ویژگیهای اشعه کاتدی
ویژگیهای اشعه کاتدی
; تنگستات کادميوم ،آبی ; پلاتينو سيانور باريم سبز
را ایجاد می‌کنند. نرم تولید می کند.سخت تولید می کند.با توجه به اينکه آزمايشات فوق نشان دهنده وجود ذره اي کوچکتر از اتم با بار منفي هستند، بنابراين نظريه اتمي دالتون به چالش بزرگي كشانده شده است، اما در علم براي اثبات وجود يك ذره بايد مختصات آن ذره يعني جرم و مقدار بار آن تعيين گردد.
www.chemistmag.com - مجله شیمیدان
● چگونگی شکل گیری پرتوهای کاتدی
وقتی که مقدار گاز داخل لوله تخلیه الکتریکی کاهش می‌یابد، فضای تاریک کاتد ، بیشتر و ستون مثبت کوتاهتر و روشنایی آن کمتر می‌شود. با کاهش بیشتر فشار تابانی باز هم ضعیفتر می‌شود و شیشه لوله در مجاورت کاتد شروع به تابانی مختصری می‌کند. وقتی که فشار تا ۰.۰۰۱میلیمتر جیوه افت کند، تابانی گاز عملا متوقف می‌شود، درحالی که تمام سطح شیشه لوله ، نور درخشانی (معمولا سبز) گسیل می‌دارد.
اگر هوا باز هم با پمپ تخلیه بیشتر خارج شود، تابانی شیشه سبز ضعیفتر می‌شود. با شروع فشار از ۰.۰۰۰۰۱ تا ۰.۰۰۰۱ میلیمتر جیوه این تابانی بکلی محو می‌شود و تخلیه خاتمه می‌پذیرد.
● تابانی سبز شیشه را چگو نه می‌توان توضیح داد؟
اگر به آند لوله تخلیه گاز ، شکل معینی داده شود، تصویر سایه آند بر شیشه ظاهر می‌شود، به ترتیبی که گویی کاتد ، چشمه نور کوچکی است. در نتیجه ، تابانی شیشه ، به دلیل تولید نور از پرتوهای گسیل شده از کاتد است. آنها از صفحه فلزی آند نمی‌گذرند و تصویر سایه آن بر شیشه تشکیل می‌شود. این پرتوها ، پرتوهای کاتدی نامیده شده‌اند.
● ظهور و آشکار سازی پرتوهای کاتدی
پرتوهای کاتدی ، نه فقط شیشه بلکه اجسام دیگر را نیز به تابانی وا می‌دارند. اجسام مختلف نوری ، رنگ‌های مختلف گسیل می‌دارند، مثلا گچ ، تابانی قرمز رنگ و سولفید روی ، نور سبز روشن ایجاد می‌کنند و نظایر آن. این تابانی را ، مثلا با قرار دادن تکه‌هایی از اجسام معدنی مختلف در بین کاتد و آند لامپ تخلیه گازی ، می‌توان مشاهده کرد. بنابرین ، اگر چه پرتوهای کاتدی ، نامرئی‌اند، می‌توان از تابانی اجسامی که با آنها بمباران شده‌اند، وجودشان را به سهولت آشکار کرد.
با پوشش سطح اجسام با اجسامی که بر اثر پرتوهای کاتدی تابان می‌شوند، پرده های لیمان بدست می‌آید ( لیمان Lumines Cent را از کلمه یونانی Lumen به معنی " نور " گرفته‌اند ) که برای مشاهده پرتوهای کاتدی ، مناسب هستند. در چنین صفحه ای ، در امتداد لوله در زاویه کوچکی نسبت به محور آن ، می‌توان امتداد پرتوهای کاتدی را در لوله به آسانی ردیابی کرد. برای سهولت مشاهده ، دریچهای با شکاف دراز ، جلوی پرده قرار می‌دهند. این دریچه ، بخشی از باریکه کاتدی را قطع می‌کند و رد روشن باریکی بر پرده لیمان باقی می‌گذارد.
