Landsberg-1985-T2

рядной трубке, можно сделать катодное падение очень малым. На

рис. 164 показана неоновая лампа тлеющего разряда. Электродами слу­ жат листочки железа 1 и 2, покрытые слоем бария, из которогоэлеКТРОНbJ выбиваются особенно легко. В этом случае катодное падение равно всего 68 В, и поэтому лампа зажигается уже

при включении в городскую осветитель­

ную сеть. Если ток сети переменный,

то роль катода выполняют поперемен­

но листочки 1 и 2.

§ 102. Катодные лучи. С уменьше­

нием количества газа в трубке ка­

тодное темное пространство уве-

Рис. 164. Неоновая лампа Рис. 165. Катодные лучи задержива-

ются металлической пластинкой, бро­

са я «тень)} на стенку трубки

личивается, а положительный столб делается короче и блед­ нее. При дальнейшем понижении давления свечение газа еще

более уменьшается и появляется слабое свечение стекла вблизи катода. Когда давление падает до 0,001 мм рт. ст.,

свечение газа практически прекращается, а почти вся

поверхность стекла светится ярким (обычно зеленым) светом. При дальнейшей откачке воздуха ослабевает и

кращается. Отчего же появляется зеленое свечение стекла?

Если сделать анод у разрядной трубки в виде какой­

либо фигуры (рис. 165), то на стенках трубки получается теневое изображение этой фигуры, совершенно такое же, как если бы на месте катода был небольшой источник света.

Это показывает, что свечение стекла вызывается особыми

лучами, исходящими из катода; они задерживаются ме­

таллической пластинкой анода, и поэтому появляется теневое изображение последнего. Эти лучи получили на­ звание катодных лучей.

Катодные лучи вызывают свечение не только стекла,

но и других веществ. При этом разные вещества светятся различным цветом. Так, например, мел испускает свечение

224

электроскопу. Исследования знака этого заряда (§ 7) по­

казали, что катодные лучи несут отрицательный заряд.

2. Катодные лучи вылетают 8 направлении, nерnенди­ кулярно,м, к поверхности катода, и распространяются

Рис. 168. Катодные лучи переносят отрицательный заряд

nря,м,олинейно (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, 6). Пo:v!ещая в эти места люминесцирующий

Рис. 169. Катодные лучи распространяются вдоль прямых линий, пер· пендикулярных к поверхности катода. Их направление не зависит от положения анода: а) ШIОСКИЙ катод дает пучок параллельных лучей; б) вогнутыА сферический катод «фокусирует» катодные лучи

экран, можно видеть на нем появление яркого пятнышка.

Положение этого ПЯТНblшка совершенно не Зависит от

Описываемое свойство катодных лучей объясняется характером электрического поля в разрядной трубке. Наличие катодного падення потенциала (§ 101) указывает, что в непосредственной близости к катоду электрическое поле очень сильно, а в остальной части трубки гораздо слабее. Поэтому на катодные лучн, которые являются заряженными ча­ стицами, деiIствуют вБЛI!ЗИ катода очень БОЛJ>шие силы, направленные по линиям поля. Но линии элеJ(ТJ1ического поля вблизи катода перпеll­ ДIIКУЛЯРНЫ к поверхности катода (как и всякого проводника, § 18), не­ зависимо от TOro, какую форму имеет анод 11 где он расположен. Итак,

вблизи катода катодные лучи начинают двr:гаться по направлению, пер­

пеllДИКУЛЯРНОМУ к катоду, l! приобретзют почти всю свою огромную

скорость в непосредственной близости к катоду. Дальнейшее движение

226

происходит практически прямолинеАно, по инерции, так как силы, дей­

ствующие на катодные лучи, вдали от катода незначитeJIЬНЫ; вдали от

катода электрическое поле слабо.

Из описанных наблюдений следует, что катодные лучи движутся,

подчиняясь законам механики; следовательно, они обладают определен­

ной массой.

З. Каnwдные частицы обладают массой. Это непосред­

ственно обнаруживается в следующем эффек'гном опыте.

