پرتو کاتدی (اشعه کاتدی) – خواص و کاربردها

اتم از ذرات ریزی که زیر اتم نامیده می شوند تشکیل شده است. زیر اتم های تشکیل دهنده اتم ها الکترون، پروتون و نوترون هستند. دانشمندان زیادی برای کشف این ذرات آزمایشات مختلف انجام دادند. یکی از این آزمایشات مهم که توسط تامسون انجام شد مطالعه پرتو کاتدی بود، منجر به کشف اولین زیر اتم یعنی الکترون شد. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی تاریخچه کشف و خواص این پرتو می پردازیم.

فهرست :

۱- تاریخچه

۲- کشف پرتو کاتدی

۲-۱- آزمایش کروکس

۲-۲- آزمایش تامسون

۲-۳- آزمایش میلیکان

۳- ویژگی های پرتو کاتدی

۴- کاربردهای پرتو کاتدی

۱- تاریخچه :

Davy اولین کسی بود که در اواخر قرن نوزدهم با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته، متوجه شد که هر مولکول از تعدادی اتم با بارهای الکتریکی غیرهمنام تشکیل شده که با نیروی جاذبه کنار هم قرار گرفتند. در ادامه آزمایش داوی، فارادی بین میزان الکتریسیته و میزان ماده ای که تجزیه شده بود رابطه ای بیان کرد. استوونی کسی بود که واحدهای باردار الکتریکی را الکترون نامید. بعد از کشف پرتو کاتدی ماهیت الکترون مشخص شد.

۲- کشف پرتو کاتدی :

۲-۱- آزمایش کروکس :

کروکس با مسدود کردن دو انتهای یک لوله شیشه ای و اتصال آن ها به قطب های یک منبع ولتاژ، با تخلیه هوای درون شیشه، جریان الکتریکی بین دو صفحه برقرار کرد. این پرتو که از قطب منفی (کاتد) به قطب مثبت (آند) جریان دارد، پرتو کاتدی خوانده می شود. وقتی به این لوله شیشه ای آهن ربا نزدیک شد، پرتو کاتدی از مسیرخود کج شد پس کروکس نتیجه گرفت پرتو کاتدی دارای ذرات باردار است.

۲-۲- آزمایش تامسون :

تامسون پرتو کاتدی در آزمایش کروکس را از میان قطب های یک آهن ربا عبور داد. چیزی که مشاهده کرد این بود مسیر مستقیم اشعه کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف شد. پس تامسون نتیجه گرفت پرتو کاتدی از ذراتی تشکیل شده که بار الکتریکی منفی دارند. او نام این ذرات را مانند استوونی، الکترون نامید. تامسون جرم و مقدار بار الکترون را نمی توانست اندازه بگیرد، ولی نسبت بار الکتریکی (e) به جرم الکترون (m) را بدست آورد. برای رسیدن به این کشف مهم تامسون پرتوهای کاتدی را  در میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار داد. تامسون به خاطر این کشف بزرگ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد.

نکته :

وقتی اشعه کاتدی توسط تامسون در میدان الکتریکی قرار گرفت، نیرویی از سمت میدان به این ذرات باردار در حال حرکت وارد شد. مقدار نیروی وارد شده با قدرت میدان اعمال شده و اندازه بار ذرات متناسب است.

همچنین نیروی وارد شده از طرف میدان مغناطیسی (با قرار دادن اشعه کاتدی در میدان مغناطیسی) به این ذرات، با قدرت میدان اعمال شده، اندازه بار، اندازه سرعت ذره متناسب است.

تامسون با نتیجه گیری از این آزمایشات و مشاهدات، نسبت بار الکتریکی به جرم الکترون را به دست آورد.

۲-۳- آزمایش میلیکان :

میلیکان کسی بود که توانست مقدار مطلق بارالکتریکی الکترون را به دست آورد. او آزمایشی را طراحی کرد که طی آن محفظه ای ساخته شد که با قرار دادن دو جوشن یک خازن  درون آن، قطرات روغن را داخل محفظه از قسمت بالا اسپری کرد. سپس اشعه ایکس را از هوای درون محفظه عبور داد و باعث جدا شدن الکترون های آن شد. الکترون های آزاد شده جذب قطره های روغن شده، بر اثر نیروی جاذبه به سمت پایین سقوط می کنند. این قطرات چون بار منفی داشتند به سمت جوشن بالا (دارای بارمثبت بود) جذب شدند. میلیکان نزدیک هزار بار آزمایشات خود را تکرار کرد و از روابط مربوط به حرکت ذرات باردار توانست، با محاسبه بار ذرات روغن، به این نتیجه برسد که بار الکتریکی هر قطره مضرب صحیحی از کوچک ترین مقدار بار الکترون یعنی عدد ۱.۶ ˣ ۱۰^-۱۹ است.

