음극선 [陰極線, cathode ray]

 
요약

음극에서 방출되는 전자들이 빠르게 흐르는 것을 가리킨다. 진공방전이 일어나고 있는 방전관 내부에서 기체가 이온화되어 만들어진 양이온이 음극 주위에 모여 전자를 밀어내면서 음극선이 발생하게 된다. 음극선은 형광작용과 감광작용이 일어나도록 하고, 기체를 이온화시키는 능력이 강하다. 현재 브라운관이나 전자현미경등에 널리 응용되고 있다.

본문

진공방전을 할 때 음극에서 나오는 전자빔[電子線]을 말한다. 방전관의 잔류기체의 압력을 10－2∼10－4mmHg보다 낮은 기압으로 한 후에 고전압을 가할 때 음극과 마주 대하고 있는 양극 부근의 유리벽이 녹색의 형광을 방출하는 것에서 1859년 독일의 J.플뤼커가 수수께끼의 방사선을 발견한 후에 그것이 음전하를 가진 입자의 흐름이라는 것이 J.W.히토르프와 W.크룩스 등에 의해 확인되었다. 이 입자빔에 음극선이라는 이름을 붙인 것은 1876년 E.골트슈타인이다. 그 정체가 원자·분자보다도 가벼운 입자의 흐름으로서 모든 물질에 공통으로 포함되며, 전하의 최소 단위를 지니고 있는 입자, 즉 전자(電子)일 것으로 추론한 것은 J.J.톰슨이다.

방전관에서 이와 같이 전자의 흐름이 방출되는 것은 관 속에 생긴 양이온이 음극으로부터 전자를 밀어내기 때문인데, 음극을 가열하여 열전자를 방출시켜 이것을 고전압으로 가속해도 음극선이 발생한다. 브라운관 등 현재 일반적으로 사용되고 있는 음극선관에는 이와 같은 열전자를 가속한 음극선을 이용하고 있다. 또 방전관의 음극선이 닿는 곳에 얇은 알루미늄판을 붙이면 이곳을 통과한 음극선을 밖으로 끌어낼 수 있다. 이렇게 관 외로 나온 음극선을 레나르트선(1984년 P.E.A.레나르트가 발견)이라고도 한다.

음극선은 X선 등과 같이 강력한 형광작용과 사진필름을 감광시키는 작용을 하며 더욱 기체를 이온화시키는 능력이 있다. 또 이것을 금속에 조사(照射)하면 금속은 에너지를 흡수하여 가열되거나 때로는 그 곳에서 X선이 발생한다. 음극선은 X선과 같은 전자기파(電磁氣波)가 아니며 일정한 질량과 전하를 가지는 입자로 되어 있으므로 그 진로상에 있는 물체에 기계적 힘을 미쳐 외부에서 자기장 또는 전기장을 작용시키면 그 진로를 휘게 할 수 있다. 예를 들면 방전관의 양극에 구멍을 뚫으면 구멍에서 튀어나오는 음극선 입자는 직진하고 방전관 벽에 충돌하여 형광을 내게 하나 이때 진로에 수직으로 전기장이나 자기장을 걸어주면 음극선의 진로가 휘어져서 관벽의 형광의 위치가 이동한다.

따라서 방전관 벽에 형광물질을 발라두면 음극선에 의한 형광점의 이동으로부터 방전관에 가한 전기장과 자기장의 세기, 또는 그 변동상태를 정확히 알 수 있다. 또 이때의 음극선 진로의 휘어짐은 전기장과 자기장의 세기 외에 음극선 입자(전자)가 가지고 있는 전기량 e와 질량 m의 비, 즉 비전하 e/m에 따라서도 결정된다. 음극선 입자의 정체가 전자라는 것이 최종적으로 확인된 것은 음극선의 전기적·자기적 편차의 크기를 측정한 결과이다.

음극선은 브라운관·아이코노스코프·매직아이 분야에 넓게 응용되며, 전자현미경 등에도 이용된다. 이것은 음극선의 본체인 전자가 질량이 작은, 즉 관성이 작은 입자이므로 전기적·자기적으로 제어하기 쉽기 때문이다. 이와 같은 음극선의 이용이 기술적으로 완성을 보게 된 것은 1930년대인데, 이것은 음극선 발견으로부터 따진다면 상당히 뒤늦었다 하겠으나 실용화가 되자 그 응용면이 뒤를 이어 확대되었다. 현재 그 응용기술은 전자공학에서 불가결한 기초 분야가 되어 있다.