Les rayons cathodiques, également appelés e-beam ou faisceaux d'électrons, sont des flux d'électrons détectés dans les tubes à vide. Les rayons cathodiques ont fait partie d'expériences très importantes utilisées pour découvrir l'électron. Découvre comment !
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Les rayons cathodiques, également connus sous le nom de, sont des flux d'électrons détectés dans des tubes à décharge (tubes à vide). Ces tubes à décharge sont des appareils qui contrôlent le courant électrique entre une différence de potentiel appliquée aux électrodes dans un vide poussé.
Une lueur derrière l'électrode positive (cathode) peut être observée lorsqu'une différence de potentiel (tension) est appliquée aux électrodes. Ce sont les électrons émis par la cathode qui provoquent cette lueur.
Pour savoir quelle électrode est la cathode et l'anode, nous devons examiner les connexions entre les électrodes et la source de tension :
L'électrode connectée aupôle négatif de la source de tension est la cathode.
L'électrode reliée aupôle positif de la source de tension est l'anode.
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.
Julius Plücker et Johann Wilhelm Hittorfontobservé pour la première fois lesrayonscathodiquesen 1869, et Eugen Goldstein les a nommés en 1876. L'utilisation la plus importante des rayons cathodiques a été découverte par J.J. Thomson en 1897, lorsqu'il a conclu que les rayons cathodiques étaient constitués d'une particule chargée négativement non identifiée auparavant, l'électron.
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 cathodiquevient 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.
Consulte notre explication sur l'élan.
Comment les rayons cathodiques ont-ils été utilisés pour la découverte de l'électron ?
J.J. Thomsona 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.
Un schémadutube cathodique de J.J. Thompson, OğulcanTezcan - StudySmarter Originals
Regarde l'image ci-dessous. Dans l'expérience de Thomson, qui a été utilisée pour déterminer la vitesse des électrons, un champ électrique E estappliqué entre deux plaques de métal, et il y a un champ magnétique Bperpendiculaire au champ électrique parce que le tube est placé entre les pôles opposés d'un aimant. Comme les deux forces E et Bsont 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.
Un schéma montrant le faisceau d'électrons passant entre les plaques, OğulcanTezcan - StudySmarter Originals.
Déterminer qe/me
Pour comprendre comment Thomson a déterminé qe/me, nous examinons la relation entre les forces. Rappelle-toi que
\[F = q_e \cdot E\]
oùFest la force nette sur l'électron mesurée en newtons (N), qe est la charge de l'électron mesurée en coulombs (C), et Eest 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),meest 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 encoreqe, 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 deqe/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.
Ce n'est que lorsque j'ai été convaincu que l'expérience ne laissait aucune échappatoire que j'ai publié ma croyance en l'existence de corps plus petits que les atomes. - J.J. Thomson
Rayons cathodiques - Points clés
Les rayons cathodiques, également appelés faisceaux d'électrons, sont des flux d'électrons dans les tubes à décharge (tubes à vide).
Les tubes à décharge sont des dispositifs qui contrôlent le courant électrique entre une différence de potentiel (tension) appliquée sur des électrodes dans un vide poussé.
Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux électrodes d'un tube cathodique, on peut observer une lueur derrière l'électrode positive (cathode). Cette lueur est due aux électrons émis par la cathode.
Les tubes cathodiques sont également appelés tubes à décharge ou tubes de Crookes.
Le rapport charge/masse de l'électron était significatif car Thomson l'a calculé à -1,76 ⋅ 10-11C/kg, ce qui était un nombre considérable. Thomson a déclaré que cela impliquait que l'électron ait une masse aussi faible.
Après diverses expériences, Thomson a conclu que l'électron est une particule indépendante, ce qui en fait la première particule subatomique découverte.
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Questions fréquemment posées en Rayons cathodiques
Qu'est-ce qu'un rayon cathodique ?
Les rayons cathodiques sont des flux d'électrons observés dans des tubes à vide. Ils sont émis par une cathode et accélérés vers l'anode.
Comment fonctionne un tube à rayons cathodiques ?
Un tube à rayons cathodiques fonctionne en émettant des électrons depuis la cathode, qui sont accélérés et dirigés vers l'écran par une anode et des champs électromagnétiques.
À quoi servent les rayons cathodiques ?
Les rayons cathodiques sont utilisés principalement dans les anciens téléviseurs et moniteurs pour créer des images sur l'écran.
Quelle est la découverte majeure liée aux rayons cathodiques ?
La grande découverte liée aux rayons cathodiques est l'électron par J.J. Thomson en 1897, qui a démontré qu'ils sont constitués de particules chargées négativement.
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