Rayo catódico

Un rayo de rayos catode en un tubo de vacío doblado en un círculo por un campo magnético generado por una bobina de Helmholtz. Los rayos Cathode son normalmente invisibles; en esta demostración con un tubo de Teltron, se ha dejado suficiente gas en el tubo que los átomos de gas se elevan cuando son golpeados por los electrones de movimiento rápido.

Los rayos catódicos o haz de electrones (e-beam) son corrientes de electrones que se observan en los tubos de descarga. Si un tubo de vidrio vacío está equipado con dos electrodos y se aplica voltaje, se observa que el vidrio detrás del electrodo positivo brilla debido a los electrones emitidos desde el cátodo (el electrodo conectado a la terminal negativa del suministro de voltaje). Fueron observados por primera vez en 1859 por el físico alemán Julius Plücker y Johann Wilhelm Hittorf, y fueron nombrados en 1876 por Eugen Goldstein Kathodenstrahlen, o rayos catódicos. En 1897, el físico británico J. J. Thomson demostró que los rayos catódicos estaban compuestos por una partícula previamente desconocida cargada negativamente, que más tarde se denominó electrón. Los tubos de rayos catódicos (CRT) usan un haz enfocado de electrones desviados por campos eléctricos o magnéticos para representar una imagen en una pantalla.

Descripción

Un diagrama que muestra un tubo Crookes conectado a un suministro de alta tensión. La cruz maltesa no tiene conexión eléctrica externa.

Los rayos catódicos se denominan así porque son emitidos por el electrodo negativo, o cátodo, en un tubo de vacío. Para liberar electrones en el tubo, primero deben separarse de los átomos del cátodo. En los primeros tubos de vacío de cátodo frío experimentales en los que se descubrieron los rayos catódicos, llamados tubos de Crookes, esto se hizo utilizando un alto potencial eléctrico de miles de voltios entre el ánodo y el cátodo para ionizar los átomos de gas residual en el tubo. Los iones positivos fueron acelerados por el campo eléctrico hacia el cátodo, y cuando chocaron con él sacaron electrones de su superficie; estos eran los rayos catódicos. Los tubos de vacío modernos utilizan emisión termoiónica, en la que el cátodo está hecho de un filamento de alambre delgado que se calienta con una corriente eléctrica separada que lo atraviesa. El aumento del movimiento de calor aleatorio del filamento expulsa los electrones de la superficie del filamento hacia el espacio vacío del tubo.

Como los electrones tienen carga negativa, son repelidos por el cátodo negativo y atraídos por el ánodo positivo. Viajan en líneas paralelas a través del tubo vacío. El voltaje aplicado entre los electrodos acelera estas partículas de baja masa a altas velocidades. Los rayos catódicos son invisibles, pero su presencia se detectó por primera vez en estos tubos de Crookes cuando golpeaban la pared de vidrio del tubo, excitando los átomos del revestimiento de vidrio y haciendo que emitieran luz, un brillo llamado fluorescencia. Los investigadores notaron que los objetos colocados en el tubo frente al cátodo podían proyectar una sombra en la pared brillante y se dieron cuenta de que algo debía viajar en línea recta desde el cátodo. Después de que los electrones golpean la parte posterior del tubo, se dirigen al ánodo, luego viajan a través del cable del ánodo a través de la fuente de alimentación y regresan a través del cable del cátodo al cátodo, por lo que los rayos catódicos transportan corriente eléctrica a través del tubo.

La corriente en un haz de rayos catódicos a través de un tubo de vacío se puede controlar haciéndola pasar a través de una pantalla metálica de cables (una rejilla) entre el cátodo y el ánodo, a la que se aplica un pequeño voltaje negativo. El campo eléctrico de los cables desvía algunos de los electrones, evitando que lleguen al ánodo. La cantidad de corriente que llega al ánodo depende del voltaje en la red. Por lo tanto, se puede hacer que un pequeño voltaje en la red controle un voltaje mucho mayor en el ánodo. Este es el principio utilizado en los tubos de vacío para amplificar señales eléctricas. El tubo de vacío triodo desarrollado entre 1907 y 1914 fue el primer dispositivo electrónico que podía amplificar y todavía se usa en algunas aplicaciones, como los transmisores de radio. Los haces de rayos catódicos de alta velocidad también pueden ser dirigidos y manipulados por campos eléctricos creados por placas de metal adicionales en el tubo al que se aplica voltaje, o campos magnéticos creados por bobinas de alambre (electroimanes). Estos se utilizan en tubos de rayos catódicos, que se encuentran en televisores y monitores de computadora, y en microscopios electrónicos.

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  Tubo de crookes. El cathode (terminal negativo) está a la derecha. El ánodo (terminal positivo) está en la base del tubo en la parte inferior.

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  Los rayos Cathode viajan desde la cátodo en la parte trasera del tubo, golpeando el frente de vidrio, haciéndolo brillar verde por fluorescencia. Una cruz metálica en el tubo arroja una sombra, demostrando que los rayos viajan en líneas rectas.

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  Un imán crea un campo magnético horizontal a través del cuello del tubo, doblando los rayos hacia arriba, por lo que la sombra de la cruz es más alta.

