வாயுக்களில் கடத்துப் பண்பைத் தரும் கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் இல்லாததால், சாதாரண வளிமண்டல அழுத்தத்தில் வாயுக்கள் மின்னோட்டத்தை அரிதாகவே கடத்துகின்றன. ஆனால், சில சிறப்பு ஏற்பாடுகளின் மூலம், ஒரு வாயுவை மின் கடத்து ஊடகமாக மாற்றலாம்.
வாயுக்களின் வழியே நிகழும் மின்னிறக்கத்தை ஆராய உதவும் எளிய கருவியே மின்னிறக்கக் குழாய் ஆகும். அதன் அமைப்பு படம் 9.2ல் காட்டப்பட்டுள்ளது. அது எவ்வித கலப்புமில்லாத தூய்மையான வாயுவை உள்ளடக்கிய (ஏறத்தாழ 50cm நீளமும் 4cm விட்டமும் கொண்ட) ஒரு நீளமான, மூடப்பட்ட கண்ணாடிக் குழாய் ஆகும். அதிலுள்ள ஒரு சிறு திறப்பில் உயர் வெற்றிடக்குழாயும் குறை அழுத்தமானியும் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. அதனுள் மின்வாய்கள் எனப்படும் இரு உலோகத் தகடுகள் பொருத்தப்பட்டு, அவை தூண்டு மின்சுருள் ஒன்றின் துணைச்சுற்றுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. துணைச்சுற்றின் நேர மின்முனையுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ள தகடு நேர மின்வாய் என்றும் எதிர்மின்முனையுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ள தகடு எதிர் மின்வாய் என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன. மேலும் துணைச்சுற்றின் மின்னழுத்தம் ஏறத்தாழ 50kV ஆகும்.
மின்னிறக்கக் குழாயிலுள்ள வாயுவின் அழுத்தம் பாதரசத் தம்பத்தின் 110mm என்ற அளவிற்கு குறைக்கப்படும் வரையில் எவ்வித மின்னிறக்கமும் நிகழ்வதில்லை. அழுத்தம் பாதரசத்தின் 100mm என்ற அளவில் உள்ளபோது, மின்னிறக்கம் தொடங்குகிறது. இதன் விளைவாக, சீற்றை ஒளிக்கீற்றுகளும் படபடவென்ற (பொரிப்பது போன்ற) ஒலியும் உருவாகின்றன. அழுத்தம் பாதரசத்தின் 10mm என்ற அளவிற்கு குறைக்கப்படும் போது, நேர்மின்வாய் (ஆனோடிலிருந்து) தொடங்கி எதிர் மின்வாய் (கேத்தோடு) வரை ஒளிர் தம்பம் ஒன்று உருவாகிறது. இதற்கு நேர்மின் தம்பம் என்று பெயர்.
அழுத்தமானது பாதரசத்தின் 0.01 mm ஆகக் குறைக்கப்படும் போது, நேர்மின் தம்பம் மறைகிறது. இந்நேரத்தில் ஆனோடிற்கும் கேத்தோடிற்கும் இடையில் ஒரு இருண்ட பகுதி உருவாகிறது. இது குரூக்ஸின் இருண்ட பகுதி எனப்படும். மேலும், இப்போது குழாயின் சுவர் பச்சை நிறத்தில் ஒளிர்கின்றது. இந்நிலையில், கேத்தோடு கதிர்கள் என்று அழைக்கப்படும் ஒரு வகை கண்ணிற்குப் புலனாகாத கதிர்கள் எதிர் மின்வாயிலிருந்து (கேத்தோடிலிருந்து) வெளியேறுகின்றன. இக்கற்றை கேத்தோடு கதிர்கள் (cathode rays) என்றழைக்கப்பட்டன. பின்னர் இக்கேத்தோடு கதிர்கள் என்பது எலக்ட்ரான் கற்றை எனக் கண்டறியப்பட்டது.
