أشعة الكاثود

في عام 1838، قام مايكل فاراداي بتطبيق جهد كهربائي عالٍ بين قطبين معدنيين على طرفي أنبوب زجاجي تم تفريغه جزئيًا من الهواء، ولاحظ قوسًا ضوئيًا غريبًا يبدأ من المهبط (القطب السالب) وينتهي عند المصعد (القطب الموجب). ^{[ 4 ]} وفي عام 1857، قام الفيزيائي الألماني وصانع الزجاج هاينريش جيسلر بسحب كمية أكبر من الهواء باستخدام مضخة محسّنة، ليصل الضغط إلى حوالي 10⁻³ ضغط ^جوي ، ووجد أنه بدلًا من القوس الكهربائي، امتلأ الأنبوب بتوهج. تراوح الجهد الكهربائي المطبق بين قطبي الأنبوب، والمولد بواسطة ملف حث ، بين بضعة كيلوفولتات و100 كيلوفولت. سُميت هذه الأنابيب بأنابيب جيسلر ، وهي تشبه لافتات النيون المستخدمة اليوم .

يُعزى تفسير هذه التأثيرات إلى أن الجهد العالي يُسرّع الإلكترونات الحرة والذرات المشحونة كهربائيًا ( الأيونات ) الموجودة طبيعيًا في هواء الأنبوب. عند الضغط المنخفض، توجد مساحة كافية بين ذرات الغاز تسمح للإلكترونات بالتسارع إلى سرعات عالية، وعندما تصطدم بذرة، تنتزع منها إلكترونات، مُنتجةً المزيد من الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة، والتي بدورها تُنتج المزيد من الأيونات والإلكترونات في تفاعل متسلسل يُعرف بالتفريغ المتوهج . تنجذب الأيونات الموجبة إلى المهبط، وعندما تصطدم به، تنتزع منه المزيد من الإلكترونات، التي تنجذب بدورها نحو المصعد. وهكذا، يصبح الهواء المتأين موصلًا للكهرباء، ويتدفق تيار كهربائي عبر الأنبوب.

كانت أنابيب غايسلر تحتوي على كمية كافية من الهواء بحيث لا تستطيع الإلكترونات قطع سوى مسافة ضئيلة قبل الاصطدام بالذرة. تتحرك الإلكترونات في هذه الأنابيب بعملية انتشار بطيئة ، دون أن تكتسب سرعة كبيرة، لذا لم تُنتج هذه الأنابيب أشعة كاثودية. بدلاً من ذلك، أنتجت تفريغًا ضوئيًا ملونًا (كما في مصابيح النيون الحديثة )، يحدث عندما تصطدم الإلكترونات بذرات الغاز، مما يُثير إلكتروناتها المدارية إلى مستويات طاقة أعلى. تُطلق الإلكترونات هذه الطاقة على شكل ضوء. تُسمى هذه العملية بالتألق الضوئي.

بحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، تمكن الفيزيائي البريطاني ويليام كروكس وآخرون من تفريغ الأنابيب إلى ضغط منخفض، أقل من ^10⁻⁶ ضغط جوي. عُرفت هذه الأنابيب باسم أنابيب كروكس . كان فاراداي أول من لاحظ وجود مساحة مظلمة أمام المهبط مباشرةً، حيث لا يوجد أي توهج. عُرفت هذه المساحة باسم "مساحة المهبط المظلمة" أو "مساحة فاراداي المظلمة" أو "مساحة كروكس المظلمة". اكتشف كروكس أنه مع زيادة ضخ الهواء من الأنابيب، امتدت مساحة فاراداي المظلمة على طول الأنبوب من المهبط باتجاه المصعد، حتى أصبح الأنبوب مظلمًا تمامًا. ولكن عند المصعد (الطرف الموجب) للأنبوب، بدأ زجاج الأنبوب نفسه بالتوهج.

