Historia: Promienie katodowe

PROMIENIE KATODOWE

W roku 1705 naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali i opisali fakt, i¿ iskra wytworzona za pomoc± maszyny elektrostatycznej przeskakuje dalej w powietrzu rozrzedzonym ni¿ w powietrzu znajduj±cym siê pod normalnym ci¶nieniem. Ponad sto lat pó¼niej w roku 1838, Michael Faraday spróbowa³ przepu¶ciæ przez szklan± rurê zawieraj±c± rozrzedzone powietrze pr±d elektryczny. W czasie do¶wiadczenia zauwa¿y³ dziwny ³uk ¶wietlny rozci±gaj±cy siê od anody (elektrody dodatniej) prawie do katody (elektrody ujemnej). Jedynym miejscem, w którym nie zaobserwowa³ ¶wiecenia by³ obszar tu¿ przed katod±. Obszar ten zosta³ nazwany "ciemni± faradaya".

Rozpocz±³ siê d³ugi i "burzliwy" okres badañ nad zjawiskiem owego ¶wiecenia, któremu nadano nazwê promieni katodowych (nazwa³ je tak Eugen Goldstein).

Geissler w 1855 roku wynalaz³ nowy rodzaj pompy pró¿niowej, w której t³okiem by³ s³up rtêci. Wynalazek ten pozwoli³ uzyskiwaæ znacznie ni¿sze ci¶nienia co z kolei umo¿liwi³o dalszy rozwój badañ promieni katodowych, które obserwowane by³y w³a¶nie wewn±trz rury pró¿niowych.

Juliusz Plucker (1801-1868) w 1858 roku zaobserwowa³, ¿e w chwili, gdy ci¶nienie gazu w szklanej rurze zmniejsza siê, ¶wiecenie przy katodzie wyd³u¿a siê. Linie promieni katodowych s± zgodne z liniami pola magnetycznego (wi±zka promieni odchyla siê w polu magnetycznym). Zaobserwowa³ równie¿, ¿e je¿eli katoda jest zbudowana z platyny, to po pewnym czasie czê¶æ szklanej rury znajduj±ca siê w pobli¿u katody pokrywa siê osadem tego metalu. Natomiast szk³o w okolicy katody zaczyna fosforyzowaæ, a po³o¿enie i kszta³t fosforyzacji jest zale¿ny od pola magnetycznego.

Rura do wy³adowañ stosowana przez Pluckera do wytwarzania promieni katodowych

Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914) w roku 1869 stwierdzi³, i¿ promienie katodowe (nieznajduj±ce siê w polu magnetycznym) rozchodz± siê po liniach prostych. Zauwa¿y³ on, ¿e je¶li umie¶ci siê jaki¶ przedmiot miêdzy katod±, a fosforyzuj±c± ¶ciank± rury, powstaje na niej jego cieñ.

Eugen Goldstein (1850-1931) w latach siedemdziesi±tych XIX wieku bada³ cechy promieni katodowych. Zauwa¿y³, i¿ promienie katodowe emitowane s± prostopadle do powierzchni katody, w przeciwieñstwie do promieni ¶wiat³a, które ze ¼ród³a rozchodz± siê we wszystkich kierunkach. Goldstein stwierdzi³, ¿e wklês³a katoda w kszta³cie misy, emituje promienie katodowe, które ogniskuj± siê w jednym punkcie. Naukowiec dowiód³ równie¿, ¿e cechy tych promieni nie zale¿± od materia³u, z którego wykonana jest katoda. Ponadto tajemnicze promienie katodowe mog± wywo³ywaæ reakcje chemiczne, które normalnie zachodz± pod wp³ywem ¶wiat³a s³onecznego (reakcje "fotochemiczne").

