Los rayos catódicos o haces de electrones ( e-beam ) son corrientes de electrones que se observan en los tubos de descarga . Si un tubo de vidrio al 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 por el cátodo (el electrodo conectado al terminal negativo del suministro de voltaje). Fueron observados por primera vez en 1859 por el físico alemán Julius Plücker y Johann Wilhelm Hittorf , [1] y fueron nombrados en 1876 por Eugen Goldstein Kathodenstrahlen , o rayos catódicos. [2] [3] En 1897, el físico británico JJ Thomson demostró que los rayos catódicos estaban compuestos de una partícula cargada negativamente desconocida hasta ahora, que más tarde recibió el nombre de electrón . Los tubos de rayos catódicos (CRT) utilizan un haz enfocado de electrones desviados por campos eléctricos o magnéticos para representar una imagen en una pantalla.
Los rayos catódicos se llaman 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 experimentales de vacío de cátodo frío 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 expulsaron 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 mediante una corriente eléctrica separada que lo atraviesa. El aumento del movimiento térmico aleatorio del filamento expulsa electrones de la superficie del filamento hacia el espacio evacuado 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 Crookes cuando chocaron contra la pared de vidrio del tubo, excitando los átomos del revestimiento de vidrio y provocando que emitieran luz, un brillo llamado fluorescencia . Los investigadores notaron que los objetos colocados en el tubo frente al cátodo podían proyectar una sombra sobre 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, de modo 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, impidiéndoles llegar al ánodo. La cantidad de corriente que llega al ánodo depende del voltaje de la red. Por lo tanto, se puede hacer que un voltaje pequeño 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 utiliza en algunas aplicaciones como transmisores de radio . Los haces de rayos catódicos de alta velocidad también pueden dirigirse y manipularse mediante campos eléctricos creados por placas metálicas 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 .
Después de la invención de la bomba de vacío en 1654 por Otto von Guericke , los físicos comenzaron a experimentar haciendo pasar electricidad de alto voltaje a través de aire enrarecido . En 1705, se observó que las chispas de los generadores electrostáticos viajan una distancia más larga a través de aire a baja presión que a través de aire a presión atmosférica.
En 1838, Michael Faraday aplicó un alto voltaje entre dos electrodos metálicos en cada extremo de un tubo de vidrio que había sido parcialmente evacuado de aire, y notó un extraño arco de luz que comenzaba en el cátodo (electrodo negativo) y terminaba en el ánodo. (electrodo positivo). [4] 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 resplandor 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 se llamaban tubos Geissler , similares a los carteles de neón actuales .
La explicación de estos efectos fue que el alto voltaje aceleraba los electrones libres y los átomos ( iones ) cargados eléctricamente presentes naturalmente en el aire del tubo. [ cita necesaria ] A baja presión, había suficiente espacio entre los átomos del gas para que los electrones pudieran acelerar a velocidades lo suficientemente altas como para que, cuando golpearan un átomo, le quitaran electrones, creando más iones positivos y electrones libres, lo que pasó a Crea más iones y electrones en una reacción en cadena, [ cita necesaria ] conocida como descarga luminosa . Los iones positivos fueron atraídos por el cátodo y cuando golpearon, expulsaron más electrones, que fueron atraídos hacia el ánodo. Así, el aire ionizado era conductor de electricidad y una corriente eléctrica fluía a través del tubo.
Los tubos Geissler tenían suficiente aire en su interior como 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 lento proceso de difusión , sin ganar nunca mucha velocidad, por lo que estos tubos no produjeron rayos catódicos. En cambio, produjeron una descarga luminosa de colores (como en una luz de neón moderna ), provocada cuando los electrones chocaron con los 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.
En la década de 1870, el físico británico William Crookes y otros pudieron evacuar los tubos a una presión más baja, por debajo de 10 −6 atm. Estos se llamaban tubos de Crookes. Faraday fue el primero en notar un espacio oscuro justo delante del cátodo, donde no había luminiscencia. Esto pasó a denominarse "espacio oscuro catódico", "espacio oscuro de Faraday" o "espacio oscuro de Crookes". Crookes descubrió que a medida que bombeaba más aire fuera de los tubos, el espacio oscuro de Faraday se extendía por el tubo desde el cátodo hacia el ánodo, hasta que el tubo quedó totalmente oscuro. Pero en el extremo ánodo (positivo) del tubo, el vidrio del tubo comenzó a brillar.
Lo que estaba sucediendo era que a medida que se bombeaba más aire desde el tubo, los electrones expulsados del cátodo cuando los iones positivos golpeaban podían viajar más lejos, en promedio, antes de chocar con un átomo de gas. Cuando el tubo se oscureció, la mayoría de los electrones podían viajar en línea recta desde el extremo del cátodo al 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 por el ánodo y golpeaban la pared posterior 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, investigadores pintaron la pared interior trasera con productos químicos fluorescentes como sulfuro de zinc , para hacer que el brillo fuera más visible.
Los rayos catódicos en sí 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 afiladas en la brillante pared posterior. 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 ).
En aquella época, 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 JJ Thomson midió la masa de los rayos catódicos y demostró que estaban formados por partículas, pero que eran alrededor de 1800 veces más ligeros 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 que más tarde recibió el nombre de electrón , en honor a las partículas postuladas por George Johnstone Stoney en 1874. También demostró que eran idénticas a Partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. [5] Rápidamente se reconoció que son las partículas que transportan corrientes eléctricas en cables metálicos y transportan 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 sus investigaciones sobre los rayos catódicos y sus propiedades.
El método de ionización de gas (o cátodo frío ) para producir rayos catódicos utilizado en los tubos Crookes no era fiable 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 mediante una corriente separada que lo atraviesa liberaría electrones en el tubo mediante 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 fueron evacuados a una presión más baja, alrededor de 10 −9 atm (10 −4 Pa). El método de ionización para crear rayos catódicos utilizado en los tubos Crookes hoy en día sólo se utiliza en unos pocos tubos de descarga de gas especializados , como los krytrones .
En 1906, Lee De Forest descubrió que un pequeño voltaje en una rejilla de cables 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 llevó la era de los tubos de vacío a su fin. cerca.
Los rayos catódicos ahora se denominan habitualmente haces de electrones. La tecnología de manipulación de haces de electrones pionera 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 .
Como una onda, los rayos catódicos viajan en línea recta y producen una sombra cuando son obstruidos por objetos. Ernest Rutherford demostró que los rayos podían atravesar finas láminas metálicas, comportamiento que se espera de una partícula. Estas propiedades contradictorias provocaron perturbaciones al intentar clasificarla como onda o partícula. Crookes insistió en que era una partícula, mientras que Hertz sostuvo que era una onda. El debate se resolvió cuando JJ Thomson utilizó un campo eléctrico para desviar los rayos. Esta era una prueba 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 sugirió más tarde (1924) en su tesis doctoral que los electrones son como fotones y pueden actuar como ondas . El comportamiento ondulatorio de los rayos catódicos fue posteriormente demostrado directamente mediante la reflexión de una superficie de níquel por Davisson y Germer , [6] y la transmisión a través de películas delgadas de celuloide y más tarde películas metálicas por George Paget Thomson y Alexander Reid [7] en 1927. ( Alexander Reid, que era estudiante de posgrado de Thomson, realizó los primeros experimentos pero murió poco después en un accidente de motocicleta [8] y rara vez se menciona).
Plücker y Hittorf encontraron por primera vez pruebas de la existencia de "rayos catódicos"...
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