Подписаться

Катодный луч

Последняя правка сделана 2021-05-14 12:32:12 Править
Поток электронов, наблюдаемый в электронных лампах Пучок катодных лучей в вакуумной трубке, изогнутой в круг на магнитное поле, создаваемое катушкой Гельмгольца. Катодные лучи обычно невидимы; в этой демонстрации трубка телтрона осталось достаточно остаточного газа, чтобы атомы газа светились от люминесценции при ударе быстро движущихся электронов.

Катодные лучи (электронный луч или электронный луч ) представляют собой потоки электронов, наблюдаемые в газоразрядных трубках. Если вакуумированная стеклянная трубка оснащена двумя электродами и приложено напряжение , стекло за положительным электродом будет светиться из-за электронов, испускаемых с катода (электрод подключен к отрицательной клемме источника питания). Впервые они были обнаружены в 1869 году немецким физиком Юлиусом Плюкером и Иоганном Вильгельмом Хитторфом, а в 1876 году были названы в 1876 году Юджином Гольдштейном Катоденстрален, или катодные лучи. В 1897 году британский физик Дж. Дж. Томсон показал, что катодные лучи состоят из ранее неизвестной отрицательно заряженной частицы, которая позже была названа электроном. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют сфокусированный пучок электронов, отклоняемых электрическими или магнитными полями, для визуализации изображения на экране.

Содержание

  • 1 Описание
  • 2 История
    • 2.1 Газоразрядные трубки
    • 2.2 Катодные лучи
    • 2.3 Открытие электрона
    • 2.4 Вакуумные лампы
  • 3 Свойства
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Описание

Схема, показывающая трубку Крукса, подключенную к источнику высокого напряжения. Мальтийский крест не имеет внешнего электрического соединения.

Катодные лучи названы так потому, что они испускаются отрицательным электродом или катодом в вакуумной трубке. Чтобы выпустить электроны в трубку, они сначала должны быть отделены от атомов катода. В первых электронных лампах с холодным катодом, называемых трубками Крукса, это было сделано с помощью высокого электрического потенциала в тысячи вольт между анодом и катодом, чтобы ионизировать атомы остаточного газа в трубке. Положительные ионы ускорялись электрическим полем по направлению к катоду, и когда они сталкивались с ним, они выбивали электроны с его поверхности; это были катодные лучи. В современных электронных лампах используется термоэлектронная эмиссия, в которых катод выполнен из тонкой проволоки нити, которая нагревается отдельным электрическим током, проходящим через него. Повышенное случайное тепловое движение нити накала 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 по прямой 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 первых электронных лампах, когда они ударялись о стеклянную стенку трубки, возбуждая атомы стекла 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 перемещаться по прямым линиям от катода. После того, как электроны достигают анода, они проходят через анодный провод к источнику питания и обратно к катоду, поэтому катодные лучи переносят электрический ток через трубку.

Ток в пучке катодных лучей через вакуумную трубку можно контролировать, пропуская его через металлический экран из проводов (сетка ) между катодом и анодом, к которому подводится небольшой отрицательный подается напряжение. Электрическое поле проводов отклоняет часть электронов, не позволяя им достичь анода. Величина тока, проходящего через анод, зависит от напряжения в сети. Таким образом, небольшое напряжение на сетке может быть сделано для управления гораздо большим напряжением на аноде. Этот принцип используется в электронных лампах для усиления электрических сигналов. Вакуумная лампа триод, разработанная между 1907 и 1914 годами, была первым электронным устройством, которое могло усиливать сигнал, и до сих пор используется в некоторых приложениях, таких как радиопередатчики. Высокоскоростными пучками катодных лучей также можно управлять с помощью электрических полей, создаваемых дополнительными металлическими пластинами в трубке, к которым приложено напряжение, или магнитных полей, создаваемых катушками из проволоки ( электромагниты ). Они используются в электронно-лучевых трубках, в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронных микроскопах.

История

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

Газоразрядные трубки

Тлеющий разряд в трубке низкого давления, вызванный электрическим током.