Cromwell Fleetwood Varley (1828-1883) w roku 1871 stwierdzi³, i¿ promienie katodowe mog³yby sk³adaæ siê z ujemnie na³adowanych cz±steczek. Cz±stki te by³yby odchylane przez pole magnetyczne w t± sam± stronê, w któr± obserwuje siê odchylanie wi±zki promieni katodowych

Sir Williama Crooks (1832-1919) rozwin±³ koncepcjê Varley'a. Przeprowadzi³ on szereg wa¿nych eksperymentów u¿ywaj±c rur pró¿niowych w³asnej konstrukcji. Stwierdzi³, i¿ cienka folia, na której zosta³a zogniskowana wi±zka promieni katodowych, nagrzewa siê. By³ to dowód na to, i¿ promienie, czymkolwiek by nie by³y, przenosz± energiê. Drugim spostrze¿eniem Crooks'a by³o stwierdzenie, i¿ wi±zka promieni wywiera si³ê - przenosi pêd. W³asno¶æ t± Crooks pokazywa³, wk³adaj±c do rury pró¿niowej ko³o ³opatkowe. £opatki by³y umieszczone tak, aby pada³y na nie promienie. Ko³o mog³o toczyæ siê w rurze, je¿eli na ³opatki dzia³a³a jaka¶ si³a (tarcie zosta³o zmniejszone do minimum). Rura z ko³em zosta³a po³o¿ona w pozycji poziomej. Okaza³o siê, ¿e gdy promienie katodowe pada³y na ³opatki, ko³o zaczyna³o siê poruszaæ. To do¶wiadczenia jak mówi³ Crooks dowodzi³o, ¿e promienie katodowe dzia³aj± jak±¶ si³± na ³opatki ko³a. W 1903 roku Thomson w ksi±¿ce "Conduction of Electricity Through Gases" pokaza³, i¿ si³a z jak± dzia³aj± promienie, nie jest wystarczaj±ca do obracania siê ko³a tak szybko jak w do¶wiadczeniu. Thomson stwierdzi³, ¿e ruch ko³a by³ wywo³any tak naprawdê tak zwanym "efektem radiometrycznym" - ³opatki zosta³y nagrzane nierównomiernie - nagrzane strony ³opatek otrzyma³y od cz±steczek gazu znajduj±cego siê w rurze inny pêd ni¿ strony nienagrzane. Do¶wiadczenie Crooksa, dowodzi³o wiêc jedynie, ¿e promienie katodowe nagrzewaj± ³opatki ko³a. Ale w latach osiemdziesi±tych uznawano stwierdzony efekt za dowód przenoszenia pêdu przez promienie katodowe.
Crooks zastanawia³ siê nad struktur± i powodem powstawania promieni katodowych. Stworzy³ model, zgodnie z którym, cz±steczki resztkowego gazu w rurze, zderzaj± siê z katod± i uzyskuj± ujemny ³adunek elektryczny. Nastêpnie cz±stki te s± z bardzo du¿a szybko¶ci± odpychane od niej (zarówno katoda jak i same cz±stki maj± ³adunki tego samego znaku). Cz±stki odpychane prostopadle do katody przechodz± przez "ciemniê faradaya", a nastêpnie zderzaj± siê z innymi cz±steczkami wywo³uj±c ¶wiecenie. Taki model t³umaczy³ wiêkszo¶æ zaobserwowanych w³asno¶ci promieni katodowych.

Tait ju¿ w 1880 roku ujawni³ powa¿n± wadê modelu Crooksa, powsta³ego pod koniec lat siedemdziesi±tych XIX wieku. Stwierdzi³, i¿ gdyby promienie katodowe by³y rzeczywi¶cie szybko poruszaj±cymi siê cz±stkami, to fale ¶wietlne przez nie emitowane powinny charakteryzowaæ siê przesuniêciem dopplerowskim. Jednak przesuniêcia nie stwierdzono.

