Электронно-лучевая - Cathode ray


Из Википедии, свободной энциклопедии
Пучок лучей катода в вакуумной трубке согнут в круг с помощью магнитного поля , генерируемого катушкой Гельмгольца . Катодные лучи обычно невидимы; в этой демонстрации трубки достаточно остаточного газа осталось , что атомы газа светятся от люминесценции при ударе быстро движущихся электронов.

Катодные лучи ( электронный пучок или электронный луч ) являются потоками электронов , наблюдаемых в вакуумных трубках . Если откачивают стеклянная трубка снабжена двумя электродами , и напряжение подается, наблюдается стекла за положительного электрода светиться, за счет электронов , испускаемых из катода (электрода , соединенного с отрицательным полюсом источника питания). Они были впервые обнаружены в 1869 году немецкий физик Гитторф , и были названы в 1876 году Eugen Goldstein Kathodenstrahlen или катодных лучей. В 1897 году британский физик Томсон показал , что катодные лучи были составлены из ранее неизвестной отрицательно заряженной частицы, которая впоследствии был назван электрон . Электронно - лучевых трубок (ЭЛТ) используют сфокусированный пучок электронов , отклоненных электрических или магнитных полей , чтобы сделать изображение на экране.

Описание

Диаграмма, показывающая трубку Крукс, подключенная к источнику высокого напряжения. Мальтийский крест не имеет внешнего электрического соединения.

Катодные лучи названы так потому , что они испускаются отрицательным электродом, или катодом , в вакуумной трубке. Для того, чтобы освободить электроны в трубу, они сначала должны быть отделены от атомов катода. В начале катода холодных вакуумных трубок, называемый Крукс трубка , это было сделано с помощью высокого электрического потенциала тысяч вольты между анодом и катодом , чтобы ионизировать атомы остаточного газа в трубке. Положительные ионы ускоряются электрическим полем к катоду, и когда они столкнулись с этим они постучали электроны, если его поверхность; это были катодные лучи. Современные вакуумные трубы использовать термоэлектронную эмиссию , в котором катод выполнен из тонкой проволочной нити , которая нагревается с помощью отдельного электрического тока , проходящего через него. Увеличено движение случайной теплоты нити выбивает электроны из поверхности нити, в эвакуированном пространство трубы.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они отталкиваются отрицательным катодом и притягиваются к положительному аноду. Они путешествуют по прямым линиям через полую трубку. Напряжение , приложенное между электродами ускоряет эти низкие массовые частицы до высоких скоростей. Катодные лучи невидимы, но их присутствие было впервые обнаружено в начале вакуумных ламп , когда они ударили стеклянную стенку трубки, захватывающие атомы стекла и заставляя их излучать свет, свечение под названием флуоресценция . Исследователи заметили , что объекты , расположенные в трубке перед катодом могут бросить тень на пылающую стене, и поняли , что что - то должно двигаться по прямой линии от катода. После того, как электроны достигают анода, они проходят через анодной проволоки к источнику питания и обратно к катоду, так что катодные лучи несут электрический ток через трубку.

Тока в пучке катодных лучей через вакуумную трубку можно регулировать путем пропускания его через металлический экран проводов (а сетка ) между катодом и анодом, в котором небольшое отрицательное напряжение прикладывается. Электрическое поле проводов отклоняет некоторые из электронов, предотвращая их попадание на анод. Величина тока , который проходит через к аноду зависит от напряжения на сетке. Таким образом, небольшое напряжение на сетке может быть сделано , чтобы контролировать намного большее напряжение на аноде. Это принцип используется в вакуумных трубках 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 как радиопередатчиков . Высокая скорость пучков катодных лучей также можно управлять и манипулировать ими с помощью электрических полей , создаваемых дополнительных металлических пластин в трубке , к которой приложено напряжение, или магнитных полей создается катушками проволоки ( электромагнитов ). Они используются в электронно - лучевых трубках , найденных в телевизорах и мониторах компьютеров, а также в электронных микроскопах .

история

После 1654 изобретения вакуумного насоса с помощью Герике , физики начали экспериментировать с прохождением высокого напряжения электричества через разреженный воздух . В 1705 году, было отмечено , что электростатический генератор искры путешествовать на большее расстояние через воздух низкого давления , чем в воздухе при атмосферном давлении.

Газоразрядные трубки

Тлеющего разряда в трубке низкого давления , вызванного электрическим током.

