Billedrør

Katodestråler er strømme af elektroner observeret i vakuumrør. Hvis et evakueret glasrør er udstyret med to elektroder og en spænding påføres, er glasset modsatte af den negative elektrode observeret at gløde, på grund af elektroner, der udsendes fra rejser og vinkelret på katoden. De blev først observeret i 1869 af den tyske fysiker Johann Hittorf, og blev navngivet i 1876 af Eugen Goldstein Kathodenstrahlen eller katodestråler.

Elektroner blev først opdaget som bestanddelene i katodestråler. I 1897 viste britiske fysiker JJ Thomson strålerne var sammensat af en hidtil ukendt negativt ladet partikel, som senere blev opkaldt elektronen. Katodestrålerør anvender en fokuseret stråle af elektroner afbøjes af elektriske eller magnetiske felter til at skabe billedet i et klassisk fjernsyn.

Beskrivelse

Katodestråler er dette navn, fordi de er udsendt af den negative elektrode, eller katoden i et vakuumrør. For at frigøre elektroner ind i røret, de først skal adskilles fra atomerne i katoden. I begyndelsen koldkatodelysstofrør vakuumrør, kaldet Crookes rør, blev dette gjort ved at anvende en høj elektrisk spænding mellem anoden og katoden for at ionisere restgassen i røret; ionerne blev accelereret af det elektriske felt og udgivet elektroner, når de kolliderede med katoden. Moderne vakuumrør bruge thermionic emission, hvor katoden er fremstillet af et tyndt trådfilament som opvarmes af en separat elektrisk strøm passerer gennem den. Den øgede tilfældige varme bevægelse af endeløse atomer slår elektroner ud af atomerne på overfladen af ​​filamentet, i det evakuerede rum i røret.

Da elektronerne har en negativ ladning, er de frastødt af katoden og tiltrækkes til anoden. De rejser i lige linjer gennem den tomme rør. Den påtrykte spænding mellem elektroderne accelererer disse lave masse partikler til høje hastigheder. Katodestråler er usynlige, men deres tilstedeværelse blev første gang påvist i tidlig vakuumrør, når de ramte glasvæg af røret, spændende atomerne i glas og får dem til at udsende lys, en glød kaldes fluorescens. Forskere har bemærket, at objekter placeret i røret foran katoden kunne kaste en skygge på glødende væggen, og indså, at noget skal rejse i lige linier fra katoden. Efter elektronerne når anoden, de rejser gennem anodetråden til strømforsyningen og tilbage til katoden, så katodestråler bære elektrisk strøm gennem røret.

Strømmen i en stråle af katodestråler gennem et rør kan kontrolleres ved at føre det gennem en metalsigte af tråde, som en lille spænding tilføres. Det elektriske felt af trådene afbøjer nogle af de elektroner, hvilket forhindrer dem i at nå anoden. Således kan der foretages en lille spænding på gitteret til at styre et langt større spænding på anoden. Dette er princippet anvendes i vakuumrør at amplificere elektriske signaler. Højhastigheds stråler af katodestråler kan også styres og manipuleres ved hjælp af elektriske felter, der dannes af yderligere metalplader i røret, som spænding påføres, eller magnetiske felter skabt af spoler af tråd. Disse bruges i billedrør, der findes i fjernsyn og computerskærme, og elektronmikroskoper.

Historie

Efter 1654 opfindelsen af ​​vakuumpumpen af ​​Otto von Guericke begyndte fysikerne at eksperimentere med passerer højspænding elektricitet gennem tynde luft. I 1705 blev det bemærket, at elektrostatiske generator gnister rejse en længere afstand gennem lavt tryk luft end gennem atmosfærisk tryk luft.

Gasudladningsrør

I 1838, Michael Faraday passerede en strøm gennem en tynde luft fyldt glasrør og bemærket en mærkelig lys bue med sin begyndelse ved katoden og dens ende nærmest ved anoden. I 1857, tysk fysiker og glaspuster Heinrich Geissler suget endnu mere luft ud med en forbedret pumpe, til et tryk på omkring 10 atm og fandt, at i stedet for en bue, en glød fyldt røret. Den påtrykte spænding mellem de to elektroder af rørene, der genereres af en induktionsspole, var et sted mellem nogle få kilovolt og 100 kV. Disse blev kaldt Geissler rør, svarende til nutidens neonskilte.