На пути катодных лучей укрепляется на оси легкая вер­

тушка, 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, а v - ско­ рость частицы).

4. Бомбардируя тела и nоглощаясь

ими, кanwдные лучи вЬLЗывают нагре­ вание этих тел. Если внутри - раз­

рядной трубки в центре сферического

+

чения

катода поместить тонкую платиновую фольгу (рис. 171), то она сильно накаляется и может расплавиться.

Из подобных опытов следует, что катодные лучи облада­

ют кинетической энергией, которую они передают бомбар­

дируемым 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 от­

дает телу, в которое ударяет. За счет этой энергии катод­

ные лучи вызывают и свечение ЛЮМIfнесцирующего экрана;

они могут также действовать на фотографическую пла­

стинку и вызывать некоторые химические реакции.

? 103.1. При получеIlИИ катодных лучей к электродам разрядной

трубки приложено напряжение ЗА кВ. Вычислите максимальную

скорость элеКТРОНОR в катодном пучке. Заряд электрона равен

1,60 ·10-19 Кл, а его масса - 0,91·10-30 кг.

103.2. К разрядной трубке с горячим катодом приложено напря­

жение 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 не­ трудно 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 Биде пластинки 1 с маленьким отверстием расположен против катода 2. На другом конце трубки находится mо­

минесцирующий экран. Между 1 и 2 создается большое

S

ствием 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 катод-

228

ные 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 сме­

щения указывает, что катодные частицы отклоняются про­

тив направления поля, и это подтверждает, что они несут

отрицательный заряд.

6. Катодные лучи отклоняются магнитом. Для изуче­

ния этого явлеНI!Я ~ожно воспользоваться трубкой, изоб­

раженной на рис. 172. Поднося к узко~у пучку катодных

лучей ~агНlП, ~ожно обнаружить с~ещение следа катод­

ных 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 вннз). Если приближать южный

полюс магнита, то направление отклонения ~еняется на

обратное. И эти опыты вполне объясняются Te~, что катод­ ные лучи представляют собой поток отрицательных за­ рядов, леТЯЩI!Х вдоль трубки. Такой поток зарядов пред­ ставляет собой электрический ток, а ток и магнит, как

известно, действуют друг на друга (§ 40). Подробнее об

этом будет сказано в гл. Х.

ДЛЯ демонстрации отклонения катодных лучей :'1агни­

том удобно использовать прибор, изображенный на рис. 167.

Щелt1 +

Рис. 174. Отклонение катодных лучей в магнитном поле. Катодный

луч, прошедший сквозь щель, отклоняется поднесенным к нему

магнитом. Виден искривленный след луча на свстящемся экране,

установленном внутри трубки

При поднесении магнита след катодного пучка на продоль­

ном экране сильно изгибается (рис. 174).

Все описанные опыты и им подобные, в частности точ­

ные опыты английского физика Джозефа Джона Томсона (1856-1940), показали, что катодные лучи - это поток быстро летящих от катода к аноду электронов.

229

Теперь нетрудно понять, почему возникают катодные

лучи в разрядной трубке. В § 101 мы говорили, что в тле~

ющем разряде положительные ионы газа устремляются

к катоду и выбивают из него электроны. Так как газ в

трубке разрежен, то эш электроны успевают пролететь некоторый путь, прежде чем испытают соударение с моле­

кулю,ли газа. Этим объясняется существование катодного

темного пространства. Если в трубке много газа, то катод­

ные лучи на некотором расстоянии от катода успевают

испытать соударение: в газе возникает свечение (положи­

тельный 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. зна­ чительная часть электронов оказьшается в состоянии прой­

ТI! весь путь до стенок без соударений; темное простран­

ство заполняет всю длину трубки и одновременно с этим

мы зюлечаем различные проявления катодных лучей: лю­ минесценцию стекла, его нагревание и т. Д. Таким образом, причина возникновения катодных лучей закЛ/Оt{аеI1U:Я в

сильной бомбардировке катода nоложительны.ми 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 поло­

жительные ионы, ни катодные лучи, и сильно разреженный

газ будет хорошим диэлектриком.

