Kanalne zrake

Kanalne zrake ili anodne zrake su snop ili struja pozitivno nabijenih čestica koje nastaju u izbojnim elektronskim cijevima u razrijeđenim plinovima pri vrlo niskome tlaku (manje od 1 Pa). Kanalne zrake prolaze kroz otvor (kanal) u katodi i u prostoru iza nje svojstveno svjetlucaju. Ime im je dao otkrivač, njemački fizičar Eugen Goldstein, koji je s njima obavljao pokuse oko 1886., a njihova svojstva istraživali su još W. Crookes i P. Lenard, a posebice J. J. Thomson. Mjerenjem omjera njihova električnog naboja i mase električnim i magnetskim poljima utvrđeno je da su kanalne zrake pozitivno nabijeni ioni plina koji se nalaze u izbojnim cijevima. Kanalne zrake imaju danas važnu ulogu u mikrotehnici i nanotehnici ubacivanja (implantacije) slojeva pozitivno nabijenih iona, odnosno atoma u fizici i tehnologiji poluvodiča i njihovih heterostruktura.

Kanalne zrake prolaze kroz šupljikavu katodu i uzrokuju ljubičastu svjetlost iznad.

Pojednostavljeni prikaz kanalnih zraka koje su s desne strane šupljikave katode.

Pojednostavljeni prikaz kanalnih zraka.

Crookesova cijev (2 pogleda): na svjetlu i u tami. Elektroni putuju ravno s lijeve strane gdje je katoda, na desnu stranu gdje je anoda (žica na dnu cijevi desno). Kao dokaz struje elektrona postavljen je Malteški križ koji baca sjenu na desnu stranu cijevi.

Objašnjenje

Ako u katodnoj cijevi načinimo otvor u katodi, to će pozitivni ionim koji nastaju u razrijeđenom plinu, kod tlaka od 0,000 065 bara, stvarati iza katode takozvane kanalne ili anodne zrake koje daju crvenkastu svjetlost, a šire se pravocrtno. Dakle, kanalne zrake su struja pozitivnih iona.

I na kanalne zrake djeluje magnetsko i električno polje, ali ono mora biti vrlo jako. Prema skretanju kanalnih zraka u magnetskom, odnosno električnom polju, možemo zaključiti da je njihov električni naboj pozitivan jer im je otklon na suprotnu stranu od katodnih zraka. Istraživanjem njihova specifičnog naboja e/m, našlo se da je on manji nego kod katodnih zraka. Razlog je u tome što je masa čestica m u kanalnim zrakama mnogo veća nego kod katodnih zraka. Osim toga je e/m različit kod raznih plinova. Odatle možemo zaključiti da su kanalne zrake struja atoma, odnosno atomskim skupinama koje nose pozitivan naboj, to jest one su pozitivni ioni plina koji se nalazi u cijevi. Brzina kanalnih zraka je 3∙10⁵ do 3∙10⁷ m/s. Kanalne, kao i katodne zrake, izazivaju ionizaciju plinova.

Katodne i kanalne zrake

Podrobniji članak o temi: Katodno zračenje

Bit negativnog elektriciteta razjasnilo je prije svega pokusno ispitivanje katodnih zraka koje je otkrio J. Plücker 1858. Te zrake su se opažale pri elekričnom izbijanju u cijevima, gdje je zrak ili plin bio isisan do vrlo niskog tlaka. U normalnim prilikama zrak gotovo nikako ne vodi električnu struju. On je električni izolator. No kad se zrak jako razrijedi, tada se najedanput opaža svjetlucanje između obiju elektroda. Od katode šire se katodne zrake. Za ispitivanje katodnih zraka stekli su velike zasluge J. W. Hittorf, W. Crookes, Varley te osobito J. J. Thomson i P. Lenard. Pokusi su otkrili ova bitna svojstva:

• katodne zrake šire se okomito na katodu u pravcima. Stavi li se ispred njih neka zapreka, u njenoj geometrijskoj sjeni ne opažaju se zrake;
• u električnom polju zrake se savijaju kao brze čestice negativnog električnog naboja;
• katodne zrake pokreću sitne listiće, na koje padnu.

