Katodisäde

Katodisädesuihku, jonka Helmholtzin kelan magneettikenttä taivuttaa ympyräksi. Katodisäteet ovat normaalisti näkymättömiä; tässä tuubessa on jäljellä sen verran kaasua, että kaasuatomit fluoresoivat, kun niihin osuu nopeasti liikkuvia elektroneja.

Katodisäde on elektronisuihku, joka syntyy tarkoitukseen rakennetussa elektrodeilla eli katodilla ja anodilla varustetulla tyhjiöputkessa, jota kutsutaan katodisädeputkeksi. Jos tyhjäksi pumpattuun lasi­putkeen sijoitetaan kaksi elektrodia, joiden välille kytketään jännite, katodia eli jännite­lähteen negatiiviseen napaan kytkettyä elektrodia vastapäätä olevan lasin havaitaan hehkuvan, minkä saavat aikaan katodista lähtevät elektronit. Ilmiön havaitsi ensimmäisenä vuonna 1869 saksalainen fyysikko Johann Hittorf, ja vuonna 1876 Eugen Goldstein antoi sille nimen katodisäteet (saks. Kathodenstrahlen).^lähde?

Häiriytymättömät katodisäteet etenevät suoraviivaisesti, mutta niitä voidaan poikkeuttaa sähkö- tai magneettikentän avulla. Tähän perustuu katodisädenäyttö, joka on oskilloskoopin, vidicon-televisiokameran ja kuvaputkinäytön perusosa. Uudet teknologiaratkaisut kuten nestekidenäytöt ovat kuitenkin pääosin syrjäyttäneet katodisädeputkien käytön näissä sovelluksissa.

Katodisäteiden tutkiminen johti elektronien keksimiseen. Vuonna 1897 brittiläinen fyysikko J. J. Thomson osoitti että säteet koostuivat ennen tuntemattomista, negatiivisen varauksen omaavista hiukkasista, jotka myöhemmin saivat nimen elektroni.

Kuvaus

Kaaviokuva Crookesin putkesta, jossa n�kyv�t kytkenn�t korkean j�nnitteen aikaansaamiseksi. Maltanristin muotoisella osalla ei ole s�hk�isi� kytkent�j�.

Katodis�teet ovat saaneet nimens� siit�, ett� ne l�htev�t tyhi�putkessa negatiiviselta elektrodilta eli katodilta. Jotta putkeen syntyisi elektroni�suihku, elektronien on ensin irrottava katodin atomeista. Varhaisimmissa tyhji��putkissa, Crookesin putkissa, joissa katodi oli kylm�, ilmi� saatiin aikaan kytkem�ll� katodin ja anodin v�lille korkea j�nnite, joka ionisoi putkessa j�ljell� olleen kaasun; kun ionit osuivat katodiin, niit� kiihdyttiv�t s�hk�kentt� ja vapautuneet elektronit. Nyky�aikaisissa tyhji��putkissa k�ytet��n termist� emissiota, jolloin katodi tehd��n ohuesta kuidusta, jota kuumentaa sen l�pi kulkeva erillinen s�hk�virta. Kuidun atomien kiihtynyt satunnainen l�mp�liike irrottaa kuidun pinnalla atomeista elektroneja, jotka sy�ksyv�t putkessa olevaan tyhji��n.

Koska elektroneilla on negatiivinen s�hk�varaus, katodi ty�nt�� niit� luotaan ja anodi vet�� niit� puoleensa. Ne etenev�t tyhj�ss� putkessa suora�viivaisesti. Elektrodien v�linen j�nnite kiihdytt�� n�m� pieni�massaiset hiukkaset suuriin nopeuksiin. Kun elektronit saapuvat anodiin, ne jatkavat matkaansa anodiin kytketyn virta�johtimen kautta virta�l�hteeseen ja sielt� takaisin katodiin. N�in katodi�s�teet kuljettavat s�hk��virran putken l�pi.

Katodis�teet itsess��n ovat n�kym�tt�mi�, mutta niiden olemassa�olo havaittiin ensin, kun ne osuivat putken lasi�seiniin, joissa ne viritt�v�t lasin atomeja ja saavat ne s�teilem��n valoa. T�t� ilmi�t� sanotaan fluoressenssiksi. Tutkijat havaitsivat, ett� putkeen katodin eteen asetetut esineet saattoivat aiheuttaa hehkuvaan sein��n varjon. T�st� voitiin p��tell�, ett� katodista l�hti jotakin, mik� eteni suora�viivaisesti.