● جنس پرتوی کاتدی
جنس پرتوهای کاتدی موقعی آشکار می شود که خواص آنها را از طریق آزمایش مطالعه نماییم. نتایج عمده آزمایشات خواص قابل ملاحظه پرتوهای کاتدی را بیان می کنند که آنها را مرور می کنیم.
● بار الکتریکی پرتوهای کاتدی:
پرتوهای کاتدی بار منفی دارند. واضح ترین این دلیل بیان آزمایشی است که در آن یک الکترود سوراخ دار مانند استوانه فارادی را به الکتروسکوپ حساسی متصل می کنند و آنرا در مسیر پرتوهای کاتدی قرار می دهند. پرتوهای کاتدی با وارد شدن به داخل استوانه تمام بار خود را به الکتروسکوب انتقال می دهند. تحلیل علامت بار و نحوه انحراف آن در میدان الکتریکی آشکار می سازد که پرتوهای کاتدی بار الکتریکی منفی دارند.
● نحوه انتشار پرتوهای کاتدی :
پرتوهای کاتدی در خطوط مستقیم و در امتداد عمود بر سطح کاتد منتشر می شوند. بنابراین اگر کاتد به شکل قسمتی از کره باشد، پرتوهای کاتدی در امتداد شعاعهای این کره انتشار می یابد در مرکز آن جمع می شوندکانونی شدن پرتو). اگر پرده ای لیا ن را در این ناحیه قرار دهیم، لکه روشنی بر آن مشاهده خواهد شد مکان این لکه از شکل و محل آند لامپ کاملا مستقل است.
بنابراین امتداد انتشار پرتوهای کاتدی به مکان آند بستگی ندارد. بهتر است بدانید که کاتد تخت باریکه ای از پرتوهای موازی ایجاد می کند در صورتی که کاتد کروی (کاو) پرتوهای کاتدی را "کانونی می کنند". این ویژگی پرتوهای کاتدی با نوع میدان الکتریکی در لامپ تخلیه گازی توضیح داده می شود. وجود افت کاتدی مبین این است که میدان الکتریکی در مجاورت کاتد خیلی قوی و در بقیه قسمتهای لوله بسیار ضعیف است، به این دلیل پرتوهای کاتدی ، که ذرات باردارند، در نزدیکی کاتد تخت تاثیر نیروهای بسیار قوی قرار می گیرند و در امتداد خطوط میدان می شوند. وی خطوط میدان بدون توجه به شکل آند و مکان آن ، بر سطح کاتد عمودند (همانند سطوح رساناها).
بنابراین پرتوهای کاتدی در نزدیکی کاتد در امتداد عمود بر سطح کاتد حرکت می کنند و تقریبا تمام سرعت عظیم خود را در مجاورت خیلی نزدیک کاتد به دست می آورند. بقیه حرکت عملا در امتداد خط مستقیم صورت می گیرد (توسط اینرسی). زیرا ، در فاصله دور از کاتد نیروهای کاتدی ناچیز هستند. میدان الکتریکی در نقاط دور از کاتد ضعیف است. مشاهدات اخیر نشان می دهد که پرتوهای کاتدی بنابر قوانین مکانیک منتشر می شوند، و از این رو جرم دارند.
● جرم پرتوهای کاتدی :
ذرات کاتدی جرم دارند. این مطلب نیز به کمک آزمایش ویژه ای آشکار می شود. پروانه سبکی را که بر محوری متصل است طوری در مسیر پرتوهای کاتدی قرار می دهیم. که آنها (پرتوهای کاتدی) به تیغه های آن «کاتدها) برخورد کنند. بنابراین پروانه به چرخش در می آید، این امر حاکی از این است که پرتوهای کاتدی به آن (پروانه) اندازه حرکت mv داده اند (m جرم و v سرعت ذره است).