கேத்தோடி கதிர்களின் பண்புகள்:
(1) கேத்தோடு கதிர்கள் ஆற்றல் மற்றும் உந்தத்தைப் பெற்றுள்ளன. $10^7 \text{ ms}^{-1}$ என்ற அளவிலான அதிவேகத்துடன் நேர்க்கோட்டில் அவை செல்கின்றன. மின் மற்றும் காந்தப் புலங்களால் அவை விலக்கம் அடைகின்றன. இவ்விலக்கத்தின் திசையை வைத்து அவை எதிர் மின்துகள்கள் என்பதை அறியலாம்.
(2) பொருள்களின் மீது கேத்தோடு கதிர்கள் வீழும் போது, வெப்பம் உருவாகின்றது. கேத்தோடு கதிர்கள் புலப்படத் தகடுகளைப் பாதிக்கின்றன. மேலும் சில படிகங்கள் மற்றும் களிமப் பொருள்கள் மீது அவை படும்போது ஒளிர்தலை ஏற்படுத்துகின்றன.
(3) அதிக அணு எடை கொண்ட பொருள்களின் மீது அவை விழும் போது, X-கதிர்கள் உருவாகின்றன.
(4) கேத்தோடு கதிர்கள் வாயுக்களின் வழியே செல்லும் போது அவ்வாயுக்களை அயனியாக்கம் செய்கின்றன.
(5) கேத்தோடு கதிர்கள் ஒளியின் வேகத்தில் $\frac{1}{10}$ மடங்கு வரையிலான வேகத்தில் இயங்குகின்றன.
எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட எண்ணைக் கண்டறிதல் – தாம்சன் ஆய்வு#
நவீன இயற்பியல் தோன்றுவதற்கு காரணமாக இருந்த மிக முக்கியமான ஆய்வுகளில் ஒன்றாக தாம்சன் ஆய்வானது கருதப்படுகிறது. மின்னிறக்கக் குழாயினுள்ள வாயுக்களைப்பற்றிய அறிய உதவும் முறைகளில் குறிப்பிடத்தகுந்த மேம்பாடுகளை 1887 – ஆம் ஆண்டில் ஜே.ஜே. தாம்சன் செய்தார். மின் மற்றும் காந்தப் புலங்களினால் கேத்தோடி கதிர்கள் விலக்கம் அடைவதையும், மின்புலம் மற்றும் காந்தப் புலத்தை மாற்றுவதன் மூலம் கேத்தோடி கதிர்களின் நிறை-இயல்புநிலை மின்னூட்டம் (mass normalized charge) அல்லது மின்னூட்ட எண் (அதாவது ஓரலகு நிறைக்கான மின்னூட்ட மதிப்பு $\frac{e}{m}$) அளக்கப்படுகிறது.
இந்த ஆய்வின் அமைப்பு படம் 9.3ல் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. இதில் உயர் வெற்றிட மின்னிறக்கக் குழாய் பயன்படுத்தப்படுகிறது. கேத்தோடிலிருந்து வெளியேறும் கேத்தோடி கதிர்களானது ஆனோடு வட்டு A வை நோக்கி கவரப்படுகின்றன. ஆனோடு வட்டு ஊசித்துனையைப் போன்ற சிறு துளை மட்டுமே கொண்டிருப்பதால் குறுகிய கற்றையாக கேத்தோடி கதிர்கள் அனுப்பப்படுகின்றன. பிறகு அவை குறிப்பிட்ட மின்னழுத்த வேறுபாட்டில் உள்ள இணையான உலோகத் தகடுகளுக்கு இடையே செலுத்தப்படுகின்றன. மேலும், படம் 9.3 இல் காட்டியுள்ளபடி, ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தான திசையிலுள்ள மின் மற்றும் காந்தப் புலங்களுக்கு இடையில் மின்னிறக்கக்குழாய் வைக்கப்பட்டுள்ளது. கேத்தோடி கதிர்கள் திரையில் பட்டவுடன் ஒளிர்தலை ஏற்படுத்துவதால், ஒரு ஒளிர்வுப் புள்ளி தோன்றுகிறது. திரையில் துத்தநாக சல்பைடு (ZnS) பூச்சு அளிப்பதன் மூலம் இந்த ஒளிர்தல் ஏற்படுகிறது.