В 1838 году Майкл Фарадей применяется высокое напряжение между двумя металлическими электродами на обоих концах стеклянной трубки , которые были частично откачивают воздух, и заметил странное легкую дугу с ее началом на катоде (положительный электрод) и его конце находятся на анод (отрицательный электрод). В 1857 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гейслер сосал даже больше воздуха с улучшенным насосом, при давлении около 10 -3 атм и обнаружили , что, вместо того , чтобы дуга, свечение заполнило трубку. Напряжение , приложенное между двумя электродами трубок, генерируемое с помощью индукционной катушки , было где -то между несколькими киловольтами и 100 кВ. Они были названы Гейслер трубы , похожей на современный неоновые .

Объяснение этих эффектов было то , что высокое напряжение ускорило свободные электроны и электрически заряженные атомы ( ионы ) , естественно присутствующие в воздухе трубки. При низком давлении, там было достаточно места между атомами газа , что электроны могут ускоряться до достаточно высокой скорости , что , когда они ударили атом они постучали электроны отходящих от него, создавая более положительные ионы и свободные электроны, которые пошли на создание больше ионов и электроны в цепной реакции, известной как тлеющий разряд . Положительные ионы притягиваются к катоду и , когда они ударили его нокаутировали больше электронов из нее, которые были привлечены к аноду. Таким образом, ионизированный воздух был электропроводящим и электрический ток протекает через трубку.

Гейслер трубки имели достаточное количество воздуха в них , что электроны могут путешествовать только крошечные расстояния до столкновения с атомом. Электроны в этих трубах двигались в медленном диффузионном процессе, никогда не набирают много скорости, так что эти трубки не производят катодные лучи. Вместо этого они получают красочное тлеющего разряда (как в современном неоновый свет ), возникает , когда электроны ударил атомов газа, захватывающие их орбитальных электронов на более высокие энергетические уровни. Электроны выпустили эту энергию как свет. Этот процесс называется флуоресценцией .

катодные лучи

Крукс трубка. Катодные лучи проходят по прямой линии от катода (слева) и ударить правую стенку трубы, что делают его свечение флуоресценции.

К 1870 - х годов, британский физик Крукс и другие смогли эвакуировать трубы до более низкого давления, ниже 10 -6 атм. Они были названы Крукс трубкой . Фарадей был первым заметил темное пространство только в передней части катода, где не было никакого свечения. Это стало называться «катодом темное пространство», «Фарадей темное пространство» или «Крукс темное пространство». Крукс обнаружил , что , когда он перекачивается больше воздуха из трубок, темное пространство Фарадея распространилось вниз по трубе от катода к аноду, пока трубка не была полностью темной. Но у анода (положительного) конец трубы, стекло трубки сам начал светиться.

То, что происходило в том, что, как более воздух закачивается из трубки, то электроны, выбитые из катода, когда положительные ионы ударили он может путешествовать дальше, в среднем, прежде чем они ударили атом газа. К тому времени, труба была темной, большинство электронов может путешествовать по прямой линии от катода до анода конца трубы без столкновения. С какими-либо препятствий, эти низкие частицы масс были ускорены до высоких скоростей от напряжения между электродами. Это были катодные лучи.

Когда они достигли конца анода трубы, они ехали так быстро , что, хотя они были привлечены к нему, они часто пролетали мимо анода и ударили заднюю стенку трубы. Когда они ударили атомы в стеклянной стенке, они возбуждались их орбитальных электронов на более высокие энергетические уровни . Когда электроны возвращаются к своему первоначальному уровню энергии, они выпустили энергию , как свет, в результате чего стекло флуоресцирует , как правило, зеленоватый или синеватый цвет. Позже исследователи окрашены внутри задней стенке с флуоресцентными химическими веществами , такими как сульфид цинка , чтобы сделать свечение более заметным.

Катодные лучи сами по себе являются невидимыми, но это случайная флуоресценция позволила исследователям заметить , что объекты в трубке перед катодом, такие как анод, отлитыми с острыми краями тени на светящейся заднюю стенку. В 1869 году немецкий физик Иоганн Хитторф был первым , чтобы понять , что что - то должны двигаться по прямой линии от катода бросить тени. Eugen Goldstein назвал их катодными лучами (немецкий kathodenstrahlen ).

Открытие электрона

В это время, атомы самые маленькие частицы , известные и считались неделимыми. Что проводили электрические токи была тайна. В последней четверти 19 - го века многие исторические эксперименты были проведены с Крукс труб , чтобы определить , что катодные лучи были. Было две теории. Крукс и Артур Шустер считали , что они были частицы «лучистой материи» , то есть, электрически заряженных атомов. Немецкие ученые Эйльхард Уиедманн, Генрих Герц и Гольдштейн полагал , что они были «эфирные волны», какой - то новый вид электромагнитного излучения , и были отделены от того, что несли электрический ток через трубку.

