A katódsugárzás és az elektron

Johann Heinrich Wilhelm Geissler (1815-1879)német üvegtechnikus, mechanikus 1854-ben akkor lép a fizikatörténet színpadára, amikor Plücker felfedezi a gázkisülési csöveket, amelyeket ő gyárt le bonni műhelyében. A csövek működtetéséhez szükséges vákuum előállítására higanyos szivattyút talál fel, amivel szinte sorozatban tudja gyártani a csöveket, így neve széles körben ismertté válik. A Geissler-csőben néhány száz Pascal nyomásnál a katód és az anód közé kapcsolt nagyfeszültség hatására pasztellszínekben világító gázoszlop alakul ki.

Plücker 1854-ben felfedezi azt, hogy ha erősen ritkított gázt tartalmazó üvegcső két elektródjára egy Ruhmkorff - induktor (a szikrainduktor őse) segítségével nagyfeszültséget kapcsol, akkor a csőben világító gázoszlop lesz megfigyelhető. Ez a gázoszlop mágneses térben eltéríthető. Különböző gázok különböző színűek, és a színképük vonalas. Kirchhoffot és Bunsent megelőzve rájön, hogy a színkép vonalai az adott elemre jellemzőek.
1859-ben azt tapasztalja, hogy nagy ritkítás esetén a csőben a kisülési jelenség megszűnte után a katóddal szemközti falon a zöldesen világító foltok megmaradnak, és e foltok helyzete is megváltoztatható mágnes mezővel. Így fedezi fel a láthatatlan katódsugárzást.

Hittorf 1860-1889 közt, hosszú éveken át a katódsugárzás természetét vizsgálja. Felfedezi azt, hogy ha a katódsugárzás útjába egy drótot helyez a katód és az anód közé, akkor annak éles árnyéka jelenik meg a katóddal szemközti falon. Ezzel igazolja, hogy a sugárzás a katódból indul ki, és egyenes vonalban terjed, becsapódásakor pedig több anyagon fluoreszcenciát okoz. Kimutatja, hogy a katódsugárzás eltéríthető mágneses mezőben. Nagyon jó megsejtései voltak a kisülési jelenségekkel kapcsolatban. Például a kisülési csövekben tapasztalható fényjelenségek magyarázatára egy ütközési ionizáción alapuló elméletet dolgoz ki. Véleménye szerint a ritkított gázokban tapasztalható vezetési jelenség középutat foglal el a tiszta fémes vezetés és az elektrolitok vezetése közt, mert szerinte itt mind a két vezetési mechanizmusnak szerepe van.
Az ábrán látható csővel vizsgálta Hittorf a sugárzás fluoreszcencia hatását. A cső belsejében lévő anyag a katód és anód közé kapcsolt nagyfeszültség hatására élénken fluoreszkált.

Crookes 1856-ban ritkított gázban végbemenő elektromos kisülések vizsgálata során elsőként figyelte meg a katód körüli sötét térrészt, amelyet ma Crookes - féle sötét térnek neveznek. Bebizonyította, Hittorf után, de tőle függetlenül, hogy a katódsugarak egyenes vonalban terjednek, s ha bizonyos anyagokba csapódnak, azt fénykibocsátás (foszforeszencia) és hőtermelés kíséri. A katódsugarak tanulmányozására számos berendezést fejlesztett ki. Angliában a katódsugárzás és a gázkisülések leghíresebb kutatójává válik. Az angolok a kisülési csöveket ma is Crookes-csőnek nevezik. A sok szertárban megtalálható máltai keresztes cső is tőle származik, annak illusztrálására, hogy a sugárzás egyenes vonalban terjed.
1879-ben a katódsugárzásra, mint az anyag negyedik halmazállapotára, új elméletet dolgoz ki, ami azonban hibásnak bizonyult. Szerinte a katódsugár nem más, mint negatív töltéssel ellátott molekulák áramlása. A molekulák úgy tesznek szert negatív töltésre, hogy a katódnak ütközve onnan negatív töltést vesznek fel, majd nagy sebességgel eltaszítódnak tőle. A molekula áramlási hipotézisét Goldstein cáfolja kísérletével.

