O rază catodică este un fascicul de electroni observat într-un tub de vid , adică într-un tub de sticlă evacuat echipat cu cel puțin doi electrozi - un catod și un anod - într-o configurație cunoscută sub numele de diodă .
Când catodul este încălzit, acesta emite radiații, care se deplasează către anod. Dacă pereții interni ai sticlei din spatele anodului sunt acoperiți cu un material fosforescent , electronii incidenți induc o sclipire. Existența razelor catodice a fost inițial presupusă în timpul primelor studii pe tuburi vidate prin plasarea plăcilor metalice între electrozi, care aruncă o umbră pe suprafața fosforescentă. Acest lucru a sugerat că cauza emisiei de lumină s-a datorat razelor emise de catod și lovirea stratului de acoperire. Se propagă către anod în linii drepte și continuă dincolo pentru o anumită distanță.
După invenția din 1650 a pompei de vid de către Otto von Guericke , fizicienii au început experimente privind electricitatea în aer subțire. În 1705, s-a observat că scânteile de la un generator electrostatic parcurgeau o distanță mai mare în aerul rarefiat decât în aerul „standard”. În 1838, Michael Faraday a trecut curentul printr-un tub de sticlă care conține aer rarefiat și a observat că se produce un arc ciudat de lumină care începe de la anod și se termină la catod. Singurul loc în care nu exista luminiscență era chiar în fața catodului și era numit „spațiu întunecat catodic”, „spațiu întunecat Faraday” sau „spațiu întunecat Crookes”. De fapt, s-a știut curând că atunci când se aplică o tensiune aerului rarefiat, se produce lumină. Oamenii de știință au început să se mute din oraș în oraș pentru a efectua demonstrații pentru a încânta publicul, producând pâlpâiri ușoare în tuburi de sticlă. Au făcut acest lucru scoțând mai întâi un tub de sticlă din care au pompat aer. Apoi, s-a atașat sârmă la fiecare capăt al tubului și apoi i s-a aplicat tensiune. A făcut sclipirea tubului. În 1857, fizicianul și suflantul de sticlă german Heinrich Geissler a reușit să mărească extragerea aerului cu o pompă îmbunătățită și a observat o licărire fluorescentă, inventând efectiv tubul Geissler . În timp ce se crede că tuburile Geissler provoacă scânteierea presiunii scăzute a gazului, observatorii au observat că unele ochelari folosiți în carcasa tubului (sigilate) ar putea scânteia, dar numai dacă capetele lor erau conectate la terminalul pozitiv al sursei de energie. Au fost dezvoltate tuburi speciale pentru studiul acestor raze de către William Crookes , care mai târziu și-a purtat numele .
Până la sfârșitul XIX - lea secol , acest fenomen a fost studiat în detaliu de către fizicieni și mai ales Julius Plücker care a început studiul lor sistematic în 1858, câștigând un premiu Nobel , de exemplu, Philipp von Lenard . S-a înțeles curând că razele catodice erau de fapt formate din purtători de electricitate (particule) numiți electroni . Faptul că catodul emite razele arată că electronii au o sarcină negativă.
Tubul Crookes
Tubul Crookes în acțiune
Raza catodică într-un câmp magnetic 1.
Raza catodică într-un câmp magnetic 2.
Razele catodice se deplasează în linie dreaptă în absența influențelor externe, dar sunt deviate de câmpuri electrice sau magnetice (care pot fi produse prin plasarea de electrozi de înaltă tensiune sau magneți în afara tubului de vid - motiv pentru care efectul magneților pe ecranul televizorului ). O îmbunătățire a ideii este tubul catodic , cunoscut și sub numele de tub Braun (a fost inventat în 1897 de Ferdinand Braun ). Tubul cu raze catodice a fost crucial pentru televizoare (până când tehnologiile au evoluat), osciloscoape și tuburi pentru camere video .
În plus față de utilizarea lor în tuburi catodice, de înaltă energie relativistă electroni fascicule (generate de diferite tipuri de acceleratori cu fascicul de electroni ) sunt utilizate pe scară largă de mai multe industrii pentru sudarea cu fascicul. Electroni , procesarea rapidă a termorigide plastice sau reticularea de termoplaste la îmbunătăți proprietățile lor fizice. Fasciculele relativiste de electroni pot servi și ca mediu de amplificare pentru lasere electronice libere .
Evoluțiile recente în tehnologia acceleratorului cu fascicul de electroni includ acceleratoarele modulare compacte KeV utilizate pentru ambalare, sterilizarea echipamentelor medicale și tratarea aerului. Aceste dispozitive produc mult mai puține raze X decât acceleratoarele MeV cu carcase asemănătoare primelor cuptoare cu microunde în loc de buncăre dedicate liniilor de accelerare.