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  Cuando el imán se revierte, dobla los rayos hacia abajo, por lo que la sombra es inferior. El resplandor rosa es causado por rayos de cátodo que golpean los átomos de gas residual en el tubo.

Historia

Después de la invención de la bomba de vacío en 1654 por Otto von Guericke, los físicos comenzaron a experimentar pasando electricidad de alto voltaje a través del aire enrarecido. En 1705, se observó que las chispas de los generadores electrostáticos viajan una distancia más larga a través del aire a baja presión que a través del aire a presión atmosférica.

Tubos de descarga de gases

Flujo de descarga en un tubo de baja presión causado por la corriente eléctrica.

En 1838, Michael Faraday aplicó un alto voltaje entre dos electrodos de metal en cada extremo de un tubo de vidrio que había sido parcialmente evacuado de aire y notó un extraño arco de luz con su comienzo en el cátodo (electrodo negativo) y su extremo en el ánodo (electrodo positivo). En 1857, el físico y soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler succionó aún más aire con una bomba mejorada, a una presión de alrededor de 10⁻³ atm y descubrió que, en lugar de un arco, un brillo llenaba el tubo. El voltaje aplicado entre los dos electrodos de los tubos, generado por una bobina de inducción, oscilaba entre unos pocos kilovoltios y 100 kV. Estos fueron llamados tubos de Geissler, similares a los letreros de neón de hoy.

La explicación de estos efectos fue que el alto voltaje aceleró los electrones libres y los átomos (iones) cargados eléctricamente presentes de forma natural en el aire del tubo. A baja presión, había suficiente espacio entre los átomos de gas para que los electrones pudieran acelerarse a velocidades lo suficientemente altas como para que, cuando golpearan un átomo, sacaran electrones de él, creando más iones positivos y electrones libres, que luego crearon más iones y electrones en una reacción en cadena, conocida como descarga luminiscente. Los iones positivos fueron atraídos por el cátodo y, cuando lo golpearon, expulsaron más electrones, que fueron atraídos hacia el ánodo. Así, el aire ionizado era eléctricamente conductor y una corriente eléctrica fluía a través del tubo.

Los tubos de Geissler tenían suficiente aire en ellos para que los electrones solo pudieran viajar una pequeña distancia antes de chocar con un átomo. Los electrones en estos tubos se movían en un proceso de difusión lento, sin ganar nunca mucha velocidad, por lo que estos tubos no producían rayos catódicos. En su lugar, produjeron una descarga luminosa colorida (como en una luz de neón moderna), causada cuando los electrones chocaron con átomos de gas, excitando sus electrones orbitales a niveles de energía más altos. Los electrones liberaron esta energía en forma de luz. Este proceso se llama fluorescencia.

Rayos catódicos

En la década de 1870, el físico británico William Crookes y otros pudieron evacuar tubos a una presión más baja, por debajo de 10⁻⁶ atm. Estos fueron llamados tubos de Crookes. Faraday había sido el primero en notar un espacio oscuro justo en frente del cátodo, donde no había luminiscencia. Esto llegó a ser llamado el "espacio oscuro del cátodo", "espacio oscuro de Faraday" o "Espacio oscuro de Crookes". Crookes descubrió que a medida que bombeaba más aire de los tubos, el espacio oscuro de Faraday se extendía por el tubo desde el cátodo hacia el ánodo, hasta que el tubo estaba totalmente oscuro. Pero en el extremo del ánodo (positivo) del tubo, el vidrio del tubo comenzó a brillar.

Lo que sucedía era que a medida que se bombeaba más aire desde el tubo, los electrones expulsados del cátodo cuando los iones positivos chocaban con él podían viajar más lejos, en promedio, antes de chocar con un átomo de gas. Para cuando el tubo estaba oscuro, la mayoría de los electrones podían viajar en línea recta desde el cátodo hasta el extremo del ánodo del tubo sin colisión. Sin obstrucciones, estas partículas de baja masa fueron aceleradas a altas velocidades por el voltaje entre los electrodos. Estos eran los rayos catódicos.

Cuando llegaron al extremo del ánodo del tubo, viajaban tan rápido que, aunque se sentían atraídos por él, a menudo pasaban volando junto al ánodo y golpeaban la pared trasera del tubo. Cuando chocaron con átomos en la pared de vidrio, excitaron sus electrones orbitales a niveles de energía más altos. Cuando los electrones volvieron a su nivel de energía original, liberaron la energía en forma de luz, lo que provocó que el vidrio emitiera fluorescencia, generalmente de un color verdoso o azulado. Posteriormente, los investigadores pintaron la pared trasera interior con productos químicos fluorescentes, como el sulfuro de zinc, para que el resplandor fuera más visible.

Los rayos catódicos en sí mismos son invisibles, pero esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores notar que los objetos en el tubo frente al cátodo, como el ánodo, proyectan sombras de bordes nítidos en la pared trasera brillante. En 1869, el físico alemán Johann Hittorf fue el primero en darse cuenta de que algo debía viajar en línea recta desde el cátodo para proyectar las sombras. Eugen Goldstein los llamó rayos catódicos (en alemán kathodenstrahlen).

