Katodisäde

Katodisäde on elektronisuihku, joka syntyy tarkoitukseen rakennetussa elektrodeilla eli katodilla ja anodilla varustetulla tyhjiöputkessa, jota kutsutaan katodisädeputkeksi. Jos tyhjäksi pumpattuun lasi­putkeen sijoitetaan kaksi elektrodia, joiden välille kytketään jännite, katodia eli jännite­lähteen negatiiviseen napaan kytkettyä elektrodia vastapäätä olevan lasin havaitaan hehkuvan, minkä saavat aikaan katodista lähtevät elektronit. Ilmiön havaitsi ensimmäisenä vuonna 1869 saksalainen fyysikko Johann Hittorf vuonna 1876 Eugen Goldstein antoi sille nimen katodisäteet (saks. Kathodenstrahlen).
Häiriytymättömät katodisäteet etenevät suoraviivaisesti, mutta niitä voidaan poikkeuttaa sähkö- tai magneettikentän avulla. Tähän perustuu katodisädenäyttö, joka on oskilloskoopin, vidicon-televisiokameran ja kuvaputkinäytön perusosa. Uudet teknologiaratkaisut ovat syrjäyttämässä katodisädeputken käyttöä näissä sovelluksissa.
Katodisäteiden tutkiminen johti elektronien keksimiseen. Vuonna 1897 brittiläinen fyysikko J. J. Thomson osoitti että säteet koostuivat ennen tuntemattomista, negatiivisen varauksen omaavista hiukkasista, jotka myöhemmin saivat nimen elektroni.

Kuvaus

Katodisäteet ovat saaneet nimensä siitä, että ne lähtevät tyhiöputkessa negatiiviselta elektrodilta eli katodilta. Jotta putkeen syntyisi elektroni­suihku, elektronien on ensin irrottava katodin atomeista. Varhaisimmissa tyhjiö­putkissa, Crookesin putkissa, joissa katodi oli kylmä, tämä saatiin aikaan kytkemällä katodin ja anodin välille korkea jännite, joka ionisoi putkessa jäljellä olleen kaasun; kun ionit osuivat katodiin, niitä kiihdyttivät sähkökenttä ja vapautuneet elektronit. Nyky­aikaisissa tyhjiö­putkissa käytetään termistä emissiota, jolloin katodi tehdään ohuesta kuidusta, jota kuumentaa sen läpi kulkeva erillinen sähkövirta. Kuidun atomien kiihtynyt satunnainen lämpöliike irrottaa kuidun pinnalla atomeista elektroneja, jotka syöksyvät putkessa olevaan tyhjiöön.
Koska elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus, katodi työntää niitä luotaan ja anodi vetää niitä puoleensa. Ne etenevät tyhjässä putkessa suora­viivaisesti. Elektrodien välinen jännite kiihdyttää nämä pieni­massaiset hiukkaset suuriin nopeuksiin. Kun elektronit saapuvat anodiin, ne jatkavat matkaansa anodiin kytketyn virta­johtimen kautta virta­lähteeseen ja sieltä takaisin katodiin. Näin katodi­säteet kuljettavat sähkö­virran putken läpi.
Katodisäteet itsessään ovat näkymättömiä, mutta niiden olemassa­olo havaittiin ensin, kun ne osuivat putken lasi­seiniin, joissa ne virittävät lasin atomeja ja saavat ne säteilemään valoa. Tätä ilmiötä sanotaan fluoressenssiksi. Tutkijat havaitsivat, että putkeen katodin eteen asetetut esineet saattoivat aiheuttaa hehkuvaan seinään varjon. Tästä voitiin päätellä, että katodista lähti jotakin, mikä eteni suora­viivaisesti. 
Putkessa kulkevaa katodi­säde­suihkua voidaan ohjata antamalla sen kulkea metalli­johtimien välitse, kun näistä on muodostettu ristikko, johon on kytketty pieni jännite. Näiden johtimen sähkökenttä saa osan elektroneista poikkeamaan suunnastaan, jolloin ne eivät pääse anodille. Näin ollen pienellä jännitteellä ristikossa voidaan säätää anodin paljon suurempaa jännitettä. Tähän perustuu tyhjiö­putkien käyttö sähköisten signaalien vahvistimina. Nopeita katodi­säde­suihkuja voidaan myös ohjata sähkö­kentillä, jotka saadaan aikaan sijoittamalla putkeen yli­määräisiä metalli­l­evyjä, joihin kytketään jännite, tai magneetti­kentillä, jotka saadaan aikaan käämien ja niistä muodostettujen sähkömagneettien avulla. Näin rakennettuja katodisädeputkia käytetään muun muassa televisiovastaanottimissa, tietokoneiden näytöissä ja elektroni­mikro­skoopeissa.