(i) கேத்தோடு கதிர்களின் திசைவேகத்தைக் கண்டறிதல்:
தகடுகளுக்கிடையே ஒரு குறிப்பிட்ட மின்புலத்தை நிறுவியபின், காந்தப் புலத்தைச் சரிசெய்வதன் மூலம் கேத்தோடு கதிர்களை (எலக்ட்ரான் கற்றை) முதலில் இருந்த O புள்ளியை (படம் 9.3) வந்தடையுமாறு செய்யப்படுகிறது. படம் 9.4இல் கொடுத்துள்ளவாறு, மின் விசையின் அளவினை காந்த விசையின் அளவு சமன் செய்கிறது. கேத்தோடு கதிர்களின் மின்னூட்டம் $e$ மற்றும் திசைவேகம் $\upsilon$ எனில்,
$$eE = eB\upsilon$$$$\Rightarrow \upsilon = \frac{E}{B} \quad (9.1)$$(ii) மின்னூட்ட எண்ணைக் கண்டறிதல்:
கேத்தோடிலிருந்து ஆனோடிற்கு கேத்தோடு கதிர்கள் (எலக்ட்ரான் கற்றை) முடுக்கப்படுவதால், கேத்தோடில் எலக்ட்ரான் கற்றை பெறும் மின்னழுத்த ஆற்றலானது அது ஆனோடை அடையும் போது பெற்றுள்ள இயக்க ஆற்றலுக்குச் சமமாகும். ஆனோடிற்கும் கேத்தோடிற்கும் இடையேயான மின்னழுத்த வேறுபாடு $V$ எனில், எலக்ட்ரானின் மின்னழுத்த ஆற்றல் $eV$. எனவே, ஆற்றல் மாறா தத்துவத்தின் படி
$$eV = \frac{1}{2} m \upsilon^2 \Rightarrow \frac{e}{m} = \frac{\upsilon^2}{2V}$$சமன்பாடு (9.1)ல் உள்ள திசைவேகத்தின் மதிப்பை மேலே உள்ள சமன்பாட்டில் பிரதியிட, நமக்குக் கிடைப்பது
$$\frac{e}{m} = \frac{1}{2V} \frac{E^2}{B^2} \quad (9.2)$$$E$, $B$ மற்றும் $V$ மதிப்புகளைப் பிரதியிட, மின்னூட்ட எண்ணின் மதிப்பு $\frac{e}{m} = 1.7 \times 10^{11} \text{ Ckg}^{-1}$ எனக் கண்டறியப்பட்டுள்ளது.
(iii) சீரான மின்புலத்தினால் மட்டும் மின் துகளின் பாதையில் உருவாகும் விலக்கம்:
காந்தப்புலத்தை நிறுத்திய பிறகு, மின்புலத்தால் மட்டுமே விலக்கம் ஏற்படுகிறது. இந்த விலக்கம் மின் விசைக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும்.
