Катодные лучи или электронные пучки ( e-beam ) — это потоки электронов, наблюдаемые в разрядных трубках . Если вакуумную стеклянную трубку оснастить двумя электродами и подать напряжение , то можно наблюдать свечение стекла за положительным электродом из-за электронов, испускаемых катодом ( электродом, подключенным к отрицательному выводу источника напряжения). Впервые они были обнаружены в 1859 году немецкими физиками Юлиусом Плюккером и Иоганном Вильгельмом Гитторфом [1] и были названы в 1876 году Ойгеном Гольдштейном Kathodenstrahlen или катодными лучами [2] [3] 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 отображения изображения на экране.
Катодные лучи так названы, потому что они испускаются отрицательным электродом, или катодом , в вакуумной трубке. Чтобы выпустить электроны в трубку, их сначала нужно отделить от атомов катода. В ранних экспериментальных вакуумных трубках с холодным катодом , в которых были обнаружены катодные лучи, называемых трубками Крукса , это делалось с помощью высокого электрического потенциала в тысячи вольт между анодом и катодом для ионизации остаточных атомов 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. Современные вакуумные трубки используют термоэлектронную эмиссию , в которой катод сделан из тонкой проволочной нити , которая нагревается отдельным электрическим током, проходящим через нее. Увеличенное случайное тепловое движение нити выбивает электроны с поверхности нити в откачанное пространство трубки.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они отталкиваются отрицательным катодом и притягиваются к положительному аноду. Они движутся по параллельным линиям через пустую трубку. Напряжение, приложенное между электродами, ускоряет эти частицы с малой массой 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 предметы, помещенные в трубку перед катодом, могут отбрасывать тень на светящуюся стенку, и поняли, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода. После того, как электроны ударяются о заднюю часть трубки, они направляются к аноду, затем проходят через анодный провод через источник питания и обратно через катодный провод 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 (сетку ) между катодом и анодом, к которым приложено небольшое отрицательное напряжение. Электрическое поле проводов отклоняет часть электронов, не давая им достичь анода. Величина тока, проходящего через анод, зависит от напряжения на сетке. Таким образом, небольшое напряжение на сетке можно сделать для управления гораздо большим напряжением на аноде. Этот принцип используется в вакуумных трубках для усиления электрических сигналов. Триодная вакуумная трубка, разработанная между 1907 и 1914 годами, была первым электронным устройством, которое могло усиливать, и до сих пор используется в некоторых приложениях, таких как радиопередатчики . Высокоскоростные пучки катодных лучей также можно направлять и манипулировать электрическими полями, создаваемыми дополнительными металлическими пластинами в трубке, к которым приложено напряжение, или магнитными полями, создаваемыми катушками провода ( электромагнитами ). Они используются в электронно-лучевых трубках , в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронных микроскопах .
После изобретения вакуумного насоса Отто фон Герике в 1654 году физики начали экспериментировать с пропусканием 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 применил высокое напряжение между двумя металлическими электродами на обоих концах стеклянной трубки, из которой был частично откачан воздух, и заметил странную световую дугу с началом на катоде (отрицательный электрод) и концом на аноде (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 заполнило свечение. Напряжение, приложенное между двумя электродами трубок, создаваемое индукционной катушкой , составляло от нескольких киловольт до 100 кВ. Их называли трубками Гейсслера , похожими на современные неоновые вывески .
Объяснение этих эффектов состояло в том, что высокое напряжение ускоряло свободные электроны и электрически заряженные атомы ( ионы ), естественным образом присутствующие в воздухе трубки. [ требуется цитата ] При низком давлении между атомами газа было достаточно места, чтобы электроны могли разгоняться до достаточно высоких скоростей, так что когда они ударялись об атом, они выбивали из него электроны, создавая больше положительных ионов и свободных электронов, которые затем создавали больше ионов и электронов в цепной реакции, [ требуется цитата ] 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 преодолеть лишь крошечное 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 производили красочный тлеющий разряд (как в современной неоновой лампе ), возникающий, когда электроны ударялись об атомы газа, возбуждая их орбитальные электроны до более высоких энергетических уровней. Электроны выделяли эту энергию в виде света. Этот процесс называется флуоресценцией.
К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли откачать трубки до более низкого давления, ниже 10−6 атм . Их называли трубками Крукса. Фарадей был первым, кто заметил темное пространство прямо перед катодом, где не было люминесценции. Это стало называться «катодным темным пространством», «фарадеевским темным пространством» или «темным пространством Крукса». Крукс обнаружил, что по мере того, как он откачивал больше воздуха из трубок, фарадеевское темное пространство распространялось по трубке от катода к аноду, пока трубка не становилась полностью темной. Но на анодном (положительном) конце трубки само стекло трубки начинало светиться.
