Электронно-лучевая

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Катодный луч»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( февраль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Пучок катодных лучей в вакуумной трубке изгибается в круг под действием магнитного поля, создаваемого катушкой Гельмгольца . Катодные лучи обычно невидимы; в этой демонстрационной трубке Тельтрона осталось достаточно остаточного газа, чтобы атомы газа светились от люминесценции при ударе быстро движущихся электронов.

Катодные лучи ( электронный пучок или электронный пучок ) - это потоки электронов, наблюдаемые в газоразрядных трубках . Если вакуумированная стеклянная трубка оснащена двумя электродами и подается напряжение , стекло за положительным электродом начинает светиться из-за электронов, испускаемых катодом (электрод, подключенный к отрицательному выводу источника напряжения). Они были впервые обнаружены в 1869 году немецким физиком Плюккер и Гитторф , ^[1] и были названы в 1876 году Eugen Goldstein Kathodenstrahlen или катодных лучей.^{[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 визуализации изображения на экране.

Описание [ править ]

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 катодом в вакуумной трубке. Чтобы выпустить электроны в трубку, их сначала нужно оторвать 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 для ионизации остаточных атомов газа в лампе. 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 лампы используют термоэлектронную эмиссию, в котором катод состоит из тонкой проволочной нити накала, которая нагревается отдельным электрическим током, проходящим через нее. 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 двигаться 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 ( сетку ) 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. Этот принцип используется в электронных лампах для усиления электрических сигналов. Триод вакуумной трубки разработаны между 1907 и 1914 был первым электронным устройством , которое может усиливать, и до сих пор используется в некоторых применениях , таких какрадиопередатчики . Высокоскоростные пучки катодных лучей также могут управляться электрическими полями, создаваемыми дополнительными металлическими пластинами в трубке, к которой приложено напряжение, или магнитными полями, создаваемыми катушками с проволокой ( электромагнитами ). Они используются в электронно-лучевых трубках , в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в электронных микроскопах .

• 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 цветом за счет флуоресценции . 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 [ править ]

После 1654 изобретения вакуумного насоса с помощью Герике , 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.

Газоразрядные трубки [ править ]

В 1838 году Майкл Фарадей приложил высокое напряжение между двумя металлическими электродами на обоих концах стеклянной трубки, из которой частично удален воздух, и заметил странную легкую дугу, начинающуюся у катода (отрицательный электрод), а конец - на аноде. (положительный электрод). ^[4] В 1857 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гайсслер высосал 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 , было где-то между несколькимикиловольт и 100 кВ. Они были названы трубками Гейсслера , как современные неоновые вывески .

Объяснение этих эффектов заключалось в том, что высокое напряжение ускоряет свободные электроны и электрически заряженные атомы ( ионы ), естественно присутствующие в воздухе трубки. ^{[ необходима 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 создать больше ионов и электронов в цепной реакции, ^{[ править ]} известен как тлеющего разряда . Положительные ионы притягивались к катоду.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 движутся в процессе медленной диффузии , никогда не набирая большой скорости, поэтому эти трубки не производят 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 .

Катодные лучи [ править ]

К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли откачать трубы до более низкого давления, ниже 10 ^-6 атм. Они были названы трубками Крукса . Фарадей первым заметил темное пространство прямо перед катодом, где не было свечения. 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 распространилось вниз по трубке от катода к аноду, пока трубка не стала полностью темной. Но на анодном (положительном) конце трубки начало светиться стекло самой трубки.

Что происходило, так это то, что по мере того, как из трубки закачивалось все больше воздуха, электроны выбивались из катода, когда положительные ионы ударяли по нему, в среднем могли путешествовать 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 разгонялись 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 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 на более высокие уровни энергии . Когда электроны возвращаются к своему исходному уровню энергии, они выделяют энергию в виде света, заставляя стекло флуоресцировать , обычно зеленоватого или голубоватого цвета. Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стену флуоресцентными химикатами, такими как сульфид цинка , чтобы свечение было 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 первым понял, что что-то должно проходить по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тени. Ойген Гольдштейн назвал их катодными лучами (нем. Kathodenstrahlen ).

Открытие электрона [ править ]

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 считали, 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 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 частицы, испускаемые фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. ^[5] Было быстро установлено, что это частицы, которые переносят электрические токи в металлических проводах и несут отрицательный электрический заряд атома.

За эту работу Томсон был удостоен Нобелевской премии 1906 года 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 [ править ]

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

Более надежный и контролируемый Способ получения катодных лучей был исследован Хитторфом и Goldstein, ^{[ править ]} и заново открыт Томасом Эдисоном в 1880 году катода , выполненный из проволочной нити , нагретых красным горячие отдельным тока , проходящих через него будет высвобождать электроны в трубку с помощью процесса, называемого термоэлектронной эмиссией . Первые настоящие электронные вакуумные лампы , изобретенные в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , использовали эту технику с горячим катодом , и они заменили лампы Крукса. Эти трубы не нужен газ в них на работу, чтобы они были эвакуированы в более низком давлении, приблизительно 10 ^-9 атм (10 ^-4Па). 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 металлических проводов между катодом и анодом может управлять гораздо большим током в пучке катодных лучей, проходящем через вакуумную трубку. Его изобретение, названное триодом , было первым устройством, которое могло усиливать электрические сигналы, и произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники . Электронные лампы сделали возможным радио- и телевещание , а также радары , говорящие фильмы, аудиозаписи и междугороднюю телефонную связь, и были основой бытовых электронных устройств до 1960-х годов, когда транзисторы положили конец эре электронных ламп.

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

Свойства [ править ]

Подобно волне, катодные лучи движутся по прямым линиям и создают тень, когда им мешают объекты. 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, в то время как 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.

Позже Луи де Бройль (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 двойным образом, как Альберт Эйнштейн ранее показал для света. Волнообразное поведение катодных лучей позже было непосредственно продемонстрировано на кристаллической решетке Дэвиссоном и Гермером в 1927 году.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

• Сайт катодно-лучевой трубки
• Трубка Крукса с мальтийским крестом
• Моделирование показывает электроны в скрещенных полях, сделанных BIGS.