy były najmniejszymi znanymi cząstkami i uważano, że są niepodzielne. To, co niosło prądy elektryczne, było tajemnicą. W ostatnim ćwierćwieczu XIX wieku przeprowadzono wiele historycznych eksperymentów z lampami Crookesa, aby określić, czym są promienie katodowe. Były dwie teorie. Crookes i Arthur Schuster wierzyli, że są to cząstki „materii promienistej”, to znaczy naładowanych elektrycznie atomów. Niemieccy naukowcy Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz i Goldstein wierzyli, że są to „fale eteru”, nowa forma promieniowania elektromagnetycznego i są oddzielone od tego, co przewodzi prąd elektryczny przez rurę.

Debata została rozwiązana w 1897 roku, kiedy JJ Thomson zmierzył masę promieni katodowych, wykazując, że składają się one z cząstek, ale są około 1800 razy lżejsze od najlżejszego atomu, wodoru . Dlatego nie były to atomy, ale nowa cząstka, pierwsza odkryta cząstka subatomowa , którą początkowo nazwał „ korpuskułą ”, ale później nazwano ją elektronem , na cześć cząstek postulowanych przez George'a Johnstone'a Stoney'a w 1874 roku. Wykazał również, że są one identyczne z cząstki wydzielane przez materiały fotoelektryczne i radioaktywne. Szybko odkryto, że są to cząstki przenoszące prąd elektryczny w metalowych drutach i przenoszące ujemny ładunek elektryczny atomu.

Thomson otrzymał za tę pracę nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1906 roku . Philipp Lenard również wniósł duży wkład w teorię promieni katodowych, zdobywając nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1905 r. za badania nad promieniami katodowymi i ich właściwościami.

Rury próżniowe

Metoda jonizacji gazowej (lub zimna katoda ) wytwarzania promieni katodowych stosowana w rurach Crookesa była zawodna, ponieważ zależała od ciśnienia powietrza resztkowego w rurze. Z czasem powietrze zostało wchłonięte przez ścianki rurki i przestało działać.

Bardziej niezawodna i kontrolowalna metoda wytwarzania promieni katodowych została zbadana przez Hittorfa i Goldsteina, a ponownie odkryta przez Thomasa Edisona w 1880 roku. Katoda wykonana z włókna drutu rozgrzanego do czerwoności przez przepływający przez nią oddzielny prąd uwalniałaby elektrony do rury przez proces zwany emisją termionową . Pierwsze prawdziwe elektroniczne lampy próżniowe , wynalezione w 1904 roku przez Johna Ambrose'a Fleminga , wykorzystywały tę technikę gorącej katody i zastąpiły lampy Crookesa. Rurki te nie potrzebowały w nich gazu do pracy, więc zostały opróżnione do niższego ciśnienia, około 10 -9 atm (10 -4 Pa). Metoda jonizacji wytwarzania promieni katodowych stosowana w lampach Crookesa jest obecnie stosowana tylko w kilku specjalistycznych lampach wyładowczych, takich jak krytrony .

W 1906 Lee De Forest odkrył, że małe napięcie na siatce metalowych drutów między katodą a anodą może kontrolować prąd w wiązce promieni katodowych przechodzącej przez lampę próżniową. Jego wynalazek, nazwany triodą , był pierwszym urządzeniem, które wzmacniało sygnały elektryczne i zrewolucjonizowało technologię elektryczną, tworząc nową dziedzinę elektroniki . Lampy próżniowe umożliwiły transmisję radiową i telewizyjną , a także radar , filmy mówiące, nagrywanie dźwięku i usługi telefoniczne na duże odległości, i były podstawą urządzeń elektroniki użytkowej do lat 60., kiedy tranzystor zakończył erę lamp próżniowych .

Promienie katodowe są obecnie zwykle nazywane wiązkami elektronów. Technologia manipulowania wiązkami elektronów, zapoczątkowana w tych wczesnych lampach, została zastosowana praktycznie w projektowaniu lamp próżniowych, szczególnie w wynalezieniu lampy katodowej (CRT) przez Ferdinanda Brauna w 1897 roku, która była używana w telewizorach i oscyloskopach . Obecnie wiązek elektronów stosuje się w skomplikowanych urządzeń, takich jak mikroskopem elektronowym , elektronolitografia i akceleratory cząstek .

Nieruchomości

Podobnie jak fala, promienie katodowe wędrują po liniach prostych i tworzą cień, gdy są zasłaniane przez obiekty. Ernest Rutherford wykazał, że promienie mogą przechodzić przez cienkie metalowe folie, czego oczekuje się od cząstki. Te sprzeczne właściwości powodowały zakłócenia podczas próby sklasyfikowania go jako fali lub cząstki. Crookes twierdził, że była to cząstka, podczas gdy Hertz utrzymywał, że była to fala. Debata została rozwiązana, gdy JJ Thomson użył pola elektrycznego do odchylania promieni. Był to dowód na to, że wiązki składały się z cząstek, ponieważ naukowcy wiedzieli, że nie można odchylać fal elektromagnetycznych za pomocą pola elektrycznego. Mogą one również tworzyć efekty mechaniczne, fluorescencję itp.

Louis de Broglie później (1924) wykazał w swojej rozprawie doktorskiej, że elektrony są w rzeczywistości bardzo podobne do fotonów pod tym względem, że działają zarówno jako fale, jak i cząstki w dwojaki sposób, jak Albert Einstein wykazał wcześniej dla światła. Falowe zachowanie promieni katodowych zostało później bezpośrednio zademonstrowane przy użyciu sieci krystalicznej przez Davissona i Germera w 1927 roku.

Zobacz też

Bibliografia

  • Chemia ogólna (struktura i właściwości materii) Aruna Bandara (2010)

Zewnętrzne linki