Forklaringen af ​​disse virkninger var, at den høje spænding accelererede elektrisk ladede atomer er naturligt til stede i luften af ​​røret. Ved lavt tryk, var der plads nok mellem gassen atomer, ioner kunne fremskynde til høj nok hastigheder, når de ramte et andet atom de bankede elektroner ud af det, skabe mere positive ioner og frie elektroner i en kædereaktion. De positive ioner blev alle tiltrukket katoden. Da de slog det de bankede mange elektroner ud af metallet. De frie elektroner blev alle tiltrukket af anoden.

På grund af de primitive vakuumpumper af tiden, Geissler rør havde så meget luft i dem, at elektronerne kun kunne rejse en lille afstand, før kollision med et atom. Elektronerne i disse rør flyttet i en langsom diffusionsproces, aldrig få stor fart, så disse rør ikke producerer katodestråler. I stedet produceret en farverig udledning glød, forårsaget når elektroner eller ioner slog gas atomer, spændende deres orbitale elektroner til højere energiniveauer. Elektronerne udgivet denne energi som lys. Denne proces kaldes fluorescens.

Katodestråler

Af 1870'erne, britiske fysiker William Crookes og andre var i stand til at evakuere rør til et lavere tryk, under 10 atm. Disse blev kaldt Crookes rør. Faraday havde været den første til at lægge mærke til et mørkt rum lige foran katoden, hvor der ikke var nogen luminescens. Dette kom til at hedde det "katode mørke rum", "Faraday mørke rum" eller "Crookes mørkt rum". Crookes fundet, at da han pumpes mere luft ud af rørene, Faraday mørke rum fordelt ned gennem røret fra katoden mod anoden, indtil røret var totalt mørke. Men ved anoden ende af røret, glas selve røret begyndte at gløde.

Hvad der foregik var, at da mere luft blev pumpet fra røret, kan elektronerne bevæge sig længere, i gennemsnit, før de ramte en gas atom. På det tidspunkt, røret var mørke, kunne de fleste af de elektroner bevæger sig i lige linier fra katoden til anoden ende af røret uden kollision. Uden forhindringer, blev disse lave masse partikler accelereres til høje hastigheder af spænding mellem elektroderne. Det var de katodestråler.

Når de nåede anoden ende af røret, blev de rejser så hurtigt, at, selv om de blev tiltrukket af det, de ofte blæste forbi anoden og slog bagvæggen af ​​røret. Når de ramte atomer i glasvæggen, de ophidset deres orbital elektroner til højere energiniveauer, får dem til at fluorescere. Senere forskere malet indersiden bagvæggen med fluorescerende kemikalier såsom zinksulfid, for at gøre glød mere synlige.

Katodestråler selv er usynlige, men dette utilsigtet fluorescens tilladt forskere at bemærke, at objekter i røret foran katoden, såsom anoden, kaster skygger skarpkantede på glødende bagvæggen. I 1869, den tyske fysiker Johann Hittorf var først til at indse, at noget skal rejse i lige linjer fra katoden til at kaste skygger. Eugen Goldstein opkaldt dem katodestråler.

Discovery elektronens

På dette tidspunkt, atomer var de mindste partikler kendte og mentes at være udelelig. Hvad udført elektriske strømme var et mysterium. I sidste kvartal af det 19. århundrede mange forsøg blev gjort for at bestemme, hvad katode stråler var. Der var to teorier. Crookes og Arthur Schuster troede de var partikler af "strålende stof", altså elektrisk ladede atomer. Tyske forskere Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz og Goldstein troede de var "æter bølger", nogle nye form for elektromagnetisk stråling, og var adskilt fra hvad der foretaget den elektriske strøm gennem røret.