Дебаты были решены в 1897 году , когда Томсон измерил массу катодных лучей, показывая , что они были сделаны из частиц, но был примерно в 1800 раз легче , чем легкий атом, водород . Таким образом, они не были атомами, а новая частица, первые субатомные частицы , чтобы быть обнаруженными, которую он первоначально назывался « корпускула » , но позже был назван электрон , после того, как частицы постулировал Джордж Джонстон Стони в 1874. Он также показал , что они были идентичны частицы, выделяемые фотоэлектрические и радиоактивных материалов. Было признано , что быстро они являются частицы , которые несут электрические токи в металлических проволок, и нести отрицательный электрический заряд атома.

Томсон получил в 1906 году Нобелевскую премию по физике за эту работу. Ленард также внес большой вклад в теорию электронно - лучевой, получив Нобелевскую премию по физике в 1905 году за исследование катодных лучей и их свойство.

Вакуумные трубки

Ионизации газа (или холодный катод ) способом получения катодных лучей , используемые в Круксе трубах были ненадежной, так как она зависит от давления остаточного воздуха в трубке. С течением времени, воздух поглощается стенками трубки, и он перестал работать.

Более надежный и контролируемый Способ получения катодных лучей был исследован Хитторфом и Goldstein и переоткрыт Томасом Эдисоном в 1880. Катод выполнен из проволочной нити нагревает докрасна отдельным ток , проходящим через него , выпустит электроны в трубку при помощи процесс называется термоэлектронной эмиссией . Первые настоящие электронные вакуумные лампы , изобретенные в 1904 г. Джона Ambrose Fleming , использовали эту горячий катод технику, и они заменены Крукс трубку. Эти трубы не нужен газ в них , чтобы работать, чтобы они были эвакуированы до более низкого давления, около 10 -9 атм (10 -4 Па). Метод ионизации создания катодных лучей , используемые в Круксе трубках сегодня используется только в нескольких специализированных газоразрядных трубках , такие как krytrons .

В 1906 году Ли Де Форест обнаружили , что небольшое напряжение на сетке металлических проволок может контролировать намного больший ток в пучке катодных лучей , проходящих через вакуумную трубку. Его изобретение, называется триод , был первым устройством , которое может усиливать электрические сигналы, и революцию электрической технологии, создавая новые области электроники . Вакуумные трубки из радио и телевизионного вещания возможности, а также радар , говорить фильмы, аудиозапись и междугородной телефонной связи, и были основой электронных устройств вплоть до 1960 - х годов, когда транзистор привел эру вакуумных трубок к концу ,

Катодные лучи теперь обычно называют электронные пучки. Технология манипулирования электронных пучков , впервые в этих ранних трубах была применена практически в конструкции вакуумных трубок, в частности , в настоящем изобретении , в электронно - лучевой трубки (ЭЛТ) с помощью Ferdinand Braun в 1897 году, который был использован в телевизорах и осциллографов . Сегодня электронные пучки используются в сложных устройств , таких , как электронные микроскопы , лучевой литографии электронов и ускорителей частиц .

свойства

Как волна, катодные лучи проходят по прямой линии, и производят тень , когда затруднены объектами. Эрнест Резерфорд показал , что лучи могли пройти через тонкие металлические фольги, поведение ожидаемых частицы. Эти противоречивые свойства вызвало сбои , когда пытаются классифицировать его как волны или частицы. Крукс утверждал , что это была частица, в то время как Герц поддерживали это волна. Споры была решена , когда электрическое поле было использовано для отклонения лучей от JJ Thomson. Это свидетельствует о том , что лучи состоят из частиц , так как ученые знали , что это было невозможно отклонить электромагнитные волны с электрическим полем. Они могут также создавать механические эффекты, флуоресценцию и т.д.

Луи де Бройль позже (1924) показал в своей докторской диссертации , что электроны на самом деле так же, как фотоны в том отношении , что они действуют и как волны , и как частицы в двойной форме , как Эйнштейн показавшихом ранее для света. Волнообразное поведение катодных лучей было позже непосредственно продемонстрировано с использованием кристаллической решетки с помощью Дэвиссона и Джермера в 1927 году.

Смотрите также

Рекомендации

  • Общая химия (структура и свойства материи) по Аруна Бандары (2010)

внешняя ссылка