Raggi catodici
Che cosa sono i raggi catodici?
I raggi catodici sono raggi costituiti dagli elettroni emessi dal catodo all'interno di un tubo a bassa pressione.
Scoperta dei raggi catodici
I raggi catodici furono scoperti da J. J. Thomson nel 1897. Nei suoi esperimenti Thomson utilizzò un tubo di Crookes; si tratta di un tubo di vetro resistente che viene mantenuto sotto vuoto spinto, alle estremità del quale sono applicati due elettrodi collegati rispettivamente con il polo positivo (anodo) e con il polo negativo (catodo) di un generatore di corrente.
Quando la differenza tra gli elettrodi raggiunge un valore elevato (10.000 volt) e la pressione interna un valore bassissimo, si osserva l'emissione di raggi luminosi che, partendo dal catodo e propagandosi in linea retta, si dirigono verso l'anodo provocando sul vetro una tenue luminosità.
Tale fenomeno fu messo in relazione con possibili radiazioni che potevano essere prodotte dal catodo e che furono chiamate appunto raggi catodici. Oggi sappiamo che si tratta di elettroni che si muovono dal catodo verso l'anodo rendendo la parete che colpiscono fluorescente.
Caratteristiche dei raggi catodici
Le osservazioni sperimentali mostrarono che i fenomeni osservati sono dovuti alla radiazione emessa dalla superficie del catodo (i raggi catodici), capace, oltre che di eccitare la fluorescenza, di impressionare lastre fotografiche, di riscaldare (se opportunamente concentrata in un punto mediante l'impiego di catodi concavi, che fungano da specchi) fino a portare alla fusione piccoli pezzi di metallo, di attraversare fogli metallici sottili (strati metallici spessi la arrestano), di esercitare una pressione meccanica di piccola entità (ma sufficiente a far girare un mulinello sospeso sul suo cammino) e, infine, di ionizzare i gas che attraversa.
I raggi catodici sono dotati di una certa massa; sono infatti in grado di fare ruotare un mulinello interposto nel loro cammino.
Nell'urto contro un corpo metallico, i raggi catodici producono un'altra radiazione, dotata della proprietà di eccitare la fluorescenza di alcune sostanze e impressionare la lastra fotografica anche se questa è schermata da corpi opachi alla radiazione ottica: i raggi X.
Grazie ad ulteriori studi si scoprì che campi elettrici e magnetici applicati perpendicolarmente alla traiettoria dei raggi catodici li fanno deviare, come si può dedurre dallo spostamento della macchia fluorescente rilevabile sullo schermo posto di fronte al catodo.
Se si misura lo spostamento subito dalla macchia per effetto del campo applicato, si trova che il suo valore corrisponde a quello che si potrebbe prevedere supponendo che i raggi catodici altro non siano che una corrente di particelle cariche.
Nel 1895, J. J. Perrin, basandosi su questa ipotesi, pensò di convogliare i raggi catodici in un recipiente sotto vuoto collegato a un elettroscopio a foglia d'oro e poté così dimostrare sperimentalmente che essi hanno carica negativa.
Ma l'esperienza fondamentale che chiarì la vera natura dei raggi catodici fu eseguita da J. J. Thomson due anni più tardi: compensando con un campo magnetico la deviazione prodotta da un campo elettrico, egli riuscì a misurare il rapporto tra la carica e la massa delle particelle che li costituiscono, rapporto che risultò uguale a quello previsto per altra via per gli elettroni.
Esperienze accurate e studi teorici successivi permisero di concludere che i raggi catodici sono effettivamente elettroni emessi dal catodo, con un meccanismo noto come emissione secondaria.
Come si formano i raggi catodici
All'interno del tubo una piccola parte delle molecole o atomi del gas è ionizzata per effetto di raggi cosmici o di radiazione elettromagnetica, per esempio raggi γ (è accertato che un gas, per sua natura, è un perfetto isolante e che solo un agente ionizzante può renderlo conduttore): gli ioni positivi vengono accelerati dall'alta differenza di potenziale applicata e vanno a urtare il catodo.
Avendo energia elevata, penetrano nel catodo per uno spessore di diversi strati di atomi e cedono agli elettroni della regione in cui sono penetrati una quantità di energia sufficiente a vincere le forze di legame e a strapparli dall'atomo.
Poiché la superficie del catodo è equipotenziale (essendo il catodo un conduttore), le linee di forza del campo elettrico sono a essa perpendicolari, per cui gli elettroni escono secondo una direzione normale alla superficie stessa; inoltre la velocità di emissione è piuttosto elevata e, in assenza di campi elettrici e magnetici esterni, la traiettoria degli elettroni è rettilinea.
Una piccola parte degli elettroni emessi è dovuta alla cosiddetta emissione di campo o emissione a freddo che si ha quando gli elettroni vengono strappati dal catodo per il solo effetto dell'alta differenza di potenziale che viene applicata.
Importanza dei raggi catodici
I raggi catodici sono di fondamentale importanza in molti settori della tecnica; si pensi, per esempio, agli oscillografi, ai tubi elettronici, al microscopio elettronico, ai generatori di raggi X e ai tubi a raggi catodici impiegati - in passato - nelle televisioni.
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