Что такое катодные лучи кратко

Обновлено: 04.07.2024

Войти через uID

На протяжении всего XIX в. атом считался неделимым, лишенным каких-либо характерных особенностей и не имеющим внутренней структуры. Однако после проведения ряда экспериментов, которые по своей природе даже не были химическими, эта точка зрения была отвергнута. К ломке старых представлений привело изучение электрического тока.

Как известно, между положительно и отрицательно заряженными точками устанавливается электрический потенциал (электрическое напряжение). Под действием такого напряжения заряды перемещаются от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Таким образом возникает электрический ток, который стремится выравнять разность потенциалов между двумя точками электрического поля.

Через одни материалы электрический ток протекает легче, через другие труднее. Так, через металлы ток проходит легко даже при небольшом электрическом потенциале, и металлы относят к классу проводящих материалов — проводников. Чтобы через стекло, слюду или серу прошел ток даже небольшой силы, необходим огромный электрический потенциал; эти и подобные им материалы называют непроводящими материалами — изоляторами.

И все-таки приложив достаточный электрический потенциал, можно пропустить ток через любой материал — твердый, жидкий и газообразный. Первые исследователи электричества в своих еще не очень серьезно обоснованных экспериментах установили, что некоторые жидкости, например растворы солей, проводят электрический ток сравнительно легко. Молния — электрический разряд, образующийся во время грозы,— мгновенно распространяется через толщу воздуха в несколько километров.

Экспериментаторам XIX в. представлялось весьма заманчивым попытаться пропустить ток через вакуум. Но чтобы результаты такого эксперимента были надежными, необходимо было получить достаточно глубокий вакуум. Попытки Фарадея пропустить электрический ток через вакуум окончились неудачей только потому, что ему не удалось получить достаточно глубокого вакуума.

В 1855 г. немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814—1879) изготовил стеклянные сосуды особой формы и вакуумировал их им же изобретенным способом. Его друг немецкий физик и математик Юлиус Плюккер (1801—1868) использовал эти трубки Гейслера для изучения электрических разрядов в вакууме и газах.

Казалось естественным предположить, что катодные лучи представляют собой какую-то форму света, обладающую волновым характером. Волны, подобно свету, распространяются прямолинейно и, подобно свету, не испытывают влияния сил тяготения. В то же время катодные лучи вполне могут представлять собой частицы, движущиеся с огромной скоростью. Поскольку масса этих частиц чрезвычайно мала или поскольку они движутся чрезвычайно быстро (или и по той, и по другой причине), они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. В течение нескольких десятилетий ученые не могли прийти к единому мнению относительно природы катодных лучей. Причем немецкие физики решительно выступали за то, чтобы считать катодные лучи колебаниями, а английские физики столь же решительно настаивали на том, что катодные лучи — это частицы.



Рис. 20. Используя трубку для получения катодных лучей, Томсон измерял отклонение потока электронов в электрическом поле известной напряженности.

Решить этот спор можно было бы, попытавшись установить, отклоняются ли катодные лучи под действием магнитного поля.

Сам Плюккер и независимо от него Крукс показали, что такое отклонение существует. Оставалось решить еще один вопрос. Если катодные лучи представляют собой заряженные частицы, то электрическое поле также должно их отклонять. Однако доказать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле, удалось далеко не сразу. Только в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940), работая с трубками с очень глубоким вакуумом, сумел в конце концов показать, что катодные лучи отклоняются под действием электрического поля (рис. 20). Это было последним звеном в цепи доказательств, и теперь оставалось лишь согласиться с тем фактом, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Величина отклонения частицы в магнитном поле заданной напряженности определяется массой частицы и величиной ее электрического заряда. Томсону удалось измерить соотношение массы и заряда частицы, хотя измерить эти величины отдельно он не смог.

Как известно, наименьшей массой обладает атом водорода, и если предположить, что частица катодных лучей имеет такую же массу, то электрический заряд ее должен быть в сотни раз больше, чем наименьший известный заряд (заряд иона водорода). В то же время если предположить, что заряд частицы катодных лучей равен минимальному заряду, наблюдаемому у ионов, то в этом случае масса частицы должна быть во много раз меньше массы атома водорода. Поскольку Томсон определил только соотношение массы и заряда, то равновероятны были оба варианта.