Putkessa kulkevaa katodi�s�de�suihkua voidaan ohjata antamalla sen kulkea metalli�johtimien v�litse, kun n�ist� on muodostettu ristikko, johon on kytketty pieni j�nnite. N�iden johtimen s�hk�kentt� saa osan elektroneista poikkeamaan suunnastaan, jolloin ne eiv�t p��se anodille. N�in ollen pienell� j�nnitteell� ristikossa voidaan s��t�� anodin paljon suurempaa j�nnitett�. T�h�n perustuu tyhji��putkien k�ytt� s�hk�isten signaalien vahvistimina. Nopeita katodi�s�de�suihkuja voidaan my�s ohjata s�hk��kentill�, jotka saadaan aikaan sijoittamalla putkeen yli�m��r�isi� metalli�l�evyj�, joihin kytket��n j�nnite, tai magneetti�kentill�, jotka saadaan aikaan k��mien ja niist� muodostettujen s�hk�magneettien avulla. N�in rakennettuja katodis�deputkia k�ytet��n muun muassa televisiovastaanottimissa, tietokoneiden n�yt�iss� ja elektroni�mikro�skoopeissa.

• 
  Crookesin putki
• 
  Katodis�teet l�hte�v�t putken per�ll� olevasta katodista ja osuvat edess� olevaan lasiin, jonka ne saavat hehkumaan vihre�n�, fluoressoimaan. Metalliristi putkessa saa aikaan varjon, mik� osoittaa, ett� s�teet etenev�t suora�viivaisesti.
• 
  Magneetti saa putkeen aikaan vaaka�suoran magneetti�kent�n, joka taivuttaa s�teit� yl�sp�in niin, ett� ristin varjo on korkeammalla.
• 
  Kun magneetti k��nnet��n toisin p�in, se taivuttaa s�teit� alasp�in, jolloin my�s varjo on alempana. Vaaleanpunaisen hehkun saavat aikaan katodis�teet, jotka osuvat putkessa j�ljell� oleviin kaasuatomeihin.

Historia

Sen j�lkeen kun Otto von Guericke vuonna 1654 keksi tyhji�pumpun, fyysikot alkoivat kokeilla, mit� tapahtuu, jos s�hk�n annetaan purkautua harvennetun ilman l�pi. Vuonna 1705 todettiin, ett� s�hk��staattisen generaattorin kipin�t kulkevat pidemm�n matkan alipaineisessa ilmassa kuin normaalissa ilmanpaineessa.^l�hde?

Kaasupurkausputket

Vuonna 1838 Michael Faraday johti virran harvennetulla ilmalla t�ytetyn lasi�putken l�pi ja havaitsi oudon valo�kaaren, joka alkoi katodilta eli negatiiviselta elektrodilta ja p��ttyi anodille eli positiiviselle elektrodille. Vuonna 1857 saksalainen fyysikko ja lasinpuhaltaja Heinrich Geissler sai parannetulla pumpulla putken viel� tarkemmin tyhjennetyksi ilmasta, jolloin j�ljelle j��nyt paine oli vain noin 10^-3 atm, ja h�n havaitsi, ettei putkessa n�kynyt vain kaari, vaan hehku t�ytti koko putken. Putken elektrodien v�linen j�nnite, joka oli saatu aikaan induktiok��mill�, vaihteli muutamasta kilovoltista sataan kilovolttiin. T�llaisia putkia sanotaan Geisslerin putkiksi, ja ne ovat samantapaisia kuin nykyiset neonvalomainokset.^l�hde?

Ilmi�t selitettiin sill�, ett� korkea j�nnite kiihdytt�� s�hk�ll� varattuja atomeja eli ioneja, joita putken ilmassa on l�sn� jonkin verran. Matalassa paineessa kaasu�molekyylien v�lill� on riitt�v�sti tilaa, niin ett� ionit voivat kiihty� tarpeeksi suuriin nopeuksiin niin, ett� kun ne t�rm��v�t toiseen atomiin, ne saavat siit� irtomaan elektroneja, jolloin syntyy ketju�reaktion omaisesti lis�� positiivisia ioneja ja vapaita elektroneja. Katodi vet�� puoleensa kaikki positiiviset ionit. Kun ne osuvat siihen, ne saavat metallista irtoamaan elektroneja. Anodi taas vet�� puoleensa vapaita elektroneja.^l�hde?

Geisslerin putkissa on sen verran ilmaa, ett� siin� elektronit voivat edet� vain lyhyen matkaa, ennen kuin ne t�rm�siv�t johonkin atomiin. Elektronit liikkuivat putkissa hitaan diffuusioprosessin vaikutuksesta eiv�tk� koskaan saavuttaneet kovin suurta nopeutta, mink� vuoksi putkissa ei syntynyt katodi�s�teit�. Sen sijaan niiss� syntyi s�hk��purkauksen aiheuttama v�rillinen hehku, samaan tapaan kuin nykyisiss� neonvaloissa. Sen saivat aikaan kaasu�atomeihin osuneet elektronit ja ionit, jotka virittiv�t atomien orbitaaleilla olleita elektroneja korkeammille energia�tasoille. T�m�n energian elektronit vapauttivat valona. Ilmi�t� sanotaan fluoresenssiksi.^lähde?

