Cathode Rays and Electron Emission Questions in Hindi

(N/A) $1887$ में,यह देखा गया कि जब धातु की सतह पर पराबैंगनी $(UV)$ प्रकाश आपतित होता है या जब कुछ धातुओं को गर्म किया जाता है,तो उनसे ऋणात्मक आवेश उत्सर्जित होते हैं।
विभिन्न विधियों द्वारा उत्पन्न कण समान प्रकृति प्रदर्शित करते हैं। $1897$ में $J.J. Thomson$ ने इन्हें इलेक्ट्रॉन नाम दिया और दिखाया कि इलेक्ट्रॉन पदार्थ का एक मौलिक और सार्वभौमिक कण है। इलेक्ट्रॉन की खोज के लिए $J.J. Thomson$ को $1906$ में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।
$1913$ में,अमेरिकी वैज्ञानिक $R.A. Millikan$ ने अपने तेल की बूंद (oil drop) प्रयोग द्वारा इलेक्ट्रॉन के आवेश को मापा। उन्होंने देखा कि किसी भी तेल की बूंद पर आवेश हमेशा मौलिक आवेश $e = 1.602 \times 10^{-19} \ C$ का एक पूर्णांक गुणज होता है। इस प्रकार,$Millikan$ ने सिद्ध किया कि विद्युत आवेश क्वांटीकृत (quantized) होता है।
विशिष्ट आवेश $\frac{e}{m}$ और मौलिक आवेश $e$ को जानकर,इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $(m)$ प्राप्त किया जा सकता है।

(B) $1897$ में,जे. जे. थॉमसन ने कैथोड रे ट्यूब के साथ प्रयोग किए। विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों में कैथोड किरणों के विक्षेपण का अवलोकन करके,उन्होंने निर्धारित किया कि वे ऋणात्मक रूप से आवेशित कणों से बने थे। उन्होंने इन कणों को 'इलेक्ट्रॉन' नाम दिया। इस प्रकार,इलेक्ट्रॉन की खोज का श्रेय जे. जे. थॉमसन को जाता है।

(A) स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप $(STM)$ एक शक्तिशाली उपकरण है जिसका उपयोग परमाणु स्तर पर सतहों की छवि बनाने के लिए किया जाता है। यह वैज्ञानिकों को एक तेज धात्विक टिप और नमूने की सतह के बीच टनलिंग करंट को मापकर व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं को देखने की अनुमति देता है। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के विपरीत,जो दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य द्वारा सीमित होते हैं,$STM$ परमाणु-स्तर का रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है।

(B) कैथोड किरणों का अवलोकन और जांच सबसे पहले $19$ वीं सदी के अंत में $William$ $Crookes$ द्वारा की गई थी। हालांकि $J.J.$ $Thomson$ इन किरणों के भीतर इलेक्ट्रॉन की खोज के लिए प्रसिद्ध हैं,लेकिन कैथोड रे ट्यूब और स्वयं किरणों के आविष्कार और प्रारंभिक अध्ययन का श्रेय $William$ $Crookes$ को जाता है।

(N/A) किसी कण का विशिष्ट आवेश उसके आवेश $(q)$ और उसके द्रव्यमान $(m)$ के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।
गणितीय रूप से,इसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है: $\text{विशिष्ट आवेश} = \frac{q}{m}$.
विशिष्ट आवेश का $SI$ मात्रक $\text{C/kg}$ है।
इलेक्ट्रॉन के लिए,विशिष्ट आवेश का मान लगभग $1.76 \times 10^{11} \ \text{C/kg}$ होता है।

(B) कैथोड किरणें तीव्र गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों की धारा होती हैं।
उनकी गति कैथोड और एनोड के बीच लगाए गए विभवांतर पर निर्भर करती है।
आमतौर पर, कैथोड किरणों की गति प्रकाश की गति $(c)$ के $1/10$ से $1/3$ के बीच होती है, जो लगभग $3 \times 10^7 \, m/s$ से $1 \times 10^8 \, m/s$ होती है।

