اشعه کاتدی چیست ؟اگر بین دو الکترود در یک محفظه شیشه ای مسدود که تا حد ممکن از هوا تخلیه شده باشد یک اختلاف ولتاژ بسیار قوی برقرار شود از الکترود منفی ( کاتد ) اشعه ای صادر میشود که به خط مستقیم سیر میکند این اشعه نامرئی بوده ودر محل برخورد با دیواره شیشه ای مقابل کاتد در آن موجب تلا لو میشودبه این اشعه ، اشعه کاتدی می گویند
پرتو کاتدی چگونه تشکیل میشود ؟و قتی بین دو الکترود اختلاف ولتاز بسیار بزرگی بر قرار شود الکترون از سطح کاتد کنده شده و به ظور مستقیم به حرکت در می آید این الکترون ها ضمن حرکت مستقیمخود به اتم های گازی شکل برخورد می کنند و موجب یونیزه شدن آنها می شوند به عبارت بهتر اتم های گازی پس از اینکه بمباران الکترونی شدند با از دست دادنالکترون به یون های مثبت گازی تبدیل میشوند این یونهای مثبت به طرف الکترود منفی یعنی آند شتاب می گیرند و به فلز کاتد ضربه میزنند و موجب کنده شدن الکترون هایبیشتری از سطح آن می شوند . الکترونهای کنده شده دوباره گسیل شده و موجب ایجاد یونهای مثبت بیشتر و بیشتری میشوند و این روند همیطور ادامه می یابد
شرایط لازم برای ایجاد پرتو کاتدی:چنانچه گفته شد پرتو های کاتدی در ولتاژهای بسیار بالا و در فشار بسیار کم از درون لوله گسیل می شوند علت ضرورت این شرایط را می توان به صورت زیر تشریح کرد :گاز ها در شرایط معمولی هادی نبوده و نمی توانند جریان برق را از خود عبور دهند و اگربخواهیم در فشار معمولی هوا جریانی عبور دهیم باید فاصله الکترود ها را بسیار کم کنیم که در این صورت یک جرقه الکتریکی زده شده و نوعی تخلیه آنیصورت می گیرد ولی اگر در فشار جوی در لوله استوانه ای شکل یاد شدهالکترود ها در فاصله 50 سانتی از یکدیگر قرار بگیرند گاز درون لوله تاریک می ماند زیرا ولتاژ اعمال شده چند هزار ولتی برای جرقه زنی در شکاف بزرگ گاز کافی نیستحال فرض کنید این لوله استوانه ای شکل به یک پمپ تخلیه هوا وصل شده باشد وقتیهوا به تدریج به خارج لوله پمپ شده و فشار گاز به قدر کافی پایین آورده شود در لولهتخلیه الکتریکی ظاهر می شود زیرا باکاهش فشار گاز اختلاف ولتاژ اعمال شده برایتخلیه کافی می گردد به عبارت بهتر با اعمال ولتاز بسیار بالا ، از کاتد الکترونهاییکنده شده و با سرعت زیاد بسوی آند روانه میشوند و در سر راه خود به اتمهای گازبرخورد کرده و از این اتمها الکترونهایی را به بیرون پرتاب و آنها را تبدیل به یونهایمثبت (اشعه مثبت) میکنند. در ضمن این یونها حالت برانگیخته پیدا کرده و نوریرا منتشر می‌سازند که مشخص کننده آنهاست، چنانکه رنگ نور منتشره از یک گازبه گاز دیگر تفاوت دارد.این شکل از تخلیه ، تخلیه تابانی نامیده میشود . لامپ هایبا تخلیه تابانی در عمل به عنوان چشمه های نور به کار می روند و اغلب شکل لامپهای تزئینی و یا تبلیغاتی استفاده میشوند . برای این کار آنها را به صورت حروف و یاشکلهای گو ناگون می شازند و داخل آنها را با گاز های مختلف پر می کنند هر گازی رنگ مخصوص به خود تولید می کند مثلا نئون به رنگ نارنجی و آرگون به رنگ سبز تابانی ایجاد می کند لامپ هایی که به برای مقاصد رو شنایی به کار میروند اغلب با بخار جیوه پر میشوند تخلیه تابانی در ابتدا شکل تنگیده نازکی دارد و دو الکترود را به هم وصل میکند