● پرتوهای کاتدی حامل انرژی :
پرتوهای کاتدی با بمباران اجسام و جذب شدن در آنها باعث گرم شدن این اجسام می شوند. اگر ورقه نازکی از قلع را در وسط کاتد کروی لامپ تخلیه گازی قرار دهیم، ورقه به شدت گرم و حتی ذوب می شود. آزمایش های مشابه نشان می دهند که پرتوهای کاتدی دارای انرژی جنبشی هستند و آن را به اجسامی که در معرض بمباران آنها قرار گیرند، انتقال می دهند. این چیزی است که انتظارش را داشتیم زیرا ذرات کاتدی جرم m دارند و با سرعت زیاد v حرکت می کنند.
<< علت اصلی چرخش،در واقع تابش مستقیم این پرتوها سبب چرخش چرخ نمی شود. بدین ترتیب که انرژی این اشعه در برخورد با سطح پره بالایی، به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود و دمای آن را بالا می‌برد. در نتیجه، مولکولهای گاز مجاور گرمتر شده، سرعت می‌گیرند و نیروی عکس‌العمل حاصل از انبساط گاز،(یا ضربه های شدیدتر مولکولهای هوا به یک طرف پره که داغتر شده)چرخ را به حرکت در می‌آورد.>>
هر ذره کاتدی باید انرژی جنبشی mv۲/۲ داشته باشد. و آن را به جسمی که با آن برخورد می کند، انتقال دهد. پرتوهای کاتدی ، با صرف این انرژی ، باعث تابانی صفحه لیان می شوند. آنها همچنین صفحه حساس عکاسی را سیاه می کنند و باعث واکنشهای شیمیایی می شوند.
● انحراف پرتوی کاتدی توسط میدان الکتریکی :
پرتوهای کاتدی توسط میدان الکتریکی منحرف می شوند. این اثر میدان الکتریکی بر پرتوهای کاتدی را می توان به آسانی پیش بینی کرد زیرا می دانیم که پرتوهای کاتدی بار الکتریکی دارند. به توسط آزمایش هایی این مفهوم نیز تایید شده است. و بار منفی آنها با این خاصیت اثبات می شود.
● انحراف پرتوی کاتدی توسط میدان مغناطیسی :
پرتوهای کاتدی توسط آهنربا منحرف می شوند. با نزدیک کردن آهنربا به باریکه نازک پرتوهای کاتدی ، می توان جابجایی رد آنها را روی پرده مشاهده کرد اگر در این آزمایش قطب شمال آهنربا در بالای باریکه باشد. پرتوهای کاتدی ، به سمت چپ منحرف می شوند و اگر در پایین باریکه (زیر باریکه) باشد، پرتوهای کاتدی به راست منحرف می گردند. اگر قطب شمال آهنربا نیز به طرف راست باریکه باشد، باریکه به سمت بالا منحرف می گردد و بر عکس .
اگر قطب جنوب آهنربا نزدیک باریکه شود، جهت انحراف باریکه معکوس می شود. این نتایج را این واقعیت که پرتوهای کاتدی از جریان بارهای منفی تشکیل شده اند و در امتداد لامپ حرکت می کنند، کاملا توجیه می کند. حرکت این بارها یک جریان الکتریکی تشکیل می دهند، و به خوبی می دانیم که جریان و آهنربا بر یکدیگر اثر می گذارند. انحراف پرتوهای کاتدی توسط آهنربا را می توان به صورت زیر تشریح نمود.
وقتی آهنربا به لامپ نزدیک شود، رد پرتوهای کاتدی بر پرده به طور محسوس خمیده می شود. باریکه های کاتدی که از شکافی گذشته، با نزدیک شدن آهنربا به لامپ منحرف شده و رد خم شده باریکه را می توان بر صفحه ای که در لامپ قرار دارد، مشاهده کرد. تمام خواص اخیر پرتوهای کاتدی که در بالا ذکر شد، بخصوص آزمایش های دقیقی که تامسون (j.Thomson) فیزیکدان انگلیسی ، انجام داد، ثابت می کنند که پرتوهای کاتدی از الکترون های سریعی تشکیل شده اند که از کاتد به طرف آند حرکت می کنند.
