Катодный луч

Катодные лучи или электронные лучи ( электронный луч ) представляют собой потоки электронов, наблюдаемые в газоразрядных трубках . Если вакуумированная стеклянная трубка оснащена двумя электродами и приложено напряжение , стекло за положительным электродом светится за счет электронов, испускаемых катодом (электродом, подключенным к отрицательной клемме источника напряжения). Впервые их наблюдали в 1859 году немецкие физики Юлиус Плюкер и Иоганн Вильгельм Хитторф . ^[1] и были названы в 1876 году Ойгеном Гольдштейном Kathodenstrahlen , или катодные лучи. ^[2]^[3] В 1897 году британский физик Дж. Дж. Томсон показал, что катодные лучи состоят из ранее неизвестной отрицательно заряженной частицы, которую позже назвали электроном . Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют сфокусированный луч электронов, отклоняемый электрическими или магнитными полями, для визуализации изображения на экране.

Описание

Катодные лучи названы так потому, что они испускаются отрицательным электродом или катодом в вакуумной трубке. Чтобы выпустить электроны в трубку, их сначала необходимо оторвать от атомов катода. В первых экспериментальных вакуумных лампах с холодным катодом , в которых были обнаружены катодные лучи, называемых трубками Крукса , это было сделано за счет использования высокого электрического потенциала в тысячи вольт между анодом и катодом для ионизации атомов остаточного газа в трубке. Положительные ионы ускорялись электрическим полем по направлению к катоду и при столкновении с ним выбивали электроны с его поверхности; это были катодные лучи. В современных электронных лампах используется термоэлектронная эмиссия , при которой катод состоит из тонкой проволочной нити , которая нагревается проходящим через нее отдельным электрическим током . Усиленное случайное тепловое движение нити выбивает электроны с поверхности нити в вакуумированное пространство трубки.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они отталкиваются отрицательным катодом и притягиваются к положительному аноду. Они движутся параллельными линиями через пустую трубу. Напряжение, приложенное между электродами, ускоряет эти частицы малой массы до высоких скоростей. Катодные лучи невидимы, но их присутствие было впервые обнаружено в этих трубках Крукса, когда они ударялись о стеклянную стенку трубки, возбуждая атомы стеклянного покрытия и заставляя их излучать свет, свечение, называемое флуоресценцией . Исследователи заметили, что объекты, помещенные в трубку перед катодом, могут отбрасывать тень на светящуюся стену, и поняли, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода. После того, как электроны ударяются о заднюю часть трубки, они достигают анода, затем проходят через анодный провод через источник питания и обратно через катодный провод к катоду, поэтому катодные лучи переносят электрический ток через трубку.

Током в пучке катодных лучей через вакуумную трубку можно управлять, пропуская его через металлический экран из проволок (сетку ) между катодом и анодом, к которому приложено небольшое отрицательное напряжение. Электрическое поле проводов отклоняет часть электронов, не давая им достичь анода. Величина тока, проходящего через анод, зависит от напряжения в сети. Таким образом, небольшое напряжение на сетке может управлять гораздо большим напряжением на аноде. Этот принцип используется в электронных лампах для усиления электрических сигналов. Триодная вакуумная лампа , разработанная между 1907 и 1914 годами, была первым электронным устройством, способным усиливать сигнал, и до сих пор используется в некоторых приложениях, таких как радиопередатчики . Высокоскоростные пучки катодных лучей также могут управляться электрическими полями, создаваемыми дополнительными металлическими пластинами в трубке, к которым подается напряжение, или магнитными полями, создаваемыми катушками проводов ( электромагнитами ). Они используются в электронно-лучевых трубках. , встречается в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронных микроскопах .

Трубка Крукса. Катод (отрицательный вывод) находится справа. Анод (положительная клемма) находится в основании трубки внизу.
Катодные лучи исходят от катода в задней части трубки, ударяются о переднюю часть стекла, заставляя его светиться зеленым за счет флуоресценции . Металлический крест в трубке отбрасывает тень, демонстрируя, что лучи движутся по прямым линиям.
Магнит создает через горловину трубки горизонтальное магнитное поле, отклоняющее лучи вверх, поэтому тень от креста получается выше.
Когда магнит перевернут, он отклоняет лучи вниз, поэтому тень оказывается ниже. Розовое свечение вызвано попаданием катодных лучей на атомы остаточного газа в трубке.

История

После изобретения Отто фон Герике в 1654 году вакуумного начали насоса физики экспериментировать с прохождением электричества высокого напряжения через разреженный воздух . В 1705 году было отмечено, что искры электростатического генератора проходят большее расстояние через воздух низкого давления, чем через воздух атмосферного давления.