وقتی هوا بیشتر به خارج پمپ شود و فشار هوا یا گاز درون لوله کمتر و کمتر شودتنگش تابان پهن تر شده وتقریبا تمام لوله را فرا میگیرد به طوری که اگر فشار گازدر حد چند دهم میلیمتر جیوه باشد تخلیه مطابق شکل زیر خواهد بود در این تخلیه دو قسمت متمایز است :
الف ) قسمت تاریکی که کاتد وصل بوده وبه فضای کاتودی تاریکی معروف است
ب) ستون گاز تابانی که بقیه قسمتهای لوله تا آند را پر میکند و ستون مثبت نامیدهمیشود در فشار های خاصی ستون مثبت ممکن است به لایه های مجزایی باشکاف های تاریک تقسیم شود و به اصطلاح طبقه ای شودو قتی که مقدار گاز درون لوله باز هم کاهش یابد فضای تاریک لوله بیشتر و ستون مثبت کوتاه تر میشود به شوریکه در فشار بین 10[SUP]-4[/SUP] - 10[SUP]-5[/SUP] تابانیبه کلی محو میشود و تنها جریانی از الکترونها از کاتد به آند گسیل میشوند یعنی اشعه کاتدی حاصل می آید . به عبارت بهتر در فشار های بالا تر از حد 10[SUP]-4[/SUP] - 10[SUP]-5[/SUP] به جای ایجاد تخلیه تابانی پرتو کاتدی اتفاق می افتدبدیهی است در فشار هایی بسیار پایین تر از این مقدار ( نزدیک به خلا ) نیز اشعه کاتدی حاصل نمی آید چون تراکم گاز های موجود برای یونیزه شدنوکندن الکترون کافی نیست
ویژگی های پرتو کاتدی :
1) اشعه کاتدی به طور مستقیم حرکت میکنند :اشعهکاتدی به خط مستقیم حرکتمی‌کند، و از اجسام جامد عبور نمی‌کند. در شکل سایه تاریکیپشت مانع چهار پردیده میشود ولی اطراف آن همچنان درخشنده است. این پدیده می‌رساندکه اشعه مستقیم الخطی از کاتد تشعشع یافته و به آن سوی لوله می‌رسد. از برخورد ایناشعه با دیواره شیشه‌ای؛ درخشندگی سبز پسته‌ای آشکار می‌گردد، در صورتیکه ناحیه‌ایکه پشت مانع و در سایه آن قرار دارد، همچنان تاریک می‌ماند
2)اشعه کاتدی به سمت آند جهت نمی گیرد :اگر لوله پرتو کاتدی طوری ساختهشود که آند در ست در مقابل کاتد قرار نداشته باشد باز هم اشعه به طور مستقیمحرکت میکند و به طرف آند منحرف نمی شود
3) پرتو های کاتدی بار منفی دارند : اگر اشعه کاتدی را در مسیر عبور خود از یک میدان الکتریکی عبور دهیم به طرف قطب مثبت منحرف میشود
4) ذرات کاتدی جرم دارند : اگر در مسیر عبور اشعه کاتدی پروانه سبکی راکه به محودی وصل است طوری قرار دهیم که اشعه به پره های ان برخوردکند پروانه به حرکت در می اید این امر حاکی از ان است پرتو های کاتدیبه آن اندازه حرکت mv داده اند ( m جرم وv سرعت حرکت ذره است )
5) ماهیت پرتو کاتدی به جنس گاز درون لوله بستگی ندارد : زیرا با تغییر گاز درون لوله در ماهیت وویزگی های پرتو کاتدی تغییری حاصل نمی اید
6) ماهیت پرتو کاتدی به جنس کاتد لوله بستگی ندارد:زیرا با تغییر فلز کاتد در ماهیت وویزگی های پرتو کاتدی تغییری ایجاد نمی شود