Katodisäteet

Crookesin putki. Katodisäteet etenevät suora­viivaisesti katodista (vasemmalle) ja osuvat putken oikeassa päässä olevaan lasiin, jonka ne saavat fluoressoimaan.

Brittiläinen fyysikko William Crookes ja eräät muut tutkijat pystyivät 1870-luvulla tyhjentämään putken ilmasta vielä tarkemmin, jolloin sinne jäänyt paine oli vähemmän kuin 10⁻⁶ atm. Tällaisia putkia sanotaan Crookesin putkiksi. Faraday oli ensimmäisenä havainnut pimeän alueen juuri katodin edessä, jossa ei ollut luminesenssia. Sitä alettiin kutsua "katodin pimeäksi alueeksi", "Faradayn pimeäksi alueeksi" tai "Crookesin pimeäksi alueeksi". Crookes havaitsi, että kun hän pumppasi enemmän ilmaa ulos putkesta, Faradayn pimeä alue laajeni katodista kohti anodia, kunnes lopulta putki oli kokonaan pimeä. Mutta putken anodin puoleisessa eli positiivisessa päässä putken lasi itse alkoi hehkua.^lähde?

Kun putkessa oli entistäkin vähemmän ilmaa, elektronit pääsivät etenemään keski­määrin pidemmän matkan, ennen kuin ne osuivat kaasu­atomeihin. Kun putki oli pimeä, useimmat elektronit pääsivät etenemään suora­viivaisesti katodista anodiin saakka törmäämättä välillä mihinkään. Kun esteitä ei ollut, elektrodien välinen jännite kiihdytti nämä pieni­massaiset hiukkaset suuriin nopeuksiin. Sellaisia ovat katodisäteet.^lähde?

Kun hiukkaset saapuivat anodiin, niiden nopeus oli jo niin suuri, että vaikka anodi veti niitä puoleensa, ne usein lensivät sen ohi ja osuivat putken taka­seinään. Kun ne osuivat lasiseinän atomeihin, ne virittivät niissä elektroneja korkeammille energia­tasoille ja saivat ne fluores­soi­maan. Saadakseen hehkun vielä paremmin näkyviin myöhemmät tutkijat maalasivat lasin sisäpinnan fluores­soivilla aineilla, kuten sinkkisulfidilla.^lähde?

Katodisäteet itsessään ovat näkymättömiä, mutta fluores­senssin ansiosta tutkijat panivat merkille, että putkeen katodin eteen asetetut esineet, myös anodi, aiheuttivat selvä­rajaiset varjot hehkuvalle taka­seinälle. Saksalainen fyysikko Johann Hittorf päätteli vuonna 1869 ensimmäisenä ilmiön osoittavan, että putkessa täytyy olla jotakin, mikä etenee suora­viivaisesti ja jolle Eugen Goldstein sittemmin antoi nimen "katodisäteet".^lähde?

Elektronin löytö

Vielä 1800-luvun lopulla atomit olivat pienimmät tunnetut hiukkaset ja niitä pidettiin jakamattomina. Oli suuri arvoitus, mikä kuljettaa sähkö­virtoja. Vuosisadan lopulla tehtiin useita kokeita sen selvittämiseksi, mitä katodi­säteet olivat. Oli kaksi teoriaa. Crookesin ja Arthur Schusterin mukaan ne koostuivat "säteilevän aineen" hiukkasista, toisin sanoen sähköisesti varautuneista atomeista. Saksalaiset tiedemiehet Eilhard Wiedeman, Heinrich Hertz ja Goldstein sen sijaan väittivät, että ne olivat eetterissä eteneviä aaltoja, jonkinlainen uusi sähkö­magneettisen säteilyn muoto, eivätkä ne olleet samoja, jotka kuljettivat sähkövirran putken läpi.^lähde?

Kiista ratkesi vuonna 1897, kun Joseph John Thomson mittasi katodi­säteiden massan ja osoitti, että ne koostuivat hiukkasista mutta että hiukkasten massa oli vain noin 1800:osa kevyimmän atomin, vetyatomin massasta. Ne eivät siis olleet atomeja, vaan kyseessä oli uusi hiukkaslaji, ensimmäinen löydetty subatominen hiukkanen. Hän nimitti sitä aluksi "korpuskeliksi", mutta myöhemmin se sai nimen elektroni, jonka nimen George Johnstone Stoney oli jo vuonna 1874 antanut olettamilleen hiukkasille. Thomson osoitti myös, että hiukkaset olivat samoja, joita lähtee myös valo­sähköisistä ja radio­aktiivisista aineista (beetasäteily). Pian havaittiin myös, että samat hiukkaset kuljettavat sähkövirtaa metallijohtimissa ja että ne ovat atomeissa negatiivisesti sähköisinä osina.^lähde?