Тем не менее имелись веские причины считать, что частица катодных лучей намного меньше любого атома. В 1911 г. американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868—1953) измерил, вполне точно, минимальный электрический заряд, который может нести частица, и тем самым доказал справедливость такого предположения.

Если частица катодных лучей несет такой минимальный заряд, ее масса должна составлять лишь 1/1837 массы атома водорода. Таким образом была открыта первая из субатомных частиц.

Катодные лучи — поток электронов, излучаемый катодом. Катодные лучи используются в телевизионных трубках, компьютерных мониторах, осциллографах и радиолампах. В этих приборах катодные лучи распространяются в вакууме. Катодные лучи вызывают свечение некоторых веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки. Катодные лучи обладают кинетической энергией и способны передавать механическое движение вертушке с лопастями. Катодные лучи отклоняются магнитным и электрическим полем. Катодные лучи отрицательно заряжены, и поэтому движутся по направлению к положительно заряженному электроду трубки, пролетая через отверстие в нём.

Содержание

История использования катодных лучей

Литература

Ссылки

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Катодные лучи" в других словарях:

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — КАТОДНЫЕ ЛУЧИ, прямолинейный пучок электронов (см.), исходящий иа катода и возникающий при пропускании тока высокого напряжения через металлич. электроды, помещенные в чрезвычай s R но разреженный Щ [= == V газ. Катодные V J лучи возникают ЦП… … Большая медицинская энциклопедия

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — КАТОДНЫЕ ЛУЧИ, излучение, испускаемое нагреваемым КАТОДОМ электронной лампы, заполненной газом под низким давлением. Эти лучи идентифицировал в 1897 г. Дж. Дж. Томсон как потоки заряженных частиц очень малой массы (впоследствии они получили… … Научно-технический энциклопедический словарь

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — поток эл нов в тлеющем разряде столь низкого давления, что значит. часть эл нов, ускоряясь в области катодного тёмного пр ва, проходит практически весь разрядный промежуток. При падении на стеклянную стенку прибора К. л. вызывают флюоресценцию… … Физическая энциклопедия

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — (Cathode rays) поток очень быстро летящих электронов, наблюдающийся при электрическом разряде в трубке с разреженным газом. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь

катодные лучи — katodiniai spinduliai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cathode rays; Lenard rays vok. Katodenstrahlen, m; Lenard Strahlen, m rus. катодные лучи, m; лучи Ленарда, m pranc. faisceaux cathodiques, m; rayons cathodiques, m; rayons de… … Fizikos terminų žodynas

катодные лучи — katodiniai spinduliai statusas T sritis chemija apibrėžtis Iš katodo viena kryptimi judančių ir elektrinio lauko pagreitintų elektronų srautas. atitikmenys: angl. cathode rays rus. катодные лучи … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Катодные лучи — см. Электролюминесценция … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

лучи Ленарда — katodiniai spinduliai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cathode rays; Lenard rays vok. Katodenstrahlen, m; Lenard Strahlen, m rus. катодные лучи, m; лучи Ленарда, m pranc. faisceaux cathodiques, m; rayons cathodiques, m; rayons de… … Fizikos terminų žodynas

Рентгеновские лучи* — 1) Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Рентгеновские лучи — 1) Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Рентге́новская тру́бка — электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.

Фотопроводи́мость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения, такого как видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Газовый ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии (в отличие от твёрдых тел в твердотельных лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Упоминания в литературе

– Хорошо, не буду вас больше интриговать: катодные лучи были потоком электронов, которые вырывались с поверхности катода и летели к аноду под воздействием электрического поля. Фактически Крукс заложил основы современного телевидения, показав, что потоком электронов, вызывающих свечение экрана, можно рисовать разные картины, управляя движением электронов с помощью магнитного поля. Но тогда учёные ещё не открыли такую частицу, как электрон. Это позднее, в 1897 году, сделал Джозеф Джон Томсон – с помощью усовершенствованной трубки Крукса.

Связанные понятия (продолжение)

Дифра́кция электро́нов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет волновые свойства. Данное явление объясняется корпускулярно-волновым дуализмом, в том смысле, что частица вещества (в данном случае взаимодействующий с веществом электрон) может быть описана, как волна.

Ионизацио́нный калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике — прибор, который измеряет энергию частиц. Большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии. Вторичные частицы образуют ливень, который поглощается в объёме калориметра и его энергия измеряется с помощью полупроводниковых, ионизационных детекторов, пропорциональных камер, детекторов черенковского.

Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Заря́женная части́ца — частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так составные: атомарные и молекулярные ионы, многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду (если не учитывать кварковую модель адронов).

Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов).

Фотолюминесценция — свечение, возбуждаемое в среде светом разной длиной волны. В зависимости от способа возбуждения наряду с фотолюминесценцией в оптике широкие исследования проводятся с электролюминесценцией, биолюминесценцией, триболюминесценцией и т. д. По-видимому, понятие флуоресценция описывает то же явление, что и фотолюминесценция. Что касается понятия фосфоресценция, то оно связано в первую очередь с твердотельными средами, носившими ранее название кристаллофосфоров.

Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы.

Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно-поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 1011—1012 Гс.

Магно́н — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, которое сопровождается.

Га́зовый разря́д — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация может происходить, в частности, в результате столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны.

Электрический разряд — процесс протекания электрического тока, связанный со значительным увеличением электропроводимости среды относительного её состояния.

Вакуумные электронные приборы — один из типов электровакуумных приборов. Главная особенность приборов данного типа — движение электронов происходит в вакууме.

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

Сканирующий гелиевый ионный микроскоп (СГИМ, гелий-ионный микроскоп, ионный гелиевый микроскоп, гелиевый микроскоп, HeIM) — сканирующий (растровый) микроскоп, по принципу работы аналогичный сканирующему электронному микроскопу, но использующий вместо электронов пучок ионов гелия.

Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва, Эффект Черенкова, излуче́ние Вави́лова — Черенко́ва, черенко́вское излуче́ние — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.

Пироэлектричество — явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры, например: при нагревании, трении, облучении или даже примитивном натирании.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Релятиви́стская части́ца — частица, движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света. Движение таких частиц, рассматриваемых как классические (неквантовые) материальные точки, описывается специальной теорией относительности. Безмассовые частицы (фотоны, гравитоны, глюоны и т. д.) всегда являются релятивистскими, поскольку могут существовать, лишь двигаясь со скоростью света.

Электро́метр — прибор, служащий для измерения электрического потенциала. Приборы этого рода могут служить для любой цели: менее точные - электроскоп, обнаруживают присутствие заряда на теле и дают возможность судить о гонке потенциале тела весьма грубо; более точные электрометры позволяют определить потенциал в принятых единицах.

Рентгеноспектральный анализ — инструментальный метод элементного анализа, основанный на изучении спектра рентгеновских лучей, прошедших сквозь образец или испущенных им.

Пузырько́вая ка́мера —это устройство или прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Двумерный электронный газ (ДЭГ) — электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму. Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками. Если число заполненных энергетических подзон в ДЭГ превышает одну, то говорят о квазидвумерном.

Электро́нная литогра́фия или электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.

Магнитная ловушка — пространственная конфигурация магнитного поля, созданная для ограничения движения какого-либо объекта.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан советским изобретателем Л. А. Кубецким в 1930—1934 гг.

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Пироэле́ктрики (от др.-греч. πῦρ — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий.

Диамагнетизм (от греч. dia… — расхождение (силовых линий), и магнетизм) — один из видов магнетизма, который проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Поляризация (фр. polarisation; от лат. polus ← др.-греч. πόλος буквально — ось) — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов, преимущественно в пространстве.

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения.

Сцинтилля́торы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике.

Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. В первоначальной работе Джозефсона предполагалось, что толщина диэлектрического слоя много меньше длины сверхпроводящей когерентности, но последующие исследования показали, что эффект сохраняется и на гораздо больших толщинах.

Циклотронный резонанс (ЦР) — явление поглощения или отражения электромагнитных волн проводниками, помещёнными в постоянное магнитное поле, на частотах равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда.

Эффект Мейснера, эффект Мейсснера (от нем. Meißner) — полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Поглощение электромагнитного излучения — процесс потери энергии потоком электромагнитного излучения вследствие взаимодействия с веществом.

Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект, — явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряжённости приложенного электрического поля. Отличается от эффекта Поккельса тем, что изменение показателя прямо пропорционально квадрату электрического поля, в то время как последний изменяется линейно. Эффект Керра может наблюдаться во всех веществах, однако некоторые жидкости проявляют его сильнее других веществ. Открыт в 1875 году шотландским.

Инфракрасный спектрометр — прибор для регистрации инфракрасных спектров поглощения, пропускания или отражения веществ.

Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.


Пучок катодных лучей в вакуумной трубке, изогнутый по окружности магнитное поле созданный Катушка Гельмгольца. Катодные лучи обычно невидимы; в этой демонстрации Трубка телтрона осталось достаточно остаточного газа, чтобы атомы газа светились свечение при ударе быстро движущихся электронов.

Катодные лучи (электронный луч или же электронный луч) являются потоками электроны наблюдается в разрядные трубки. Если вакуумная стеклянная трубка оснащена двумя электроды и Напряжение При нанесении стекла за положительным электродом наблюдается свечение из-за электронов, испускаемых из катод (электрод подключен к отрицательной клемме источника питания). Впервые они были обнаружены в 1869 году немецким физиком. Юлиус Плюкер и Иоганн Вильгельм Хитторф, [1] и были названы в 1876 г. Юджин Гольдштейн Kathodenstrahlen, или катодные лучи. [2] [3] В 1897 г. британский физик Дж. Дж. Томсон показали, что катодные лучи состоят из ранее неизвестной отрицательно заряженной частицы, которую позже назвали электрон. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют сфокусированный пучок электронов, отклоняемых электрическими или магнитными полями, для визуализации изображения на экране.

Содержание

Описание

Схема, показывающая трубку Крукса, подключенную к источнику высокого напряжения. Мальтийский крест не имеет внешней электрической связи.

Катодные лучи названы так потому, что они испускаются отрицательным электродом, или катод, в вакуумной трубке. Чтобы выпустить электроны в трубку, их сначала нужно отсоединить от атомы катода. Рано холодный катод вакуумные лампы, называемые Трубки Крукса, это было сделано с использованием высокого электрического потенциала тысяч вольт между анодом и катодом к ионизировать атомы остаточного газа в трубке. Положительные ионы были ускорены электрическое поле к катоду, и при столкновении с ним выбивали электроны с его поверхности; это были катодные лучи. Использование современных электронных ламп термоэлектронная эмиссия, в котором катод выполнен из тонкой проволоки нить который обогревается отдельным электрический ток проходя через это. 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 флуоресценция. 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 (a сетка) между катодом и анодом, к которому приложено небольшое отрицательное 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. Это принцип, используемый в вакуумные трубки к усилить электрические сигналы. В триод вакуумная лампа, разработанная между 1907 и 1914 годами, была первым электронным устройством, которое могло усиливать звук, и до сих пор используется в некоторых приложениях, таких как радиопередатчики. Высокоскоростные пучки катодных лучей также могут управляться и управляться с помощью электрические поля создается дополнительными металлическими пластинами в трубке, на которую подается напряжение, или магнитные поля создается витками проволоки (электромагниты). Они используются в электронно-лучевые трубки, встречается в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронные микроскопы.


Трубка Крукса. Катод (отрицательный вывод) находится справа. Анод (положительный вывод) находится в основании трубки внизу.


Катодные лучи проходят от катода в задней части трубки, попадая на переднюю часть стекла, заставляя его светиться зеленым светом. флуоресценция. Металлический крест в трубке отбрасывает тень, демонстрируя, что лучи движутся по прямым линиям.


Магнит создает горизонтальное магнитное поле через горлышко трубки, изгибая лучи вверх, поэтому тень креста выше.


Когда магнит перевернут, он сгибает лучи вниз, поэтому тень оказывается ниже. Розовое свечение вызывается катодными лучами, падающими на атомы остаточного газа в трубке.

История

После изобретения в 1654 г. вакуумный насос к Отто фон Герике, физики начали экспериментировать с пропусканием электричества высокого напряжения через разреженный воздух. В 1705 г. отмечалось, что электростатический генератор искры проходят большее расстояние через воздух низкого давления, чем через воздух атмосферного давления.

Газоразрядные трубки


В 1838 г. Майкл Фарадей приложил высокое напряжение между двумя металлическими электроды на обоих концах стеклянной трубки, из которой частично откачался воздух, и заметил странную световую дугу с началом в катод (положительный электрод) и его конец на анод (отрицательный электрод). [4] В 1857 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гайсслер отсосал еще больше воздуха с помощью улучшенного насоса до давления около 10 −3 банкомат и обнаружил, что вместо дуги трубку заполняет свечение. Напряжение, приложенное между двумя электродами трубок, создаваемое индукционная катушка, было где-то между несколькими киловольты и 100 кВ. Они назывались Трубки Гейсслера, аналогично сегодняшнему неоновые вывески.