7 ) پرتو های کاتدی در میدان مغناطیسی منحرف میشوند : هر ذره باردار د رحال حرکت مانند یک اهنربا عمل میکند و خواص مغناطیسی از خود نشان میدهد و چون پرنو کاتدی نیز از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است ویزگی های اهنر بایی داشته و در میدان مغناطیسی منحرف میشود به طوریکه با تغییرجهت میدا ن جهت انحراف اشعه کاتدی نیز تغییر می کند
نتایج حاصل از بررسی اشعه کاتدی:
دانشمندان نتایج مربوط به تخلیه الکتریکی در درون گازها را چنین بیان کردند که هر اتم از تعدادی الکترون و یک قسمت با بار مثبت و بسیار سنگین‌تر ساخته شده، بنابراین ذره‌ای است تجزیه‌پذیر..به عبارت بهتر ثابت شد که الکترون از اجزاء اصلی تمام مواد است. کشف الکترون سرآغاز مطالعات و نظریه‌های مربوط به ساختمان درونیاتم بوده و به اندیشه تجزیه‌ناپذیر بودن اتم خط بطلان کشید. چگونگی محاسبه نسبت بار به جرم در اتم: الکترونها درغیاب میدان مغناطیسی والکتریکی به خط مستقیم حرکت می کنند.ودربرخور د با صفحه مقابل نقطه b راروشن می کند. ( مشابق شکل فوق )الکترون هاچون دارای بار منفی هستند در حال حرکت یک جریان الکتریکی بهوجود می آورند. میدان مغناطیسی وجریان الکتریکی تاثیر متقابلا بریکدیگرمی گذارند. حال اگر یک الکترون با بار e وجرم m با سرعت vوارد یک میدان
مغناطیسی گردد. در جهتی عمود برجهت میدان مغناطیسی ودریک مسیر منحنی
باشعاع r حرکت می کند ودربرخورد با صفحه مقابل به نقطه a برخورد می کند.به این طریق می توان شعاع r را بااندازه گیری فاصله دونقطه aوb بدست آورد.نیروی مغناطیسی وارد به الکترون برابر HeV خواهد بود . که H شدت میدانمغناطیسی و e وV بار و سرعت حرکت الکترون است . شتاب الکترون برروی منحنی به شعاع r برابرV[SUP]2[/SUP] / r خواهد بود . درنتیجه خواهیم داشت .
نیروی میدان الکتریکی برابر Ee خواهد بود . (E شدت میدان الکتریکی می باشد. ) . با این توضیحات حال اگر الکترون یعنی همان اشعه کاتدی راهم زمان تحت تاثیر میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی عمود برهم قرار دهیمبه طوری که نیروی میدان الکتریکی را ثابت اختیار نموده ونیروی میدانمغناطیسی را آن قدر تغییر دهیم تا اثر یکدیگر را خنثی نمایند یعنی اشعه کاتدیبه نقطه b برخورد نماید دراین حالت نیروی میدان مغناطیسی والکتریکی باهم برابر خواهد شد .به عبارتی HeV= Ee با ساده نمودن این رابطه نتیجه می شود . V = E/H به جای V دررابطه بالا مقدارقرار می دهیم درنتیجه
پرتو کاتدی چگونه تشکیل میشود ؟و قتی بین دو الکترود اختلاف ولتاز بسیار بزرگی بر قرار شود الکترون از سطح کاتد کنده شده و به ظور مستقیم به حرکت در می آید این الکترون ها ضمن حرکت مستقیمخود به اتم های گازی شکل برخورد می کنند و موجب یونیزه شدن آنها می شوند به عبارت بهتر اتم های گازی پس از اینکه بمباران الکترونی شدند با از دست دادنالکترون به یون های مثبت گازی تبدیل میشوند این یونهای مثبت به طرف الکترود منفی یعنی آند شتاب می گیرند و به فلز کاتد ضربه میزنند و موجب کنده شدن الکترون هایبیشتری از سطح آن می شوند . الکترونهای کنده شده دوباره گسیل شده و موجب ایجاد یونهای مثبت بیشتر و بیشتری میشوند و این روند همیطور ادامه می یابد
