§ 103. Природа катодных лучей. Ответ на вопрос о природе катодных лучей дают опыты по исследованию их свойств. Важнейшие результаты этих опытов следующие.

1. Катодные лучи несут отрицательный заряд. Наибо­лее непосредственным доказательством этого положения явился опыт, изображенный на рис. 168. На пути катодных лучей помещен полый электрод (фарадеев цилиндр, § 31), соединенный с чувствительным электроскопом. Попадая внутрь цилиндра, катодные лучи передают весь свой заряд

225

8 Элементарный учебник физики, т. II

электроскопу. Исследования знака этого заряда (§ 7) по­казали, что катодные лучи несут отрицательный заряд.

2. Катодные лучи вылетают в направлении, перпенди­кулярном к поверхности катода, и распространяются

прямолинейно (рис. 169). Поэтому если катод имеет вид части сферы, то катодные лучи, летя по радиусам этой сферы, собираются («фокусируются») в центре этой сферы (рис. 169, б). Помещая в эти места люминесцирующий

Рис. 169. Катодные лучи распространяются вдоль прямых линий, пер­пендикулярных к поверхности катода. Их направление не зависит от положения анода: а) плоский катод дает пучок параллельных лучей;

б) вогнутый сферический катод «фокусирует» катодные лучи

экран, можно видеть на нем появление яркого пятнышка. Положение этого пятнышка совершенно не зависит от формы и положения анода в трубке.

Описываемое свойство катодных лучей объясняется характером электрического поля в разрядной трубке. Наличие катодного падения потенциала (§ 101) указывает, что в непосредственной близости к катоду электрическое поле очень сильно, а в остальной части трубки гораздо слабее. Поэтому на катодные лучи, которые являются заряженными ча­стицами, действуют вблизи катода очень большие силы, направленные по линиям поля. Но линии электрического поля вблизи катода перпен­дикулярны к поверхности катода (как и всякого проводника, § 18), не­зависимо от того, какую форму имеет анод и где он расположен. Итак, вблизи катода катодные лучи начинают двигаться по направлению, пер­пендикулярному к катоду, и приобретают почти всю свою огромную скорость в непосредственной близости к катоду. Дальнейшее движение

происходит практически прямолинейно, по инерции, так как силы, дей­ствующие на катодные лучи, вдали от катода незначительны; вдали от катода электрическое поле слабо.

Из описанных наблюдений следует, что катодные лучи движутся, подчиняясь законам механики; следовательно, они обладают определен­ной массой.

3. 

   Рис. 171. Нагревание под действием катод­ных лучей. Платиновая фольга накалена до све­чения

   Катодные частицы обладают массой. Это непосред­ственно обнаруживается в следующем эффектном опыте. На пути катодных лучей укрепляется на оси легкая вер­тушка, так что катодные лучи ударяют в ее лопасти (рис.

170. . Вертушка приходит во, вращение, показывая, что катодные частицы передают ей свой импульс mv (т — масса, a v — ско­рость частицы).

4. Бомбардируя тела и поглощаясь ими, катодные лучи вызывают нагре­вание этих тел. Если внутри раз­рядной трубки в центре сферического

Рис. 170. Вертушка вращается вследст­вие передачи крылышку импульса бом­бардирующих его катодных частиц

катода поместить тонкую платиновую фольгу (рис.

170. , то она сильно накаляется и может расплавиться.

Из подобных опытов следует, что катодные лучи облада­ют кинетической энергией, которую они передают бомбар­дируемым ими телам. Это нетрудно было предвидеть, ибо катодные частицы имеют массу т и летят со значительной скоростью V. Следовательно, каждая катодная частица должна обладать кинетической энергией mv²/2; ее она от­дает телу, в которое ударяет. За счет этой энергии катод­ные лучи вызывают и свечение люмннесцирующего экрана; они могут также действовать на фотографическую пла­стинку и вызывать некоторые химические реакции.

л 103.1. При получении катодных лучей к электродам разрядной

• трубки приложено напряжение 30 кВ. Вычислите максимальную скорость электронов в катодном пучке. Заряд электрона равен 1,60 -10^—10 Кл, а его масса — 0,91 -Ю^-30 кг.

