Читать в оригинале

<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>


§ 103. Природа катодных лучей.

Ответ на вопрос о природе катодных лучей дают опыты по исследованию их свойств. Важнейшие результаты этих опытов следующие.

1. Катодные лучи несут отрицательный заряд. Наиболее непосредственным доказательством этого положения явился опыт, изображенный на рис. 168. На пути катодных лучей помещен полый электрод (фарадеев цилиндр, § 31), соединенный с чувствительным электроскопом. Попадая внутрь цилиндра, катодные лучи передают весь свой заряд электроскопу. Исследования знака этого заряда (§ 7) показали, что катодные лучи несут отрицательный заряд.

226-1.jpg

Рис. 168. Катодные лучи переносят отрицательный заряд

2. Катодные лучи вылетают в направлении, перпендикулярном к поверхности катода, и распространяются прямолинейно (рис. 169). Поэтому если катод имеет вид части сферы, то катодные лучи, летя по радиусам этой сферы, собираются («фокусируются») в центре этой сферы (рис. 169,б). Помещая в эти места люминесцирующий экран, можно видеть на нем появление яркого пятнышка. Положение этого пятнышка совершенно не зависит от формы и положения анода в трубке.

226-2.jpg

Рис. 169. Катодные лучи распространяются вдоль прямых линий, перпендикулярных к поверхности катода. Их направление не зависит от положения анода: а) плоский катод дает пучок параллельных лучей; б) вогнутый сферический катод «фокусирует» катодные лучи

Описываемое свойство катодных лучей объясняется характером электрического поля в разрядной трубке. Наличие катодного падения потенциала (§ 101) указывает, что в непосредственной близости к катоду электрическое поле очень сильно, а в остальной части трубки гораздо слабее. Поэтому на катодные лучи, которые являются заряженными частицами, действуют вблизи катода очень большие силы, направленные по линиям поля. Но линии электрического поля вблизи катода перпендикулярны к поверхности катода (как и всякого проводника, § 18), независимо от того, какую форму имеет анод и где он расположен. Итак, вблизи катода катодные лучи начинают двигаться по направлению, перпендикулярному к катоду, и приобретают почти всю свою огромную скорость в непосредственной близости к катоду. Дальнейшее движение происходит практически прямолинейно, по инерции, так как силы, действующие на катодные лучи, вдали от катода незначительны; вдали от катода электрическое поле слабо.

Из описанных наблюдений следует, что катодные лучи движутся, подчиняясь законам механики; следовательно, они обладают определенной массой.

3. Катодные частицы обладают массой. Это непосредственно обнаруживается в следующем эффектном опыте. На пути катодных лучей укрепляется на оси легкая вертушка, так что катодные лучи ударяют в ее лопасти (рис. 170). Вертушка приходит во вращение, показывая, что катодные частицы передают ей свой импульс  ( – масса, a  – скорость частицы).

227-1.jpg

Рис. 170. Вертушка вращается вследствие передачи крылышку импульса бомбардирующих его катодных частиц

4. Бомбардируя тела и поглощаясь ими, катодные лучи вызывают нагревание этих тел. Если внутри разрядной трубки в центре сферического катода поместить тонкую платиновую фольгу (рис. 171), то она сильно накаляется и может расплавиться.

227-2.jpg

Рис. 171. Нагревание под действием катодных лучей. Платиновая фольга накалена до свечения

Из подобных опытов следует, что катодные лучи обладают кинетической энергией, которую они передают бомбардируемым ими телам. Это нетрудно было предвидеть, ибо катодные частицы имеют массу  и летят со значительной скоростью . Следовательно, каждая катодная частица должна обладать кинетической энергией ; ее она отдает телу, в которое ударяет. За счет этой энергии катодные лучи вызывают и свечение люминесцирующего экрана; они могут также действовать на фотографическую пластинку и вызывать некоторые химические реакции.

 

103.1. При получении катодных лучей к электродам разрядной трубки приложено напряжение 30 кВ. Вычислите максимальную скорость электронов в катодном пучке. Заряд электрона равен  Кл, а его масса –  кг.

103.2. К разрядной трубке с горячим катодом приложено напряжение 50 кВ, а ток через трубку равен 10 мА. Какое количество теплоты выделяется на аноде за 1 с?

