Katodový paprsek - Cathode ray

Paprsek katodových paprsků ve vakuové trubici ohnutý do kruhu magnetickým polem generovaným Helmholtzovou cívkou . Katodové paprsky jsou normálně neviditelné; v této demonstraci s Teltronovou trubicí bylo ponecháno tolik zbytkového plynu, že atomy plynu září po luminiscenci, když jsou zasaženy rychle se pohybujícími elektrony.

Katodové paprsky ( elektronový paprsek nebo e-paprsek ) jsou proudy elektronů pozorované ve výbojkách . Pokud je evakuovaná skleněná trubice vybavena dvěma elektrodami a je aplikováno napětí , pozoruje se, že sklo za kladnou elektrodou září, v důsledku elektronů emitovaných z katody (elektroda připojená k zápornému pólu napájecího zdroje). Poprvé je pozoroval v roce 1869 německý fyzik Julius Plücker a Johann Wilhelm Hittorf a pojmenoval je v roce 1876 Eugen Goldstein Kathodenstrahlen neboli katodové paprsky. V roce 1897 britský fyzik JJ Thomson ukázal, že katodové paprsky jsou složeny z dříve neznámé negativně nabité částice, která byla později pojmenována jako elektron . Katodové trubice (CRT) používají k vykreslení obrazu na obrazovce zaostřený paprsek elektronů vychýlených elektrickými nebo magnetickými poli.

Popis

Diagram zobrazující Crookesovu trubici připojenou k vysokonapěťovému zdroji. Maltézský kříž nemá žádné externí elektrické připojení.

Katodové paprsky jsou pojmenovány tak, protože jsou emitovány zápornou elektrodou nebo katodou ve vakuové trubici. Aby se elektrony uvolnily do trubice, musí být nejprve odděleny od atomů katody. V raných elektronkách se studenou katodou , nazývaných Crookesovy trubice , to bylo provedeno pomocí vysokého elektrického potenciálu tisíců voltů mezi anodou a katodou k ionizaci zbytkových atomů plynu v trubici. Kladné ionty byly urychlovány elektrickým polem směrem ke katodě, a když se srazily, vyrazily elektrony z jeho povrchu; to byly katodové paprsky. Moderní elektronky používají termionickou emisi , ve které je katoda vyrobena z tenkého drátěného vlákna, které je ohříváno samostatným elektrickým proudem, který jím prochází. Zvýšený náhodný tepelný pohyb vlákna vyvrhne elektrony z povrchu vlákna do evakuovaného prostoru trubice.

Protože elektrony mají záporný náboj, jsou odpuzovány negativní katodou a přitahovány k pozitivní anodě. Cestují po přímkách prázdnou trubicí. Napětí aplikované mezi elektrodami urychluje tyto částice s nízkou hmotností na vysoké rychlosti. Katodové paprsky jsou neviditelné, ale jejich přítomnost byla poprvé detekována v raných vakuových trubicích, když narazily na skleněnou stěnu trubice, čímž vzrušily atomy skla a přiměly je vyzařovat světlo, záři zvanou fluorescence . Vědci si všimli, že předměty umístěné v trubici před katodou mohou vrhat stín na zářící zeď, a došlo jim, že něco musí putovat v přímkách z katody. Poté, co elektrony dosáhnou anody, putují anodovým drátem k napájecímu zdroji a zpět ke katodě, takže katodové paprsky nesou trubicí elektrický proud.

