پرتو کاتدی

تمام مواد اطراف ما از اتم ساخته شده اند و اتم از ذرات ریزی که زیر اتم (Subatomic Particles) 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 و منجر به کشف اولین زیر اتم یعنی الکترون شد.

لوله کاتدی با مسدود کردن دو انتهای یک لوله شیشه ای و اتصال آن ها به قطب های یک منبع ولتاژ، با تخلیه هوای درون شیشه ساخته می شود. اگر جریان الکتریکی بین دو صفحه برقرار شود،  پرتویی از قطب منفی (کاتد) به قطب مثبت (آند) جریان پیدا خواهد کرد ، که پرتو کاتدی خوانده می شود. این پرتوها را می‌توان با استفاده از ماده‌ای رنگی حاوی فسفر، مشاهده کرد.

آزمایش تامسون :

تامسون پرتو کاتدی را از میان قطب های یک آهنربا 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 الکترون 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. همچنین به خاطر این کشف بزرگ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد.

تامسون این آزمایش را با الکترودهای فلزی دیگری نیز انجام داد و متوجه شد که خواص پرتو کاتدی ثابت می‌مانند و در نتیجه، مستقل از جنس الکترود استفاده شده هستند. تامسون به کمک یافته‌های آزمایش خود،‌ نتایج زیر را ارائه کرد:

• پرتو کاتدی از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است.
• این ذرات باید جزئی از یک اتم باشند چراکه جرم هر ذره، تنها 1/2000  جرم اتم هیدروژن است.
• این ذرات زیر اتمی،‌ در تمامی اتم‌ها وجود دارند.

ویژگی پرتو کاتدی:

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

کاربرد پرتو کاتدی

تولید پرتو X: 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.

ساخت نوسان نما (اسیلوسکوپ): این وسیله که نشان دادن ولتاژ را امکان پذیر می سازد بیشتر برای نمایش دقیق موج استفاده می شود.

استفاده از آن در تلویزیون های آنالوگ: دستگاه تلویزیون سیگنال های الکترونیکی را که از آنتن های فرستنده فرستاده می شود را دریافت می کند.

نتایج آزمایش لوله پرتوی کاتدی:

با تغییر گاز درون لوله و جنس کاتد، پرتو کاتدی دوباره تولید می شود.

✅نتیجه: تولید پرتو کاتدی به گاز درون لوله و جنس کاتد بستگی ندارد. (همه ی مواد دارای الکترون هستند)

پرتو کاتدی در میدان مغناطیسی منحرف می شود(حذف از کتابهای امروزی)

✅نتیجه: پرتو کاتدی یک ذره باردار است.

 پرتو کاتدی در میدان الکتریکی به طرف قطب مثبت منحرف می شود.

✅نتیجه: پرتو کاتدی دارای بار الکتریکی منفی است.

نور سبز رنگ در مقابل کاتد روی صفحه فلوئورسنت ظاهر می شود.

✅نتیجه: پرتو کاتدی به خط راست حرکت می کند.

سوالات:

1- با برداشن تیغه از مقابل پرتو چه تغییری رخ می‌دهد؟

2- سایه تشکیل شده در پشت تیغه به چه دلیلی است؟

3- نور سبز رنگ داخل لوله ناشی از چیست؟

4- آزمایش پرتو کاتدی کدام ذره زیر اتمی را اثبات می کند؟