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 они были обнаружены в 1859 году немецкими физиками Юлиусом Плюкером и Иоганном Вильгельмом Хитторфом [ 1] и были названы в 1876 году Ойгеном Гольдштейном Катоденстраленом , или катодными лучами. [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.
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 трубку. 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 , телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронных микроскопах .
После изобретения Отто фон Герике в 1654 году вакуумного насоса физики начали 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.
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 откачал еще больше воздуха с помощью усовершенствованного насоса до давления около 10 -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 цитата ] При низком давлении между атомами газа было достаточно места, чтобы электроны могли ускоряться до достаточно высоких скоростей, и когда они ударялись об атом, они выбивали из него электроны, создавая больше положительных ионов и свободных электронов, которые продолжали создают больше ионов и электронов в цепной реакции, известной 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.
К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли вакуумировать трубки до более низкого давления, ниже 10–6 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 откачивал 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 ).
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 открытая субатомная 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] Быстро было признано, 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.
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 производства катодных лучей был исследован Хитторфом и Гольдштейном и заново открыт Томасом Эдисоном в 1880 году . Катод, сделанный из проволочной нити , нагретой докрасна проходящим через него отдельным током, высвобождал электроны в трубку с помощью 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 -9 атм (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 .
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 прохождения через тонкие целлулоидные пленки, а затем и металлические пленки Джорджем Пэджетом Томсоном и Александром Ридом [7] в 1927 году. Александр Рид, аспирант Томсона, провел первые эксперименты, но вскоре погиб в аварии на мотоцикле [8] и о нем редко упоминают.)
Доказательства существования «катодных лучей» впервые были найдены Плюкером и Хитторфом...
.jpg/1280px-Kat%C3%B3dsugarak_m%C3%A1gneses_mez%C5%91ben(1).jpg)
.jpg/1280px-Kat%C3%B3dsugarak_m%C3%A1gneses_mez%C5%91ben(2).jpg)
.jpg/1280px-Kat%C3%B3dsugarak_m%C3%A1gneses_mez%C5%91ben(3).jpg)
.jpg/1280px-Kat%C3%B3dsugarak_m%C3%A1gneses_mez%C5%91ben(4).jpg)