Katodisäteitä tutki ansioituneesti myös Philipp Lenard. Seuraavana vuonna myös Thomson sai elektronin löytämisestä Nobelin palkinnon.

Tyhjiöputket

Kaasun ionisointi Crookesin putkessa käytetyn kaltaisella kylmällä katodilla ei ole luotettavin tapa katodisäteiden aikaansaamiseksi, koska se on riippuvainen putkessa jäljellä olevan ilman paineesta. Vähitellen ilma sitoutuu putken seiniin, jolloin se lakkaa toimimasta. Kun kuitumaisesta johtimesta tehty katodi kuumennetaan punahehkuiseksi sen läpi kulkevan sähkövirran avulla, siitä putkeen lähtee elektroneja termiseksi emissioksi kutsussa prosessissa. Hittorf ja Goldstein keksivät katodisäteiden tuottamiseen luotettavamman ja säädettävissä olevan menetelmä, jonka myös Thomas Edison keksi itsenäisesti vuonna 1880. Ensimmäisissä oikeissa elektronisissa tyhjiöputkissa, jotka keksittiin vuonna 1904, käytettiin tätä kuumakatoditekniikkaa, ja ne syrjäyttivät Crookesin putket. Näiden putkien toimintaan ei tarvita kaasua, joten ilma voitiin pumpata niistä pois niin tarkoin, että jäljelle jäänyt paine oli luokkaa 10^-9 atm (10^-4 Pa). Crookesin putkissa käytettyä ionisointi­menetelmää katodi­säteiden tuottamiseksi käytetään enää vain erikoisvalmisteisissa kaasupurkausputkissa, kuten krytroneissa.

Lee De Forest havaitsi vuonna 1906, että pienellä jännitteellä metalliristikossa voitiin säätää paljon suurempaa virtaa, jonka muodostivat tyhjiö­putken läpi kulkevat katodisäteet. Hänen keksimänsä triodi oli ensimmäinen laite, jolla voitiin vahvistaa sähköisiä signaaleja, ja siitä sai alkunsa nykyaikaisen elektroniikan kehitys. Tyhjiöputket tekivät mahdolliseksi radio- ja televisiolähetykset, tutkan, äänielokuvat ja pitkän matkan puhelin­yhteydet, ja niihin perustui pitkälti koko elektroniikka 1960-luvulle saakka, kunnes transistori syrjäytti ne.

Katodisäteitä sanotaan nykyisin tavallisesti elektroni­suihkuiksi. Elektroni­suihkujen ohjaus­tekniikka sai alkunsa Ferdinand Braunin vuonna 1897 tekemistä keksinnöistä, ja nykyään sitä käytetään muun muassa elektroni­mikro­skoopeissa, elektronisuihkulitografiassa ja hiukkas­kiihdyttimissä.

Katodisäteiden ominaisuuksia

Aaltojen tavoin katodi­säteet etenevät suora­viivaisesti, ja ne muodostavat varjon, jos niiden tiellä on jokin esine. Ernest Rutherford osoitti, että säteet voivat kulkea ohuiden metalli­kalvojen läpi, mikä viittasi siihen, että ne koostuisivat hiukkasista. Koe­tulokset näyttivät siis risti­riitaisilta, ja syntyi kiistoja siitä, olivatko ne aaltoja vai hiukkas­virtoja. Crookesin mukaan ne olivat hiukkasia, Hertzin mukaan aaltoja. Kiista ratkesi, kun J. J. Thomson käytti sähkö­kenttää säteiden kulku­suunnan muuttamiseksi. Se osoitti, että katodi­säteet muodostuivat hiukkasista, sillä tiedettiin, ettei sähkö­kentällä voitu muuttaa sähkö­magneettisten aaltojen kulku­suuntaa. Ne voivat myös saada aikaan mekaanisia ilmiöitä ja fluoressenssia.

Louis de Broglie väitti myöhemmin, vuonna 1924, tohtorin­väitös­kirjassaan, että elektronit ovat fotonien kaltaisia siinä suhteessa, että nekin voivat käyttäytyä sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Niilläkin on samanlainen dualistinen luonne, jollaisen Einstein oli jo aikaisemmin väittänyt valolla olevan. Katodisäteiden aaltoluonteen vahvisti vuonna 1927 Davissonin–Germerin koe, joka osoitti niiden taipuvan kidehilassa.

Katso myös

• Anodisäde

Aiheesta muualla

• The Cathode Ray Tube site
• Crookes tube with maltese cross operating
• Electons in crossed electic + magnetic fields: More about electron beams