Wiedemann razem z dwoma innymi niemieckimi naukowcami - Eugenem Goldsteinem i Heinrichem Hertzem poda³ inny model t³umacz±cy w³a¶ciwo¶ci promieni katodowych. Twierdzili oni, ¿e badane promienie maj± strukturê falow±, a nie cz±steczkow±. Wszystkie cechy promieni katodowych by³y zarówno cechami fal elektromagnetycznych. Te dwa zjawiska ró¿ni³o jedynie to, i¿ fale w przeciwieñstwie do promieni nie podlegaj± odchyleniu w polu magnetycznym, a tak¿e, i¿ fale emitowane s± z powierzchni we wszystkich kierunkach, za¶ promienie katodowe tylko prostopadle do powierzchni. Twórcy modelu twierdzili, ¿e te ró¿nice mo¿na t³umaczyæ pewnymi, niezbadanymi jeszcze w³asno¶ciami eteru, oraz elektryczn± natur± powstawania samych promieni.

    W drugiej po³owie XIX wieku powsta³y wiêc dwa modele opisuj±ce promienie katodowe. Oba mia³y swoje wady i zalety. Naukowcy podzielili siê na przeciwne obozy - zwolenników pierwszego (korpuskularnego) i drugiego (falowego) modelu. Aby zdobyæ dowody przemawiaj±ce za jednym b±d¼ za drugim pogl±dem badacze przeprowadzili wiele interesuj±cych eksperymentów, dziêki którym poznano nowe w³a¶ciwo¶ci badanych promieni.
    Jeden z twórców modelu falowego - Eugen Goldstein, wykona³ kilka ciekawych eksperymentów, które mia³y dowie¶æ prawdziwo¶ci tego modelu. Pokaza³, ¿e przy danym szcz±tkowym ci¶nieniu w rurze pró¿niowej, odleg³o¶ci pomiêdzy kolejnymi zderzeniami naelektryzowanych cz±steczek (cz±steczek Crooks'a) z cz±steczkami gazu, powinny byæ, zgodnie z teoretycznymi obliczeniami, wielokrotnie mniejsze ni¿ obserwowana "ciemnia faradaya". A przecie¿ jak mówi³ Crooks - ciemnia ta powstaje, gdy¿ nie nastêpuj± tam zderzenia. Goldstein pokaza³ równie¿, ¿e droga jak± przechodz± promienie katodowe od katody do koñca rury pró¿niowej jest ponad sto piêædziesi±t razy d³u¿sza od ¶redniej swobodnej drogi cz±stek gazu jaka wychodzi z obliczeñ teoretycznych. Prawdopodobieñstwo, ¿e cz±steczka Crooks'a przebêdzie t± odleg³o¶æ bez zderzenia wynosi 1 do 10⁶⁵! Jedynie fale mog³yby wed³ug Goldstein'a pokonaæ t± odleg³o¶æ, nie ulegaj±c rozproszeniu i tworz±c na koñcu rury wyra¼n± fluorescencyjn± plamkê.
    Innym wa¿nym do¶wiadczeniem tego naukowca by³o dok³adne pokazanie, i¿ w ¶wietle pochodz±cym od promieni katodowych rzeczywi¶cie nie obserwuje siê przesuniêcia dopplerowskiego. W tym celu zbudowa³ rurê pró¿niow± w kszta³cie litery L. W rurze tej zarówno elektroda A jak i B mog³a byæ katod±. Je¿eli elektroda A by³a katod±, spektroskop powinien rejestrowaæ ¶wiat³o pochodz±ce od zbli¿aj±cych siê cz±stek (przesuniêcie dopplerowskie powinno byæ zauwa¿alne). Gdy elektroda B by³a katod± to ¶wiat³o rejestrowane pochodzi³o od cz±stek poruszaj±cych siê prostopadle do spektroskopu (nie powinno byæ przesuniêcia). Jednak Goldstein zamieniaj±c elektrody rolami nie zauwa¿y³ zmiany linii widmowych. Je¿eli promienie katodowe rzeczywi¶cie sk³adaj± siê z cz±steczek bêd±cych ¼ród³em ¶wiat³a to powinny, bior±c pod uwagê wyniki do¶wiadczeñ, poruszaæ siê z prêdko¶ci± nie wiêksz± ni¿ 23 km/sek.

Rura pró¿niowa w kszta³cie litery L jakiej u¿ywa³ Goldstein do do¶wiadczenia

Artur Schuster, Anglik, by³ jednym z wa¿niejszych zwolenników teorii korpuskularnej promieni katodowych. Twierdzi³ on, ¿e to nie poruszaj±ce siê cz±steczki s± ¼ród³em ¶wiat³a, ale nieruchome cz±steczki gazu, z którymi zderzaj± siê cz±stki promieni. Dlatego, mówi³, nie obserwuje siê przesuniêcia doplerowskiego. Równie¿ sam model cz±stek by³ u Schustera inny. Twierdzi³, i¿ atomy gazu dysocjuj± na czê¶ci dodatnie i ujemne. Cz±stki dodatnie wy³apywane s± przez katodê, za¶ cz±stki ujemne odpychane od niej - tworz± wi±zkê promieni katodowych. Schuster przeprowadzi³ równie¿ do¶wiadczenie, w którym oszacowa³ górn± i doln± granice wielko¶ci q/m (gdzie q to ³adunek, a m masa hipotetycznej cz±stki).

Heinrich Hertz (1857-1894) stara³ siê obaliæ model korpuskularny promieni katodowych. Pierwsze do¶wiadczenie Hertza mia³o na celu wykazanie, i¿ promienie katodowe mog± byæ wytwarzane w sposób ci±g³y (Hertz wytworzy³ pomiêdzy elektrodami sta³e napiêcie buduj±c specjalny uk³ad zasilaj±cy). Przy takim sposobie zasilania pulsacje (obserwowane wcze¶niej przez innych naukowców) nie wystêpowa³y - promienie emitowane by³y w sposób ci±g³y (w granicy b³êdu pomiarowego). Hertz uwa¿a³, ¿e wynik ten mo¿e byæ argumentem przeciwko korpuskularnej (ziarnistej) teorii promieni.
Drugim celem do¶wiadczeñ Hertza by³o pokazanie, i¿ droga promieni katodowych nie musi pokrywaæ siê z kierunkiem pr±du. Naukowiec zbudowa³ urz±dzenie, w którym elektrody zosta³y ustawiane na kierunkach prostopad³ych. Wi±zka promieni katodowych wybiega prostopadle do katody, natomiast pr±d biegnie od katody do anody (jak na rysunku). Wielko¶æ i kierunek pr±du Hertz wyznaczy³ u¿ywaj±c ma³ej igie³ki magnetycznej zawieszonej wewn±trz przyrz±du. Po przeprowadzeniu do¶wiadczeñ naukowiec stwierdzi³, i¿ rzeczywi¶cie kierunek pr±du nie musi pokrywaæ siê z kierunkiem promieni katodowych.
Kolejnym do¶wiadczeniem Hertza by³a próba udowodnienia, i¿ promienie katodowe nie przenosz± ¿adnego ³adunku. W tym celu zbudowa³ on kolejny przyrz±d. Urz±dzenie to przedstawione jest na poni¿szym rysunku. Sk³ada³o siê ono z rury pró¿niowej, w której znajdowa³a siê katoda i anoda. Promienie katodowe emitowane z katody przechodzi³y przez otwór w anodzie i przez drucian± siatkê (siatka by³a po³±czona z anod±, a jej zadaniem by³o ekranowanie reszty rury od wp³ywu elektrod - pole elektryczne istnia³o jedynie miêdzy katod± i anod±). Promienie katodowe wylatuj±c z przestrzeni miêdzy elektrodami przelatywa³y przez resztê rury i pada³y na jej koniec. Rura zosta³a wstawiona do czu³ego elektrometru, którego celem by³o wykrycie znajduj±cego siê w niej ³adunku. Gdyby w rurze znajdowa³yby siê promienie katodowe przenosz±ce ³adunek, elektrometr powinien to wykryæ. Naukowiec zaobserwowa³ jedynie drobne i nieregularne wychylenia urz±dzenia. Stwierdzi³, i¿ s± to efekty wtórne, a ³adunek jakim mog³yby charakteryzowaæ siê cz±stki promieni nie zosta³ wykryty.