شرایط لازم برای ایجاد پرتو کاتدی:چنانچه گفته شد پرتو های کاتدی در ولتاژهای بسیار بالا و در فشار بسیار کم از درون لوله گسیل می شوند علت ضرورت این شرایط را می توان به صورت زیر تشریح کرد :گاز ها در شرایط معمولی هادی نبوده و نمی توانند جریان برق را از خود عبور دهند و اگربخواهیم در فشار معمولی هوا جریانی عبور دهیم باید فاصله الکترود ها را بسیار کم کنیم که در این صورت یک جرقه الکتریکی زده شده و نوعی تخلیه آنیصورت می گیرد ولی اگر در فشار جوی در لوله استوانه ای شکل یاد شدهالکترود ها در فاصله 50 سانتی از یکدیگر قرار بگیرند گاز درون لوله تاریک می ماند زیرا ولتاژ اعمال شده چند هزار ولتی برای جرقه زنی در شکاف بزرگ گاز کافی نیستحال فرض کنید این لوله استوانه ای شکل به یک پمپ تخلیه هوا وصل شده باشد وقتیهوا به تدریج به خارج لوله پمپ شده و فشار گاز به قدر کافی پایین آورده شود در لولهتخلیه الکتریکی ظاهر می شود زیرا باکاهش فشار گاز اختلاف ولتاژ اعمال شده برایتخلیه کافی می گردد به عبارت بهتر با اعمال ولتاز بسیار بالا ، از کاتد الکترونهاییکنده شده و با سرعت زیاد بسوی آند روانه میشوند و در سر راه خود به اتمهای گازبرخورد کرده و از این اتمها الکترونهایی را به بیرون پرتاب و آنها را تبدیل به یونهایمثبت (اشعه مثبت) میکنند. در ضمن این یونها حالت برانگیخته پیدا کرده و نوریرا منتشر می‌سازند که مشخص کننده آنهاست، چنانکه رنگ نور منتشره از یک گازبه گاز دیگر تفاوت دارد.این شکل از تخلیه ، تخلیه تابانی نامیده میشود . لامپ هایبا تخلیه تابانی در عمل به عنوان چشمه های نور به کار می روند و اغلب شکل لامپهای تزئینی و یا تبلیغاتی استفاده میشوند . برای این کار آنها را به صورت حروف و یاشکلهای گو ناگون می شازند و داخل آنها را با گاز های مختلف پر می کنند هر گازی رنگ مخصوص به خود تولید می کند مثلا نئون به رنگ نارنجی و آرگون به رنگ سبز تابانی ایجاد می کند لامپ هایی که به برای مقاصد رو شنایی به کار میروند اغلب با بخار جیوه پر میشوند تخلیه تابانی در ابتدا شکل تنگیده نازکی دارد و دو الکترود را به هم وصل میکند
ب) ستون گاز تابانی که بقیه قسمتهای لوله تا آند را پر میکند و ستون مثبت نامیدهمیشود در فشار های خاصی ستون مثبت ممکن است به لایه های مجزایی باشکاف های تاریک تقسیم شود و به اصطلاح طبقه ای شودو قتی که مقدار گاز درون لوله باز هم کاهش یابد فضای تاریک لوله بیشتر و ستون مثبت کوتاه تر میشود به شوریکه در فشار بین 10[SUP]-4[/SUP] - 10[SUP]-5[/SUP] تابانیبه کلی محو میشود و تنها جریانی از الکترونها از کاتد به آند گسیل میشوند یعنی اشعه کاتدی حاصل می آید . به عبارت بهتر در فشار های بالا تر از حد 10[SUP]-4[/SUP] - 10[SUP]-5[/SUP] به جای ایجاد تخلیه تابانی پرتو کاتدی اتفاق می افتدبدیهی است در فشار هایی بسیار پایین تر از این مقدار ( نزدیک به خلا ) نیز اشعه کاتدی حاصل نمی آید چون تراکم گاز های موجود برای یونیزه شدنوکندن الکترون کافی نیست
