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Esperimenti con il Tubo a Raggi Catodici

Il tubo di Crookes è un particolare tubo a vuoto di vetro, di varie forme, che presenta due elettrodi metallici alle estremità : anodo e catodo. Deve il suo nome al suo inventore, il fisico William Crookes, e rappresenta l’evoluzione del tubo di Geissler e il precursore del tubo catodico.

Ad una estremità del tubo si trova il polo negativo, chiamato catodo, che produce gli elettroni. Sull’estremità opposta è posizionato l’anodo, ossia il polo positivo. Quando tra i due poli viene creata una tensione sufficientemente alta, si producono i raggi catodici (elettroni) che viaggiano in linea retta dal catodo all’anodo. Tra il catodo e l’anodo può essere posizionata una piccola lastra metallica ritagliata con una determinata figura, in modo tale che funga da maschera per evidenziare il passaggio dei raggi catodici.
L’aggiunta di deflettori elettrostatici consente la visualizzazione dell’effetto del campo elettrico sul fascio di raggi catodici.

Wilhelm Röntgen, utilizzando il tubo di Crookes, ha scoperto i raggi X. Questa radiazione si produce a causa del frenamento degli elettroni sull’anodo quando la tensione supera i 20-25 KV.

L’immagine riportata sotto illustra in maniera schematica il funzionamento di un tubo di Crookes.

Per gli esperimenti con il tubo a raggi catodici abbiamo utilizzato un modello educativo facilmente reperibile su eBay. Si tratta di un tubo provvisto di catodo ed anodo, con una maschera con fenditura in modo da produrre un fascio planare di raggi catodici, vi è inoltre uno schermo fluorescente in modo da evidenziare in maniera visiva la presenza del fascio. Due placche deflettrici, utilizzate per dimostrare l’influenza di un campo elettrico sul fascio di elettroni, completano l’apparecchio. Le immagini riportate sotto mostrano l’apparato.

L’alta tensione tra anodo e catodo viene ottenuta da un generatore di alta tensione alimentato da una tensione continua 0 – 12 V, in corrispondenza dei quali si ottiene un valore di tensione 0 – 10 KV. Il generatore di alta tensione è un modulo compatto facilmente reperibile online, è comunque possibile utilizzare un qualsiasi generatore HV, ad esempio basato su diodi e condensatori in configurazione moltiplicatore di tensione di Cockcroft-Walton.

Deflessione Magnetica

Come sappiamo i raggi catodici sono costituiti da elettroni che vengono accelerati dal catodo verso l’anodo. Si tratta quindi di particelle cariche negativamente in movimento in linea retta, come tali sono soggette alla forza di Lorentz, che governa il moto di particelle cariche all’interno di campi magnetici.
In linea generale la forza esercitata su di una carica q in movimento con velocità v all’interno di un campo magnetico B ed elettrico E, è data da :

\mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})

Nel nostro caso il campo elettrico è nullo e le cariche in movimento sono gli elettroni, la formula quindi diventa :

F = –e(v x B)

Dato il prodotto vettoriale tra v e B, la forza è perpendicolare sia alla direzione del campo magnetico che alla direzione della velocità. L’immagine sotto illustra l’effetto della forza di Lorentz.

Questo comportamento può essere verificato facilmente utilizzando il notro tubo catodico ed un magnete permanente al neodimio : avvicinando il magnete al tubo si ottiene la deflessione del fascio verso il basso o verso l’alto a seconda della polarità del magnete. L’immagine ed il video riportati sotto mostrano questa verifica sperimentale.

Deflessione Elettrica

Il fascio di raggi catodici è ovviamente sensibile anche ai campi elettrici. Dalla legge di Lorentz si ottiene :

F = –eE

La forza è proporzionale alla intensità del campo elettrico, ed è diretta in direzione opposta dato che la carica dell’elettrone è negativa, come illustrato nella immagine sotto.

Questa verifica sperimentale può essere facilmente fatta anche con il nostro tubo catodico, dato che è provvisto di una coppia di placche di deflessione, poste in prossimità al fascio. Applicando alle placche una tensione di un valore compreso tra 500 e 800 V si può ottenere una evidente deflessione del fascio. L’immagine ed il video riportati sotto mostrano questa verifica sperimentale.

 

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