(N/A) पदार्थ का सार्वभौमिक और मौलिक कण $electron$ (इलेक्ट्रॉन) है।
इसे एक मौलिक कण माना जाता है क्योंकि यह एक लेप्टॉन है और इसे छोटे घटकों में विभाजित नहीं किया जा सकता है।
यह सार्वभौमिक है क्योंकि यह सभी तत्वों के प्रत्येक परमाणु में उपस्थित होता है।

(A) इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $(m)$ इलेक्ट्रॉन के आवेश $(e)$ और विशिष्ट आवेश $(e/m)$ के मानों का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है।
$1$. इलेक्ट्रॉन का आवेश $(e)$ मिलिकन के तेल की बूंद के प्रयोग द्वारा निर्धारित किया जाता है,जो $e \approx 1.602 \times 10^{-19} \ C$ देता है।
$2$. विशिष्ट आवेश $(e/m)$ जे. जे. थॉमसन के प्रयोग (कैथोड रे ट्यूब प्रयोग) द्वारा निर्धारित किया जाता है,जो $e/m \approx 1.758 \times 10^{11} \ C/kg$ देता है।
$3$. आवेश को विशिष्ट आवेश से विभाजित करने पर,हमें द्रव्यमान प्राप्त होता है: $m = \frac{e}{(e/m)}$।
$4$. मान रखने पर: $m = \frac{1.602 \times 10^{-19}}{1.758 \times 10^{11}} \approx 9.11 \times 10^{-31} \ kg$।

(N/A) सामान्यतः,इलेक्ट्रॉन धातु की सतह से बाहर नहीं निकल सकते क्योंकि वे धातु जालक में मौजूद धनात्मक आयनों के आकर्षण बल द्वारा बंधे होते हैं।
जब धातु का तापमान बढ़ाया जाता है,तो तापीय दोलनों के कारण इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। जब यह ऊर्जा बंधन ऊर्जा से अधिक हो जाती है,तो इलेक्ट्रॉन धातु की सतह से बाहर निकल सकते हैं,जिससे धातु धनावेशित हो जाती है।
हालाँकि,बने हुए धनात्मक आयन और बाहर निकलने वाले इलेक्ट्रॉन के बीच स्थिर वैद्युत आकर्षण बल के कारण,इलेक्ट्रॉन वापस धातु की सतह की ओर खिंचे चले आते हैं।
एक इलेक्ट्रॉन धातु की सतह से स्थायी रूप से तभी बाहर निकल सकता है जब उसकी ऊर्जा इन आकर्षण बलों द्वारा निर्मित विभव अवरोध से अधिक हो।
कार्य फलन: धातु की सतह से एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा को उस धातु का कार्य फलन कहा जाता है।
कार्य फलन को $\phi_{0}$ द्वारा दर्शाया जाता है। इसका $SI$ मात्रक $eV$ (इलेक्ट्रॉन वोल्ट) है।
कार्य फलन को प्रभावित करने वाले कारक: धातु का कार्य फलन धातु की प्रकृति और उसकी सतह की स्थिति (जैसे अशुद्धियाँ या सतह की फिनिशिंग) पर निर्भर करता है।

(N/A) धातु की सतह से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन निम्नलिखित विधियों द्वारा प्राप्त किया जा सकता है:
$(1)$ तापायनिक उत्सर्जन (Thermionic emission): जब धातुओं को गर्म किया जाता है (उदाहरण के लिए,धातु के फिलामेंट से विद्युत धारा प्रवाहित करके),तो इलेक्ट्रॉनों को कार्य फलन (work function) को पार करने के लिए पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा मिलती है,जिससे वे धातु की सतह से बाहर निकल जाते हैं। इस उत्सर्जन को तापायनिक उत्सर्जन कहा जाता है।
उदाहरण: डायोड,ट्रायोड या टीवी ट्यूब में तापायनिक उत्सर्जन का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित किए जाते हैं।
$(2)$ क्षेत्र उत्सर्जन (Field emission): जब धातु की सतह पर $10^{8} \text{ V/m}$ के क्रम का बहुत प्रबल विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है,तो इलेक्ट्रॉन सतह से बाहर खिंच आते हैं। इस उत्सर्जन को क्षेत्र उत्सर्जन कहा जाता है।
$(3)$ प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन (Photoelectric emission): जब उपयुक्त आवृत्ति (देहली आवृत्ति से अधिक) का विद्युत चुंबकीय विकिरण एक साफ धातु की सतह पर आपतित होता है,तो उससे इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। इस उत्सर्जन को प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन कहा जाता है और उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों को फोटोइलेक्ट्रॉन कहा जाता है।