В 1838 году Майкл Фарадей приложил высокое напряжение между двумя металлами электроды на обоих концах стеклянной трубки, из которой был частично удален воздух, и заметили странную легкую дугу с ее началом на катоде (положительный электрод) и концом на анод (отрицательный электрод). В 1857 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гайсслер высосал еще больше воздуха с помощью усовершенствованного насоса до давления около 10 атм и обнаружил, что вместо дуги заполнено свечением. трубка. Напряжение, приложенное между двумя электродами трубок, создаваемое индукционной катушкой , находилось в диапазоне от нескольких киловольт до 100 кВ. Они назывались трубками Гейсслера, аналогично сегодняшним неоновым вывескам.

. Объяснение этих эффектов заключалось в том, что высокое напряжение ускоряло свободные электроны и электрически заряженные атомы (ионы ) естественным образом присутствуют в воздухе трубки. При низком давлении между атомами газа было достаточно места, чтобы электроны могли разогнаться до достаточно высоких скоростей, чтобы при ударе об атом они выбивали из него электроны, создавая больше положительных ионов и свободных электронов, которые продолжали создавать больше ионов и электроны в цепной реакции, известной как тлеющий разряд. Положительные ионы притягивались к катоду, и когда они ударялись, он выбивал из него больше электронов, которые притягивались к аноду. Таким образом, ионизированный воздух был электропроводным, и через трубку протекал электрический ток.

В трубках Гейсслера было достаточно воздуха, чтобы электроны могли пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем столкнуться с атомом. Электроны в этих трубках двигались в медленном процессе диффузии, никогда не набирая большой скорости, поэтому эти трубки не производили катодных лучей. Вместо этого они создали красочный тлеющий разряд (как в современном неоновом свете ), возникающий, когда электроны сталкиваются с атомами газа, возбуждая их орбитальные электроны до более высоких уровней энергии. Электроны высвободили эту энергию в виде света. Этот процесс называется флуоресценцией.

Катодными лучами

К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли вакуумировать трубки до более низкого давления, ниже 10 атм. Они назывались трубками Крукса. Фарадей первым заметил темное пространство прямо перед катодом, где не было люминесценции. Это стало называться «катодным темным пространством», «темным пространством Фарадея» или «темным пространством Крукса». Крукс обнаружил, что по мере того, как он откачивал из трубок больше воздуха, темное пространство Фарадея распространялось вниз по трубке от катода к аноду, пока трубка не становилась полностью темной. Но на анодном (положительном) конце трубки стало светиться стекло самой трубки.

Что происходило, так это то, что по мере того, как из трубки закачивалось все больше воздуха, электроны, выбитые из катода при ударе положительных ионов, в среднем могли пройти дальше, прежде чем они столкнулись с атомом газа. К тому времени, когда трубка потемнела, большая часть электронов могла двигаться по прямым линиям от катода к анодному концу трубки без столкновений. Без каких-либо препятствий эти частицы с малой массой ускорялись до высоких скоростей за счет напряжения между электродами. Это были катодные лучи.

Когда они достигли анодного конца трубки, они двигались так быстро, что, хотя они и были привлечены к нему, они часто пролетали мимо анода и ударялись о заднюю стенку трубки. Когда они ударяли по атомам в стеклянной стенке, они возбуждали свои орбитальные электроны до более высоких уровней энергии. Когда электроны возвращаются к своему исходному уровню энергии, они выделяют энергию в виде света, в результате чего стекло флуоресцирует, обычно зеленоватого или голубоватого цвета. Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стену флуоресцентными химическими веществами, такими как сульфид цинка, чтобы свечение было более заметным.

Катодные лучи сами по себе невидимы, но эта случайная флуоресценция позволила исследователям заметить, что объекты в трубке перед катодом, такие как анод, отбрасывают тени с острыми краями 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 самыми маленькими из известных частиц и считались неделимыми. Что несет электрический ток, было загадкой. В течение последней четверти XIX века было проведено множество исторических экспериментов с трубками Крукса, чтобы определить, что такое катодные лучи. Существовали две теории. Крукс и Артур Шустер полагали, что они были частицами «сияющей материи», то есть электрически заряженными атомами. Немецкие ученые Эйльхард Видеманн, Генрих Герц и Гольдштейн считали, что они были «эфирными волнами», некой новой формой электромагнитного излучения, и были отделены от того, что переносило электрический ток через трубку.