Historia

Sen jälkeen kun Otto von Guericke vuonna 1654 keksi tyhjiöpumpun, fyysikot alkoivat kokeilla, mitä tapahtuu, jos sähkön annetaan purkautua harvennetun ilman läpi. Vuonna 1705 todettiin, että sähkö­staattisen generaattorin kipinät kulkevat pidemmän matkan alipaineisessa ilmassa kuin normaalissa ilmanpaineessa.

Kaasupurkausputket

Vuonna 1838 Michael Faraday johti virran harvennetulla ilmalla täytetyn lasi­putken läpi ja havaitsi oudon valo­kaaren, joka alkoi katodilta eli negatiiviselta elektrodilta ja päättyi anodille eli positiiviselle elektrodille. Vuonna 1857 saksalainen fyysikko ja lasinpuhaltaja Heinrich Geissler sai parannetulla pumpulla putken vielä tarkemmin tyhjennetyksi ilmasta, jolloin jäljelle jäänyt paine oli vain noin 10⁻³ atm, ja hän havaitsi, ettei putkessa näkynyt vain kaari, vaan hehku täytti koko putken. Putken elektrodien välinen jännite, joka oli saatu aikaan induktiokäämillä, vaihteli muutamasta kilovoltista sataan kilovolttiin. Tällaisia putkia sanotaan Geisslerin putkiksi, ja ne ovat samantapaisia kuin nykyiset neonvalomainokset.
Nämä ilmiöt selitettiin sillä, että korkea jännite kiihdytti sähköllä varattuja atomeja eli ioneja, joita putken ilmassa on läsnä jonkin verran. Matalassa paineessa kaasu­molekyylien välillä on riittävästi tilaa, niin että ionit voivat kiihtyä tarpeeksi suuriin nopeuksiin niin, että kun ne törmäävät toiseen atomiin, ne saavat siitä elektroneja irtomaan, jolloin syntyy ketju­reaktion omaisesti lisää positiivisia ioneja ja vapaita elektroneja. Katodi vetää puoleensa kaikki positiiviset ionit. Kun ne osuvat siihen, ne saavat metallista irtoamaan elektroneja. Anodi taas vetää puoleensa vapaita elektroneja.
Geisslerin putkissa on sen verran ilmaa, että siinä elektronit voivat edetä vain lyhyen matkaa, ennen kuin ne törmäsivät johonkin atomiin. Näissä putkissa elektronit liikkuivat hitaan diffuusioprosessin vaikutuksesta eivätkä koskaan saavuttaneet kovin suurta nopeutta, minkä vuoksi näissä putkissa ei syntynyt katodi­säteitä. Sen sijaan niissä syntyi sähkö­purkauksen aiheuttama värillinen hehku, samaan tapaan kuin nykyisissä neonvaloissa. Sen saivat aikaan kaasu­atomeihin osuneet elektronit ja ionit, jotka virittivät atomien orbitaaleilla olleita elektroneja korkeammille energia­tasoille. Tämän energian elektronit vapauttivat valona. Ilmiötä sanotaan fluoresenssiksi.