(A) फील्ड उत्सर्जन एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें बहुत मजबूत बाहरी विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग के कारण धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं।
यह मजबूत विद्युत क्षेत्र विभव अवरोध (potential barrier) को कम करके इलेक्ट्रॉनों को धातु की सतह से बाहर खींचता है।
इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक विद्युत क्षेत्र का परिमाण आमतौर पर $10^8 \ V/m$ की कोटि का होता है।
अतः,सही विकल्प $A$ है।

(N/A) इलेक्ट्रॉन गन का फिलामेंट आमतौर पर $Tungsten$ $(W)$ का बना होता है।
इस पर $Barium$ $Oxide$ $(BaO)$ या $Strontium$ $Oxide$ $(SrO)$ की परत चढ़ाई जाती है।
कारण: $Tungsten$ का गलनांक बहुत अधिक $(3695 \ K)$ होता है,जो इसे पिघले बिना उच्च तापमान को सहन करने की अनुमति देता है। हालाँकि,इसका कार्य फलन (work function) अधिक होता है,जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए इसे बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। फिलामेंट पर $Barium$ $Oxide$ या $Strontium$ $Oxide$ की परत चढ़ाने से सतह का कार्य फलन काफी कम हो जाता है। यह अपेक्षाकृत कम तापमान पर बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की अनुमति देता है,जिसे थर्मियोनिक उत्सर्जन कहा जाता है।

(B) धातु की सतह पर एक मजबूत बाहरी विद्युत क्षेत्र लगाकर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करने की प्रक्रिया को क्षेत्र उत्सर्जन (field emission) कहा जाता है। एक सामान्य धातु के लिए, कार्य फलन (work function) कुछ इलेक्ट्रॉन वोल्ट $(eV)$ होता है। इस विभव अवरोध को पार करने और धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए $10^{8} \,V \,m^{-1}$ के क्रम के विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है। इसलिए, सही विकल्प $B$ है।

(D) लेप्टॉन प्राथमिक कणों का एक वर्ग है जो प्रबल नाभिकीय अंतःक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं। वे मुख्य रूप से विद्युत चुम्बकीय और दुर्बल नाभिकीय बलों के माध्यम से अंतःक्रिया करते हैं।
इलेक्ट्रॉन लेप्टॉन परिवार से संबंधित एक मौलिक कण है।

(D) कार्य फलन वह न्यूनतम ऊर्जा है जो एक इलेक्ट्रॉन को धातु की सतह से बाहर निकलने के लिए आवश्यक होती है। यह धातु के गुणों और सतह की प्रकृति पर निर्भर करता है।
दिए गए विकल्पों में से,प्लेटिनम $(Pt)$ का कार्य फलन सबसे अधिक है,जिसका मान लगभग $5.65 \ eV$ है,जबकि सीज़ियम $(Cs)$ का कार्य फलन सबसे कम है,जिसका मान लगभग $2.14 \ eV$ है।

(B) धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए (जिसे फील्ड उत्सर्जन कहा जाता है) आवश्यक विद्युत क्षेत्र आमतौर पर $10^6 \text{ V/cm}$ के क्रम का होता है।
यह मान धातु के कार्य फलन (work function) को दूर करने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोस्टैटिक बल से प्राप्त होता है,जो इलेक्ट्रॉनों को विभव अवरोध (potential barrier) के माध्यम से टनलिंग करने की अनुमति देता है।