Двигаясь между катодом и анодом, электроны уско­

ряются электрическим полем и приобретают огромные

скорости. Эти скорости при очень сильных полях могут

достигать 10· км/с и больше, приближаясь в специально

построенных ускорителях к скорости света (3 ·10В м/с).

§ 104. Кана.ловые 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 от­

верстия, и У!Ы УВИДИУ! В темноте слабо светящееся излуче­

ние, исходящее из этих отвеРСТIIЙ и распространяющееся

в закатодной части трубки. Это излучение, состоящее из

положительных ионов газа, получило название каналовых

(или ПО,10жительных) лучеU. Исследование свойств этих

230

лучей (отклонения в электрическом и магнитном полях,

заряда лучей и т. д.) подтверждает, что это действительно

положительные ионы веществ, содержащихся в трубке.

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

• КJIOТСЯ между обклаДJ(амн ПДОСJЮГО заряженного конденсатора. Одинаково ли будут вести себя оба пучка, если скорости их оди­

наковы?

§ 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 КО.'Ш­ честве и ионы, в частности положительные, ибо электроны

освобождаются из катода благодаря болtбардировке катода

nоложительны,ии ионами.

МОЖНО, однако, как мы знаем, обеспечить достаточное

испускание электронов, применив сильно нагретый катод (§ 90). В тако),! случае можно осуществить прохождение

электрического тока через сосуД с таю!:,! высоким вакуу­

)'юм, при которо:,! роль ионов практичес!,и сводится к

ну,']Ю И весь ток переносится электронюш, испускае~,IЫМИ

нагретым катодо:\!. Поскольку в этих УСЛОВИЯХ положи­

тельные ноны практически ОТСУТСТВУЮТ, катод не испыты­

вает бомбардировки ионюш, и для поддержания его в

нагретом состоянии, необходимом для испускания элект­

ронов, катод должен непрерывно подогреваться, например

спомощью тока, пропускаемого через него от вспомога­

тельного источника (батарея накала). Следовательно, про­

водимость в описывае.'W:ых приборах является несамостоя­

тельной. В соответствии с этим вольтамперная хараК1'е­

ристика в этих случаях имеет вид кривой, подобной изоб­

раженной на рис. 149. Сила тока насыщения определяется

числом электронов, испускаемых катодом в единицу вре­

мени, т. е. зависит (§ 90) От температуры катода, его пло­ щади и материала (работы выхода).

ЕСШI же напряжение не достигло значения насыщения,

то не все электроны, испущенные катодом в единицу вре-

231

мени, успевают достигнуть за это время анода и составить

ток. Часть электронов остается в пространстве между катодом и анодом, образуя пространственный отрицатель­ ный заряд, который в виде отрицательно заряженного облака скапливается перед катодом и ослабляет своим при­

сутствием электрическое поле анода. Электроны, непре­

рывно 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

напряжении все электроны, вышедшие из катода, дости­

гают анода, электронное облако полностью рассеивается,

исила тока приобретает свое маКСИЛlальное значение­

значение тока насыщения.

§ 106. Электронные лампы. Явление термоэлектронной

эмиссии и обусловленный им электронныи ток через ва­

куум лежат в основе устройства очень большого числа

232

Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным

диодом.

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или дру­

гого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с

положительным полюсом источника, а катод - с отрица­

тельным (рис. 177, а), и накалим катод при помощи вспо­ могательного источника (батареи накала Бн), то испаряю­

щиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через

Рис. 177. а) Ток проходит че­

рез диод, когда анод соеди­ нен с положительным полю­

сом батареи Б а' а катод - с отрицате.1ЬНЫМ. 6) Ток не

проходит через диод, когда

его анод соединен с отрица­

тельным полюсом батареи, а

катод - с положительным.

Б н - батарея накала нити

цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так,

чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а

плюс - с ее катодом (рис. 177, б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно

на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод

обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном

233