Katodisäteet

Brittiläinen fyysikko William Crookes ja eräät muut tutkijat pystyivät 1870-luvulla tyhjentämään putken ilmasta vielä tarkemmin, jolloin sinne jäänyt paine oli vähemmän kuin 10⁻⁶ atm.  Tällaisia putkia sanotaan Crookesin putkiksi. Faraday oli ensimmäisenä havainnut pimeän alueen juuri katodin edessä, jossa ei ollut luminesenssia. Tätä alettiin kutsua "katodin pimeäksi alueeksi", "Faradayn pimeäksi alueeksi" tai "Crookesin pimeäksi alueeksi". Crookes havaitsi, että kun hän pumppasi enemmän ilmaa ulos putkesta, Faradayn pimeä alue laajeni katodista kohti anodia, kunnes lopulta putki oli kokonaan pimeä. Mutta putken anodin puoleisessa eli positiivisessa päässä putken lasi itse alkoi hehkua.
Kun putkessa oli entistäkin vähemmän ilmaa, elektronit pääsivät etenemään keski­määrin pidemmän matkan, ennen kuin ne osuivat kaasu­atomeihin.  Kun putki oli pimeä, useimmat elektronit pääsivät etenemään suora­viivaisesti katodista anodiin saakka törmäämättä välillä mihinkään. Kun esteitä ei ollut, elektrodien välinen jännite kiihdytti nämä pieni­massaiset hiukkaset suuriin nopeuksiin. Näitä ovat katodisäteet.
Kun hiukkaset saapuivat anodiin, niiden nopeus oli jo niin suuri, että vaikka anodi vetikin niitä puoleensa, ne usein lensivät sen ohi ja osuivat lopulta putken taka­seinään. Kun ne osuivat lasiseinän atomeihin, ne virittivät näissä elektroneja korkeammille energia­tasoille ja saivat ne fluores­soi­maan. Myöhemmät tutkijat maalasivat lasin sisäpinnan fluores­soivilla aineilla kuten sinkkisulfidilla saadakseen hehkun vielä paremmin näkyviin.
Katodisäteet itsessään ovat näkymättömiä, mutta tämän fluores­senssin ansiosta tutkijat panivat merkille, että putkeen katodin eteen asetetut esineet, myös anodi, saivat aikaan selvä­rajaiset varjot hehkuvalle taka­seinälle. Vuonna 1869 saksalainen fyysikko Johann Hittorf päätteli ensimmäisenä tämän ilmiön osoittavan, että putkessa täytyy olla jotakin, mikä etenee suora­viivaisesti, ja jolle Eugen Goldstein sittemmin antoi nimen katodisäteet.

Elektronin löytö

Vielä 1800-luvun lopulla atomit olivat pienimmät tunnetut hiukkaset ja niitä pidettiin jakamattomina. Mikä kuljettaa sähkö­virtoja, oli suuri arvoitus. Vuosisadan lopulla suoritettiin useita kokeita sen selvittämiseksi, mitä katodi­säteet olivat. Oli kaksi teoriaa. Crookesin ja Arthur Schusterin mukaan ne koostuivat "säteilevän aineen" hiukkasista, toisin sanoen sähköisesti varautuneista atomeista. Saksalaiset tiedemiehet Eilhard Wiedeman, Heinrich Hertz ja Goldstein sen sijaan väittivät, että ne olivat eetterissä eteneviä aaltoja, jonkinlainen uusi sähkö­magneettisen säteilyn muoto, eivätkä ne olleet samoja, jotka kuljettivat sähkövirran putken läpi.
Kiista ratkesi vuonna 1897, kun J. J. Thomson mittasi katodi­säteiden massan ja osoitti, että ne koostuivat hiukkasista, mutta näiden hiukkasten massa oli vain noin 1800:osa kevyimmän atomin, vetyatomin massasta. Ne eivät siis olleet atomeja, vaan kyseessä oli uusi hiukkaslaji, ensimmäinen löydetty subatominen hiukkanen, jota hän aluksi nimitti "korpuskeliksi", mutta joka myöhemmin sai nimen elektroni, jonka nimen George Johnstone Stoney oli jo vuonna 1874 antanut olettamilleen hiukkasille. Thomson osoitti myös, että hiukkaset olivat samoja, joita lähtee myös valo­sähköisistä ja radio­aktiivisista aineista (beetasäteily). Pian havaittiin myös, että samat hiukkaset kuljettavat sähkövirtaa metallijohtimissa ja että ne ovat atomeissa negatiivisesti sähköisinä osina.
Katodisäteitä tutki ansioituneesti myös Philipp Lenard. Seuraavana vuonna myös Thomson sai elektronin löytämisestä Nobelin palkinnon.

