Kathodenstrahlen

Kathodenstrahlen ist der historische Begriff für Elektronenstrahlen. Sie werden in einer Kathodenstrahlröhre erzeugt, in der Hochvakuum herrscht. Elektronenstrahlquellen in Kathodenstrahlröhren werden je nach Aufbau und Funktion auch als Elektronenkanone oder in Bildröhren kurz als Strahlsystem bezeichnet.

Die Kathode wird oft zur besseren Elektronenemission beheizt. Bei der Entdeckung der Kathodenstrahlen traten Strahlen durch eine Öffnung in einer der Kathode gegenüberliegenden (positiven) Anode aus und verursachten Leuchterscheinungen. Man bezeichnete diese offensichtlich von der Kathode ausgehenden Strahlen daher als Kathodenstrahlen. Die bei kalter Kathode entstehenden Strahlen einer Gasentladung bezeichnete man demgegenüber als Kanalstrahlen. Erst später erkannte man, dass erstere aus Elektronen und letztere aus (positiven) Ionen bestanden.

Geschichte

Die Untersuchungen wurden stimuliert durch die Suche nach den kleinsten Teilchen der Elektrizität, wie sie nach den Faraday-Gesetzen existieren sollten. Man untersuchte deshalb elektrische Vorgänge in verdünnten Gasen und fand dabei Leuchterscheinungen. Julius Plücker (1801–1868) verwendete Gasentladungsröhren, in denen Kathoden erhitzt wurden. Er und sein Schüler Johann Hittorf (1824–1914) stellten fest, dass

1. sich aus den Kathoden eine Art elektrischer Strahlung geradlinig ausbreitete,
2. dazwischen gestellte Gegenstände einen Schatten werfen,
3. sich die Strahlung durch ein Magnetfeld ablenken ließ.

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  Schattenkreuzröhre

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  Schattenkreuzröhre in Betrieb

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  Magnetfeld angelegt

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  Geändertes Magnetfeld

William Crookes (1832–1919), der die für diese Untersuchungen geeignete Schattenkreuzröhre erfand, stellte 1879 fest, dass diese Strahlen auch in hoch evakuierten Röhren auftraten, in denen ansonsten keine Leuchterscheinungen der Gasentladung mehr zu erkennen waren. Außerdem erkannte er, dass sie feste Körper erwärmt und einen Druck ausübt. Dies führte zur Erkenntnis, dass Kathodenstrahlen offenbar aus Teilchen (Korpuskeln) bestehen.

Erstmals wurden Kathodenstrahlen systematisch von Philipp Lenard (1862–1947) in den 90er Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht. Er baute hierfür das so genannte Lenard-Fenster, das aus einem Gitter mit einer aufgebrachten Metallfolie bestand. Er erkannte, dass die Kathodenstrahlen eine Folie aus mehreren tausend Atomschichten durchqueren konnten. Lenard erkannte ebenfalls, dass Kathodenstrahlen photographische Platten belichteten und bei geeigneten Stoffen Phosphoreszenz hervorrufen.

Streugesetz

Er fand das Streugesetz:

$N(x) = N_0^{-\alpha \cdot x}$

mit:

N₀ = Zahl der Elektronen vor der Folie, α = Absorptionskoeffizient, x = Foliendicke.

Es gab vielerlei Versuche, die Masse der Teilchen zu bestimmen, aus denen die Kathodenstrahlen bestanden. Dies jedoch gelang erst Joseph John Thomson (1856–1940). Thomson setzte ein stark verbessertes Vakuum ein und konnte das Verhältnis der Ladung zur Masse durch elektrostatische Ablenkung der Kathodenstrahlen bestimmen.

Technische Anwendung

Die erste nennenswerte technische Anwendung der Kathodenstrahlen bestand in der Braunschen Röhre, die von Karl Ferdinand Braun (1850–1918) entwickelt wurde. Der Kathodenstrahl wird auf einem fluoreszierenden Schirm im Innern der Röhre sichtbar, wenn er auf diesen auftrifft. Anwendungen sind der Kathodenstrahloszillograph und die Bildröhre.

Weblinks

http://www.fizkapu.hu/animator/_katodsugarak.html - Animation der Bildern (Kathodenstrahlen durch ein Magnetfeld 1–4.)