Proud v paprsku katodových paprsků vakuovou trubicí může být řízen jeho průchodem přes kovové stínění vodičů ( mřížku ) mezi katodou a anodou, na které je aplikováno malé záporné napětí. Elektrické pole vodičů odklání některé elektrony a brání jim dosáhnout anody. Množství proudu, které prochází anodou, závisí na napětí v síti. Malé napětí na mřížce lze tedy použít k ovládání mnohem většího napětí na anodě. Toto je princip používaný ve vakuových trubicích k zesílení elektrických signálů. Trioda elektronka vytvořil mezi 1907 a 1914 byl první elektronické zařízení, které by mohly zesílit, a se stále používá v některých aplikacích, jako jsou rádiové vysílače . Vysokorychlostní paprsky katodových paprsků lze také řídit a manipulovat s nimi elektrická pole vytvářená dalšími kovovými deskami v trubici, na kterou je aplikováno napětí, nebo magnetická pole vytvářená cívkami drátu ( elektromagnetů ). Používají se v katodových trubicích , nacházejících se v televizorech a počítačových monitorech a v elektronových mikroskopech .

  • Crookesova trubice. Katoda (záporný pól) je vpravo. Anoda (kladný pól) je ve spodní části trubice ve spodní části.

  • Katodové paprsky putují z katody v zadní části trubice, narážejí na skleněnou přední část a díky fluorescenci září zeleně . Kovový kříž v trubici vrhá stín, což ukazuje, že paprsky se pohybují po přímkách.

  • Magnet vytváří horizontální magnetické pole hrdlem trubice, ohýbá paprsky nahoru, takže stín kříže je vyšší.

  • Když je magnet obrácen, ohýbá paprsky dolů, takže stín je níže. Růžová záře je způsobena katodovými paprsky dopadajícími na zbytkové atomy plynu v trubici.

Dějiny

Po 1654 vynález vakuového čerpadla podle Otto von Guericke , fyzici začalo experimentovat s průchodem vysokým napětím přes zředěného vzduchu . V roce 1705 bylo zjištěno, že jiskry elektrostatického generátoru urazí delší vzdálenost nízkotlakým vzduchem než atmosférickým tlakem.

Plynové výbojky

Žárový výboj v nízkotlaké trubici způsobený elektrickým proudem.

V roce 1838 Michael Faraday aplikoval vysoké napětí mezi dvěma kovovými elektrodami na obou koncích skleněné trubice, která byla částečně evakuována vzduchem, a všiml si podivného světelného oblouku s jeho začátkem na katodě (záporná elektroda) a koncem na anodě (kladná elektroda). V roce 1857 německý fyzik a sklář Heinrich Geissler odsál ještě více vzduchu pomocí vylepšené pumpy na tlak kolem 10 - 3 atm a zjistil, že místo oblouku trubici naplnila záře. Napětí aplikované mezi dvěma elektrodami elektronek generované indukční cívkou bylo kdekoli mezi několika kilovolty a 100 kV. Říkalo se jim Geisslerovy trubice , podobné dnešním neonovým nápisům .

Vysvětlení těchto účinků bylo, že vysoké napětí urychlovalo volné elektrony a elektricky nabité atomy ( ionty ) přirozeně přítomné ve vzduchu trubice. Při nízkém tlaku byl mezi atomy plynu dostatek prostoru, který mohly elektrony zrychlit na dostatečně vysoké rychlosti, takže když narazily na atom, srazily z něj elektrony a vytvořily více kladných iontů a volných elektronů, které dále vytvářely další ionty a elektrony v řetězové reakci, známé jako doutnavý výboj . Pozitivní ionty byly přitahovány ke katodě a když do ní udeřily, vyrazilo z ní více elektronů, které byly přitahovány směrem k anodě. Ionizovaný vzduch byl tedy elektricky vodivý a trubicí protékal elektrický proud.

Geisslerovy trubice obsahovaly dostatek vzduchu, takže elektrony mohly urazit jen malou vzdálenost, než se srazily s atomem. Elektrony v těchto elektronkách se pohybovaly pomalým difuzním procesem a nikdy nezískaly velkou rychlost, takže tyto elektronky neprodukovaly katodové paprsky. Místo toho vytvářely barevný doutnavý výboj (jako v moderním neonovém světle ), způsobený tím, že elektrony zasáhly atomy plynu, čímž vzrušily jejich orbitální elektrony na vyšší energetické hladiny. Elektrony uvolnily tuto energii jako světlo. Tento proces se nazývá fluorescence .