دلیل پیدایش پرتوهای کاتدی در لامپ تخلیه گازی ، بمباران شدید کاتد توسط یون های مثبت است که با ضربه الکترون هایی را از کاتد فلزی بیرون می کشند «الکترون کنی).
● شرط وجود پرتوهای کاتدی در لامپ تخلیه :
الکترونها با حرکت میان کاتد و آند توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و سرعتهای زیادی کسب می کنند این سرعتها در میدان های بسیار شدید می توانند به ۱۰۵ کیلومتر بر ثانیه یا حتی بیشتر برسند که در شتاب دهنده های خاصی به سرعت نور خیلی نزدیک می شوند.
در اواخر قرن نوزدهم اشعه‌ي كاتدي كه جرياني از الكترونهاست مورد بررسي قرار گرفت و مشخص شد كه الكترونها داراي بار الكتريكي منفي هستند و طبيعت اين الكترونها هم به جنس ماده بستگي ندارد، اما ميزان بار يا جرم اين ذرات همچنان ناشناخته بود تا اينكه آقاي جوزف تامسون در سال 1897 موفق شد نسبت بار به جرم الكترون را از طريق بررسي انحراف اشعه‌ي كاتدي در ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي معين كند . البته لازم به ذكر است روش تامسون قادر نبود ميزان بار يا جرم الكترون را هر يك به تنهايي تعيين كند. روش تامسون بر اين اصل استوار است كه ميدانهاي مغناطيسي و جريان الكتريكي بر يكديگر تاثير متقابل دارند يعني ميدان مغناطيسي قادر است ذرات باردار را كه در مسير مستقيم حركت مي‌كنند از مسير خود منحرف كند. پس وقتي كه يك الكترون با بار الكتريكي e و جرم m با سرعت v وارد يك ميدان مغناطيسي مي‌شود ، از مسير مستقيم خود منحرف مي‌شود و مسيرش هلال يا دايره‌اي مي‌شود كه شعاع آن r مي‌باشد. مقدار r از رابطه زير بدست مي‌آيد F=mv**2/r F = eBv
(1) r=mv/Be
كه در آن B شدت ميدان مغناطيسي است.همانطور كه از رابطه بالا مشخص است هر چه شدت ميدان و بار الكتريكي ذره بيشتر باشد r كوچكتر مي‌شود. كوچكتر شدن r به معناي بيشتر شدن انحراف از مسير مستقيم است. از طرف ديگر چون r با m , v رابطه مستقيم دارد پس هر چه سرعت و جرم ذره بيشتر باشد انحراف ذره كمتر مي‌شود.
اگر رابطه فوق را كمي جابجا كنيم رابطه زير بدست مي‌آيد:
(2) e/mv=1/Br
تامسون مقدار r را براي انحراف اشعه كاتدي در يك ميدان مغناطيسي با شدت معين معلوم كرد و از آنجا توانست مقدار e/mv را بدست آورد. اما براي بدست آوردن e/m بايد مقدار v را نيز معين كرد. يكي از روشهايي كه تامسون براي پيدا كردن مقدار v به كار برد مطالعه‌ي اشعه‌ي كاتدي در لامپي بود كه در امتداد آن ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي همزمان و عمود بر هم برقرار شده بود. طبق روابط فيزيك ورياضي سرعت الكترون از رابطه زير بدست مي‌آيد:
V=E/B (3)
كه در آن E شدت ميدان الكتريكي و B شدت ميدان مغناطيسي است.با قرار دادن رابطه (3) در فرمول (2) رابطه زير بدست آورد:
e/m=E/(B**2)r
تامسون مقدار عددي اين كميت را به ميزان زير گزارش كرد:
e/m=-5.2728*10**17 esu/g
مطالب این وبلاگ بیشتر مربوط به فیزیک و آزمایشهای فیزیک و آدرس بعضی از سایتهای مرتبط با فیزیک می باشد.امیدوارم بتوانم با نظرات شما عزیزان وبلاگ مفیدی داشته باشم.