2. К разрядной трубке с горячим катодом приложено напря­жение 50 кВ, а ток через трубку равен 10 мА. Какое количество теплоты выделяется на аноде за 1 с?

5. Катодные лучи отклоняются электрическим полем. Такое действие электрического поля на катодные лучи не­трудно предвидеть, ибо нам известно, что катодные лучи несут электрический заряд. Соответствующие опыты удобно производить с прибором, изображенным на рис. 172. Анод

Рис. 172. Отклонение катодных лучей в электрическом поле

в виде пластинки 1 с маленьким отверстием расположен против катода 2. На другом конце трубки находится лю- минесцирующий экран. Между 1 п 2 создается большое

Рис. 173. След катодного луча (светлые кружки) смещается под дей­ствием магнитного поля (темные кружки). Северный полюс магнита поднесен к лучу, направленному на наблюдателя: а) луч отклоняется влево; б) луч отклоняется вверх

напряжение. Из потока катодных лучей отверстие в аноде вырезает узкий пучок, след которого дает на люминесци- рующем экране яркое пятнышко 5. На своем пути катод­ные лучи проходят между пластинами 3 и 4. Если между 3 и 4 создать электрическое поле, направленное от 3 к 4, то катодные лучи отклонятся под действием этого поля и светлое пятнышко сместится в точку 6. Направление сме­щения указывает, что катодные частицы отклоняются про­тив направления поля, и это подтверждает, что они несут отрицательный заряд.

6. Катодные лучи отклоняются магнитом. Для изуче­ния этого явления можно воспользоваться трубкой, изоб­раженной на рис. 172. Поднося к узкому пучку катодных лучей магнит, можно обнаружить смещение следа катод­ных лучей на экране (рис. 173). При этом, если северный полюс магнита поднесен сверху (или снизу), катодные лучи отклоняются влево (или вправо). При поднесении северного полюса магнита справа (или слева) отклонение происходит вверх (или вниз). Если приближать южный полюс магнита, то направление отклонения меняется на обратное. И эти опыты вполне объясняются тем, что катод­ные лучи представляют собой поток отрицательных за­рядов, летящих вдоль трубки. Такой поток зарядов пред­ставляет собой электрический ток, а ток и магнит, как известно, действуют друг на друга (§ 40). Подробнее об этом будет сказано в гл. X.

Для демонстрации отклонения катодных лучей магни­том удобно использовать прибор, изображенный на рис. 167.

Рис. 174. Отклонение катодных лучей в магнитном поле. Катодный луч, прошедший сквозь щель, отклоняется поднесенным к нему магнитом. Виден искривленный след луча на светящемся экране, установленном внутри трубки

При поднесении магнита след катодного пучка на продоль­ном экране сильно изгибается (рис. 174).

Все описанные опыты и им подобные, в частности точ­ные опыты английского физика Джозефа Джона Томсона (1856—1940), показали, что катодные лучи — это поток быстро летящих от катода к аноду электронов.

Теперь нетрудно понять, почему возникают катодные лучи в разрядной трубке. В § 101 мы говорили, что в тле­ющем разряде положительные ионы газа устремляются к катоду и выбивают из него электроны. Так как газ в трубке разрежен, то эти электроны успевают пролететь некоторый путь, прежде чем испытают соударение с моле­кулами газа. Этим объясняется существование катодного темного пространства. Если в трубке много газа, то катод­ные лучи на некотором расстоянии от катода успевают испытать соударение: в газе возникает свечение (положи­тельный столб). Понижая давление, мы увеличиваем длину свободного пробега электронов, отчего катодное темное пространство увеличивается, а положительное свечение сокращается. При давлениях около 0,001 мм рт. ст. зна­чительная часть электронов оказывается в состоянии прой­ти весь путь до стенок без соударений; темное простран­ство заполняет всю длину трубки и одновременно с этим мы замечаем различные проявления катодных лучей: лю­минесценцию стекла, его нагревание и т. д. Таким образом, причина возникновения катодных лучей заключается в сильной бомбардировке катода положительными ионами, которые выбивают из металла катода электроны.

