브라운관

Cathode ray
헬름홀츠 코일에 의해 생성된 자기장에 의해 원형으로 휘어진 진공관 내의 음극선 빔.일반적으로 음극선은 보이지 않습니다. 텔트론 튜브 시연에서는 빠르게 움직이는 전자에 의해 부딪힐 때 가스 원자가 발광할 수 있을 만큼 충분한 가스가 튜브에 남아 있습니다.

음극선 또는 전자빔(e-beam)은 방전관에서 관찰되는 전자의 흐름입니다.진공 유리 튜브에 두 개의 전극이 장착되어 있고 전압이 인가되면 양극(전압 공급 장치의 음극 단자에 연결된 전극)에서 방출되는 전자로 인해 양극 뒤의 유리가 발광하는 것으로 관찰됩니다.그것들은 1859년에 독일의 물리학자 율리우스 플뤼커와 요한 빌헬름 히토르프에 의해 처음으로 [1]관찰되었고, 1876년에 외젠 골드스타인 카토덴슈트라흘렌(Eugen Goldstein Kathodenstrahlen), 즉 음극선에 의해 이름 지어졌습니다.[2][3]1897년, 영국의 물리학자 J. J. 톰슨은 음극선이 이전에 알려지지 않은 음전하를 띤 입자로 구성되어 있다는 것을 보여주었고, 이 입자는 나중에 전자라고 이름 붙여졌습니다.브라운관(CRT)은 전기장이나 자기장에 의해 편향된 전자의 집속된 빔을 사용하여 화면에 이미지를 렌더링합니다.

묘사

고전압 공급장치에 연결된 크룩스(Crookes) 튜브를 도시한 도면이다.몰타 십자가는 외부 전기 연결이 없습니다.

음극선은 진공관에서 음극, 즉 음극에 의해 방출되기 때문에 그렇게 이름 붙여졌습니다.튜브에 전자를 방출하기 위해서는 먼저 음극의 원자로부터 전자를 분리해야 합니다.Crookes tube라고 불리는 음극선이 발견된 초기 실험용 냉음극 진공관에서, 이것은 튜브의 잔류 가스 원자를 이온화하기 위해 양극과 음극 사이에 수천 볼트의 높은 전위를 사용함으로써 행해졌습니다.양극 이온은 전기장에 의해 음극 쪽으로 가속되었고, 양극과 충돌했을 때 표면에서 전자를 떨어트렸습니다. 이것이 음극선이었습니다.현대의 진공관은 열이온 방출을 사용하는데, 음극은 얇은 선 필라멘트로 구성되어 있으며, 이 필라멘트는 그것을 통과하는 별도의 전류에 의해 가열됩니다.필라멘트의 증가된 무작위 열 운동은 필라멘트의 표면에서 튜브의 진공 공간으로 전자를 떨어 뜨립니다.

전자는 음전하를 가지고 있기 때문에 음의 음극에 의해 반발되고 양의 양극으로 끌립니다.그들은 빈 튜브를 통해 평행선으로 이동합니다.전극 사이에 인가된 전압은 이러한 낮은 질량의 입자를 빠른 속도로 가속시킵니다.음극선은 보이지 않지만, 그 존재는 이 크룩스 튜브에서 처음으로 감지되었는데, 이는 그들이 튜브의 유리 벽에 부딪혔을 때 유리 코팅의 원자들을 흥분시키고 형광이라고 불리는 빛을 방출하게 했습니다.연구원들은 음극 앞의 튜브에 놓인 물체들이 빛나는 벽에 그림자를 드리울 수 있다는 것을 알아차렸고, 무언가가 음극으로부터 직선으로 이동하고 있다는 것을 깨달았습니다.전자가 튜브의 뒤쪽을 타격한 후 양극으로 이동한 다음 전원 공급 장치를 통해 양극 와이어를 통과하여 음극 와이어를 통해 음극으로 다시 이동하므로 음극선이 튜브를 통해 전류를 전달합니다.