1) اشعه کاتدی به طور مستقیم حرکت میکنند :اشعهکاتدی به خط مستقیم حرکتمی‌کند، و از اجسام جامد عبور نمی‌کند. در شکل سایه تاریکیپشت مانع چهار پردیده میشود ولی اطراف آن همچنان درخشنده است. این پدیده می‌رساندکه اشعه مستقیم الخطی از کاتد تشعشع یافته و به آن سوی لوله می‌رسد. از برخورد ایناشعه با دیواره شیشه‌ای؛ درخشندگی سبز پسته‌ای آشکار می‌گردد، در صورتیکه ناحیه‌ایکه پشت مانع و در سایه آن قرار دارد، همچنان تاریک می‌ماند
2)اشعه کاتدی به سمت آند جهت نمی گیرد :اگر لوله پرتو کاتدی طوری ساختهشود که آند در ست در مقابل کاتد قرار نداشته باشد باز هم اشعه به طور مستقیمحرکت میکند و به طرف آند منحرف نمی شود
5) ماهیت پرتو کاتدی به جنس گاز درون لوله بستگی ندارد : زیرا با تغییر گاز درون لوله در ماهیت وویزگی های پرتو کاتدی تغییری حاصل نمی اید
6) ماهیت پرتو کاتدی به جنس کاتد لوله بستگی ندارد:زیرا با تغییر فلز کاتد در ماهیت وویزگی های پرتو کاتدی تغییری ایجاد نمی شود
7 ) پرتو های کاتدی در میدان مغناطیسی منحرف میشوند : هر ذره باردار د رحال حرکت مانند یک اهنربا عمل میکند و خواص مغناطیسی از خود نشان میدهد و چون پرنو کاتدی نیز از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است ویزگی های اهنر بایی داشته و در میدان مغناطیسی منحرف میشود به طوریکه با تغییرجهت میدا ن جهت انحراف اشعه کاتدی نیز تغییر می کند
مغناطیسی گردد. در جهتی عمود برجهت میدان مغناطیسی ودریک مسیر منحنی
باشعاع r حرکت می کند ودربرخورد با صفحه مقابل به نقطه a برخورد می کند.به این طریق می توان شعاع r را بااندازه گیری فاصله دونقطه aوb بدست آورد.نیروی مغناطیسی وارد به الکترون برابر HeV خواهد بود . که H شدت میدانمغناطیسی و e وV بار و سرعت حرکت الکترون است . شتاب الکترون برروی منحنی به شعاع r برابرV[SUP]2[/SUP] / r خواهد بود . درنتیجه خواهیم داشت .
HeV = mV[SUP]2[/SUP]/ r ویا ← (e/m = V / Hr )
اگر الکترون ( اشعه کاتدی ) را فقط از میدان الکتریکی عبور دهیم . الکترون هاکه دارای بار منفی هستند درمیدان الکتریکی مسیر سهمی شکلی می پیمایندوبه سمت قطب مثبت منحرف می شوند.بنابراین در نقطه c با صفحه مقابلبرخورد می کنند.نیروی میدان الکتریکی برابر Ee خواهد بود . (E شدت میدان الکتریکی می باشد. ) . با این توضیحات حال اگر الکترون یعنی همان اشعه کاتدی راهم زمان تحت تاثیر میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی عمود برهم قرار دهیمبه طوری که نیروی میدان الکتریکی را ثابت اختیار نموده ونیروی میدانمغناطیسی را آن قدر تغییر دهیم تا اثر یکدیگر را خنثی نمایند یعنی اشعه کاتدیبه نقطه b برخورد نماید دراین حالت نیروی میدان مغناطیسی والکتریکی باهم برابر خواهد شد .به عبارتی HeV= Ee با ساده نمودن این رابطه نتیجه می شود . V = E/H به جای V دررابطه بالا مقدارقرار می دهیم درنتیجه
e/m = E/H[SUP]2[/SUP]r
که دراین رابطه E را که به دلخواه وثابت قرارداده بودیم . r و H قابل
اندازه گیری هستند . پس مقدار e/m اندازه گیری می شود .