Raio catódico - Cathode ray

Um feixe de raios catódicos em um tubo de vácuo dobrado em um círculo por um campo magnético gerado por uma bobina de Helmholtz . Os raios catódicos são normalmente invisíveis; nesta demonstração com um tubo de Teltron , foi deixado gás residual suficiente para que os átomos de gás brilhem por luminescência quando atingidos pelos elétrons que se movem rapidamente.

Os raios catódicos ( por feixe de electrões ou por feixe de electrões ) são feixes de electrões observados em tubos de descarga . Se um tubo de vidro evacuado for equipado com dois eletrodos e uma tensão for aplicada, o vidro atrás do eletrodo positivo é observado a brilhar, devido aos elétrons emitidos do cátodo (o eletrodo conectado ao terminal negativo da fonte de tensão). Eles foram observados pela primeira vez em 1869 pelo físico alemão Julius Plücker e Johann Wilhelm Hittorf , e foram nomeados em 1876 por Eugen Goldstein Kathodenstrahlen , ou raios catódicos. Em 1897, o físico britânico JJ Thomson mostrou que os raios catódicos eram compostos de uma partícula carregada negativamente até então desconhecida, que mais tarde foi chamada de elétron . Tubos de raios catódicos (CRTs) usam um feixe de elétrons focalizado desviado por campos elétricos ou magnéticos para renderizar uma imagem em uma tela.

Descrição

Um diagrama mostrando um tubo de Crookes conectado a uma fonte de alta tensão. A cruz de Malta não tem conexão elétrica externa.

Os raios catódicos são assim chamados porque são emitidos pelo eletrodo negativo, ou cátodo , em um tubo de vácuo. Para liberar elétrons no tubo, eles primeiro devem ser separados dos átomos do cátodo. Nos primeiros tubos de vácuo de cátodo frio , chamados tubos de Crookes , isso era feito usando um alto potencial elétrico de milhares de volts entre o ânodo e o cátodo para ionizar os átomos de gás residuais no tubo. Os íons positivos foram acelerados pelo campo elétrico em direção ao cátodo e, quando colidiram com ele, expulsaram os elétrons de sua superfície; esses eram os raios catódicos. Os tubos de vácuo modernos usam emissão termiônica , na qual o cátodo é feito de um filamento de arame fino que é aquecido por uma corrente elétrica separada que passa por ele. O aumento do movimento de calor aleatório do filamento tira os elétrons da superfície do filamento para o espaço evacuado do tubo.

Como os elétrons têm carga negativa, eles são repelidos pelo cátodo negativo e atraídos para o ânodo positivo. Eles viajam em linha reta através do tubo vazio. A voltagem aplicada entre os eletrodos acelera essas partículas de baixa massa para altas velocidades. Os raios catódicos são invisíveis, mas sua presença foi detectada pela primeira vez nos primeiros tubos de vácuo, quando atingiram a parede de vidro do tubo, excitando os átomos do vidro e fazendo-os emitir luz, um brilho chamado fluorescência . Os pesquisadores notaram que objetos colocados no tubo na frente do cátodo podem lançar uma sombra na parede brilhante e perceberam que algo deve estar viajando em linha reta a partir do cátodo. Depois que os elétrons alcançam o ânodo, eles viajam através do fio do ânodo até a fonte de alimentação e de volta ao cátodo, de modo que os raios catódicos conduzem a corrente elétrica através do tubo.

A corrente em um feixe de raios catódicos através de um tubo de vácuo pode ser controlada passando-a por uma tela de metal de fios (uma grade ) entre o cátodo e o ânodo, ao qual uma pequena voltagem negativa é aplicada. O campo elétrico dos fios desvia alguns dos elétrons, impedindo-os de atingir o ânodo. A quantidade de corrente que chega ao ânodo depende da tensão na rede. Assim, uma pequena tensão na rede pode ser feita para controlar uma tensão muito maior no ânodo. Este é o princípio usado em tubos de vácuo para amplificar sinais elétricos. O tubo de vácuo triodo desenvolvido entre 1907 e 1914 foi o primeiro dispositivo eletrônico capaz de amplificar, e ainda é usado em algumas aplicações, como transmissores de rádio . Os feixes de raios catódicos de alta velocidade também podem ser direcionados e manipulados por campos elétricos criados por placas de metal adicionais no tubo ao qual a tensão é aplicada, ou campos magnéticos criados por bobinas de fio ( eletroímãs ). Eles são usados ​​em tubos de raios catódicos , encontrados em televisores e monitores de computador, e em microscópios eletrônicos .

História

Após a invenção da bomba de vácuo em 1654 por Otto von Guericke , os físicos começaram a fazer experiências com a passagem de eletricidade de alta voltagem através do ar rarefeito . Em 1705, observou-se que as faíscas do gerador eletrostático percorrem uma distância maior através do ar de baixa pressão do que através do ar de pressão atmosférica.

Tubos de descarga de gás

Descarga de brilho em um tubo de baixa pressão causada por corrente elétrica.

