WikiDer > Электронно-лучевая

Cathode ray
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.

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

Тлеющий разряд в трубке низкого давления, вызванной электрическим током.

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

К 1870-м годам британский физик Уильям Крукс и другие смогли откачать трубки до более низкого давления, ниже 10−6 атм. Они назывались Трубки Крукса. Фарадей первым заметил темное пространство прямо перед катодом, где не было люминесценции. 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 распространялось вниз по трубке от катода к аноду, пока трубка не становилась полностью темной. Но на анодном (положительном) конце трубки стало светиться стекло самой трубки.

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

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 считал, что это "эфирные волны", некая новая форма электромагнитное излучение, и были отделены от того, что проводило 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 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мартин, Андре (1986), "Катодно-лучевые трубки для промышленного и военного применения", в Хоуксе, Питер (ред.), Успехи электроники и электронной физики, Том 67, Academic Press, стр. 183, ISBN 9780080577333, Доказательства существования «катодных лучей» были впервые найдены Плюккером и Хитторфом ...
  2. ^ Э. Гольдштейн (4 мая 1876 г.) "Vorläufige Mittheilungen über elektrische Entladungen in verdünnten Gasen" (Предварительные сообщения об электрических разрядах в разреженных газах), Monatsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Ежемесячные отчеты Прусской королевской академии наук в Берлине), 279-295. Со страницы 286: "13. Das durch die Kathodenstrahlen in der Wand hervorgerufene Phosphorescenzlicht ist höchst selten von gleichförmiger Intensität auf der von ihm bedeckten Fläche, und zeigt oft sehr barocke Muster."(13. Фосфоресцентный свет, который излучается в стене катодными лучами, очень редко имеет одинаковую интенсивность на поверхности, которую он покрывает, и [это] часто показывает очень барочные узоры.)
  3. ^ Джозеф Ф. Кейтли История электрических и магнитных измерений: с 500 г. до н. Э. к 1940-м годам Джон Уайли и сыновья, 1999 ISBN 0-7803-1193-0, стр. 205
  4. ^ Майкл Фарадей (1838) «VIII. Экспериментальные исследования в электричестве. - Тринадцатая серия.» Философские труды Лондонского королевского общества, 128 : 125-168.
  5. ^ Томсон, Дж. Дж. (Август 1901 г.). «На телах меньше атомов». Ежемесячный журнал Popular Science. Bonnier Corp .: 323–335. Получено 2009-06-21.
  • Общая химия (структура и свойства материи) Аруны Бандара (2010)

внешняя ссылка