Goldstein 1870-ben leírja, hogy az egyenes katódsugaraktól védett fluoreszkáló ernyő fénylik. Se ő, se mások nem ismerik fel ennek a jelentőségét, hiszen itt a 15 évvel később felfedezett röntgensugaraknak van szerepe.
1871-ben kimutatja, hogy a katódsugárzás merőlegesen lép ki a katód felületéről, bármilyen legyen is a katód anyaga, sőt a konkáv alakú katód a sugarakat fókuszálja. A sugárzás kémiai természetét vizsgálva azt a Nap ultraviola sugárzásával találja hasonlónak. Többfajta katódanyagot is megvizsgál, de a sugárzás tulajdonságaiban változást nem tapasztal.
1876-ban bevezeti a jelenségre a hamarosan széles körben elterjedő katódsugárzás elnevezést.
1880-ban a felvételen látható derékszögben meghajlított üvegcső két elektródját felváltva használja katód gyanánt. Így a katódsugarak a cső felső, vízszintes szárában felváltva haladnak egyik, majd a másik irányba. Mint arra a brit Peter Guthrie Tait rámutatott, - ha a sugárzást valóban negatív töltésű molekulák alkotják - akkor a mozgó molekulák által kisugárzott spektrumban Doppler - eltolódást kell észlelni. Goldstein ilyent nem tapasztalt. Ez, és a látszólag az UV sugárzáshoz hasonló természete alapján érlelődött meg benne az, hogy a sugárzás elektromágneses hullám természetű. Ne felejtsük el, hogy ekkor az elektromágneses hullámok megléte még csak hipotézis volt.

Hertz 1882-ben megfigyeli, hogy a katódsugárzás képes fémfólián áthatolni, és hogy elektromos mezőben nem téríthető el. J.J.Thomson és Lenard később megmutatja, hogy a rossz vákuum miatt sikertelen az eltérítés.
1886-ban mutatja ki azt, hogy az elektromos szikra kisülése közben elektromágneses hullámok keletkeznek. Ezzel igazolta Maxwell híres sejtését. Az elektromágneses hullámok felfedezése után a katódsugárzást is elektromágneses hullámnak vélte akárcsak Goldstein, ma már tudjuk, hogy tévesen. Tekintélye azonban olyan nagy volt, hogy a követői nem tudták kivonni magukat hatása alól. Ettől kezdve -főként a német tudósok- számos hiábavaló kísérlettel igyekezték megmutatni elektromágneses  hullám mivoltát.

Lenard 1892-1893 közt Heinrich Hertz asszisztenseként dolgozik a bonni egyetemen. Sikerül a katódsugárzást elektromos mezőben is eltérítenie, ami eddig mesterének nem sikerült. Az eredmény magyarázatánál azonban a -hertzi hagyományoknak megfelelően- abból indult ki, hogy a katódsugárzás nem lehet részecske. Arra is rájön, hogy mesterének a tökéletlen vákuum miatt nem sikerült az eltérítés. Ebből a helyes megfigyelésből azt a téves következtetést vonja le, hogy a sugárzás nem lehet más, mint az anyagtalan elektromosság, a töltött test nélküli elektromos töltés, azaz az éter. Az éterhipotézisnek eddig Maxwell volt a  szaktekintélye. Lenard annyiban túllép a maxwelli éterfogalmon, hogy nála az éter és az anyag különválik, az egész teret, az elektromágneses erőteret hordozó éter tölti be, akár van benne anyag, akár nincs. 1893-ban megkezdi önálló kutatásait a katódsugárzás témakörében. Elsőként sikerül a sugárzást egy 0,001 mm vastag - fémszitával megerősített- ablakon kivezetnie. Mivel a fólián keresztül még a legkisebbnek tartott részecske, a hidrogénmolekula sem tudott áthatolni, ezért feltételezi, hogy nem részecskesugárzásról van szó. Ez a feltételezése is téves. Részletesen vizsgálja a katódsugárzás elnyelődését is. 1898-ig szinte minden elképzelhető kísérletet elvégez a katódsugárzással kapcsolatban, még azt is megteszi, hogy a csőből kivezetett sugárzást nyelvével megízleli (sőt még azt is megjegyzi, hogy olyan ízt érez, mint amikor egy galvántelep sarkait nyaljuk meg), mégsem tud rájönni a titkukra.