Em 1838, Michael Faraday aplicou uma alta tensão entre dois eletrodos de metal em cada extremidade de um tubo de vidro que tinha sido parcialmente evacuado de ar, e notou um estranho arco de luz com seu início no cátodo (eletrodo negativo) e sua extremidade no ânodo (eletrodo positivo). Em 1857, o físico alemão e soprador de vidro Heinrich Geissler sugou ainda mais ar com uma bomba aprimorada, a uma pressão de cerca de 10 −3 atm, e descobriu que, em vez de um arco, um brilho preenchia o tubo. A tensão aplicada entre os dois eletrodos dos tubos, gerada por uma bobina de indução , estava em qualquer lugar entre alguns quilovolts e 100 kV. Eles eram chamados de tubos Geissler , semelhantes aos sinais de néon de hoje .

A explicação para esses efeitos era que os elétrons livres acelerados de alta voltagem e os átomos ( íons ) eletricamente carregados naturalmente presentes no ar do tubo. Em baixa pressão, havia espaço suficiente entre os átomos de gás para que os elétrons pudessem acelerar a velocidades altas o suficiente para que, quando atingissem um átomo, expulsassem elétrons dele, criando mais íons positivos e elétrons livres, o que passou a criar mais íons e elétrons em uma reação em cadeia, conhecida como descarga cintilante . Os íons positivos foram atraídos para o cátodo e, quando o atingiram, tiraram mais elétrons dele, que foram atraídos para o ânodo. Assim, o ar ionizado era eletricamente condutor e uma corrente elétrica fluía pelo tubo.

Os tubos de Geissler tinham ar suficiente para que os elétrons pudessem viajar apenas uma pequena distância antes de colidir com um átomo. Os elétrons nesses tubos se moviam em um processo de difusão lento , nunca ganhando muita velocidade, portanto, esses tubos não produziam raios catódicos. Em vez disso, eles produziram uma descarga luminosa colorida (como em uma luz de néon moderna ), causada quando os elétrons atingiram átomos de gás, excitando seus elétrons orbitais para níveis de energia mais elevados. Os elétrons liberaram essa energia como luz. Este processo é denominado fluorescência .

Raios catódicos

Na década de 1870, o físico britânico William Crookes e outros foram capazes de evacuar tubos para uma pressão mais baixa, abaixo de 10 -6 atm. Estes eram chamados de tubos de Crookes . Faraday foi o primeiro a notar um espaço escuro bem na frente do cátodo, onde não havia luminescência. Isso veio a ser chamado de "espaço escuro catódico", "espaço escuro de Faraday" ou "espaço escuro de Crookes". Crookes descobriu que conforme ele bombeava mais ar para fora dos tubos, o espaço escuro de Faraday se espalhava pelo tubo do cátodo em direção ao ânodo, até que o tubo ficasse totalmente escuro. Mas na extremidade do ânodo (positiva) do tubo, o próprio vidro do tubo começou a brilhar.

O que estava acontecendo era que, à medida que mais ar era bombeado do tubo, os elétrons expulsos do cátodo quando os íons positivos o atingiam podiam viajar mais longe, em média, antes de atingirem um átomo de gás. Quando o tubo estava escuro, a maioria dos elétrons podia viajar em linha reta do cátodo até a extremidade do ânodo do tubo sem colisão. Sem obstruções, essas partículas de baixa massa foram aceleradas a altas velocidades pela voltagem entre os eletrodos. Esses eram os raios catódicos.

Quando alcançaram a extremidade do ânodo do tubo, estavam viajando tão rápido que, embora fossem atraídos por ele, muitas vezes voaram além do ânodo e atingiram a parede posterior do tubo. Ao atingirem átomos na parede de vidro, eles excitaram seus elétrons orbitais para níveis de energia mais elevados . Quando os elétrons voltaram ao seu nível de energia original, eles liberaram a energia como luz, fazendo com que o vidro ficasse fluorescente , geralmente de uma cor esverdeada ou azulada. Pesquisadores posteriores pintaram a parede interna posterior com produtos químicos fluorescentes, como sulfeto de zinco , para tornar o brilho mais visível.

Os próprios raios catódicos são invisíveis, mas esta fluorescência acidental permitiu aos pesquisadores notar que os objetos no tubo na frente do catodo, como o ânodo, lançam sombras de arestas agudas na parede traseira brilhante. Em 1869, o físico alemão Johann Hittorf foi o primeiro a perceber que algo deve estar viajando em linha reta do cátodo para projetar as sombras. Eugen Goldstein os chamou de raios catódicos (alemão kathodenstrahlen ).

Descoberta do elétron

Naquela época, os átomos eram as menores partículas conhecidas, e acreditava-se que eram indivisíveis. O que conduzia correntes elétricas era um mistério. Durante o último quarto do século 19, muitos experimentos históricos foram feitos com tubos de Crookes para determinar o que eram os raios catódicos. Existem duas teorias. Crookes e Arthur Schuster acreditavam que eram partículas de "matéria radiante", isto é, átomos carregados eletricamente. Os cientistas alemães Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz e Goldstein acreditavam que eram "ondas de éter", uma nova forma de radiação eletromagnética , e eram separadas do que carregava a corrente elétrica pelo tubo.