진공관을 통과하는 음극선 빔의 전류는 음극과 양극 사이의 배선(그리드)의 금속 스크린을 통과함으로써 제어될 수 있으며, 이에 작은 음의 전압이 인가됩니다.전선의 전기장은 일부 전자를 편향시켜서 양극에 도달하는 것을 막습니다.양극으로 전달되는 전류의 양은 그리드의 전압에 따라 달라집니다.따라서 그리드의 작은 전압을 만들어 양극의 훨씬 더 큰 전압을 제어할 수 있습니다.진공관에서 전기 신호를 증폭하는 원리입니다.1907년에서 1914년 사이에 개발된 삼극 진공관은 증폭이 가능한 최초의 전자 장치였으며, 지금도 전파 송신기와 같은 일부 응용 분야에서 사용되고 있습니다.또한, 음극선의 고속 빔은 전압이 인가되는 튜브 내의 추가적인 금속 플레이트에 의해 생성된 전기장 또는 와이어(전자석)의 코일에 의해 생성된 자기장에 의해 조향되고 조작될 수 있습니다.이것들은 텔레비전과 컴퓨터 모니터에서 볼 수 있는 브라운관과 전자 현미경에서 사용됩니다.

  • Crookes tube. The cathode (negative terminal) is on the right. The anode (positive terminal) is in the base of the tube at bottom.

    크룩스 튜브.음극(음극 단자)은 오른쪽에 있습니다.양극(양극 단자)은 튜브의 하단에 있습니다.

  • Cathode rays travel from the cathode at the rear of the tube, striking the glass front, making it glow green by fluorescence. A metal cross in the tube casts a shadow, demonstrating that the rays travel in straight lines.

    음극선은 튜브 후면의 음극에서 이동하여 유리 전면을 타격하여 형광에 의해 녹색으로 빛납니다.튜브 안에 있는 금속 십자가가 그림자를 드리우고, 광선이 직선으로 이동한다는 것을 보여줍니다.

  • A magnet creates a horizontal magnetic field through the neck of the tube, bending the rays up, so the shadow of the cross is higher.

    자석이 관의 목을 통해 수평 자기장을 만들어 광선을 위로 구부리면 십자가의 그림자가 더 높아집니다.

  • When the magnet is reversed, it bends the rays down, so the shadow is lower. The pink glow is caused by cathode rays striking residual gas atoms in the tube.

    자석이 반대로 바뀌면 광선이 아래로 휘어져 그림자가 더 낮아집니다.분홍색 빛은 음극선이 튜브의 잔류 가스 원자에 부딪혀 발생합니다.

역사

오토 폰 게릭케에 의해 진공 펌프가 발명된 1654년 이후, 물리학자들은 희귀한 공기를 통해 고전압 전기를 통과시키는 실험을 하기 시작했습니다.1705년, 정전 발전기 스파크는 대기압 공기보다 저압 공기를 통해 더 먼 거리를 이동한다는 사실이 밝혀졌습니다.

가스배출관

전류에 의한 저압관에서의 글로우 방전

1838년 마이클 패러데이는 공기가 일부 빠져나간 유리관의 양쪽 끝에서 두 개의 금속 전극 사이에 높은 전압을 가했고, 음극(음극)에서 시작하여 양극(양극)에서 끝을 갖는 이상한 광호를 발견했습니다.[4]1857년, 독일의 물리학자이자 유리 공예가인 Heinrich Geissler는 개선된 펌프로 훨씬 더 많은 공기를 흡입하여, 약−3 10 atm의 압력을 가했고, 호 대신에, 빛이 관을 가득 채웠다는 것을 발견했습니다.유도 코일에 의해 생성된 튜브의 두 전극 사이에 인가되는 전압은 수 킬로볼트에서 100 kV 사이였습니다.이것들은 오늘날의 네온사인과 비슷한 가이슬러 튜브라고 불렸습니다.

이러한 효과에 대한 설명은 높은 전압으로 인해 튜브의 공기 중에 자연적으로 존재하는 자유 전자와 전하를 띤 원자(이온)가 가속된다는 것이었습니다.[citation needed]낮은 압력에서, 가스 원자들 사이에 충분한 공간이 있어서 전자들이 충분히 빠른 속도로 가속할 수 있었고, 그들이 원자를 칠 때 더 많은 양의 이온과 자유 전자를 만들어 냈고, 이것은 글로우 방전이라고 알려진 [citation needed]연쇄 반응으로 더 많은 이온과 전자를 만들어 냈습니다.양극 이온은 음극에 끌렸고 양극에 부딪혔을 때 더 많은 전자가 음극에서 떨어져 나갔습니다.따라서 이온화된 공기는 전기적으로 전도성이 있으며 튜브를 통해 전류가 흐릅니다.

