Rayo catódico

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Los rayos catódicos o haces de electrones ( e-beam ) son corrientes de electrones observadas en tubos de descarga . Si un tubo de vidrio evacuado está equipado con dos electrodos y se aplica un voltaje , se observa que el vidrio detrás del electrodo positivo brilla, debido a los electrones emitidos desde el cátodo (el electrodo conectado al terminal negativo de la fuente 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 con carga negativa previamente desconocida, que más tarde se denominó electrón . Los tubos de rayos catódicos (CRT) utilizan un haz enfocado de electrones desviados por campos eléctricos o magnéticos para reproducir una imagen en una pantalla.

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 desprenderse 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 hacía 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 eran acelerados por el campo eléctrico hacia el cátodo, y cuando chocaban con él, expulsaban 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 pasa a través de él. 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 una 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 chocaron contra 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 sobre la pared brillante, y se dieron cuenta de que algo debía viajar en línea recta desde el cátodo. Después de que los electrones chocan con 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 de regreso a través del cable del cátodo hasta el 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 al pasarlo 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 pasa a través del ánodo depende del voltaje en la rejilla. Por lo tanto, un pequeño voltaje en la rejilla puede ser hecho para controlar 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 de 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 ser dirigidos y manipulados por campos eléctricos creados por placas metálicas adicionales en el tubo a las que se aplica voltaje, o campos magnéticos creados por bobinas de alambre ( electroimanes ). Se utilizan en tubos de rayos catódicos , presentes en televisores y monitores de ordenador, y en microscopios electrónicos .

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  Tubo de Crookes. El cátodo (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 catódicos viajan desde el cátodo en la parte posterior del tubo, golpeando el frente de vidrio, haciéndolo brillar de color verde por fluorescencia . Una cruz de metal en el tubo proyecta una sombra, lo que demuestra que los rayos viajan en línea recta.
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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 se invierte el imán, los rayos se desvían hacia abajo, por lo que la sombra es menor. El brillo rosado se produce cuando los rayos catódicos chocan con los átomos de gas residuales en el tubo.

Después de que Otto von Guericke inventara la bomba de vacío en 1654 , los físicos comenzaron a experimentar con el paso de electricidad de alto voltaje a través del aire enrarecido . En 1705, se observó que las chispas de los generadores electrostáticos recorrían una distancia mayor a través del aire a baja presión que a través del 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 con su inicio en el cátodo (electrodo negativo) y su final 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 , estaba entre unos pocos kilovoltios y 100 kV. Estos se llamaron tubos Geissler , similares a los letreros de neón de la actualidad .

La explicación de estos efectos era que el alto voltaje aceleraba los electrones libres y los átomos cargados eléctricamente ( iones ) presentes de forma natural en el aire del tubo. ^{[ cita requerida ]} A baja presión, había suficiente espacio entre los átomos de gas para que los electrones pudieran acelerar a velocidades lo suficientemente altas como para que cuando chocaran con un átomo arrancaran electrones de él, creando más iones positivos y electrones libres, que a su vez crearon más iones y electrones en una reacción en cadena, ^{[ cita requerida ]} conocida como descarga luminiscente . Los iones positivos eran atraídos por el cátodo y cuando chocaban con él arrancaban más electrones, que eran atraídos hacia el ánodo. Por lo tanto, el aire ionizado era eléctricamente conductor y una corriente eléctrica fluía a través del tubo.

Los tubos Geissler tenían suficiente aire en su interior como para que los electrones sólo pudieran viajar una distancia minúscula antes de colisionar con un átomo. Los electrones de estos tubos se movían en un lento proceso de difusión , sin ganar mucha velocidad, por lo que estos tubos no producían rayos catódicos. En cambio, producían una descarga luminosa de colores (como en una luz de neón moderna ), que se producía cuando los electrones chocaban con átomos de gas, excitando sus electrones orbitales a niveles de energía más altos. Los electrones liberaban esta energía en forma de luz. Este proceso se llama fluorescencia.