$$F_e = eE \quad (9.3)$$$m$ என்பது எலக்ட்ரானின் நிறை எனில், நியூட்டனின் இரண்டாம் இயக்க விதிப்படி, எலக்ட்ரானின் முடுக்கம்
$$a = \frac{1}{m} F_e \quad (9.4)$$சமன்பாடு (9.3) ஐ சமன்பாடு (9.4) ல் பிரதியிட
$$a = \frac{1}{m} eE = \frac{e}{m}E$$திரையில் எலக்ட்ரான் கற்றை முதலில் வீழ்ந்த நிலையில் இருந்து, தற்போது அது அடைந்துள்ள விலக்கம் $y$ என்க. (படம் 9.5) மேலும் இக்கேத்தோடு கதிர்கள் இணையாகவுள்ள மின்புலத் தகடுகளை அடையும் முன்னர் அதன் மேல்நோக்கிய தொடக்க திசைவேகம் $u = 0$ ஆகும். இம்மின்புலத்தகடுகளின் நீளம் $l$ எனில், மின்புலத்தை கடக்க கேத்தோடு கதிர்கள் எடுத்துக் கொள்ளும் நேரம் $t$ ஆனது,
$$t = \frac{l}{\upsilon} \quad (9.5)$$எனவே, தகடுகளின் முடிவில் கேத்தோடு கதிர்கள் அடையும் விலக்கம் (குறிப்பு: $u = 0$ மற்றும் $a = \frac{e}{m} E$)
$$y' = ut + \frac{1}{2} a t^2 \Rightarrow y' = 0 + \frac{1}{2} \left( \frac{e}{m} E \right) \left( \frac{l}{\upsilon} \right)^2 = \frac{e}{m} \frac{E l^2}{2 \upsilon^2}$$$$y' = \frac{e}{m} \frac{l^2 B^2}{2E} \quad (\because \upsilon = \frac{E}{B}) \quad (9.6)$$எனவே திரையில் ஏற்படும் விலக்கம்
$$y \propto y' \Rightarrow y = C y'$$இங்கு $C$ என்பது தகவு மாறிலி. இதன் மதிப்பு மின்னிறக்கக் குழாயின் வடிவமைப்பைப் பொருத்து அமையும்.
$$y = C \frac{e}{m} \frac{l^2 B^2}{2E} \quad (9.7)$$சமன்பாடு (9.7) ஐ மாற்றியமைக்க
$$\frac{e}{m} = \frac{2yE}{C l^2 B^2} \quad (9.8)$$இச்சமன்பாட்டின் வலது பக்கம் மதிப்புகளைப் பிரதியிட, மின்னூட்ட எண்ணின் மதிப்பு $\frac{e}{m} = 1.7 \times 10^{11} \text{ Ckg}^{-1}$.
குறிப்பு: மின்னூட்ட எண்ணானது
- பயன்படுத்தப்படும் வாயு
- மின்வாய்களின் இயல்பு ஆகியவற்றைச் சார்ந்திராது.
எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பு காணல் – மில்லிகனின் எண்ணெய்த்துளி ஆய்வு#
இயற்கையின் மிக முக்கிய அடிப்படை மாறிலிகளுள் ஒன்றான எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பைக் காண உதவும் மில்லிகனின் எண்ணெய்த்துளி ஆய்வு, நவீன இயற்பியலில் உள்ள சிறந்த செயல்முறை ஆய்வுகளில் ஒன்றாகும். (காண்க. படம் 9.6(அ)).
மின்புலத்தைத் தகுந்த முறையில் மாற்றுவதன் மூலம் எண்ணெய்த் துளியின் இயக்கத்தைக் கட்டுப்படுத்தலாம், அதாவது, அதை மேல்நோக்கியோ அல்லது கீழ்நோக்கியோ நகரச் செய்யலாம் அல்லது புலத்திலேயே நிலையாக இருத்தி அதிக நேரம் அதைப் பார்க்கும் வண்ணமும் செய்யலாம்.
இந்த ஆய்வின் செய்முறை அமைப்பு படம் 9.6 (ஆ)ல் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. இதில் ஒவ்வொன்றும் 20cm விட்டம் கொண்ட கிடைத்தள, வட்டவடிவ உலோகத்தட்டுகள், 1.5 cm இடைவெளியில் பிரித்து வைக்கப்பட்டுள்ளன. இவ்விரு வட்டவடிவ உலோகத்தட்டுகளும் கண்ணாடி சுவர்கள் கொண்ட கலனால் சூழப்பட்டுள்ளன. மேலும் இத்தட்டுகளுக்கிடையில் உயர் மின்னழுத்த வேறுபாடு (கிட்டத்தட்ட 10 kV) அளிக்கப்படுவதால், செங்குத்தாக, கீழ்நோக்கிய திசையில் மின்புலம் ஏற்படுகிறது. மேல் தட்டு A ல் ஒரு சிறிய துளை இடப்பட்டுள்ளது. எண்ணெயைத் தெளிப்பதற்காக, சரியாக அத்துளைக்கு மேற்புறம் நுண்தெளிப்பான் (atomizer) ஒன்று வைக்கப்பட்டுள்ளது. நுண்தெளிப்பான் உதவியுடன் கிளிசரின் (glycerine) போன்ற அதிக பாகுநிலை கொண்ட எளிதில் ஆவியாகாத திரவம் தெளிக்கப்படும்போது, சிறுதுளிகள் (droplets) உருவாகின்றன. ஈர்ப்பு விசையினால் அவை மேல் தட்டிலுள்ள துளையின் வழியே கீழே விழுகின்றன.
காற்றுடன் ஏற்படும் உராய்வு அல்லது X–கதிர்களைக் காற்றினூடே செலுத்துவதால் கலனிலுள்ள சில எண்ணெய்த் துளிகள் மின்னூட்டத்தைப் பெறுகின்றன. மேலும் கிடைமட்டத் திசையில் கலன் ஒளியூட்டப்படுவதால், ஒளிக்கற்றைக்கு செங்குத்தாக வைக்கப்பட்டுள்ள நுண்ணோக்கியின் மூலம் துளிகளைத் தெளிவாகக் காண முடியும். மின்புலத்தைத் தகுந்த முறையில் மாற்றுவதன் மூலம் எண்ணெய்த் துளியின் இயக்கத்தைக் கட்டுப்படுத்தலாம் அதாவது, அதை மேல்நோக்கி அல்லது கீழ்நோக்கி நகரச் செய்யலாம். அல்லது அந்தரத்திலேயே நிலையாக நிறுத்தலாம்.
எண்ணெய்த் துளியின் நிறை $m$ எனவும், அதன் மின்னூட்டம் $q$ எனவும் கொள்க. எனவே, துளியின் மீது செயல்படும் விசைகள் அ) புவிஈர்ப்பு விசை $F_g = mg$ ஆ) மின் விசை $F_e = qE$ இ) மிதப்பு விசை (buoyant force) $F_b$ மற்றும் ஈ) பாகியல் விசை $F_v$
(அ) எண்ணெய்த்துளியின் ஆரம் காணல்
மின்புலம் இல்லாத நிலையில், எண்ணெய்த் துளி கீழ்நோக்கி முடுக்கம் அடைகிறது. காற்றினால் ஏற்படும் பின்னிழு (பாகியல்) விசையினால் எண்ணெய்த் துளி எளிதில் சீரான திசைவேகத்தை அடைகிறது. இது முற்றுத்திசை வேகம் எனப்படும். குறிப்பிட்ட தொலைவைக் கடக்க எண்ணெய்த் துளி எடுத்துக்கொள்ளும் நேரத்தில் இருந்து, அதன் திசைவேகத்தை அளவிடலாம். படம் 9.7(அ) இல் எண்ணெய்த் துளியின் தனித்த பொருள் விசைப்படம் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. இந்நிலையில், பாகியல் மற்றும் மிதப்பு விசைகள் ஈர்ப்பு விசையை சமன்செய்கின்றன.
எண்ணெய்த் துளி கோள வடிவம் கொண்டது எனக் கொள்வோம். எண்ணெய்த் துளியின் அடர்த்தி $\rho$ மற்றும் அதன் ஆரம் $r$ எனில், $\rho = \frac{m}{V}$. எனவே, அதன் நிறையானது,
$$m = \rho \left( \frac{4}{3} \pi r^3 \right) \quad \left( \because V = \frac{4}{3} \pi r^3 \right)$$இதன் மூலம், புவியீர்ப்பு விசையை பின்வருமாறு எழுதலாம்.
$$F_g = mg = \rho \left( \frac{4}{3} \pi r^3 \right) g$$காற்றின் அடர்த்தி $\sigma$ எனில், எண்ணெய்த் துளியினால் இடம் பெயர்ந்த காற்றினால் அதன் மீது செயல்படும் மேல்நோக்கிய விசை (மிதப்பு விசை)
$$F_b = \sigma \left( \frac{4}{3} \pi r^3 \right) g$$எண்ணெய்த் துளி முற்றுத்திசை வேகத்தை அடையும் போது, அதன்மீது செயல்படும் பாகியல் விசையானது (எண்ணெய்த்துளி செல்லும் திசைக்கு எதிர்த்திசையில் செயல்படும் விசை), கீழ்நோக்கிய நிகர விசைக்கு சமமாக இருக்கிறது. எனவே ஸ்டோக்ஸ் விதிப்படி, பாகியல் விசை $F_v = 6 \pi r \eta v$ எனவே படம் 9.7 (அ)ல் கொடுக்கப்பட்டுள்ள தனித்த பொருள் விசைப்படத்தின் படி, விசைகளின் சமநிலைக்கான சமன்பாடு,
$$F_g = F_b + F_v$$$$\rho \left( \frac{4}{3} \pi r^3 \right) g = \sigma \left( \frac{4}{3} \pi r^3 \right) g + 6 \pi r \eta v$$$$\frac{4}{3} \pi r^3 (\rho - \sigma) g = 6 \pi r \eta v$$$$r^2 = \frac{9 \eta v}{2 (\rho - \sigma) g}$$$$r = \left[ \frac{9 \eta v}{2 (\rho - \sigma) g} \right]^{1/2} \quad (9.9)$$சமன்பாடு (9.9)ன் மூலம் எண்ணெய்த் துளியின் ஆரத்தைக் கணக்கிடலாம்.
(ஆ) மின்னூட்ட மதிப்பைக் காணல்:
எண்ணெய்த்துளிகளை சுற்றி மின் புலத்தை ஏற்படுத்தும்போது, அதன் மீது ஒரு மேல்நோக்கிய மின் விசை ($qE$) செயல்படுகின்றது. எண்ணெய்த்துளிகளுள் ஏதேனும் ஒரு குறிப்பிட்ட எண்ணெய்த்துளி ஒன்று நுண்ணோக்கியின் பார்வைப் புலத்தில் இருத்தப்படுகிறது. மின்புலத்தின் வலிமையை சரிசெய்து, அத்துளியை நிலையாக (மேலேயும் போகாமல், கீழேயும் விழாமல்) நிறுத்தி வைக்கவும் முடியும். இந்நிலையில், அத்துளியின் மீது செயல்படும் பாகியல் விசை எதுவும் செயல்படாது. இந்நிலையில் தனித்த பொருள் விசைப்படம் படம் 9.7(ஆ)ன் படி, எண்ணெய்த் துளியின் மீது செயல்படும் நிகர விசை
$$F_e + F_b = F_g$$$$\Rightarrow qE + \frac{4}{3} \pi r^3 \sigma g = \frac{4}{3} \pi r^3 \rho g$$$$\Rightarrow qE = \frac{4}{3} \pi r^3 (\rho - \sigma) g$$$$\Rightarrow q = \frac{4}{3E} \pi r^3 (\rho - \sigma) g \quad (9.11)$$சமன்பாடு (9.9)ஐ சமன்பாடு (9.11)ல் பிரதியிட,
$$q = \frac{18 \pi}{E} \left[ \frac{\eta^3 v^3}{2 (\rho - \sigma) g} \right]^{1/2} \quad (9.12)$$இந்த ஆய்வை பல முறை செய்து, எண்ணெய்த் துளிகளின் மின்னூட்ட மதிப்பைக் கணக்கிட்ட மில்லிகன், எந்தவொரு எண்ணெய்த் துளியின் மின்னூட்ட மதிப்பும் $e = -1.6 \times 10^{-19} \text{ C}$, என்ற அடிப்படை மதிப்பின் முழு மடங்குகளாக இருப்பதை கண்டறிந்தார். இந்த அடிப்படை மதிப்பே ($e = -1.6 \times 10^{-19} \text{ C}$), எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பு ஆகும்.