가이슬러 튜브에는 전자가 원자와 충돌하기 전에 아주 작은 거리만 이동할 수 있는 충분한 공기가 들어 있었습니다.이 튜브들의 전자들은 느린 확산 과정에서 움직였고, 결코 많은 속도를 내지 못했습니다. 그래서 이 튜브들은 음극선을 만들지 않았습니다.대신, 그들은 (현대의 네온 불빛에서와 같이) 화려한 발광을 만들어 냈는데, 이는 전자가 가스 원자에 부딪혀 궤도 전자를 더 높은 에너지 수준으로 흥분시켰습니다.전자들은 이 에너지를 빛으로 방출했습니다.이 과정을 형광이라고 합니다.

음극선

1870년대까지 영국의 물리학자 윌리엄 크룩스와 다른 사람들은 튜브를 10기압−6 이하의 낮은 압력으로 대피시킬 수 있었습니다.이것들은 크룩스 튜브라고 불렸습니다.패러데이는 브라운관 바로 앞에서 발광이 없는 어두운 공간을 가장 먼저 발견했습니다.이것은 "음극 암흑 공간", "파라데이 암흑 공간" 또는 "크룩스 암흑 공간"이라고 불리게 되었습니다.크룩스는 튜브 밖으로 더 많은 공기를 뿜어낼 때, 패러데이 암흑 공간이 음극에서 양극 쪽으로 튜브 아래로 퍼지면서 튜브가 완전히 어두워질 때까지 퍼진다는 것을 발견했습니다.그러나 튜브의 양극(양극) 끝에서 튜브 자체의 유리가 빛나기 시작했습니다.

튜브에서 공기가 더 많이 퍼지면서 양극에 양이온이 부딪혔을 때 전자가 음극에서 떨어져 나와 평균적으로 가스 원자에 부딪히기 전에 더 멀리 이동할 수 있다는 것입니다.튜브가 어두워질 때쯤, 대부분의 전자들은 충돌 없이 음극에서 음극 끝까지 직선으로 이동할 수 있었습니다.방해물 없이, 이 낮은 질량의 입자들은 전극들 사이의 전압에 의해 고속으로 가속되었습니다.이것들이 음극선이었습니다.

그들이 튜브의 양극 끝에 도달했을 때, 그들은 매우 빠르게 이동하고 있어서, 비록 그들이 그것에 끌렸지만, 그들은 종종 양극을 지나쳐 튜브의 뒷벽에 부딪쳤습니다.그들이 유리 벽 안의 원자들을 칠 때, 그들은 궤도 전자들을 더 높은 에너지 수준으로 들뜨게 했습니다.전자가 원래의 에너지 수준으로 돌아오면, 그들은 에너지를 빛으로 방출하여 유리가 보통 녹색이나 푸른색인 형광을 띠게 합니다.후에 연구원들은 빛을 더 잘 보이게 하기 위해 안쪽 뒷벽을 황화아연과 같은 형광 화학물질로 칠했습니다.

음극선 자체는 보이지 않지만, 이 우발적인 형광은 연구자들로 하여금 양극과 같이 음극 앞에 있는 관 속의 물체들이 빛나는 뒷벽에 날카로운 날들의 그림자를 드리운다는 것을 알아차릴 수 있게 했습니다.1869년 독일의 물리학자 요한 히토르프는 무언가가 그림자를 드리우기 위해 음극에서부터 직선으로 이동하고 있음을 처음으로 깨달았습니다.외젠 골드스타인은 그것들을 음극선(독일어 Kathodenstrahlen)이라고 이름 지었습니다.