Из сказанного следует, что для получения катодных лучей в трубке должно содержаться некоторое, хотя и малое, количество газа. Поэтому, если слишком сильно откачать разрядную трубку, не будут возникать ни поло­жительные ионы, ни катодные лучи, и сильно разреженный газ будет хорошим диэлектриком.

Двигаясь между катодом и анодом, электроны уско­ряются электрическим полем и приобретают огромные скорости. Эти скорости при очень сильных полях могут достигать 10⁵ км/с и больше, приближаясь в специально построенных ускорителях к скорости света (3 ■ 10^е м/с).

§ 104. Каналовые лучи. В § 101 мы указали, что в тлеющем разряде катод подвергается непрерывной бомбардировке положительными ионами. Это можно доказать на опыте, если сделать в катоде разрядной трубки отверстия (рис. 175).

Часть положительных ионов будет пролетать через от­верстия, и мы увидим в темноте слабо светящееся излуче­ние, исходящее из этих отверстий и распространяющееся в закатодной части трубки. Это излучение, состоящее из положительных ионов газа, получило название каналовых (или положительных) лучей. Исследование свойств этих

Рис. 175. Получение кана- ловых лучей. Между анодом и катодом — легкое свечение газа. В закатодной части на­блюдаются отдельные пучки

положительных ионов

лучей (отклонения в электрическом и магнитном полях, заряда лучей и т. д.) подтверждает, что это действительно положительные ионы веществ, содержащихся в трубке.

eg 104.1. Пучок катодных лучей и пучок каналовых лучей пропус-

• каются между обкладками плоского заряженного конденсатора. Одинаково ли будут вести себя оба пучка, если скорости их оди­наковы?

§ 105. Электронная проводимость в высоком вакууме. Когда газ в трубке разрежен в достаточной степени, проводимость может, как мы видели (§ 102), поддерживаться за счет электронов, выделяющихся из катода (катодные лучи). Правда, в условиях, описанных в предыдущем параграфе, в трубке должны также присутствовать в некотором коли­честве и ионы, в частности положительные, ибо электроны освобождаются из катода благодаря бомбардировке катода положительными ионами.

Можно, однако, как мы знаем, обеспечить достаточное испускание электронов, применив сильно нагретый катод (§ 90). В таком случае можно осуществить прохождение электрического тока через сосуд с таким высоким вакуу­мом, при котором роль ионов практически сводится к нулю и весь ток переносится электронами, испускаемыми нагретым катодом. Поскольку в этих условиях положи­тельные ионы практически отсутствуют, катод не испыты­вает бомбардировки ионами, и для поддержания его в нагретом состоянии, необходимом для испускания элект­ронов, катод должен непрерывно подогреваться, например с помощью тока, пропускаемого через него от вспомога­тельного источника (батарея накала). Следовательно, про­водимость в описываемых приборах является несамостоя­тельной. В соответствии с этим вольтамперная характе­ристика в этих случаях имеет вид кривой, подобной изоб­раженной на рис. 149. Сила тока насыщения определяется числом электронов, испускаемых катодом в единицу вре­мени, т. е. зависит (§ 90) от температуры катода, его пло­щади и материала (работы выхода).

Если же напряжение не достигло значения насыщения, то не все электроны, испущенные катодом в единицу вре­

мени, успевают достигнуть за это время анода и составить ток. Часть электронов остается в пространстве между катодом и анодом, образуя пространственный отрицатель­ный заряд, который в виде отрицательно заряженного облака скапливается перед катодом и ослабляет своим при­сутствием электрическое поле анода. Электроны, непре­рывно испускаемые катодом, частично отбрасываются этим облаком обратно к катоду и не доходят до анода: устанавливается ток более слабый, чем ток насыщения. Итак, каждому значению напряжения между катодом и анодом соответствует своя плотность электронного облака и своя сила тока. Таким образом, получаются все точки вольтамперной характеристики (рис. 149), начиная от /=0 и до тока насыщения. Лишь при достаточно большом напряжении все электроны, вышедшие из катода, дости­гают анода, электронное облако полностью рассеивается, и сила тока приобретает свое максимальное значение — значение тока насыщения.