Prema svim tim svojstvima fizičari su zaključili da se katodne zrake moraju sastojati od čestica iste mase i istog električnog naboja. Te čestice, kojima je masa morala biti mnogo manja od mase atoma, nazvane su elektroni.

Danas se katodne zrake ponajčešće proizvode na način metalnog "isparavanja". Polazna je činjenica da užareni metali izbacuju elektrone. U vakuumskoj cijevi kao katoda služi užarena metalna nit. Nit isparuje elektrone u prostor. Ti elektroni imaju razmjerno male brzine. Između katode i anode ukopča se visoki električni napon, koji elektrone jako ubrzava i na taj način stvara brze elektronske struje. Brzina elektrona određena je električnim naponom između katode i anode. Kad elektron prođe električni napon U, zadobiva energiju e∙U. Ta dobivena energija očituje se u kinetičkoj energiji elektrona:

${\frac {m\cdot v^{2}}{2}}=e\cdot U$

Savijanje katodnih zraka u električnom i magnetskom polju vrlo se dobro tumačilo predodžbom, da se one sastoje od čestica određene mase i električnog naboja koje se kreću po poznatom Newtonovom zakonu gibanja. Međutim, ispitivanja vrlo brzih elektrona ipak pokazuju svojstvena odstupanja od Newtonove mehanike. Tako se masa elektrona naglo povećava kad se brzina elektrona v približava brzini svjetlosti c. Masu sporog elektrona ili, bolje rečeno, masu elektrona u mirovanju označit ćemo s m, a masu elektrona u gibanju s m’. Prema ispitivanjima dobiva se:

$m'={\frac {m}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\,$

Promjene mase su neznatne, dok je brzina tijela mala prema brzini svjetlosti. Tek kad se brzine približe brzini svjetlosti, opažaju se odstupanja od klasične mehanike.

Neosporno je da elektroni moraju biti sastavni dijelovi atoma. Budući da su atomi kao cjelina neutralni, to moraju sadržavati i pozitivan elektricitet. Veza pozitivnog elektriciteta s atomima najjasnije se očitavala u ispitivanju kanalnih zraka što ih je otkrio Eugen Goldstein.

Goldstein je ispitivao katodne zrake u staklenoj cijevi u kojoj je plin bio vrlo razrijeđen. Kako smo prije spomenuli, pri vrlo niskom tlaku šire se od katode katodne zrake. Goldstein je 1886. došao na misao da načini rupu u katodi. U prostoru iza kanala u katodi šire se tada nove zrake. Zrake nose pozitivan električni naboj. Budući da prolaze kroz kanal katode, dobile su naziv kanalne zrake.

Sličnom metodom kao kod elektrona mogla se odrediti masa čestica kanalnih zraka. Mjerenja su pokazala da se mase čestica u kanalnim zrakama podudaraju s masama s masama kemijskih atoma. Kanalne zrake struje su pozitivnih iona. Postanak kanalnih zraka možemo lako objasniti. Pri električnom izbijanju nastaje uvijek u razrijeđenom plinu velik broj pozitivnih iona. To su atomi kojima se otkinuo jedan ili dva ili više elektrona. Kako ti atomi nose pozitivan naboj, to ih katoda koja je negativno nabijena jako privuče. Pozitivni ioni pojure prema katodi. No kako postignu velike brzine, projure kroz kanal katode u prostor iza katode. Tu se dalje kreću konstantnom brzinom. Kakvim plinom napunimo staklenu cijev, takve ione imat ćemo u kanalnim zrakama.

Kanalne zrake s najlakšim česticama su vodikovi ioni. Vodikovi ioni imaju električni naboj +e. Veći naboj ne mogu imati. U tom pogledu kanalne zrake vodika naliče na katodne zrake. Pozitivni vodikovi ioni dobili su ime protoni.