Debatten blev løst i 1897, da JJ Thomson målt massen af ​​katodestråler, viser de var lavet af partikler, men var omkring 1800 gange lettere end den letteste atom, brint. Derfor var de ikke atomer, men en ny partikel, den første subatomare partikel at blive opdaget, som han oprindeligt kaldt "corpuscle", men blev senere opkaldt elektron, efter partikler postuleret af George Johnstone Stoney i 1874. Han viste også, at de var identiske med partikler afgives af fotoelektriske og radioaktive materialer. Det blev hurtigt opdaget, at de er de partikler, der bærer elektriske strømme i metaltråde, og bære den negative elektriske ladning af atomet.

Thomson fik 1906 Nobelprisen i fysik for dette arbejde. Philipp Lenard bidrog også en hel del at billedrør teori, at vinde Nobelprisen i fysik i 1905 for sin forskning om katodestråler og deres egenskaber.

Vakuumrør

Gassen ionisering fremgangsmåde til fremstilling af katodestråler anvendes i Crookes rør var upålidelige, fordi den afhænger af trykket af den resterende luft i røret. Over tid, blev luften adsorberes af væggene af røret, og det stoppede med at arbejde.

En mere pålidelig og kontrollerbar fremgangsmåde til fremstilling af katodestråler blev undersøgt ved Hittorf og Goldstein og genfundet af Thomas Edison i 1880. En katode fremstillet af et trådfilament opvarmet rødglødende af en separat strøm, der passerer igennem det ville frigøre elektroner ind i røret ved hjælp af en proces kaldet thermionic emission. De første egentlige elektroniske vakuumrør, opfundet i 1904, brugte denne varme katode teknik, og de afløses Crookes rør. Disse rør ikke behøver gas i dem at arbejde, så de blev evakueret til et lavere tryk, ca. 10 atm. Ionisering metode til at skabe katodestråler anvendes i Crookes rør i dag kun brugt i nogle få specialiserede gasudladningsrør såsom krytrons.

Lee De Forest i 1906 fandt, at en lille spænding på et gitter af metaltråde kunne styre en meget større strøm i en stråle af katodestråler passerer gennem et vakuumrør. Hans opfindelse, kaldet triode, var den første enhed, der kunne forstærke elektriske signaler, og grundlagde inden for elektronik. Vakuumrør lavet radio- og tv-spredning er muligt, samt radar, taler film, lydoptagelse og langdistance telefonservice, og var grundlaget for elektroniske apparater, indtil 1960'erne, da transistoren bragte den æra af vakuumrør til en afslutning.

Katodestråler nu normalt kaldes elektronstråler. Teknologien til at manipulere elektronstråler banebrydende i disse tidlige rør blev påført praktisk i udformningen af ​​vakuumrør, især i opfindelsen af ​​katodestrålerøret af Ferdinand Braun i 1897 og er i dag anvendes i avancerede anordninger, såsom elektronmikroskoper, elektronstrålelitografi og partikelacceleratorer.

Egenskaber af katodestråler

Ligesom en bølge, katodestråler rejse i lige linjer, og producere en skygge, når blokeret af genstande. Ernest Rutherford viste, at strålerne kunne passere gennem tynde metalfolier, adfærd, der forventes af en partikel. Disse modstridende egenskaber forårsagede forstyrrelser, når de forsøger at klassificere det som en bølge eller partikel. Crookes insisterede det var en partikel, mens Hertz opretholdt det var en bølge. Debatten blev løst, da et elektrisk felt blev brugt til at afbøje strålerne af JJ Thomson. Det var bevis for, at bjælkerne var sammensat af partikler, fordi forskerne vidste, at det var umuligt at aflede elektromagnetiske bølger med et elektrisk felt. Disse kan også skabe mekaniske påvirkninger, fluorescens, etc.

Louis de Broglie senere viste i sin ph.d.-afhandling, at elektroner er i virkeligheden meget ligesom fotoner i den respekt, de fungerer både som bølger og som partikler i en dobbelt måde som Einstein havde vist tidligere for lys. Bølgen-lignende opførsel billedrør-partikler blev senere direkte demonstreret ved hjælp af et krystalgitter af Davisson og Germer i 1927.

  0   0
Forrige artikel Ordinalia
Næste artikel Arnprior

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha