Raio catódico

Física nuclear
Fenômenos Átomo exótico Átomo hidrogenoide Barreira de Coulomb Captura eletrônica Captura neutrônica Decaimento Cluster Efeito Mössbauer Efeito Zeeman Emissão protônica Estrutura fina Fotodesintegração Isomeria nuclear Raios Alfa Raios X Radioatividade Radiação beta Radiação Gama Raio catódico Radiação de neutrões Reação nuclear Nível de energia Nucleossíntese
Conceitos Átomo Afinidade eletrônica Camada de valência Carga nuclear efetiva Energia de ligação Espectro Força nuclear Geometria molecular Interação spin-órbita Isospin Partícula subatômica Spin Massa atômica Massa crítica Material físsil Matéria nuclear Nível aberto Núcleo atómico Número atómico Número quântico principal Orbital atômico Raio atómico Temperatura neutrónica
História História da física
Modelos Atômicos Modelo atômico Modelo atômico de Bohr Modelo atômico de Dalton Modelo atômico de Rutherford Modelo atômico de Thomson Modelo da gota líquida Modelo nuclear de camadas
Leis & Equações Fator de Gamow Fórmula de Rydberg Freqüência de Larmor Lei de Moseley Lei Geiger-Nuttal Momento magnético nuclear Parâmetro de impacto Pico de Gamow Proteção magnética nuclear Seção transversal de dispersão Série de Lyman Série de Paschen Série de Humphreys
Experiências Dispersão de Rutherford Espalhamento de Rutherford Experimento de Geiger-Marsden Experiência da gota de óleo Experimento de Stern-Gerlach Grande Colisor de Hádrons Experiências não LHC
Aplicações Armas nucleares Bomba de nêutrons Combustível nuclear Energia nuclear Fissão nuclear Fissão nuclear espontânea Fusão nuclear Reator nuclear Ressonância magnética Relaxação
Físicos Ernest Rutherford Ernest Lawrence Edward Purcell Ernest Walton Enrico Fermi Henri Becquerel Marie Curie J. J. Thomson Otto Hahn Isidor Isaac Rabi Maria Göppert-Mayer

Diagrama esquemático de um tubo de raios catódicos.

Raios catódicos são feixes de elétrons produzidos quando uma diferença de potencial elevada é estabelecida entre dois eletrodos localizados no interior de um recipiente fechado contendo gás rarefeito. Uma vez que os elétrons têm carga negativa, os raios catódicos vão do eletrodo negativo - o cátodo - para o eletrodo positivo - o ânodo.

Quando a pressão interna no tubo chega a um décimo da pressão ambiente, o gás que existe entre os eletrodos passa a emitir uma luminosidade. Quando a pressão diminui ainda mais (100 mil vezes menor que a pressão ambiente) a luminosidade desaparece, restando uma "mancha" luminosa atrás do polo positivo.^{[carece de fontes]}

Tubo de Crookes

No tubo de Crookes os raios catódicos produzem ionização nos gases que atravessam. Em função disto causam uma fluorescência nas paredes de vidro dos tubos. Em algumas substâncias como o sulfeto de zinco e outros compostos com fósforo, os raios catódicos também causam esta luminescência. Além disso, têm baixo poder de penetração, aquecendo as superfícies sobre as quais incidem. O feixe de raios catódicos é independente da natureza do gás existente no tubo.

O físico e matemático Julius Plücker, em 1858, iniciou suas experiências com raios catódicos. Plücker, ao fazer experimentos nesses tubos, observou que próximo ao catodo formava-se uma luminescência de cor esverdeada, cuja posição variava com a proximidade de campos magnéticos.

Goldstein

O físico Eugen Goldstein observou que a luminosidade era provocada por raios invisíveis a olho nu, que uma vez acelerados a partir do catodo atravessavam o tubo em linha reta, em direção perpendicular a sua superfície. Esta foi a razão pela qual Goldstein chamou o feixe eletrônico de raios catódicos.

A partir dos estudos de Goldstein foram construídos os catodos de formato côncavo. A finalidade desta configuração era produzir raios dirigidos e concentrados. Isto era necessário para realizar diversas experiências com feixes estreitos de partículas.

Feixes de partículas

Em 1878, William Crookes teve a certeza de que os raios catódicos são formados de feixes de partículas com carga negativa, emitidas do catodo com velocidade muito alta.

Em 1879, Joseph John Thomson demonstrou que o feixe era desviado pela ação de campos elétricos.

William Crookes continuando suas experiências em 1886 e Johann Hittorf em 1896 utilizaram o tubo de raios catódicos.

Raios catódicos

Em um tubo fechado a vácuo, contendo um gás rarefeito (submetido a baixas pressões), foram postos dois eletrodos com polos contrários (positivo e negativo) e estabelecendo entre eles uma diferença de potencial elétrico fornecido por uma fonte externa. Ao aplicar uma descarga elétrica, percebeu-se um feixe de luz ligando um polo ao outro. Experimentos realizados colocando um obstáculo material dentro do tubo e entre os polos, após a mesma descarga elétrica, viu-se a formação de uma sombra em direção ao polo positivo.

Os cientistas atribuíram essa mancha aos raios provenientes do polo negativo, denominado cátodo. Então foram denominados raios catódicos, que nada mais são do que feixes de elétrons que atravessam o tubo atraídos pelo polo positivo, que é chamado de ânodo.

Propriedades dos Raios Catódicos

À pressão atmosférica, uma faixa não se estende muito para além da fonte, o cátodo. Contudo, sob condições de vácuo parciais a faísca se estende por uma distância maior.

Fluxos violetas a pressão p = 2,7 kPa Quando o ar é bombeado para fora do tubo, eléctrodos, ânodo e cátodo, são conectados por um ou mais fluxos violetas, conforme ilustrado na figura acima. À pressões mais baixas, um brilho rosa encha o tubo inteiro.

Um bombeamento contínuo para fora, causa o brilho rosa concentrar-se em torno do ânodo e um brilho azul concentrar-se em torno do cátodo, como esboçado na figura abaixo. O espaço entre os brilhos é escuro, chamado espaço escuro de Faraday.

Redução continuada da pressão no tubo, faz com que o espaço escuro se expanda e a cor, nos eléctrodos se desvaneça até que o tubo se torne escuro, excepto para um brilho fraco em torno do ânodo, como esboçado na figura abaixo. A região escura é chamada espaço escuro do Crookes.

O brilho no tubo é parcialmente devido a luz emitida por átomos de gás quando electrões saem de estados mais excitados para menos excitados dentro deles; é também devido a recombinação de electrões com iões positivos que ocorre durante as colisões das partículas.

Estrias são causadas por ionizações e recombinações que se alternam no tubo. As bandas escuras, os espaços escuros de Faraday e Crooke, são as posições onde ionizações estão ocorrendo principalmente devido a colisões entre íões e átomos neutros.

Os átomos de gás absorvem energia o que resulta na excitação dos electrões dentro deles e também a ionização dos átomos; portanto, não há nenhuma luz emitida. As faixas brilhantes são lugares onde a luz está sendo emitida quer por desexcitação de electrões durante a recombinação com iões positivos ou o desexcitação dos electrões nos átomos excitados.

Investigações sobre raios catódicos

• Raios Catódicos movimentam-se em linhas rectas e projetam sombras bem nítidas.

• Uma roda com um pedal colocado no caminho dos raios catódicos gira, indicando que eles são partículas, viajando no sentido do

cátodo para ânodo e tem energia e momento.

• Raios catódicos podem ser desviados por um campo magnético e também por um campo eléctrico, indicando que são partículas carregadas, carregando uma carga eléctrica negativa.

• Através de medições da razão entre a carga e a massa, revela-se a identidade das partículas independentemente do material do cátodo e o gás no tubo.

• Thompson chamou a partícula do raio catódico, de Electrão.

Raios anódicos

Ver artigo principal: Raio anódico

Raios positivos são feixes de íons positivos acelerados pelo campo elétrico no interior de uma ampola de Crookes. A sua origem é a ionização (por choques ou campo) do gás no interior da ampola. São chamados de raios anódicos porque são provenientes do ânodo. Na mesma experiência com o Tubo de Crookes, o polo positivo foi posto na parte de cima do tubo, porém esse ânodo tinha o formato de uma moeda vazada na forma de vários furos.

Com a descarga elétrica foi observado que através dos buracos do ânodo, e em direção à extremidade contrária à do cátodo, eram emitidos ondas luminosas parecidas com as observadas na experiência com os raios catódicos.

Ao explicar o fato foi admitido que a luminosidade produzida era originada de partículas que seriam emitidas do ânodo em direção ao cátodo, porém, ao chocar-se com os elétrons do gás, eram repelidas na direção contrária. Estas partículas quando aceleradas pela repulsão emitiam ondas eletromagnéticas na forma de luz visível.

Ionização

Nas ruas podemos encontrá-los em alguns letreiros. As cores desses raios dependem do gás usado. Com algumas modificações nos tubos, os raios catódicos dão origem a outros tipos de luzes. Abaixo algumas delas:

Luminosos de néon: o gás usado é o neônio. É usado em letreiros publicitários.

Luminosos de sódio: o gás usado é o vapor de sódio. Confere uma luminosidade amarela característica. É usado em iluminações de vias públicas e túneis.

Lâmpadas fluorescentes de mercúrio: o gás usado é vapor de mercúrio. Emite uma luz violeta e ultravioleta (luz negra). É revestida com uma tinta fluorescente (à base de fósforo) que absorve a luz emitida e reemite como luz branca. São usadas em residências, vias públicas, escritórios, etc.

CRT ou TRC

Os CRT (Cathode Ray Tube) em português TRC (Tubos de Raios Catódicos) são comumente encontrados em aparelhos de televisão e monitores de microcomputadores.

Ligações externas

• «e-Química». - Vídeo sobre ampôlas de Crookes e Thomson.