Газоразрядные трубки

В 1838 году Майкл Фарадей приложил высокое напряжение между двумя металлическими электродами на обоих концах стеклянной трубки, из которой частично откачали воздух, и заметил странную световую дугу с началом у катода (отрицательный электрод) и концом у анода. (положительный электрод). ^[4] В 1857 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гейсслер с помощью усовершенствованного насоса откачал еще больше воздуха до давления около 10 бар. ⁻³ атм и обнаружил, что вместо дуги трубку заполняет свечение. Напряжение, приложенное между двумя электродами трубок, генерируемое индукционной катушкой , составляло от нескольких киловольт до 100 кВ. Их называли трубками Гейсслера , похожими на сегодняшние неоновые вывески .

Объяснение этих эффектов заключалось в том, что высокое напряжение ускоряло свободные электроны и электрически заряженные атомы ( ионы ), естественно присутствующие в воздухе трубки. ^{[ нужна ссылка ]} При низком давлении между атомами газа было достаточно места, чтобы электроны могли ускоряться до достаточно высоких скоростей, чтобы при столкновении с атомом они выбивали из него электроны, создавая больше положительных ионов и свободных электронов, которые в дальнейшем создавали больше ионов и электроны в цепной реакции, ^{[ нужна ссылка ]} известный как тлеющий разряд . Положительные ионы притягивались к катоду и, ударяясь о него, выбивали из него еще больше электронов, которые притягивались к аноду. Таким образом, ионизированный воздух был электропроводным, и через трубку протекал электрический ток.

В трубках Гейсслера было достаточно воздуха, поэтому электроны могли пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем столкнуться с атомом. Электроны в этих трубках двигались в процессе медленной диффузии , никогда не набирая большой скорости, поэтому эти трубки не производили катодные лучи. Вместо этого они создавали красочный тлеющий разряд (как в современном неоновом свете ), возникающий, когда электроны ударялись об атомы газа, возбуждая их орбитальные электроны на более высокие энергетические уровни. Электроны высвободили эту энергию в виде света. Этот процесс называется флуоресценцией.

Катодные лучи

К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли вакуумировать трубки до более низкого давления, ниже 10°С. ⁻⁶ атм. Их называли трубками Крукса. Фарадей был первым, кто заметил темное пространство перед катодом, где не было люминесценции. Его стали называть «катодным темным пространством», «темным пространством Фарадея» или «темным пространством Крукса». Крукс обнаружил, что по мере того, как он выкачивал больше воздуха из трубок, темное пространство Фарадея распространялось по трубке от катода к аноду, пока трубка не становилась полностью темной. А вот на анодном (положительном) конце трубки начало светиться само стекло трубки.

Происходило следующее: по мере того, как из трубки откачивалось больше воздуха, электроны, вылетающие из катода при попадании положительных ионов, могли путешествовать в среднем дальше, прежде чем они ударяли по атому газа. К тому времени, когда трубка потемнела, большинство электронов могли двигаться по прямым линиям от катода к аноду трубки без столкновений. При отсутствии препятствий эти частицы малой массы ускорялись до высоких скоростей за счет напряжения между электродами. Это были катодные лучи.

Достигнув анодного конца трубки, они двигались так быстро, что, хотя и притягивались к нему, часто пролетали мимо анода и ударялись о заднюю стенку трубки. Когда они ударялись об атомы в стеклянной стенке, они возбуждали свои орбитальные электроны до более высоких энергетических уровней . Когда электроны вернулись на свой первоначальный энергетический уровень, они высвободили энергию в виде света, заставив стекло флуоресцировать , обычно зеленоватого или голубоватого цвета. Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стену флуоресцентными химическими веществами, такими как сульфид цинка , чтобы сделать свечение более заметным.

Сами катодные лучи невидимы, но эта случайная флуоресценция позволила исследователям заметить, что объекты в трубке перед катодом, такие как анод, отбрасывают резкие тени на светящуюся заднюю стенку. В 1869 году немецкий физик Иоганн Хитторф первым понял, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тени. Ойген Гольдштейн назвал их катодными лучами (нем. Kathodenstrahlen ).

Открытие электрона

В то время атомы были мельчайшими известными частицами и считались неделимыми. Что переносило электрический ток, оставалось загадкой. В течение последней четверти XIX века с трубками Крукса было проведено множество исторических экспериментов, чтобы определить, что такое катодные лучи. Существовало две теории. Крукс и Артур Шустер считали, что это частицы «лучистой материи», то есть электрически заряженные атомы. Немецкие учёные Эйльхард Видеманн, Генрих Герц и Гольдштейн считали, что это «эфирные волны», некая новая форма электромагнитного излучения , и они отделены от того, что переносило электрический ток через трубку.