Споры разрешились в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон измерил массу катодных лучей, показав, что они состоят из частиц, но были примерно в 1800 раз легче, чем самый легкий атом, водород. Следовательно, это были не атомы, а новая частица, первая субатомная частица, которая должна была быть обнаружена, которую он первоначально назвал «корпускулой», но позже был назван электроном в честь частиц, постулированных Джорджем Джонстоном Стони в 1874 году. Он также показал, что они идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. Было быстро признано, что это частицы, которые переносят электрические токи в металлических проводах и несут отрицательный электрический заряд атома.

За эту работу Томсону была присуждена Нобелевская премия 1906 г. по физике. Филипп Ленард также внес большой вклад в теорию катодных лучей, получив Нобелевскую премию по физике в 1905 году за свои исследования катодных лучей и их свойств.

Вакуумные лампы

Метод газовой ионизации (или холодный катод ) для получения катодных лучей, используемый в трубках Крукса, был ненадежным, поскольку он зависел от давления остаточного воздуха. в трубке. Со временем воздух впитался стенками трубки, и она перестала работать.

Более надежный и контролируемый метод получения катодных лучей был исследован Хитторфом и Гольдштейном и повторно открыт Томасом Эдисоном в 1880 году. Катод, сделанный из проволочной нити, нагретой докрасна отдельным проходящий через него ток высвобождает электроны в трубку в результате процесса, называемого термоэлектронной эмиссией. В первых настоящих электронных электронных лампах, изобретенных в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом, использовалась технология горячего катода, и они заменили лампы Крукса. Эти трубки не нуждались в газе для работы, поэтому их откачали до более низкого давления, около 10 атм (10 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 проводов между катодом и анодом может управлять гораздо большим током в пучке катодных лучей, проходящем через вакуумную трубку. Его изобретение, получившее название триод, было первым устройством, которое могло усиливать электрические сигналы, и произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники. Электронные лампы сделали возможным радио и телевизионное вещание, а также радар, говорящие фильмы, аудиозаписи и междугородную телефонную связь, и стали основой потребителей электронных устройств до 1960-х годов, когда с появлением транзистора эра электронных ламп подошла к концу.

Катодные лучи теперь обычно называют электронными лучами. Технология управления электронными лучами, впервые применявшаяся в этих первых лампах, была применена практически при разработке вакуумных ламп, в частности, в изобретении электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) Фердинандом Брауном в 1897 году., который использовался в телевизорах и осциллографах. Сегодня электронные лучи используются в сложных устройствах, таких как электронные микроскопы, электронно-лучевая литография и ускорители частиц.

Свойства

Как волна, катод лучи движутся по прямым линиям и создают тень, когда им мешают предметы. Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что лучи могут проходить через тонкую металлическую фольгу - поведение, ожидаемое от частицы. Эти противоречивые свойства вызвали сбои при попытке классифицировать его как волну или частицу. Крукс утверждал, что это частица, а Герц утверждал, что это волна. Споры разрешились, когда Дж. Дж. Томсон использовал электрическое поле для отклонения лучей. Это было доказательством того, что лучи состоят из частиц, потому что ученые знали, что невозможно отклонить электромагнитные волны с помощью электрического поля. Они также могут создавать механические эффекты, флуоресценцию и т. Д.

Луи де Бройль позже (1924) показал в своей докторской диссертации, что электроны на самом деле очень похожи на фотоны в том отношении, что они действуют как волны и как частицы в двойной способ, который Альберт Эйнштейн показал ранее для света. Волнообразное поведение катодных лучей позже было непосредственно продемонстрировано с помощью кристаллической решетки Дэвиссоном и Гермером в 1927 году.

См. Также

Ссылки

  • Общая химия (структура и свойства материи) Аруна Бандара (2010)

Внешние ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26