전자의 발견

이 시기에 원자는 알려진 가장 작은 입자였고, 나눌 수 없다고 여겨졌습니다.전류를 운반하는 것은 수수께끼였습니다.19세기의 마지막 4분의 1 동안, 음극선이 무엇인지 알아내기 위해 크룩스 튜브로 많은 역사적인 실험들이 이루어졌습니다.두 가지 이론이 있었습니다.크룩스와 아서 슈스터는 그들이 "방사성 물질", 즉 전기로 대전된 원자의 입자라고 믿었습니다.독일의 과학자 아일하르트 비데만, 하인리히 헤르츠 그리고 골드스타인은 그것들이 전자기 복사의 새로운 형태인 에테르 파동이며 튜브를 통해 전류를 전달하는 것과는 별개라고 믿었습니다.

이 논쟁은 1897년 J. J. 톰슨이 음극선이 입자로 만들어졌지만 가장 가벼운 원자인 수소보다 약 1800배 가볍다는 것을 보여주면서 해결되었습니다.그러므로, 그것들은 원자가 아니라 새로운 입자, 즉 최초로 발견된 아원자 입자, 즉 그가 원래 "코퍼스클"이라고 불렀지만 나중에 조지 존스톤 스토니가 1874년에 가정한 입자의 이름을 따서 전자라고 이름 붙여졌습니다.그는 또한 그것들이 광전과 방사성 물질에 의해 방출되는 입자들과 동일하다는 것을 보여주었습니다.[5]금속선 안에서 전류를 흘려보내는 입자이자 원자의 음전하를 실어나르는 입자라는 것을 금방 알 수 있었습니다.

톰슨은 이 업적으로 1906년 노벨 물리학상을 받았습니다.필립 레너드(Philipp Lenard)는 또한 음극선 이론에 많은 기여를 하여 1905년 음극선과 그 성질에 대한 연구한 공로로 노벨상을 수상했습니다.

진공관

Crookes 튜브에 사용된 음극선을 생성하는 가스 이온화(또는 냉음극) 방법은 튜브 내 잔류 공기의 압력에 의존하기 때문에 신뢰할 수 없었습니다.시간이 지나면서 공기는 튜브의 벽에 흡수되어 작동을 멈췄습니다.

음극선을 생성하는 더 신뢰할 수 있고 제어 가능한 방법은 히토프와 골드스타인에 의해 조사되었고,[citation needed] 1880년 토마스 에디슨에 의해 재발견되었습니다.전선 필라멘트로 만들어진 음극은 그것을 통과하는 별도의 전류에 의해 붉은 색으로 가열되어 열이온 방출이라고 불리는 과정에 의해 전자를 튜브로 방출할 것입니다.1904년 John Ambrose Fleming에 의해 발명된 최초의 진정한 전자 진공관은 이 뜨거운 음극 기술을 사용했고, 그것들은 Crookes 튜브를 대체했습니다.이 튜브들은 작동하기 위해 가스가 필요하지 않았기 때문에 더 낮은 압력, 즉 10−9 atm (10−4 Pa) 정도로 대피했습니다.크룩스(Crookes) 튜브에 사용되는 음극선을 만드는 이온화 방법은 오늘날 크리톤(krytron)과 같은 일부 특수한 가스 방전 튜브에서만 사용됩니다.

1906년, 리 드 포레스트는 음극과 양극 사이의 금속선 격자에 있는 작은 전압이 진공관을 통과하는 음극선 빔의 전류를 제어할 수 있다는 것을 발견했습니다.트라이오드라고 불리는 그의 발명품은 전기 신호를 증폭시킬 수 있는 최초의 장치였고, 전기 기술에 혁명을 일으켜 새로운 전자 분야를 창조했습니다.진공관은 라디오와 텔레비전 방송뿐만 아니라 레이더, 영화, 오디오 녹음, 그리고 장거리 전화 서비스를 가능하게 했고, 트랜지스터가 진공관의 시대를 마무리한 1960년대까지 소비자 전자 기기의 근간이었습니다.

음극선은 이제 보통 전자빔이라고 불립니다.이러한 초기 튜브에서 개척된 전자 빔을 조작하는 기술은 진공 튜브의 설계에, 특히 1897년 페르디난드 브라운에 의해 텔레비전 세트와 오실로스코프에 사용된 음극선관(CRT)의 발명에 실질적으로 적용되었습니다.오늘날, 전자빔은 전자 현미경, 전자빔 리소그래피 및 입자 가속기와 같은 정교한 장치에 사용됩니다.