توجه :

چون تامسون نسبت بار الکتریکی به جرم الکترون را به دست آورده بود، میلیکان با جای گذاری مقدار بار به دست آمده در رابطه، جرم الکترون را محاسبه کرد و به عدد ۹.۱ ˣ ۱۰^-۲۸ گرم رسید.

۳- ویژگی های پرتو کاتدی :

۱- پرتو کاتدی به طور مستقیم حرکت می کند و از جسم جامد گذر نمی کند. وقتی یک مانع بین دو الکترود قرار داده شود سایه آن با تشکیل در سمت آند، نشان می دهد که پرتو کاتدی از کاتد به سمت آند و به طور مستقیم حرکت می کند. همچنین اشعه کاتدی از مانع گذاشته شده در مسیر آن، عبور نمی کند. پس قسمت مانع در انتهای لوله تاریک مانده ولی قسمت های دیگر با برخورد اشعه کاتدی به دیوار شیشه ای به رنگ سبز ظاهر می شود.

۲- اشعه کاتدی به جنس کاتد بستگی ندارد و تمام فلزات می توانند این اشعه را تولید کنند. همچنین اشعه کاتدی با تغییر گاز داخل شیشه هیچ تغییری نمی کند. پس اشعه کاتدی به جنس گاز بستگی ندارد.

۳- اگر دو الکترود (کاتد و آند) دقیقا مقابل هم قرار نگیرند، باز هم اشعه کاتدی به طور مستقیم حرکت خواهد کرد.

۴- اگر یک میدان الکتریکی از خارج به لوله اثر دهیم، اشعه کاتدی  به دلیل داشتن بار الکتریکی منفی به سمت قطب مثبت منحرف می شود.

۵- اگر اشعه کاتدی از بیرون تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قرار گیرد، باز هم به دلیل داشتن بار الکتریکی منفی در راستای عمود بر میدان منحرف خواهد شد. وقتی اشعه کاتدی را نزدیک آهن ربا می کنیم، پرتوهای کاتدی منحرف شده و اثر خم شدن آن را می توان در صفحه ای که در لامپ کاتدی قرار دارد مشاهده کرد.

۶- اگر یک فرفره در مسیر پرتو کاتدی قرارداده شود، چون این اشعه شامل ذراتی است که جرم و انرژی دارند، فرفره را شروع به چرخاندن می کنند. در هنگام برخورد این ذرات پرانرژی به فرفره، آن را گرم کرده و به موازات آن گازهای اطراف آن گرم شده و جریان همرفتی باعث حرکت آن ها می شود و فرفره را به چرخش در می آورد. این آزمایش نشان می دهد انرژی جنبشی که اشعه کاتدی دارد، در هنگام برخورد به اجسام، به آن ها منتقل شده و باعث گرم شده آن ها می شوند.

نکته :

اگر پروانه ای سبک متصل به محوری، در مسیر حرکت اشعه کاتدی قرار گیرد، همان طور که در بالا گفته شد حرکت این پروانه (فرفره) دلیل بر داشتن جرم پرتوهای کاتدی است.

۷- اشعه کاتدی شامل ذراتی است که بار الکتریکی منفی دارند و در سال ۱۸۷۴ الکترین و در سال ۱۸۹۱ الکترون نامیده شدند.

۸- پرتو کاتدی وقتی به بعضی از اجسام برخورد کند، فلوئورسانس ایجاد می کنند.

۹- اشعه کاتدی در در برخورد با مانع، پرتوهای X تولید می کنند.

۴- کاربردهای پرتو کاتدی :

یکی از کاربردهای اشعه کاتدی تولید پرتو X است. اشعه کاتدی در برخورد با اتم باعث خارج شدن الکترون های داخلی، و جایگزینی آن با الکترون های خارجی می شود. تفاوت انرژی دو لایه به صورت اشعه X ظاهر می شود.

یکی دیگر از کاربردهای آن ساخت نوسان نما (اسیلوسکوپ) است. این وسیله که نشان دادن ولتاژ را امکان پذیر می سازد بیشتر برای نمایش دقیق موج استفاده می شود.

از کاربرد دیگر اشعه کاتدی می توان به استفاده از آن در تلویزیون های آنالوگ اشاره کرد. دستگاه تلویزیون سیگنال های الکترونیکی را که از آنتن های فرستنده فرستاده می شود را دریافت می کند. با روشن شدن تلویزیون سیگنال های صوتی و تصویری از یکدیگر جدا و به بلندگو و لامپ تصویر وارد می شود و در صفحه تلویزیون به نمایش گذاشته می شود.