Объяснение этих эффектов состояло в том, что высокое напряжение ускорялось свободно. электроны и электрически заряженный атомы (ионы) естественно присутствует в воздухе трубки. [ нужна цитата ] 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, [ нужна цитата ] известный как тлеющий разряд. Положительные ионы притягивались к катод и когда они ударили, он выбил из него больше электронов, которые были притянуты 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 медленно. распространение процесс, никогда не набирающий большой скорости, поэтому эти трубки не производили катодных лучей. Вместо этого они создали красочный тлеющий разряд (как в современном неоновый свет), 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 флуоресценция.

Катодные лучи

Что происходило, так это то, что по мере того, как из трубки закачивалось все больше воздуха, электроны, выбитые из катода при ударе положительных ионов, могли путешествовать дальше, в среднем, прежде чем они столкнутся 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 малой массы 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 атомы о стеклянную стенку, они возбуждали свои орбитальные электроны до более высокой уровни энергии. Когда электроны вернулись к своему первоначальному уровню энергии, они высвободили энергию в виде света, в результате чего стекло флуоресценция, обычно зеленоватого или голубоватого цвета. Позже исследователи покрасили внутреннюю часть задней стены флуоресцентными химикатами, 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 тени с острыми краями на светящуюся заднюю стенку. В 1869 году немецкий физик Иоганн Хитторф был первым, кто понял, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тени. Юджин Гольдштейн назвал их катодные лучи (Немецкий катоденстрахлен).

Открытие электрона

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 легчайшего атома, водород. Следовательно, это были не атомы, а новая частица, первая субатомный открываемая частица, которую он первоначально называл "тельце"но позже был назван электрон, после частиц, постулируемых Джордж Джонстон Стоуни в 1874 г. Он также показал, что они идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрический и радиоактивные материалы. [5] Было быстро признано, что это частицы, которые переносят электрические токи по металлическим проводам и несут отрицательный электрический заряд атома.

Томсон получил 1906 г. Нобелевская премия по физике за эту работу. 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 трубки

Ионизация газа (или холодный катод) метод получения катодных лучей, используемый в трубках Крукса, был ненадежным, поскольку 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 Hittorf и Goldstein, [ нужна цитата ] и заново открыт Томас Эдисон в 1880 году. Катод, сделанный из проволочной нити, нагретой докрасна отдельным током, проходящим через него, будет выпускать электроны в трубку посредством процесса, называемого термоэлектронная эмиссия. Первый настоящий электронный вакуумные трубки, изобретенный в 1904 г. Джон Амброуз Флеминг, использовал это горячий катод техники, и они заменили трубки Крукса. Эти трубки не нуждались в газе для работы, поэтому их откачивали до более низкого давления, около 10 −9 атм (10 −4 Па). Ионизационный метод создания катодных лучей, используемый в трубках Крукса, сегодня используется только в нескольких специализированных газоразрядные трубки Такие как Критроны.

В 1906 г. Ли Де Форест обнаружили, что небольшое напряжение на сетке металлических проводов между катодом и анодом может управлять гораздо большим током в пучке катодных лучей, проходящем через вакуумную трубку. Его изобретение, названное триод, было первым устройством, которое могло усилить электрические сигналы и революционизировали электрические технологии, создав новую область электроника. Изготовлены вакуумные лампы радио и телевизионное вещание возможно, а также радар, говорящие фильмы, аудиозаписи и услуги междугородной телефонной связи, и были основой бытовых электронных устройств до 1960-х годов, когда транзистор завершила эру электронных ламп.

Катодные лучи теперь обычно называют электронными лучами. Технология управления электронными лучами, впервые применявшаяся в этих первых лампах, была применена практически при разработке электронных ламп, особенно в изобретении электронно-лучевая трубка (CRT) пользователя Фердинанд Браун в 1897 г., который использовался в телевизионные наборы и осциллографы. Сегодня электронные лучи 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 им мешают объекты. Эрнест Резерфорд продемонстрировали, 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 двойная манера в качестве Альберт Эйнштейн показал ранее для света. Волнообразное поведение катодных лучей позже было непосредственно продемонстрировано с использованием кристаллической решетки: Дэвиссон и Гермер в 1927 г.

Читайте также: