Raio catódico

Um feixe de raios catódicos em um tubo de vácuo dobrado em um círculo por um campo magnético gerado por uma bobina Helmholtz. Os raios de cátodo são normalmente invisíveis; nesta demonstração de tubo de Teltron, o gás suficiente foi deixado no tubo para os átomos de gás para luminesce quando atingidos pelos elétrons em movimento rápido.

Raios catódicos ou feixe de elétrons (e-beam) são fluxos de elétrons observados em tubos de descarga. Se um tubo de vidro evacuado estiver equipado com dois eletrodos e uma voltagem for aplicada, o vidro atrás do eletrodo positivo é observado brilhando, devido aos elétrons emitidos do cátodo (o eletrodo conectado ao terminal negativo da fonte de voltagem). Eles foram observados pela primeira vez em 1859 pelo físico alemão Julius Plücker e Johann Wilhelm Hittorf, e foram nomeados em 1876 por Eugen Goldstein Kathodenstrahlen, ou raios catódicos. Em 1897, o físico britânico J. J. Thomson mostrou que os raios catódicos eram compostos de uma partícula previamente desconhecida carregada negativamente, que mais tarde foi chamada de elétron. Tubos de raios catódicos (CRTs) usam um feixe focalizado de elétrons desviados por campos elétricos ou magnéticos para renderizar uma imagem em uma tela.

Descrição

Um diagrama mostrando um tubo de Crookes conectado a uma fonte de alta tensão. A cruz maltês não tem conexão elétrica externa.

Os raios catódicos são assim chamados porque são emitidos pelo eletrodo negativo, ou cátodo, em um tubo de vácuo. Para liberar elétrons no tubo, eles primeiro devem ser separados dos átomos do cátodo. Nos primeiros tubos experimentais de vácuo de cátodo frio nos quais os raios catódicos foram descobertos, chamados tubos de Crookes, isso foi feito usando um alto potencial elétrico de milhares de volts entre o ânodo e o cátodo para ionizar os átomos de gás residual no tubo. Os íons positivos foram acelerados pelo campo elétrico em direção ao cátodo e, quando colidiram com ele, arrancaram elétrons de sua superfície; estes eram os raios catódicos. Os tubos de vácuo modernos usam emissão termiônica, na qual o cátodo é feito de um filamento de fio fino que é aquecido por uma corrente elétrica separada que passa por ele. O aumento do movimento de calor aleatório do filamento expulsa os elétrons da superfície do filamento para o espaço evacuado do tubo.

Como os elétrons têm carga negativa, eles são repelidos pelo cátodo negativo e atraídos pelo ânodo positivo. Eles viajam em linhas paralelas através do tubo vazio. A voltagem aplicada entre os eletrodos acelera essas partículas de baixa massa a altas velocidades. Os raios catódicos são invisíveis, mas sua presença foi detectada pela primeira vez nesses tubos de Crookes quando atingiram a parede de vidro do tubo, excitando os átomos do revestimento de vidro e fazendo-os emitir luz, um brilho chamado fluorescência. Os pesquisadores notaram que os objetos colocados no tubo em frente ao cátodo poderiam projetar uma sombra na parede brilhante e perceberam que algo deveria estar viajando em linhas retas a partir do cátodo. Depois que os elétrons atingem a parte de trás do tubo, eles seguem para o ânodo, então viajam através do fio do ânodo através da fonte de alimentação e voltam pelo fio do cátodo para o cátodo, de modo que os raios catódicos carregam corrente elétrica através do tubo.

A corrente em um feixe de raios catódicos através de um tubo de vácuo pode ser controlada passando-a por uma tela metálica de fios (uma grade) entre o cátodo e o ânodo, à qual uma pequena tensão negativa é aplicada. O campo elétrico dos fios desvia alguns dos elétrons, impedindo-os de atingir o ânodo. A quantidade de corrente que chega ao ânodo depende da tensão na rede. Assim, uma pequena tensão na grade pode ser feita para controlar uma tensão muito maior no ânodo. Este é o princípio usado em tubos de vácuo para amplificar sinais elétricos. O tubo de vácuo triodo desenvolvido entre 1907 e 1914 foi o primeiro dispositivo eletrônico que poderia amplificar e ainda é usado em algumas aplicações, como transmissores de rádio. Feixes de raios catódicos de alta velocidade também podem ser direcionados e manipulados por campos elétricos criados por placas de metal adicionais no tubo ao qual a voltagem é aplicada, ou campos magnéticos criados por bobinas de fio (eletroímãs). Estes são usados em tubos de raios catódicos, encontrados em televisores e monitores de computador e em microscópios eletrônicos.

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  Tubo de Crookes. O cátodo (terminal negativo) está à direita. O ânodo (terminal positivo) está na base do tubo na parte inferior.

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  Os raios de cátodo viajam do cátodo na parte traseira do tubo, marcando a frente de vidro, tornando-o verde brilhante por fluorescência. Uma cruz de metal no tubo lança uma sombra, demonstrando que os raios viajam em linhas retas.

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  Um ímã cria um campo magnético horizontal através do pescoço do tubo, dobrando os raios para cima, de modo que a sombra da cruz é maior.

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  Quando o ímã é invertido, ele dobra os raios para baixo, então a sombra é menor. O brilho rosa é causado por raios catódicos que atingem átomos de gás residual no tubo.

História

Após a invenção da bomba de vácuo em 1654 por Otto von Guericke, os físicos começaram a experimentar a passagem de eletricidade de alta voltagem através do ar rarefeito. Em 1705, observou-se que as faíscas do gerador eletrostático percorrem uma distância maior através do ar de baixa pressão do que através do ar à pressão atmosférica.

Tubos de descarga de gás

Descarga lenta em um tubo de baixa pressão causada por corrente elétrica.

Em 1838, Michael Faraday aplicou uma alta voltagem entre dois eletrodos de metal em cada extremidade de um tubo de vidro que havia sido parcialmente esvaziado de ar e notou um estranho arco de luz com início no cátodo (eletrodo negativo) e sua extremidade no ânodo (eletrodo positivo). Em 1857, o físico e soprador de vidro alemão Heinrich Geissler sugou ainda mais ar com uma bomba aprimorada, a uma pressão de cerca de 10⁻³ atm e descobriu que, em vez de um arco, um brilho preenchia o tubo. A voltagem aplicada entre os dois eletrodos dos tubos, gerada por uma bobina de indução, estava entre alguns quilovolts e 100 kV. Estes foram chamados de tubos de Geissler, semelhantes aos letreiros de néon de hoje.

A explicação para esses efeitos era que a alta voltagem acelerava elétrons livres e átomos eletricamente carregados (íons) naturalmente presentes no ar do tubo. Em baixa pressão, havia espaço suficiente entre os átomos de gás para que os elétrons pudessem acelerar a velocidades altas o suficiente para que, quando atingissem um átomo, arrancassem elétrons dele, criando mais íons positivos e elétrons livres, que criavam mais íons e elétrons em uma reação em cadeia, conhecida como descarga luminescente. Os íons positivos foram atraídos para o cátodo e, quando atingiram, arrancaram mais elétrons dele, que foram atraídos para o ânodo. Assim, o ar ionizado era eletricamente condutor e uma corrente elétrica fluía através do tubo.

Os tubos de Geissler continham ar suficiente para que os elétrons pudessem percorrer apenas uma pequena distância antes de colidir com um átomo. Os elétrons nesses tubos se moviam em um lento processo de difusão, nunca ganhando muita velocidade, então esses tubos não produziam raios catódicos. Em vez disso, eles produziram uma descarga de brilho colorido (como em uma luz de néon moderna), causada quando os elétrons atingiram os átomos de gás, excitando seus elétrons orbitais para níveis de energia mais altos. Os elétrons liberaram essa energia como luz. Este processo é chamado de fluorescência.

Raios catódicos

Na década de 1870, o físico britânico William Crookes e outros foram capazes de evacuar tubos a uma pressão mais baixa, abaixo de 10⁻⁶ atm. Estes foram chamados de tubos de Crookes. Faraday foi o primeiro a notar um espaço escuro bem na frente do cátodo, onde não havia luminescência. Isso veio a ser chamado de "espaço escuro do cátodo", "espaço escuro de Faraday" ou "espaço escuro de Crookes". Crookes descobriu que, à medida que bombeava mais ar para fora dos tubos, o espaço escuro de Faraday se espalhava pelo tubo, do cátodo em direção ao ânodo, até que o tubo ficasse totalmente escuro. Mas na extremidade do ânodo (positivo) do tubo, o próprio vidro do tubo começou a brilhar.

O que estava acontecendo era que, à medida que mais ar era bombeado do tubo, os elétrons arrancados do cátodo quando os íons positivos o atingiam podiam viajar mais longe, em média, antes de atingirem um átomo de gás. No momento em que o tubo estava escuro, a maioria dos elétrons poderia viajar em linhas retas do cátodo para a extremidade do ânodo do tubo sem uma colisão. Sem obstruções, essas partículas de baixa massa foram aceleradas a altas velocidades pela voltagem entre os eletrodos. Estes eram os raios catódicos.

Quando eles alcançaram a extremidade do ânodo do tubo, eles estavam viajando tão rápido que, embora fossem atraídos por ele, muitas vezes voavam além do ânodo e batiam na parede traseira do tubo. Quando eles atingiram átomos na parede de vidro, eles excitaram seus elétrons orbitais para níveis de energia mais altos. Quando os elétrons retornaram ao seu nível de energia original, eles liberaram a energia como luz, fazendo com que o vidro ficasse fluorescente, geralmente uma cor esverdeada ou azulada. Pesquisadores posteriores pintaram a parede traseira interna com produtos químicos fluorescentes, como sulfeto de zinco, para tornar o brilho mais visível.

Os próprios raios catódicos são invisíveis, mas essa fluorescência acidental permitiu que os pesquisadores notassem que os objetos no tubo na frente do cátodo, como o ânodo, lançavam sombras afiadas na parede traseira brilhante. Em 1869, o físico alemão Johann Hittorf foi o primeiro a perceber que algo deveria estar viajando em linhas retas do cátodo para projetar as sombras. Eugen Goldstein os chamou de raios catódicos (em alemão kathodenstrahlen).

Descoberta do elétron

Nessa época, os átomos eram as menores partículas conhecidas e acreditava-se que eram indivisíveis. O que carregava correntes elétricas era um mistério. Durante o último quarto do século 19, muitos experimentos históricos foram feitos com os tubos de Crookes para determinar o que eram os raios catódicos. Havia duas teorias. Crookes e Arthur Schuster acreditavam que eram partículas de "matéria radiante" isto é, átomos eletricamente carregados. Os cientistas alemães Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz e Goldstein acreditavam que eram "ondas de éter", uma nova forma de radiação eletromagnética, e eram separadas do que transportava a corrente elétrica através do tubo.

O debate foi resolvido em 1897, quando J. J. Thomson mediu a massa dos raios catódicos, mostrando que eles eram feitos de partículas, mas eram cerca de 1.800 vezes mais leves que o átomo mais leve, o hidrogênio. Portanto, não eram átomos, mas uma nova partícula, a primeira partícula subatômica a ser descoberta, que ele originalmente chamou de "corpúsculo" mas mais tarde foi nomeado elétron, em homenagem às partículas postuladas por George Johnstone Stoney em 1874. Ele também mostrou que elas eram idênticas às partículas emitidas por materiais fotoelétricos e radioativos. Rapidamente se reconheceu que são as partículas que transportam correntes elétricas em fios metálicos, e carregam a carga elétrica negativa do átomo.

Thomson recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1906 por este trabalho. Philipp Lenard também contribuiu muito para a teoria dos raios catódicos, ganhando o Prêmio Nobel em 1905 por sua pesquisa sobre os raios catódicos e suas propriedades.

Tubos de vácuo

O método de ionização de gás (ou cátodo frio) de produção de raios catódicos usado nos tubos de Crookes não era confiável, porque dependia da pressão do ar residual no tubo. Com o tempo, o ar foi absorvido pelas paredes do tubo e parou de funcionar.

Um método mais confiável e controlável de produzir raios catódicos foi investigado por Hittorf e Goldstein e redescoberto por Thomas Edison em 1880. Um cátodo feito de um filamento de fio aquecido em brasa por uma corrente separada que passa por ele liberaria elétrons no tubo por um processo chamado emissão termiônica. As primeiras válvulas eletrônicas verdadeiras, inventadas em 1904 por John Ambrose Fleming, usavam essa técnica de cátodo quente e substituíram as válvulas de Crookes. Esses tubos não precisavam de gás para funcionar, então eles foram evacuados para uma pressão mais baixa, em torno de 10⁻⁹ atm (10⁻⁴ Pa). O método de ionização de criar raios catódicos usado nos tubos de Crookes é hoje usado apenas em alguns tubos de descarga de gás especializados, como os krytrons.

Em 1906, Lee De Forest descobriu que uma pequena voltagem em uma grade de fios de metal entre o cátodo e o ânodo poderia controlar uma corrente em um feixe de raios catódicos passando por um tubo de vácuo. Sua invenção, chamada triodo, foi o primeiro dispositivo capaz de amplificar sinais elétricos e revolucionou a tecnologia elétrica, criando o novo campo da eletrônica. As válvulas a vácuo possibilitaram a transmissão de rádio e televisão, bem como o radar, filmes falados, gravação de áudio e serviços telefônicos de longa distância, e foram a base dos dispositivos eletrônicos de consumo até a década de 1960, quando o transistor encerrou a era das válvulas a vácuo..

Os raios catódicos agora são geralmente chamados de feixes de elétrons. A tecnologia de manipulação de feixes de elétrons pioneira nesses primeiros tubos foi aplicada praticamente no projeto de tubos de vácuo, particularmente na invenção do tubo de raios catódicos (CRT) por Ferdinand Braun em 1897, que foi usado em aparelhos de televisão e osciloscópios. Hoje, os feixes de elétrons são empregados em dispositivos sofisticados, como microscópios eletrônicos, litografia por feixe de elétrons e aceleradores de partículas.

Propriedades

Como uma onda, os raios catódicos viajam em linhas retas e produzem uma sombra quando obstruídos por objetos. Ernest Rutherford demonstrou que os raios podiam passar através de folhas metálicas finas, comportamento esperado de uma partícula. Essas propriedades conflitantes causaram interrupções ao tentar classificá-lo como onda ou partícula. Crookes insistiu que era uma partícula, enquanto Hertz afirmou que era uma onda. O debate foi resolvido quando um campo elétrico foi usado para desviar os raios por J. J. Thomson. Esta foi a evidência de que os feixes eram compostos de partículas porque os cientistas sabiam que era impossível desviar as ondas eletromagnéticas com um campo elétrico. Estes também podem criar efeitos mecânicos, fluorescência, etc.

Louis de Broglie mais tarde (1924) mostrou em sua dissertação de doutorado que os elétrons são de fato muito parecidos com os fótons no sentido de que agem tanto como ondas quanto como partículas de maneira dupla, como Albert Einstein havia mostrado anteriormente para a luz. O comportamento ondulatório dos raios catódicos foi posteriormente demonstrado diretamente usando uma rede cristalina por Davisson e Germer em 1927.