En la década de 1870, el físico británico William Crookes y otros lograron evacuar los tubos a una presión inferior, por debajo de 10 ⁻⁶ atm. Estos tubos se denominaron tubos de Crookes. Faraday había sido el primero en notar un espacio oscuro justo delante del cátodo, donde no había luminiscencia. Esto pasó a llamarse "espacio oscuro del cátodo", "espacio oscuro de Faraday" o "espacio oscuro de Crookes". Crookes descubrió que a medida que extraía 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 quedaba totalmente oscuro. Pero en el extremo del ánodo (positivo) del tubo, el vidrio del propio tubo comenzaba 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 chocaban con él podían viajar más lejos, en promedio, antes de chocar con un átomo de gas. Cuando el tubo se oscurecía, la mayoría de los electrones podían viajar en línea recta desde el cátodo hasta el extremo del ánodo del tubo sin colisionar. Sin obstrucciones, estas partículas de baja masa se aceleraban a altas velocidades por el voltaje entre los electrodos. Estos eran los rayos catódicos.

Cuando llegaban al extremo del ánodo del tubo, viajaban tan rápido que, aunque eran atraídos por él, a menudo pasaban volando por el ánodo y golpeaban la pared trasera del tubo. Cuando chocaban con los átomos de la pared de vidrio, excitaban sus electrones orbitales a niveles de energía más altos . Cuando los electrones volvían a su nivel de energía original, liberaban la energía en forma de luz, lo que hacía que el vidrio emitiera fluorescencia , generalmente de un color verdoso o azulado. Más tarde, los investigadores pintaron la pared trasera interior con productos químicos fluorescentes como el sulfuro de zinc , para hacer que el brillo fuera más visible.

Los rayos catódicos son invisibles, pero esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores observar que los objetos que se encontraban en el tubo frente al cátodo, como el ánodo, proyectaban sombras muy definidas sobre la pared posterior 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 denominó rayos catódicos (en alemán Kathodenstrahlen ).

En aquella época, los átomos eran las partículas más pequeñas que se conocían y se creía que eran indivisibles. Lo que transportaba 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 que 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, demostrando que estaban hechos de partículas, pero 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 en ser descubierta, a la que originalmente llamó " corpúsculo " pero que luego fue nombrada 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. ^[5] Se reconoció rápidamente que son las partículas que transportan corrientes eléctricas en cables metálicos y llevan la carga eléctrica negativa del átomo.

Por este trabajo, Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Philipp Lenard también contribuyó en gran medida a la teoría de rayos catódicos, y en 1905 recibió el Premio Nobel 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 de Crookes no era confiable, porque dependía de la presión del aire residual en el tubo. Con el tiempo, el aire era absorbido por las paredes del tubo y dejaba de funcionar.

Hittorf y Goldstein investigaron un método más fiable y controlable para producir rayos catódicos, ^{[ cita requerida ] y} Thomas Edison lo redescubrió en 1880. Un cátodo hecho de un filamento de alambre calentado al rojo vivo por una corriente separada que pasaba a través de él 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 , usaban esta técnica de cátodo caliente y reemplazaron a los tubos de Crookes. Estos tubos no necesitaban gas en su interior para funcionar, por lo que se evacuaban 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 de Crookes hoy en día solo se utiliza 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 cables metálicos entre el cátodo y el ánodo podía controlar una corriente en un haz de rayos catódicos que pasaba por 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 habladas, 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 se denominan hoy en día haces de electrones. La tecnología de manipulación de haces de electrones, que se utilizó por primera vez en estos primeros tubos, se aplicó prácticamente en el diseño de tubos de vacío, en particular en la invención del tubo de rayos catódicos (TRC) 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 .

Al igual que las ondas, los rayos catódicos viajan en línea recta y producen una sombra cuando son obstruidos por objetos. Ernest Rutherford demostró que los rayos podían atravesar láminas metálicas delgadas, comportamiento que se esperaba de una partícula. Estas propiedades contradictorias causaron disrupciones al intentar clasificarlos 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. Esto fue evidencia de que los rayos estaban compuestos de partículas porque los científicos sabían que era imposible desviar ondas electromagnéticas con un campo eléctrico. Estas también pueden crear efectos mecánicos, fluorescencia, etc.

Louis de Broglie sugirió más tarde (1924) en su tesis doctoral que los electrones son como los fotones y pueden actuar como ondas . El comportamiento ondulatorio de los rayos catódicos fue demostrado más tarde directamente utilizando 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 de metal 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 lo menciona).

• Química general (estructura y propiedades de la materia) por Aruna Bandara (2010)

• El sitio del tubo de rayos catódicos
• Tubo de Crookes con cruz de Malta operativa