Zestaw do¶wiadczaly Hertza s³u¿±cy do wykrywania ³adunku przenoszonego przez promienie katodowe

Drugim do¶wiadczeniem Hertza maj±cym na celu udowodnienie, i¿ promienie katodowe nie przenosz± ³adunku, by³a próba zaobserwowania odchylania promieni w poprzecznym polu elektrycznym. Je¿eliby promienie mia³y ³adunek odchyla³yby siê w takim polu. Hertz umie¶ci³ wewn±trz rury pró¿niowej dwa paski metalowe. Paski te pod³±czy³ do baterii (miêdzy bateriê, a paskami znajdowa³ siê opornik o du¿ym oporze - zadaniem którego by³o zapobie¿enie wy³adowaniom miêdzy paskami). Natê¿enie pola miêdzy paskami by³o niedu¿e. Naukowiec nie zaobserwowa³ zakrzywienia wi±zki promieni.
Na podstawie powy¿szego do¶wiadczeni i mierzonego odchylenia w polu magnetycznym, Hertz oszacowa³, ¿e prêdko¶æ cz±stek na³adowanych, z których mog³yby sk³adaæ siê promienie katodowe, musia³aby wynosiæ ponad 1,1*10⁸ metrów na sekundê.

Schemat drugiego do¶wiadczenia Hertza z p³ask± rur± pró¿niow± w kszta³cie pude³ka

W 1891 roku Hertz zaobserwowa³, i¿ promienie katodowe mog± przenikaæ cienkie warstwy metalu. Naukowiec pokry³ szklan± p³ytkê zawieraj±c± uran cienk± z³ot± foli±. Promienie katodowe pobudza³y szk³o zawieraj±ce uran do ¶wiecenia. Gdy promienie pada³y na warstwê z³ota, znajduj±ce siê pod nim szk³o fluoryzowa³o. Hertz stwierdzi³, ¿e zjawisko to nie wystêpuje, gdy z³oto pokryje siê dodatkowo cienk± warstw± miki.
Promienie katodowe mog± przenikaæ nie tylko przez z³oto, ale tak¿e jak pokaza³ nastêpnie Hertz przez srebro, aluminium, a tak¿e przez stopy z³ota i srebra z cyn±, cynkiem, czy miedzi±.

Phillip Lenard (1862-1947), uczeñ Hertz'a, wyprowadzi³ wi±zkê promieni katodowych poza rurê pró¿niow±. Wykorzysta³ tu odkryte przez swojego nauczyciela, zjawisko przenikania promieni przez cienk± foliê aluminiow± (przez foliê przechodzi³y promienie na zewn±trz rury, natomiast atomy z zewn±trz nie mog³y przez foliê wej¶æ do ¶rodka). Naukowiec zaobserwowa³, i¿ promienie katodowe przechodz± w powietrzu drogê oko³o 1 centymetra. Przenikanie promieni przez foliê z³ot± dowodzi³o, ¿e je¿eli promienie sk³ada³yby siê z cz±steczek to, musia³yby one byæ du¿o mniejsze od atomów.

Od 1705 roku naukowcy odkryli wiele cech i w³asno¶ci promieni katodowych. Tacy wielcy naukowcy jak Faraday, Goldstein, Schuster, Hertz, czy Lenard, zajêli siê badaniem tego zjawiska. Byli oni zwolennikami dwóch konkurencyjnych modeli - falowej i korpuskularnej struktury promieni katodowych. Dopiero w 1897 roku uda³o siê podaæ dok³adniejszy model promieni katodowych. O tych odkryciach mo¿esz przeczytaæ w rozdziale po¶wiêconym do¶wiadczeniu Johna Thomsona.