Rayons cathodiques

Propriétés des rayons cathodiques

Voici quelques propriétés des rayons cathodiques :ils sont chargés négativement,ils se déplacent en ligne droite et ils ionisent le gaz à l'intérieur du tube. Les propriétés des rayons cathodiques ne changent pas en fonction du gaz utilisé dans le tube à vide.

Le tube cathodique

De nos jours, on utilise le nom de tubes cathodiques. Ils étaient auparavant appelés tubes à décharge de gaz ou tubes de Crookes (du nom de William Crookes dont les expériences ont montréles premiers signes directs des électrons et de leur charge) .

Les tubes cathodiques sont constitués d'un verre sous vide avec deux électrodes métalliques et du gaz raréfié à l'intérieur du verre. Lorsqu'une différence de potentiel (tension) est appliquée entre les électrodes, des électrons commencent à être émis de la cathode vers l'anode et s'accélèrent à l'intérieur du gaz en raison de cette différence de potentiel élevée.

Ces électrons excitent les atomes du gaz, ce qui entraîne l'émission d'un rayonnement électromagnétique. Par conséquent, le trajet des électrons devient visible. Le nom de tube cathodique vient à l'origine du fait que les électrons sont émis par la cathode.

Lors de ses expériences, Crookes a observé que ces particules, que nous connaissons aujourd'hui sous le nom d'électrons, étaient porteuses d'un élan. Un aimant peut infléchir leur trajectoire rectiligne dans le sens prévu pour le déplacement des charges négatives.

Comment les rayons cathodiques ont-ils été utilisés pour la découverte de l'électron ?

J.J. Thomson a amélioré les expériences de Crookes avec des tubes à décharge. Grâce à ses expériences, Thomson

• a vérifié que les rayons cathodiques ont un champ magnétique et un champ électrique,
• a rassemblé les rayons dans une tasse en métal et a découvert une surabondance de charge négative, et
• a mesuré le rapport entre la charge d'un électron et sa masse(_qe/me), ce qui a constitué l'une des étapes les plus importantes pour trouver la charge exacte d'un seul électron.

Regarde l'image ci-dessous. Dans l'expérience de Thomson, qui a été utilisée pour déterminer la vitesse des électrons, un champ électrique E est appliqué entre deux plaques de métal, et il y a un champ magnétique B perpendiculaire au champ électrique parce que le tube est placé entre les pôles opposés d'un aimant. Comme les deux forces E et B sont perpendiculaires, elles appliquent des forces opposées aux électrons. Lorsque ces forces s'annulent, la force nette sur les électrons disparaît, ce qui signifie que la vitesse de la particule chargée (électron) est v = E/B.

Déterminer _qe/me

Pour comprendre comment Thomson a déterminé _qe/me, nous examinons la relation entre les forces. Rappelle-toi que

\[F = q_e \cdot E\]

où F est la force nette sur l'électron mesurée en newtons (N), _qe est la charge de l'électron mesurée en coulombs (C), et E est le champ électrique affectant l'électron mesuré en newton par coulomb (N/C).

La déviation verticale est liée à la masse de l'électron, et l'équation de l'accélération nous apprend que

\[a = \frac{F}{m_e}\]

où F est la force nette exercée sur l'électron (N),_me est la masse de l'électron mesurée en kilogrammes (kg), et a est l'accélération de l'électron mesurée en mètres par seconde au carré (^m/s2).

À l'époque,on ne connaissait pas encore_qe , et comme on ne connaît pas F , on peut appliquer la première équation à la précédente pour voir les choses plus logiquement :

\[a = \frac{F}{m_e} = \frac{q_e \cdot E}{m_e}\]

Maintenant, si nous résolvons l'équation pour _qe/me, nous avons

\[\frac{q_e}{m_e} = \frac{a}{E}\]

Nous pouvons calculer la déviation pour obtenir a et calculer E à l'aide de la tension appliquée et de la distance entre les plaques.

L'importance de_qe/me

L'importance du rapport charge/masse de l'électron était cruciale car Thomson l'a calculé comme étant de -1,76 ⋅ ^10-11 C/kg . Ce chiffre était considérable et Thomson a déclaré que cela impliquait que l'électron avait une masse si petite. Aujourd'hui, nous savons qu'elle est si petite que la masse d'un proton est 1836 fois supérieure à celle d'un électron.

Plus tard, Thomson a mené différentes expériences en utilisant différentes méthodes (comme l'effet photoélectrique) pour émettre des électrons à partir d'atomes. Pourtant, il a toujours obtenu les mêmes propriétés pour l'électron, déterminant qu'il s'agissait d'une particule indépendante.

Tube cathodique. https://www.flickr.com/search/?text=cathode%20ray%20tube&license=4%2C5%2C6%2C9%2C10