 

5. Катодные лучи отклоняются электрическим полем. Такое действие электрического поля на катодные лучи нетрудно предвидеть, ибо нам известно, что катодные лучи несут электрический заряд. Соответствующие опыты удобно производить с прибором, изображенным на рис. 172. Анод в виде пластинки 1 с маленьким отверстием расположен против катода 2. На другом конце трубки находится люминесцирующий экран. Между 1 и 2 создается большое  напряжение. Из потока катодных лучей отверстие в аноде вырезает узкий пучок, след которого дает на люминесцирующем экране яркое пятнышко 5. На своем пути катодные лучи проходят между пластинами 3 и 4. Если между 3 и 4 создать электрическое поле, направленное от 3 к 4, то катодные лучи отклонятся под действием этого поля и светлое пятнышко сместится в точку 6. Направление смещения указывает, что катодные частицы отклоняются против направления поля, и это подтверждает, что они несут отрицательный заряд.

228-1.jpg

Рис. 172. Отклонение катодных лучей в электрическом поле

6. Катодные лучи отклоняются магнитом. Для изучения этого явления можно воспользоваться трубкой, изображенной на рис. 172. Поднося к узкому пучку катодных лучей магнит, можно обнаружить смещение следа катодных лучей на экране (рис. 173). При этом, если северный полюс магнита поднесен сверху (или снизу), катодные лучи отклоняются влево (или вправо). При поднесении северного полюса магнита справа (или слева) отклонение происходит вверх (или вниз). Если приближать южный полюс магнита, то направление отклонения меняется на обратное. И эти опыты вполне объясняются тем, что катодные лучи представляют собой поток отрицательных зарядов, летящих вдоль трубки. Такой поток зарядов представляет собой электрический ток, а ток и магнит, как известно, действуют друг на друга (§ 40). Подробнее об этом будет сказано в гл. X.

228-2.jpg

Рис. 173. След катодного луча (светлые кружки) смещается под действием магнитного поля (темные кружки). Северный полюс магнита поднесен к лучу, направленному на наблюдателя: а) луч отклоняется влево; б) луч отклоняется вверх

Для демонстрации отклонения катодных лучей магнитом удобно использовать прибор, изображенный на рис. 167. При поднесении магнита след катодного пучка на продольном экране сильно изгибается (рис. 174).

229.jpg

Рис. 174. Отклонение катодных лучей в магнитном поле. Катодный луч, прошедший сквозь щель, отклоняется поднесенным к нему магнитом. Виден искривленный след луча на светящемся экране, установленном внутри трубки

Все описанные опыты и им подобные, в частности точные опыты английского физика Джозефа Джона Томсона (1856-1940), показали, что катодные лучи – это поток быстро летящих от катода к аноду электронов.

Теперь нетрудно понять, почему возникают катодные лучи в разрядной трубке. В § 101 мы говорили, что в тлеющем разряде положительные ионы газа устремляются к катоду и выбивают из него электроны. Так как газ в трубке разрежен, то эти электроны успевают пролететь некоторый путь, прежде чем испытают соударение с молекулами газа. Этим объясняется существование катодного темного пространства. Если в трубке много газа, то катодные лучи на некотором расстоянии от катода успевают испытать соударение: в газе возникает свечение (положительный столб). Понижая давление, мы увеличиваем длину свободного пробега электронов, отчего катодное темное пространство увеличивается, а положительное свечение сокращается. При давлениях около 0,001 мм рт. ст. значительная часть электронов оказывается в состоянии пройти весь путь до стенок без соударений; темное пространство заполняет всю длину трубки и одновременно с этим мы замечаем различные проявления катодных лучей: люминесценцию стекла, его нагревание и т. д. Таким образом, причина возникновения катодных лучей заключается в сильной бомбардировке катода положительными ионами, которые выбивают из металла катода электроны.

Из сказанного следует, что для получения катодных лучей в трубке должно содержаться некоторое, хотя и малое, количество газа. Поэтому, если слишком сильно откачать разрядную трубку, не будут возникать ни положительные ионы, ни катодные лучи, и сильно разреженный газ будет хорошим диэлектриком.

Двигаясь между катодом и анодом, электроны ускоряются электрическим полем и приобретают огромные скорости. Эти скорости при очень сильных полях могут достигать  км/с и больше, приближаясь в специально построенных ускорителях к скорости света ( м/с).

 



<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>