Descubrimiento del electrón

En ese momento, los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas y se creía que eran indivisibles. Lo que transportaba las corrientes eléctricas era un misterio. Durante el último cuarto del siglo XIX, se realizaron muchos experimentos históricos con tubos de Crookes para determinar qué eran los rayos catódicos. Había dos teorías. Crookes y Arthur Schuster creían que eran partículas de "materia radiante", " es decir, átomos cargados eléctricamente. Los científicos alemanes Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz y Goldstein creían que eran "ondas de éter", una nueva forma de radiación electromagnética, y estaban separadas de lo que transportaba la corriente eléctrica a través del tubo.

El debate se resolvió en 1897 cuando J. J. Thomson midió la masa de los rayos catódicos y demostró que estaban formados por partículas, pero que eran unas 1800 veces más ligeras que el átomo más ligero, el hidrógeno. Por lo tanto, no eran átomos, sino una nueva partícula, la primera partícula subatómica descubierta, a la que originalmente llamó "corpúsculo" pero más tarde se llamó electrón, en honor a las partículas postuladas por George Johnstone Stoney en 1874. También demostró que eran idénticas a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. Rápidamente se reconoció que son las partículas que transportan las corrientes eléctricas en los alambres metálicos y llevan la carga eléctrica negativa del átomo.

Thomson recibió el Premio Nobel de Física de 1906 por este trabajo. Philipp Lenard también contribuyó mucho a la teoría de los rayos catódicos y ganó el Premio Nobel en 1905 por su investigación sobre los rayos catódicos y sus propiedades.

Tubos de vacío

El método de ionización de gas (o cátodo frío) para producir rayos catódicos que se usaba en los tubos de Crookes no era confiable porque dependía de la presión del aire residual en el tubo. Con el tiempo, el aire fue absorbido por las paredes del tubo y dejó de funcionar.

Hittorf y Goldstein investigaron un método más confiable y controlable para producir rayos catódicos, y Thomas Edison lo redescubrió en 1880. Un cátodo hecho de un filamento de alambre calentado al rojo vivo por una corriente separada que lo atraviesa liberaría electrones en el tubo por un proceso llamado emisión termoiónica. Los primeros tubos de vacío electrónicos verdaderos, inventados en 1904 por John Ambrose Fleming, utilizaron esta técnica de cátodo caliente y reemplazaron a los tubos de Crookes. Estos tubos no necesitaban gas para funcionar, por lo que se evacuaron a una presión más baja, alrededor de 10⁻⁹ atm (10⁻⁴ Pa). El método de ionización para crear rayos catódicos que se usa en los tubos de Crookes solo se usa hoy en día en unos pocos tubos de descarga de gas especializados, como los krytrons.

En 1906, Lee De Forest descubrió que un pequeño voltaje en una rejilla de alambres metálicos entre el cátodo y el ánodo podía controlar una corriente en un haz de rayos catódicos que pasaba a través de un tubo de vacío. Su invento, llamado triodo, fue el primer dispositivo que podía amplificar señales eléctricas y revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica. Los tubos de vacío hicieron posible la transmisión de radio y televisión, así como el radar, las películas sonoras, la grabación de audio y el servicio telefónico de larga distancia, y fueron la base de los dispositivos electrónicos de consumo hasta la década de 1960, cuando el transistor puso fin a la era de los tubos de vacío..

Los rayos catódicos ahora se denominan haces de electrones. La tecnología de manipulación de haces de electrones iniciada en estos primeros tubos se aplicó prácticamente en el diseño de tubos de vacío, particularmente en la invención del tubo de rayos catódicos (CRT) por Ferdinand Braun en 1897, que se utilizó en televisores y osciloscopios. Hoy en día, los haces de electrones se emplean en dispositivos sofisticados como microscopios electrónicos, litografía por haz de electrones y aceleradores de partículas.

Propiedades

Al igual que una onda, los rayos catódicos viajan en línea recta y producen una sombra cuando los obstruyen los objetos. Ernest Rutherford demostró que los rayos podían atravesar finas láminas de metal, comportamiento que se esperaba de una partícula. Estas propiedades en conflicto causaron interrupciones al intentar clasificarlo como onda o partícula. Crookes insistió en que era una partícula, mientras que Hertz sostuvo que era una onda. El debate se resolvió cuando J. J. Thomson utilizó un campo eléctrico para desviar los rayos. Esta fue la evidencia de que los rayos estaban compuestos de partículas porque los científicos sabían que era imposible desviar las ondas electromagnéticas con un campo eléctrico. Estos también pueden crear efectos mecánicos, fluorescencia, etc.

Louis de Broglie más tarde (1924) demostró en su tesis doctoral que los electrones son, de hecho, muy parecidos a los fotones en el sentido de que actúan tanto como ondas como partículas de manera dual, como lo había demostrado anteriormente Albert Einstein para la luz. El comportamiento ondulatorio de los rayos catódicos fue posteriormente demostrado directamente utilizando una red cristalina por Davisson y Germer en 1927.