Perrinnek 1895-ben sikerül egyértelmű bizonyítékot találnia arra, hogy a katódsugárzás negatív töltésű részecskék áramlása. Elsőként tudja megmérni a katódsugárzás áramerősségét. Először egy kettős hengeres falú anódot használ, majd egy speciális csövet, amelyben a sugárzást mágneses mezővel téríteti el. Ez alapján a katódsugárzást negatív töltésűnek találja, az áramerősségét mikroamperes nagyságrendűnek határozza meg.

Perrin egyik módszerének az volt a lényege, hogy az anódot henger alakúra készítette. A sugarak az alján lévő kis nyíláson jutottak be a hengerbe. Az elektromosan feltöltődő belső henger megosztó hatást gyakorolt a külső hengerre. Perrin a külső henger töltéseit a csőből kivezette és elektrométerrel megmérte. Így nem csak a katódsugárzás negatív töltését tudta megállapítani, hanem a katódsugárzás áramerősségét is, amire mikroamperes nagyságrendet kapott.

Thomson 1897-ben azt tapasztalja, hogy a katódsugárzás elektromos mezőben is eltéríthető. Rájön arra - akárcsak Lenard -,hogy Hertz azért nem tudta eltéríteni a sugárzást, mert nem tudott kellő nagyságú vákuumot előállítani a csövében. Ekkoriban elkezdett mérései vezetnek el az elektron felfedezéséhez.

 

Thomson a katódsugárzás vizsgálatát azzal kezdte, hogy megismételte Perrin kísérletét, azaz egy kis résen át elektrométerre vitte a sugarakat, és meghatározta a katódsugárzás áramerősségét. Thomson első rajzán ennek a csőnek a felépítését látjuk. Thomson tehát elfogadta Perrin feltételezését arról, hogy a sugárzás negatív töltésű részecskék áramlása.

Thomson második rajzán első fajlagos töltést meghatározó mérésének elvét látjuk. (A fajlagos töltés egy részecske töltésének és tömegének a hányadosa. A C résen át kilépő sugárzást a mágneses mező AE íven téríti el. Az ívhez tartozó sugár és a részecskék mozgási energiájának ismeretében a fajlagos töltés már meghatározható volt. A részecskék energiáját úgy mérte, hogy egy vas-réz termoelem hőmérsékletnövekedését határozta meg, annak hőkapacítása és áramerősségének ismeretében. A mérést 3 különböző gázban és három csővel is elvégezte, de a fajlagos töltés értéke nem változott.
 

Az ábrán illetve a fényképen látható katódsugárcsővel végezte el Thomson a sorsdöntő méréseit. Ezzel a leghíresebb csővel mutatta meg, hogy Hertz korábbi kísérlete hibás volt, mert a katódsugár a csőbe helyezet eltérítő lemezek közti elektromos térben eltérült. A cső nyalábja a lemezpárokra kapcsolt feszültséggel, illetve a cső külső felületéhez illeszkedő tekercspár mágneses mezejével is eltéríthető. A két eltérítés alapján határozhatjuk meg az elméletben részletezett módon a sugárzást alkotó részecske fajlagos töltését. A kísérlet során az elektromos és mágneses mezőt tudta változtatni, oly módon, hogy az eltérítő lemezpár fezsültségét illetve az ábrán nem látható tekercs áramerősségét változtathatta. Ez mellett mérni kell az eltérítés szögét. Ez a valóságban nagy technikai problémát jelentett, mert csak tökéletes sötétségben lehetett a katódsugárzás becsapódási helyét pontosan megállapítani. Ez úgy történt, hogy egy tűt lumineszkáló festékkel vontak be és egy csavar segítségével állították rá a lumineszkáló pontra. Világosban pedig leolvasták, hogy mit mutat a tű vége a skálán.  A kapott fajlagos töltésérték több mint ezerszerese lett az addig az elektrolízissel kapott legnagyobb értéknek, a hidrogén ion értékének. Ez alapján jelentethette ki Thomson, hogy “ a katódsugarak az anyag új állapotát jelentik.”
 

Fitzgerald alig egy hónappal késik el Thomson mögött publikációjával, amelyben kísérleti alapon kimondja, hogy a katódsugárzás szabad elektronok árama. Ő nevezte elsőként a katódból kiinduló szabad elektronoknak Thomson részecskéit.
Még két fizikus, akik csak hajszállal maradtak el Thomson mögött:
Arthur Schuster (1850-1934),angol fizikus
1884-ben a manchesteri egyetemen arra az eredményre jutott, hogy a katódsugárzás olyan részecskékből áll, amik a ritkított gázzal töltött csőben a molekulák szétbomlásából keletkeznek. Mágneses térben történő eltérítéssel a fajlagos töltés meghatározására is kísérletet tett a 90-es években, de mivel a katódsugárzás részecskéinek a sebességét nem tudta meghatározni, így csak durva becsléseket tudott tenni. Thomson az ő módszere alapján indult el.
Johann Emil Wiechert (1861-1928),német fizikus
1896-ban már elsőként feltételezi, hogy a röntgensugárzás elektromágneses hullám.
1897 januárjában Thomsonnál néhány hónappal korábban már meghatározza a fajlagos töltés értékét, mágneses és elektromos mezővel történő eltérítéssel. Már azt is kijelentette, hogy: “Itt nem kémiai atomok mozognak, mert a tömegük 2000-4000-szer kisebb a legkönnyebb ismert atom, a hidrogénatom tömegénél.” Mivel azonban geofizikus volt munkájára viszonylag kevesen figyeltek fel, másrészt pedig a mérések nála sajátosan keveredtek szerencsés becslésekkel.

Braun1897-ben, az elektron felfedezésének az évében bemutatja a róla elnevezett katódsugárcsövet. Ez tartalmaz egy elektronsugarat fókuszáló elektromágnest és egy eltérítő kondenzátort. A katóddal szemközti csőfal ernyőszerű kiképzésű és fluoreszkáló anyaggal bevont. Rájön arra, hogy a kondenzátorra kapcsolt feszültséggel a fényfolt vezérelhető. Ez lesz az oszcilloszkóp és a TV képcső működésének elve.