O debate foi resolvido em 1897, quando JJ Thomson mediu a massa dos raios catódicos, mostrando que eram feitos de partículas, mas eram cerca de 1800 vezes mais leves do que o átomo mais leve, o hidrogênio . Portanto, eles não eram átomos, mas uma nova partícula, a primeira partícula subatômica a ser descoberta, que ele originalmente chamou de " corpúsculo ", mas mais tarde foi chamada de elétron , em homenagem a partículas postuladas por George Johnstone Stoney em 1874. Ele também mostrou que eram idênticas a partículas desprendidas por materiais fotoelétricos e radioativos. Foi rapidamente reconhecido que eles são as partículas que transportam correntes elétricas em fios de metal e carregam a carga elétrica negativa do átomo.

Thomson recebeu o prêmio Nobel de física de 1906 por este trabalho. Philipp Lenard também contribuiu muito para a teoria dos raios catódicos, ganhando o Prêmio Nobel de Física em 1905 por suas pesquisas sobre os raios catódicos e suas propriedades.

Tubos a vácuo

O método de ionização de gás (ou cátodo frio ) de produção de raios catódicos usado em tubos de Crookes não era confiável, porque dependia da pressão do ar residual no tubo. Com o tempo, o ar foi absorvido pelas paredes do tubo e parou de funcionar.

Um método mais confiável e controlável de produção de raios catódicos foi investigado por Hittorf e Goldstein, e redescoberto por Thomas Edison em 1880. Um cátodo feito de um filamento de fio aquecido em brasa por uma corrente separada que passa por ele liberaria elétrons no tubo por um processo denominado emissão termiônica . Os primeiros tubos de vácuo eletrônicos verdadeiros , inventados em 1904 por John Ambrose Fleming , usaram essa técnica de cátodo quente e substituíram os tubos de Crookes. Esses tubos não precisavam de gás para funcionar, então foram evacuados a uma pressão mais baixa, em torno de 10 −9 atm (10 −4 Pa). O método de ionização para criar raios catódicos usado em tubos de Crookes é hoje usado apenas em alguns tubos de descarga de gás especializados , como krytrons .

Em 1906, Lee De Forest descobriu que uma pequena voltagem em uma grade de fios de metal entre o cátodo e o ânodo poderia controlar uma corrente em um feixe de raios catódicos que passava por um tubo de vácuo. Sua invenção, chamada de triodo , foi o primeiro dispositivo capaz de amplificar sinais elétricos e revolucionou a tecnologia elétrica, criando o novo campo da eletrônica . Os tubos de vácuo possibilitaram a transmissão de rádio e televisão , bem como o radar , filmes falados, gravação de áudio e serviço telefônico de longa distância, e foram a base dos dispositivos eletrônicos de consumo até a década de 1960, quando o transistor encerrou a era dos tubos de vácuo .

Os raios catódicos agora são normalmente chamados de feixes de elétrons. A tecnologia de manipulação de feixes de elétrons pioneira nesses primeiros tubos foi aplicada praticamente no projeto de tubos de vácuo, particularmente na invenção do tubo de raios catódicos (CRT) por Ferdinand Braun em 1897, que foi usado em aparelhos de televisão e osciloscópios . Hoje, os feixes de elétrons são empregados em dispositivos sofisticados, como microscópios eletrônicos , litografia de feixe de elétrons e aceleradores de partículas .

Propriedades

Como uma onda, os raios catódicos viajam em linha reta e produzem uma sombra quando obstruídos por objetos. Ernest Rutherford demonstrou que os raios podiam atravessar finas folhas de metal, comportamento esperado de uma partícula. Essas propriedades conflitantes causaram interrupções ao tentar classificá-lo como uma onda ou partícula. Crookes insistiu que era uma partícula, enquanto Hertz afirmou que era uma onda. O debate foi resolvido quando um campo elétrico foi usado para desviar os raios por JJ Thomson. Essa era uma evidência de que os feixes eram compostos de partículas porque os cientistas sabiam que era impossível desviar as ondas eletromagnéticas com um campo elétrico. Eles também podem criar efeitos mecânicos, fluorescência, etc.

Louis de Broglie mais tarde (1924) mostrou em sua tese de doutorado que os elétrons são, na verdade, muito parecidos com os fótons, no sentido de que agem tanto como ondas quanto como partículas de maneira dual, como Albert Einstein havia mostrado anteriormente para a luz. O comportamento ondulatório dos raios catódicos foi posteriormente demonstrado diretamente usando uma rede de cristal por Davisson e Germer em 1927.

Veja também

Referências

  • Química Geral (estrutura e propriedades da matéria) por Aruna Bandara (2010)

links externos