Katodové paprsky

V sedmdesátých letech 19. století britský fyzik William Crookes a další dokázali evakuovat trubice na nižší tlak pod 10 - 6 atm. Říkalo se jim Crookesovy trubice . Faraday byl první, kdo si všiml temného prostoru těsně před katodou, kde nebyla žádná luminiscence. Tomu se začalo říkat „katodový temný prostor“, „Faradayův temný prostor“ nebo „Crookesův temný prostor“. Crookes zjistil, že když čerpal více vzduchu z trubek, Faradayův temný prostor se šířil trubicí od katody směrem k anodě, dokud trubice nebyla úplně tmavá. Ale na anodovém (kladném) konci trubice začala zářit samotná skleněná trubice.

Stalo se, že když bylo z trubice čerpáno více vzduchu, elektrony vyrazily z katody, když udeřily kladné ionty, mohly se v průměru dostat dál, než zasáhly atom plynu. V době, kdy byla trubice tmavá, se většina elektronů mohla pohybovat v přímkách z katody na anodový konec trubice bez kolize. Bez jakýchkoli překážek byly tyto částice s nízkou hmotností urychleny napětím mezi elektrodami na vysoké rychlosti. To byly katodové paprsky.

Když dosáhli anodového konce trubice, cestovali tak rychle, že ačkoliv je to přitahovalo, často prolétli kolem anody a narazili do zadní stěny trubice. Když zasáhli atomy do skleněné stěny, vzrušili své orbitální elektrony na vyšší energetické hladiny . Když se elektrony vrátily na původní úroveň energie, uvolnily energii jako světlo, což způsobilo, že sklo fluoreskovalo , obvykle nazelenalé nebo namodralé barvy. Později vědci natřeli vnitřní zadní stěnu fluorescenčními chemikáliemi, jako je sulfid zinečnatý , aby byla záře viditelnější.

Samotné katodové paprsky jsou neviditelné, ale tato náhodná fluorescence umožnila vědcům zaznamenat, že předměty v trubici před katodou, jako je anoda, vrhají na zářící zadní stěnu stíny s ostrými hranami. V roce 1869 si německý fyzik Johann Hittorf jako první uvědomil, že něco musí po katodě cestovat přímými čarami, aby vrhlo stíny. Eugen Goldstein je pojmenoval katodové paprsky (německy kathodenstrahlen ).

Objev elektronu

V této době byly atomy nejmenšími známými částicemi a věřilo se, že jsou nedělitelné. Co vedlo elektrické proudy, byla záhada. Během poslední čtvrtiny 19. století bylo s Crookesovými trubicemi provedeno mnoho historických experimentů, aby se zjistilo, jaké jsou katodové paprsky. Existovaly dvě teorie. Crookes a Arthur Schuster věřili, že jde o částice „zářivé hmoty“, tedy elektricky nabitých atomů. Němečtí vědci Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz a Goldstein věřili, že jsou to „éterové vlny“, nějaká nová forma elektromagnetického záření , a jsou odděleni od toho, co přenáší elektrický proud trubicí.

Debata byla vyřešena v roce 1897, kdy JJ Thomson změřil hmotnost katodových paprsků a ukázal, že jsou vyrobeny z částic, ale byly přibližně 1800krát lehčí než nejlehčí atom, vodík . Nejednalo se tedy o atomy, ale o novou částici, první objevenou subatomickou částici, kterou původně nazýval „ korpuscle “, ale později ji pojmenovali elektron , podle částic postulovaných Georgem Johnstoneem Stoneym v roce 1874. Ukázal také, že jsou totožné s částice vydávané fotoelektrickými a radioaktivními materiály. Rychle bylo zjištěno, že jsou to částice, které nesou elektrické proudy v kovových drátech, a nesou záporný elektrický náboj atomu.