Plücker még aligha gondolt arra, hogy 140 évvel felfedezése után emberek milliárdjai naponta több órán át ülnek egy katódsugárcső foszforeszkáló ernyőjével szemben. Az azonban tény, hogy a katódsugárzás alkalmazása, a TV készülékek révén, komoly társadalomformáló erővé vált. Kifejlesztésében sok magyar mérnök is részt vett.
Hazánkban a katódsugárzással kapcsolatos világraszóló tudományos eredmények nem születtek. A hazai indíttatású Lenard is nagyszerű eredményeit már Németországban éri el. Ugyancsak jobbára Németországban működtek azok a magyar mérnökök is, aki a televízió kifejlesztésében értek el fontos eredményeket.
A televíziózáshoz nélkülözhetetlen egy olyan eszköz, ami a képbontást teszi lehetővé. A korai időkben ezek az eszközök mechanikusan működtek. Ilyen volt például a Nipkow- tárcsa, de ebbe a sorba illeszkedett az Okolicsányi féle tükörcsavar is. Okolicsányi Ferenc (1894- 1954) Szatmár megyében született, a pesti Műegyetemen és Németországban tanult. 1926-ban került Berlinbe, a Telehor A.G. nevű céghez, ahol Mihályi Dénessel dolgozott együtt. A Telehor Okolicsányi féle TV készülékek gyártását kezdte meg. A már említett tükörcsavar egy meredek lejtőjű végtelen csavar volt, amelynek felülete jól tükröző anyaggal vont bevonva. Forgása közben a rávetített fénysugarat mindig más-más szögben verte vissza, így alkalmas volt képfelbontásra, illetve a vevőben leképzőként lehetett alkalmazni. A tükörcsavart, és más rendszerű mechanikus képbontókat a harmincas évek végétől szorította ki az elektronikus képbontás.
Mihályi Dénes (1894-1953) szintén a Műegyetemnek volt tanulója. 1917-ben szabadalmaztatta, és 1919-ben el is készítette "képtávíró" készülékét, amellyel elektromágneses hullámok segítségével állóképeket tudott közvetíteni. A készülékének szabadalmát végül a Telehor vette meg. Ugyancsak ez időtájt hangosfilmet is készített. 1924-ben kivándorol Németországba, ahol Okolicsányival dolgozott együtt a Telehornál. Hosszú kísérletezgetés után, 1935-ban készült el a német Traubbal közösen kifejlesztett TV készüléke, amely még mindig mechanikusan, forgó tükörrel állította össze a képet.
Az elektronikus képfelvétel elterjedését nagymértékben akadályozta az, hogy a képfelvevő csövek nem voltak elég fényérzékenyek. Ezt a hiányosságot a töltéstárolás elvével lehet fokozni, azaz a képfelvevő csövek anyagát olyan különleges réteggel vonták be, amelyek eleve sok töltés befogadására alkalmasak. Ekkor a fény hatására nagyságrendekkel több töltés váltható ki. Ezt az elvet Tihanyi Kálmán (1897-1947) dolgozta ki 1926-ban. Az amerikai Zworykin 1933-as ikonószkópjában, az első modern képfelvevő csőben már ezt az elvet alkalmazta.
A színes televíziózás területén Goldmark Péter Károly (1906-1977) szerzett nevet magának. 1926-ban már működőképes televíziót tudott készíteni. Ifjú korában, Berlinben, a Siemens laboratóriumban dolgozott Gábor Dénes(1900-1978) irányítása alatt. (Gábor később Angliába ment át, 1947-ben itt találta ki a hologramot, amiért 1971-ben Nobel-díjat kapott.) Goldmark 1933-ban az USA-ba kerül, ahol a CBS-nél kapott munkát. Színes TV készülékét 1940-ben mutatták be. A Hold kísérleteknél használt TV berendezések kifejlesztésén is dolgozott. Az ő találmánya volt a mikrobarázdás lemez is, 1948-ban.
 

A német Brüche 1930-ban fedezte fel azt, hogy izzított oxidkatód, és cső alakú anód alkalmazása esetén megfelelően kis nyomáson világító nyaláb észlelhető. A nyaláb elektronokból áll, az elektronok pályájuk mentén ionizálják a gázt, és az így keletkező pozitív ionok akadályozzák meg a nyaláb szétterülését. Ma ezt a sugárzást nagyszerűen lehet fajlagos töltés meghatározására használni. Mágneses mezőben ugyanis a részecskék a Lorentz erő hatására körpályára kényszerülnek. A Lorentz erő egyenlő tehát a centripetális erővel. Egyenletben: Bev=mv2/r Ebből a fajlagos töltés meghatározható: e/m = v/rB. Mérni kell tehát a mágneses indukciót, amit akár egy tekercspár adataiból is meg tudunk határozni, a kilépő elektronok sebességét a gyorsítófeszültség ismeretében tudjuk kiszámolni, a pályasugár közvetlenül mérhető. A felvételen a Leybold cég terméke látható.