Promienie anodowe: odkrycie, właściwości

Promienie anodowe lub promienie kanałowe, nazywane również promieniami dodatnimi, są wiązkami promieni dodatnich utworzonych przez kationy atomowe lub molekularne (jony o ładunku dodatnim), które są skierowane w stronę elektrody ujemnej w tubie Crookesa.

Promienie anodowe powstają, gdy elektrony przechodzące z katody do anody zderzają się z atomami gazu zamkniętego w rurze Crookesa.

Gdy cząstki tego samego znaku odpychają się, elektrony, które idą w kierunku anody, rozpoczynają elektrony obecne w skorupie atomów gazu.

Zatem atomy, które pozostały naładowane dodatnio - to znaczy zostały przekształcone w jony dodatnie (kationy) - są przyciągane do katody (z ładunkiem ujemnym).

Odkrycie

To właśnie niemiecki fizyk Eugen Goldstein odkrył je, obserwując je po raz pierwszy w 1886 roku.

Następnie prace przeprowadzone na promieniach anodowych przez naukowców Wilhelma Wiena i Josepha Johna Thomsona zakończyły się opracowaniem spektrometrii mas.

Właściwości

Główne właściwości promieni anodowych są następujące:

- Mają ładunek dodatni, wartość ich ładunku jest wielokrotnością ładunku elektronu (1, 6 ∙ 10-19 C).

- Przemieszczają się po linii prostej przy braku pól elektrycznych i pól magnetycznych.

- Różnią się one w obecności pól elektrycznych i pól magnetycznych, przesuwając się w kierunku strefy ujemnej.

- Mogą przenikać cienkie warstwy metali.

- Mogą jonizować gazy.

- Zarówno masa, jak i ładunek cząstek tworzących promienie anodowe różnią się w zależności od gazu zawartego w rurze. Zwykle jego masa jest identyczna z masą atomów lub cząsteczek, z których pochodzą.

- Mogą powodować zmiany fizyczne i chemiczne.

Trochę historii

Przed odkryciem promieni anodowych miało miejsce odkrycie promieni katodowych, które miało miejsce w latach 1858 i 1859. Odkrycie to należy do Juliusa Plückera, matematyka i fizyka pochodzenia niemieckiego.

Następnie angielski fizyk Joseph John Thomson dogłębnie zbadał zachowanie, cechy i efekty promieni katodowych.

Ze swojej strony Eugen Goldstein - który wcześniej prowadził inne badania nad promieniami katodowymi - był tym, który odkrył promienie anodowe. Odkrycie miało miejsce w 1886 roku i zdał sobie z tego sprawę, gdy zdał sobie sprawę, że lampy wyładowcze z perforowaną katodą emitują również światło na końcu katody.

W ten sposób odkrył, że oprócz promieni katodowych były też inne promienie: promienie anodowe; te poruszały się w przeciwnym kierunku. Gdy promienie te przechodziły przez otwory lub kanały w katodzie, postanowił nazwać je promieniami kanałowymi.

Jednak to nie on, ale Wilhelm Wien, przeprowadził późniejsze badania promieni anodowych. Wien wraz z Josephem Johnem Thomsonem stworzyli podstawy spektrometrii mas.

Odkrycie przez Eugena Goldsteina promieni anodowych było podstawowym filarem późniejszego rozwoju współczesnej fizyki.

Dzięki odkryciu promieni anodowych po raz pierwszy zorganizowano roje szybko poruszających się atomów, których zastosowanie było bardzo żyzne dla różnych gałęzi fizyki atomowej.

Lampa anodowa

W odkryciu promieni anodowych Goldstein użył rury wyładowczej z perforowaną katodą. Szczegółowy proces, w którym promienie anodowe powstają w rurze wyładowczej, jest następujący.

Przez przyłożenie dużej różnicy potencjałów kilku tysięcy woltów do rury, wytwarzane pole elektryczne przyspiesza niewielką liczbę jonów, które są zawsze obecne w gazie i które powstają w wyniku naturalnych procesów, takich jak radioaktywność.

Te przyspieszone jony zderzają się z atomami gazu, wyrywając elektrony i tworząc więcej dodatnich jonów. Z kolei te jony i elektrony atakują ponownie więcej atomów, tworząc więcej dodatnich jonów w reakcji łańcuchowej.

Pozytywne jony są przyciągane przez ujemną katodę, a niektóre przechodzą przez otwory w katodzie. Kiedy dotrą do katody, już przyspieszyły wystarczająco szybko, aby zderzając się z innymi atomami i cząsteczkami gazu, pobudzały gatunek na wyższych poziomach energii.

Kiedy te gatunki powrócą do swoich pierwotnych poziomów energii, atomy i cząsteczki uwalniają energię, którą wcześniej zdobyły; energia jest emitowana w postaci światła.

Ten proces produkcji światła, zwany fluorescencją, powoduje pojawienie się jasności w obszarze, w którym jony wydobywają się z katody.

Proton

Chociaż Goldstein uzyskał protony w swoich eksperymentach z promieniami anodowymi, to nie on przypisuje odkrycie protonu, ponieważ nie był w stanie go poprawnie zidentyfikować.

Proton jest najlżejszą cząstką dodatnich cząstek wytwarzanych w lampach anodowych. Proton jest wytwarzany, gdy rura jest obciążona gazem wodorowym. W ten sposób, gdy wodór jest zjonizowany i traci swój elektron, otrzymuje się protony.

Proton ma masę 1, 67 ∙ 10-24 g, prawie taką samą jak atom wodoru, i ma ten sam ładunek, ale przeciwny znak, który ma elektron; to jest 1, 6-10-19 C.

Spektrometria mas

Spektrometria mas, opracowana na podstawie odkrycia promieni anodowych, jest procedurą analityczną, która umożliwia badanie składu chemicznego cząsteczek substancji na podstawie jej masy.

Pozwala zarówno na rozpoznanie nieznanych związków, na zliczenie znanych związków, jak i na poznanie właściwości i struktury cząsteczek substancji.

Z drugiej strony spektrometr mas jest urządzeniem, za pomocą którego można dokładnie analizować strukturę różnych związków chemicznych i izotopów.

Spektrometr mas umożliwia oddzielenie jąder atomowych na podstawie zależności między masą a ładunkiem.