Tyhjiöputket

Kaasun ionisointi Crookesin putkessa käytetyn kaltaisella kylmällä katodilla ei ole luotettavin tapa katodisäteiden aikaansaamiseksi, koska se on riippuvainen putkessa jäljellä olevan ilman paineesta. Vähitellen ilma sitoutuu putken seiniin, jolloin se lakkaa toimimasta. Kun kuitumaisesta johtimesta tehty katodi kuumennettiin punahehkuiseksi sen läpi kulkevan sähkövirran avulla, siitä putkeen lähtee elektroneja termiseksi emissioksi kutsussa prosessissa. Hittorf ja Goldstein keksivät katodisäteiden tuottamiseen luotettavamman ja säädettävissä olevan menetelmä, jonka myös Thomas Edison keksi itsenäisesti vuonna 1880. Ensimmäisissä oikeissa elektronisissa tyhjiöputkissa, jotka keksittiin vuonna 1904, käytettiin tätä kuumakatoditekniikkaa, ja ne syrjäyttivät Crookesin putket. Näiden putkien toiminta ei edellyttänyt niissä olevan kaasua, joten ilma voitiin pumpata niistä pois niin tarkoin, että jäljelle jäänyt paine oli luokkaa 10⁻⁹ atm (10⁻⁴ Pa). Crookesin putkissa käytettyä ionisointi­menetelmää katodi­säteiden tuottamiseksi käytetään enää vain erikoisvalmisteisissa kaasupurkausputkissa kuten krytroneissa.
Lee De Forest havaitsi vuonna 1906, että pienellä jännitteellä metalliristikossa voitiin säätää paljon suurempaa virtaa, jonka muodostivat tyhjiö­putken läpi kulkeneet katodisäteet. Hänen keksimänsä triodi oli ensimmäinen laite, jolla voitiin vahvistaa sähköisiä signaaleja, ja siitä sai alkunsa nykyaikaisen elektroniikan kehitys. Tyhjiöputket tekivät mahdolliseksi radio- ja televisiolähetykset, tutkan, äänielokuvat ja pitkän matkan puhelin­yhteydet, ja niihin perustui pitkälti koko elektroniikka 1960-luvulle saakka, kunnes transistori syrjäytti ne.
Katodisäteitä sanotaan nykyisin tavallisesti elektroni­suihkuiksi. Elektroni­suihkujen ohjaus­tekniikka sai alkunsa Ferdinand Braunin vuonna 1897 tekemistä keksinnöistä, ja nykyään sitä käytetään muun muassa elektroni­mikro­skoopeissa, elektronisuihkulitografiassa ja hiukkas­kiihdyttimissä.

Katodisäteiden ominaisuuksia

Aaltojen tavoin katodi­säteet etenevät suora­viivaisesti, ja ne muodostavat varjon, jos niiden tiellä on jokin esine. Ernest Rutherford osoitti, että säteet voivat kulkea ohuiden metalli­kalvojen läpi, mikä viittasi siihen, että ne koostuisivat hiukkasista. Koe­tulokset näyttivät siis risti­riitaisilta, ja syntyi kiistoja siitä, olivatko ne aaltoja vai hiukkas­virtoja. Crookesin mukaan ne olivat hiukkasia, Hertzin mukaan aaltoja. Kiista ratkesi, kun J. J. Thomson käytti sähkö­kenttää säteiden kulku­suunnan muuttamiseksi. Tämä osoitti, että katodi­säteet muodostuivat hiukkasista, sillä tiedettiin, ettei sähkö­kentällä voitu muuttaa sähkö­magneettisten aaltojen kulku­suuntaa. Ne voivat myös saada aikaan mekaanisia ilmiöitä ja fluoressenssia.
Louis de Broglie väitti myöhemmin, vuonna 1924 tohtorin­väitös­kirjassaan, että elektronit ovat fotonien kaltaisia siinä suhteessa, että nekin voivat käyttäytyä sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Niilläkin on samanlainen dualistinen luonne, jollaisen Einstein oli jo aikaisemmin väittänyt valolla olevan. Katodisäteiden aaltoluonteen vahvisti vuonna 1927 Davissonin–Germerin koe, joka osoitti niiden taipuvan kidehilassa.