Experimente de descarcari in gaze

Experimente de descarcari in gaze

Spre deosebire de lichide (solutii de electroliti), gazele in conditii obisnuite au o conductibilitate electrica extrem de scazuta. Experimentele de descarcare electrica in gaze la presiuni scazute au scos in evidenta proprietatea gazelor de a deveni bune conducatoare de electricitate in cazul in care se aplica o tensiune electrica suficient de ridicata intre doi electrozi.

H. Geissler (1854) imbunatatind pompa de vid reuseste sa coboare presiunea in tuburile de descarcare pana la ordinul a 10^-3 mm Hg ceea ce ii permite sa efectueze experimente de descarcari in gaze. Plucker observa ca sticla tubului opus catodei devine si ea luminiscenta (1859) atribuind fenomenul curentilor electrici care circula prin tub. El a denumit acesti curenti 'raze', denumire care s-a pastrat. W. Crookes continua aceste studii experimentale. Hittorf (1859) arata ca acesti 'curenti' sunt opriti de obstacole materiale interpuse si pune in evidenta efectul de 'umbra' a acestor raze. Goldstein le denumeste 'raze catodice'.

Sumand concluziile s-a aratat ca razele catodice:

-se propaga in linie dreapta;

-provoaca fluorescenta sticlei;

-produc efecte termice (un catod concav poate focaliza razele pe un obiect metalic care se incalzeste);

-produc efecte chimice (cu timpul sticla pe care cad razele catodice se innegreste);

-sunt deviate de campuri electrice si magnetice.

Schematic un experiment cu raze obtinute prin descarcarea in gaze rarefiate este prezentat in (fig. 2.3.1).

fig. 2.3.1 Schita experimentelor de descarcare in gaze rarefiate

Catoda si anoda poseda fiecare cate un mic orificiu in centru, iar peretii de sticla opusi electrozilor, in momentul aplicarii unei tensiuni ridicate si a prezentei unui gaz rarefiat in tub, se lumineaza prin fluorescenta. In plus, apare un fascicul luminos din orificiul catodului pana la peretele opus de sticla. Acest fascicul este cel botezat 'raze canal'.Cu toate ca peretele de sticla opus anodului se lumineaza, nu se evidentiaza un fascicul luminos analog. Deoarece fluorescenta este legata de aplicarea tensiunii, s-a considerat si aici existenta unor raze care au fost denumite 'catodice'.

Studiul naturii acestor raze a fost facut de catre multi cercetatori printre care Wiechert, Kaufmann si mai ales J. J. Thomson. Deflexia acestor raze in camp electric a fost un punct crucial in experimentele efectuate cu aceste raze. In fig. 2 se prezinta schita acestui experiment (in paragraful 2.5 sunt date elementele de calul pentru miscarea sarcinilor in campuri electrice si magnetice).

fig. 2 Un fascicul de electroni emisi de la catod se misca in directia anodului pozitiv si este luminat prin fluorescenta. Unda de electroni calatoreste in linie dreapta (b), iar apoi este se observa deflexia in camp magnetic (c) sau electric.

Se observa ca razele catodice sunt deviate de catre campul electric ca si cum ar fi incarcate negativ iar cele canal ca si cum ar fi incarcate pozitiv. De asemenea, prezenta intr-un caz a fasciculului luminos si lipsa lui in celalalt caz este un alt element care indica diferenta dintre cele doua tipuri de raze (si deci a purtatorilor de sarcina electrica din cele doua cazuri).

Deoarece deflexia este proportionala cu sarcina electrica a purtatorilor dar invers proportionala cu masa (inertia) lor, experimentele de deflexie pot da informatii asupra raportului sarcina /masa a purtatorilor. Acest raport, caracteristic pentru un tip dat de purtator, se numeste sarcina specifica.

Masuratori concomitente in campuri electrice si magnetice au permis lui J. J. Thomson sa determine sarcina specifica a purtatorilor din descarcarile in gaze, indiferent de viteza pe care aceste particule o aveau. Utilizarea numai a campului electric nu permite acest lucru decat daca particulele au toate aceeasi viteza. In consecinta se poate astfel determina omogenitatea sau neomogenitatea fasciculului in raport cu sarcina specifica. Aceasta metoda a permis punerea la punct a unei importante tehnici de analiza si anume a spectrometriei de masa.

Pe baza acestei metode, J. J. Thomson a evidentiat neomogenitatea razelor canal si dependenta sarcinii specifice masurate de natura gazului din tub dar si de tensiunea aplicata la descarcare. Cunoastem acum ca acest lucru este legat de prezenta ionilor de masa si sarcina diferita prezente in descarcare. Sarcina maxima pe care o poate avea un ion s-a dovedit a fi egala cu numarul atomic Z, numarul de ordine al elementului in tabloul periodic. Pentru un ion dat (masa fixata) se obtin spectre discrete de sarcina specifica legate de starea de ionizare a ionului.

Importanta acestei metode, din punctul nostru de vedere, este acela ca permite evidentierea individuala a miscarii in camp a purtatorilor de sarcina electrica in opozitie cu concluziile trase din experimentele de electroliza care dau valoarea medie a sarcinii specifice a tuturor purtatorilor.

Masuratorile lui J. J. Thomson relativ la sarcina specifica a razelor catodice au aratat ca spre deosebire de razele canal, razele catodice sunt omogene, au riguros aceeasi sarcina specifica. Aceeasi valoare a sarcinii specifice a razelor catodice se obtine si la modificarea gazului din descarcare. Concluzia fundamentala a fost universalitatea tipului de purtator din razele catodice. Thompson a obtinut pe aceasta cale o sarcina specifica pentru purtatorul de sarcina din razele catodice o valoare de q/m=1 ·10⁸ C/g. Din sensul de deviatie el s-a convins ca sarcina purtata este negativa. Valoarea unica pentru q/m indica identitatea tuturor acestor purtatori. Se poate obtine chiar si masa relativa a acestui purtator daca calculam raportul:

g/mol

Valoarea indica o masa extrem de mica pentru purtatorul de sarcina din razele catodice.

Acelasi tip de experiment (de deviatie in campuri) a fost efectuat de catre Thomson cu diferite substante la catod.

Studiile ulterioare au constatat ca oricare din sursele de 'raze' enumerate mai jos conduc la aceeasi sarcina specifica:

-radiatiile beta emise de sursele radioactive;

-particulele rezultate prin efect fotoelectric;

-particulele produse prin efect Edison (emisia termoelectrica).

Prezenta in materiale a unui purtator de sarcina electrica este astfel dovedita, electronul devenind o realitate experimentala si nu doar o ipoteza de lucru.

Cu toate acestea valoarea sarcinii electronului era cunoscuta cu destula imprecizie si mai ales in mod indirect, din masuratori de raport e/m. Acceptarea electronului ca particula cerea efectuarea unui experiment care sa permita masurarea directa a sarcinii lui, fara a face apel la masa lui. Experimentul a fost facut de catre americanul R. Millikan si a reprezentat ultima dovada necesara existentei electronului.