특성.

마치 파동처럼, 음극선은 직선으로 이동하고 물체에 의해 방해를 받을 때 그림자를 생성합니다.어니스트 러더퍼드는 광선이 얇은 금속박을 통과할 수 있다는 것을 증명했는데, 이는 입자가 예상되는 행동입니다.이러한 상반된 특성은 파동이나 입자로 분류하려고 할 때 방해를 초래했습니다.크룩스는 입자라고 주장했고 헤르츠는 파동이라고 주장했습니다.논쟁은 전기장이 J. J. 톰슨에 의해 광선을 굴절시키기 위해 사용되었을 때 해결되었습니다.이것은 과학자들이 전자기파를 전기장으로 편향시키는 것이 불가능하다는 것을 알았기 때문에 빔들이 입자들로 구성되었다는 증거였습니다.이것들은 또한 기계적인 효과, 형광등을 발생시킬 수 있습니다.

나중에 루이 드 브로글리는 박사학위 논문에서 전자는 광자와 같고 파동으로 작용할 수 있다고 제안했습니다.음극선의 파동과 유사한 거동은 나중에 데이비슨과 게르머에 의해 니켈 표면에서의 [6]반사와 1927년 조지 패젯 톰슨과 알렉산더[7] 레이드에 의한 셀룰로이드 박막 및 나중의 금속막을 통한 투과를 통해 직접 증명되었습니다. (톰슨의 대학원생이었던 알렉산더 레이드,첫 번째 실험을 했지만 오토바이 사고로[8] 곧 사망했고 거의 언급되지 않았습니다.)

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Martin, Andre (1986), "Cathode Ray Tubes for Industrial and Military Applications", in Hawkes, Peter (ed.), Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 67, Academic Press, p. 183, ISBN 9780080577333, Evidence for the existence of "cathode-rays" was first found by Plücker and Hittorf ...
  2. ^ E. 골드스타인(E. Goldstein, 1886년 5월 4일) "Vorläufige Mitheilungen über ellektrische Entladungen in verdünten Gasen"(희소 가스에서의 전기 방전에 대한 예비 통신), Monatsberich der Königlich Academy der Wissenschaften zu Berlin, 279-295.286페이지부터: "13. Das durch die Kathodenstrahlen in der Wandhervorgerufene Phosorescenzlichtis höchst selten von gleichförmiger Intensität aut der von im bedeckten Fläche, und zeigt off sehr barocke Muster." (13. Das durch die Kathodenstrahlen in der Wandhervorgerufene Posphoreslichtis höchst selten von gleichf음극선에 의해 벽에서 생성되는 인광광광은 표면에서 균일한 강도를 나타내는 경우가 매우 드물고, 매우 바로크한 패턴을 보이는 경우가 많습니다.)
  3. ^ 조셉 에프Keithley 전기 및 자기 측정 이야기: 기원전 500년부터 1940년대 John Wiley and Sons, 1999 ISBN 0-7803-1193-0, 205페이지
  4. ^ 마이클 패러데이 (1838) "VIII. 전기에 대한 실험적 연구.— 열세 번째 시리즈.", 런던 왕립학회 철학적 거래, 128:125-168
  5. ^ Thomson, J. J. (August 1901). "On bodies smaller than atoms". The Popular Science Monthly. Bonnier Corp.: 323–335. Retrieved 2009-06-21.
  6. ^ Davisson, C.; Germer, L. H. (1927). "Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel". Physical Review. 30 (6): 705–740. doi:10.1103/PhysRev.30.705.
  7. ^ Thomson, G. P.; Reid, A. (1927). "Diffraction of Cathode Rays by a Thin Film". Nature. 119 (3007): 890–890. doi:10.1038/119890a0. ISSN 1476-4687.
  8. ^ Navarro, Jaume (2010). "Electron diffraction chez Thomson: early responses to quantum physics in Britain". The British Journal for the History of Science. 43 (2): 245–275. doi:10.1017/S0007087410000026. ISSN 0007-0874.
  • Aruna Bandara(2010)의 일반화학(물질의 구조와 성질)

외부 링크