Thomson dostal za tuto práci Nobelovu cenu za fyziku v roce 1906 . K teorii katodových paprsků velkou měrou přispěl také Philipp Lenard, který za svůj výzkum katodových paprsků a jejich vlastností získal v roce 1905 Nobelovu cenu za fyziku.

Vakuové trubky

Plynová ionizace (neboli studená katoda ) způsob výroby katodových paprsků použitá v Crookesových trubkách byla nespolehlivá, protože závisela na tlaku zbytkového vzduchu v trubici. Časem byl vzduch absorbován stěnami trubice a přestal fungovat.

Spolehlivější a kontrolovatelnější způsob produkce katodových paprsků byl zkoumán Hittorfem a Goldsteinem a znovu objeven Thomasem Edisonem v roce 1880. Katoda vyrobená z drátěného vlákna ohřátého červeně horkým samostatným proudem procházejícím jím by uvolnila elektrony do trubice proces nazývaný termionická emise . První skutečné elektronické elektronky , vynalezené v roce 1904 Johnem Ambrose Flemingem , používaly tuto techniku horké katody a nahradily Crookesovy trubice. Tyto trubice ke svému fungování nepotřebovaly plyn, a tak byly evakuovány na nižší tlak, přibližně 10 - 9 atm (10 - 4 Pa). Ionizační metoda vytváření katodových paprsků používaná v Crookesových trubicích se dnes používá pouze v několika specializovaných plynových výbojkách, jako jsou krytrony .

V roce 1906 Lee De Forest zjistil, že malé napětí na mřížce kovových drátů mezi katodou a anodou může ovládat proud v paprsku katodových paprsků procházejících vakuovou trubicí. Jeho vynález, nazývaný trioda , byl prvním zařízením, které dokázalo zesílit elektrické signály, a přineslo revoluci do elektrické technologie a vytvořilo nové pole elektroniky . Vakuové trubice umožnily rozhlasové a televizní vysílání , stejně jako radar , mluvící filmy, zvukové záznamy a dálkové telefonní služby a byly základem spotřebních elektronických zařízení až do 60. let 20. století, kdy tranzistor ukončil éru elektronek .

Katodovým paprskům se dnes obvykle říká elektronový paprsek. Technologie manipulace elektronových paprsků propagovaná v těchto raných elektronkách byla aplikována prakticky při konstrukci elektronek, zejména při vynálezu katodové trubice (CRT) Ferdinanda Brauna v roce 1897, který byl použit v televizorech a osciloskopech . Elektronové paprsky se dnes používají v sofistikovaných zařízeních, jako jsou elektronové mikroskopy , litografie elektronového paprsku a urychlovače částic .

Vlastnosti

Jako vlna se katodové paprsky pohybují po přímkách a vytvářejí stín, když jim brání předměty. Ernest Rutherford prokázal, že paprsky mohou procházet tenkými kovovými fóliemi, což se od částice očekává. Tyto konfliktní vlastnosti způsobily narušení při pokusu klasifikovat jej jako vlnu nebo částici. Crookes trval na tom, že jde o částici, zatímco Hertz tvrdil, že to byla vlna. Debata byla vyřešena, když JJ Thomson použil elektrické pole k odklonu paprsků. To byl důkaz, že paprsky byly složeny z částic, protože vědci věděli, že není možné odklonit elektromagnetické vlny elektrickým polem. Mohou také vytvářet mechanické efekty, fluorescenci atd.

Louis de Broglie později (1924) ve své disertační práci ukázal, že elektrony jsou ve skutečnosti hodně podobné fotonům v tom smyslu, že působí jak vlny, tak částice dvojím způsobem, jak Albert Einstein dříve ukázal pro světlo. Vlnové chování katodových paprsků bylo později přímo demonstrováno pomocí krystalové mřížky Davissonem a Germerem v roce 1927.

Viz také

Reference

  • Obecná chemie (struktura a vlastnosti hmoty) od Aruny Bandary (2010)

externí odkazy