Происходило следующее: по мере того, как из трубки откачивали больше воздуха, электроны, выбиваемые из катода при ударе положительных ионов, могли в среднем перемещаться дальше, прежде чем они ударяли атом газа. К тому времени, как трубка становилась темной, большинство электронов могли перемещаться по прямым линиям от катода к анодному концу трубки без столкновений. При отсутствии препятствий эти частицы малой массы разгонялись до высоких скоростей напряжением между электродами. Это были катодные лучи.
Когда они достигали анодного конца трубки, они двигались так быстро, что, хотя они и притягивались к нему, они 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 возвращались на свой исходный энергетический уровень, они высвобождали энергию в виде света, заставляя стекло флуоресцировать , обычно зеленоватого или голубоватого цвета. Позднее исследователи окрасили внутреннюю заднюю стенку флуоресцентными химикатами, такими как сульфид цинка , чтобы сделать свечение 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 резкие тени на светящуюся заднюю стенку. В 1869 году немецкий физик Иоганн Гитторф 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. То, что переносит электрический ток, было загадкой. В течение последней четверти 19-го века было проведено много исторических экспериментов с трубками Крукса, 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 ученые Эйльхард Видеман, Генрих Герц и Гольдштейн считали, что это «эфирные волны», некая новая форма электромагнитного излучения , и они были 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 обнаруженная субатомная частица, которую он первоначально назвал « корпускулой », но позже назвал ее электроном , в честь частиц, постулированных Джорджем Джонстоном Стоуни в 1874 году. Он также показал, что они идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. [5] Было быстро признано, что это частицы, которые переносят электрический ток в металлических проводах и переносят отрицательный электрический заряд атома.
За эту работу Томсон получил Нобелевскую премию по физике 1906 года. Филипп Ленард также внес большой вклад в теорию катодных лучей, получив Нобелевскую премию в 1905 году за свои исследования катодных лучей и их свойств.
Метод ионизации газа (или холодного катода ) для получения катодных лучей, используемый в трубках Крукса, был ненадежен, поскольку зависел от давления остаточного воздуха в трубке. Со временем воздух впитывался стенками трубки, и она переставала работать.
Более надежный и контролируемый метод получения катодных лучей был исследован Хитторфом и Гольдштейном [ требуется ссылка ] и заново открыт Томасом Эдисоном в 1880 году. Катод, сделанный из проволочной нити, нагретой докрасна отдельным током, проходящим через него, высвобождал электроны в трубку с помощью процесса, называемого термоионной эмиссией . Первые настоящие электронные вакуумные трубки, изобретенные в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , использовали эту технологию горячего катода , и они заменили трубки Крукса. Эти трубки не нуждались в газе для работы, поэтому они были откачаны до более низкого давления, около 10−9 атм (10−4 Па ). Метод ионизации для 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 металлических проводов 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 . Вакуумные лампы сделали возможными радио- и телевещание , а также радары , говорящие фильмы, аудиозапись и междугороднюю телефонную связь и были основой потребительских электронных устройств до 1960-х годов, когда транзистор положил конец эпохе вакуумных ламп.
Катодные лучи теперь обычно называют электронными пучками. Технология манипулирования электронными пучками, впервые примененная в этих ранних трубках, была применена на практике при проектировании вакуумных трубок, в частности, при изобретении электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) Фердинандом Брауном 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 распространяются по прямой линии и создают тень, когда сталкиваются с препятствиями в виде объектов. Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что лучи могут проходить через тонкую металлическую фольгу, что ожидаемо от частицы. Эти противоречивые свойства вызвали сбои при попытке классифицировать его как волну или частицу. Крукс настаивал на том, что это частица, в то время как Герц утверждал, что это волна. Спор был разрешен, 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.
Луи де Бройль позже (1924) предположил в своей докторской диссертации, что электроны подобны фотонам и могут действовать как волны . Волнообразное поведение катодных лучей было позже непосредственно продемонстрировано с помощью отражения от никелевой поверхности Дэвиссоном и Джермером [6] и пропускания через тонкие целлулоидные пленки и позже металлические пленки Джорджем Пейджетом Томсоном и Александром Ридом [7] в 1927 году. (Александр Рид, который был аспирантом Томсона, провел первые эксперименты, но вскоре погиб в аварии на мотоцикле [8] и упоминается редко.)
существования «катодных лучей» впервые были обнаружены Плюккером и Гитторфом...
.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)