Спор разрешился в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон измерил массу катодных лучей, показав, что они состоят из частиц, но примерно в 1800 раз легче самого легкого атома водорода . Следовательно, это были не атомы, а новая частица, первая субатомная открытая частица, которую он первоначально назвал « корпускулой », но позже был назван электроном , в честь частиц, постулированных Джорджем Джонстоном Стоуни в 1874 году. Он также показал, что они идентичны частицам. частицы, выделяемые фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. ^[5] Вскоре было установлено, что это частицы, которые переносят электрический ток в металлических проводах и несут отрицательный электрический заряд атома.

За эту работу Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года . Филипп Ленард также внес большой вклад в теорию катодных лучей, получив Нобелевскую премию в 1905 году за исследования катодных лучей и их свойств.

Вакуумные трубки

Газоионизационный (или холодный катод ) метод получения катодных лучей, используемый в трубках Крукса, был ненадежен, поскольку зависел от давления остаточного воздуха в трубке. Со временем воздух впитался в стенки трубки, и она перестала работать.

Более надежный и контролируемый метод получения катодных лучей был исследован Хитторфом и Гольдштейном. ^{[ нужна ссылка ]} и вновь открыт Томасом Эдисоном в 1880 году. Катод, сделанный из проволочной нити, нагретой докрасна проходящим через него отдельным током, будет выделять электроны в трубку в результате процесса, называемого термоэлектронной эмиссией . Первые настоящие электронные вакуумные лампы, изобретенные в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , использовали метод горячего катода и заменили лампы Крукса. Для работы этих трубок не требовался газ, поэтому их откачивали до более низкого давления, около 10 бар. ⁻⁹ банкомат (10 ⁻⁴ Па). Ионизационный метод создания катодных лучей, используемый в трубках Крукса, сегодня используется только в нескольких специализированных газоразрядных трубках, таких как критроны .

В 1906 году Ли Де Форест обнаружил, что небольшое напряжение на сетке из металлических проволок между катодом и анодом может управлять током в пучке катодных лучей, проходящих через вакуумную трубку. Его изобретение, названное триодом , было первым устройством, способным усиливать электрические сигналы, и произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники . Электронные лампы сделали возможным радио- и телевещание , а также радары , говорящие фильмы, аудиозапись и междугородную телефонную связь, и были основой потребительских электронных устройств до 1960-х годов, когда транзистор положил конец эпохе электронных ламп. закрывать.

Катодные лучи сейчас обычно называют электронными пучками. Технология управления электронными лучами, впервые использованная в этих ранних лампах, была применена практически при проектировании электронных ламп, в частности, при изобретении Фердинандом Брауном электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в 1897 году, которая использовалась в телевизорах и осциллографах . Сегодня электронные пучки используются в сложных устройствах, таких как электронные микроскопы, электронно-лучевая литография и ускорители частиц .

Характеристики

Подобно волне, катодные лучи движутся по прямым линиям и создают тень, когда их заслоняют предметы. Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что лучи могут проходить через тонкую металлическую фольгу - поведение, ожидаемое от частицы. Эти противоречивые свойства вызвали затруднения при попытке классифицировать его как волну или частицу. Крукс настаивал, что это частица, а Герц утверждал, что это волна. Спор разрешился, когда Дж. Дж. Томсон использовал электрическое поле для отклонения лучей. Это было доказательством того, что лучи состоят из частиц, поскольку ученые знали, что невозможно отклонить электромагнитные волны с помощью электрического поля. Они также могут создавать механические эффекты, флуоресценцию и т. д.

Позднее Луи де Бройль (1924) в своей докторской диссертации предположил, что электроны подобны фотонам и могут действовать как волны . Волновое поведение катодных лучей позже было непосредственно продемонстрировано с использованием отражения от поверхности никеля Дэвиссоном и Гермером . ^[6] и передача через тонкие целлулоидные пленки, а затем и металлические пленки Джорджа Пэджета Томсона и Александра Рида. ^[7] в 1927 году (Александр Рид, аспирант Томсона, провел первые эксперименты, но вскоре погиб в аварии на мотоцикле). ^[8] и упоминается редко.)

См. также

Ссылки

^ Мартин, Андре (1986), «Электронно-лучевые трубки для промышленного и военного применения», в книге Хоукса, Питера (редактор), « Достижения в области электроники и электронной физики», том 67 , Academic Press, стр. 183, ISBN 9780080577333 , Доказательства существования «катодных лучей» впервые были найдены Плюкером и Хитторфом...
^ Э. Гольдштейн (4 мая 1876 г.) «Предварительные сообщения об электрических разрядах в разреженных газах» , Ежемесячные отчеты Королевской прусской академии наук в Берлине в Берлине), 279-295. Со страницы 286: « 13. Фосфоресцентный свет, создаваемый катодными лучами в стене, очень редко бывает одинаковой интенсивности на поверхности, которую он покрывает, и часто демонстрирует очень причудливые узоры ». (13. Фосфоресцентный свет, который создается в стене катодные лучи очень редко имеют одинаковую интенсивность на поверхности, которую они покрывают, и [они] часто демонстрируют очень причудливые узоры.)
^ Джозеф Ф. Кейтли История электрических и магнитных измерений: с 500 г. до н.э. по 1940-е гг. Джон Уайли и сыновья, 1999 г. ISBN 0-7803-1193-0 , стр. 205
^ Майкл Фарадей (1838) «VIII. Экспериментальные исследования в области электричества. - Тринадцатая серия», « Философские труды Лондонского королевского общества» , 128 : 125-168.
^ Томсон, Джей-Джей (август 1901 г.). «О телах меньших атомов» . Научно-популярный ежемесячник . Bonnier Corp.: 323–335 . Проверено 21 июня 2009 г.
^ Дэвиссон, К.; Гермер, Л.Х. (1927). «Дифракция электронов на кристалле никеля» . Физический обзор . 30 (6): 705–740. Бибкод : 1927PhRv...30..705D . дои : 10.1103/PhysRev.30.705 .
^ Томсон, врач общей практики; Рид, А. (1927). «Дифракция катодных лучей на тонкой пленке» . Природа . 119 (3007): 890. Бибкод : 1927Natur.119Q.890T . дои : 10.1038/119890a0 . ISSN 1476-4687 .
^ Наварро, Хауме (2010). «Дифракция электронов через Томсона: ранние ответы на квантовую физику в Великобритании» . Британский журнал истории науки . 43 (2): 245–275. дои : 10.1017/S0007087410000026 . ISSN 0007-0874 .

Общая химия (строение и свойства вещества) Аруны Бандары (2010).

Внешние ссылки

[1] Мартин, Андре (1986), «Электронно-лучевые трубки для промышленного и военного применения», в книге Хоукса, Питера (редактор), « Достижения в области электроники и электронной физики», том 67 , Academic Press, стр. 183, ISBN 9780080577333 , Доказательства существования «катодных лучей» впервые были найдены Плюкером и Хитторфом...

[2] Э. Гольдштейн (4 мая 1876 г.) «Предварительные сообщения об электрических разрядах в разреженных газах» , Ежемесячные отчеты Королевской прусской академии наук в Берлине в Берлине), 279-295. Со страницы 286: « 13. Фосфоресцентный свет, создаваемый катодными лучами в стене, очень редко бывает одинаковой интенсивности на поверхности, которую он покрывает, и часто демонстрирует очень причудливые узоры ». (13. Фосфоресцентный свет, который создается в стене катодные лучи очень редко имеют одинаковую интенсивность на поверхности, которую они покрывают, и [они] часто демонстрируют очень причудливые узоры.)

[3] Джозеф Ф. Кейтли История электрических и магнитных измерений: с 500 г. до н.э. по 1940-е гг. Джон Уайли и сыновья, 1999 г. ISBN 0-7803-1193-0 , стр. 205

[4] Майкл Фарадей (1838) «VIII. Экспериментальные исследования в области электричества. - Тринадцатая серия», « Философские труды Лондонского королевского общества» , 128 : 125-168.

[Thomson-5] Томсон, Джей-Джей (август 1901 г.). «О телах меньших атомов» . Научно-популярный ежемесячник . Bonnier Corp.: 323–335 . Проверено 21 июня 2009 г.

[6] Дэвиссон, К.; Гермер, Л.Х. (1927). «Дифракция электронов на кристалле никеля» . Физический обзор . 30 (6): 705–740. Бибкод : 1927PhRv...30..705D . дои : 10.1103/PhysRev.30.705 .

[7] Томсон, врач общей практики; Рид, А. (1927). «Дифракция катодных лучей на тонкой пленке» . Природа . 119 (3007): 890. Бибкод : 1927Natur.119Q.890T . дои : 10.1038/119890a0 . ISSN 1476-4687 .

[8] Наварро, Хауме (2010). «Дифракция электронов через Томсона: ранние ответы на квантовую физику в Великобритании» . Британский журнал истории науки . 43 (2): 245–275. дои : 10.1017/S0007087410000026 . ISSN 0007-0874 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]