ما كان يحدث هو أنه مع زيادة كمية الهواء المضخوخة من الأنبوب، كانت الإلكترونات التي تُقذف من المهبط عند اصطدام الأيونات الموجبة به قادرة على قطع مسافة أطول، في المتوسط، قبل أن تصطدم بذرة غاز. وبحلول الوقت الذي يُظلم فيه الأنبوب، كانت معظم الإلكترونات قادرة على السير في خطوط مستقيمة من المهبط إلى المصعد دون تصادم. وبدون أي عوائق، كانت هذه الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة تتسارع إلى سرعات عالية بفعل فرق الجهد بين القطبين. هذه هي أشعة المهبط.

عندما تصل الجسيمات إلى طرف المصعد في الأنبوب، تكون سرعتها عالية جدًا لدرجة أنها، رغم انجذابها إليه، غالبًا ما تتجاوز المصعد وتصطدم بالجدار الخلفي للأنبوب. وعندما تصطدم بذرات الجدار الزجاجي، تُثير إلكتروناتها المدارية إلى مستويات طاقة أعلى . وعندما تعود الإلكترونات إلى مستوى طاقتها الأصلي، تُطلق الطاقة على شكل ضوء، مما يتسبب في توهج الزجاج ، وعادةً ما يكون لونه أخضر أو ​​أزرق. وفي وقت لاحق، قام الباحثون بطلاء الجدار الخلفي الداخلي بمواد كيميائية فلورية مثل كبريتيد الزنك ، لجعل التوهج أكثر وضوحًا.

أشعة الكاثود نفسها غير مرئية، لكن هذا التألق العرضي مكّن الباحثين من ملاحظة أن الأجسام الموجودة في الأنبوب أمام الكاثود، مثل الأنود، تُلقي بظلال حادة الحواف على الجدار الخلفي المتوهج. في عام 1869، كان الفيزيائي الألماني يوهان هيتورف أول من أدرك أن شيئًا ما يجب أن يتحرك في خطوط مستقيمة من الكاثود لإلقاء هذه الظلال. أطلق عليها يوجين غولدشتاين اسم أشعة الكاثود (بالألمانية: Kathodenstrahlen ).

في ذلك الوقت، كانت الذرات أصغر الجسيمات المعروفة، وكان يُعتقد أنها غير قابلة للانقسام. أما مصدر التيارات الكهربائية فكان لغزًا محيرًا. خلال الربع الأخير من القرن التاسع عشر، أُجريت العديد من التجارب التاريخية باستخدام أنابيب كروكس لتحديد ماهية أشعة الكاثود. كانت هناك نظريتان: اعتقد كروكس وآرثر شوستر أنها جسيمات من "مادة مشعة"، أي ذرات مشحونة كهربائيًا. بينما اعتقد العلماء الألمان إيلهارد ويدمان، وهينريش هيرتز، وغولدشتاين أنها "موجات أثيرية"، شكل جديد من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وأنها منفصلة عما يحمل التيار الكهربائي عبر الأنبوب.

حُسم الجدل عام 1897 عندما قاس جيه جيه طومسون كتلة أشعة الكاثود، مُبينًا أنها تتكون من جسيمات، لكنها أخف بنحو 1800 مرة من أخف ذرة، وهي الهيدروجين . ولذلك، لم تكن ذرات، بل جسيمًا جديدًا، أول جسيم دون ذري يُكتشف، أطلق عليه في البداية اسم " جسيم " ثم سُمي لاحقًا " إلكترون " ، نسبةً إلى الجسيمات التي افترضها جورج جونستون ستوني عام 1874. كما أثبت أنها مُطابقة للجسيمات المنبعثة من المواد الكهروضوئية والمشعة. ^{[ 5 ]} وسرعان ما أُدرك أنها الجسيمات التي تحمل التيارات الكهربائية في الأسلاك المعدنية، وتحمل الشحنة الكهربائية السالبة للذرة.

حصل طومسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906 عن هذا العمل. كما ساهم فيليب لينارد بشكل كبير في نظرية أشعة الكاثود، وفاز بجائزة نوبل عام 1905 لأبحاثه حول أشعة الكاثود وخصائصها.

كانت طريقة تأيين الغاز (أو الكاثود البارد ) المستخدمة في أنابيب كروكس لإنتاج أشعة الكاثود غير موثوقة، لأنها تعتمد على ضغط الهواء المتبقي في الأنبوب. ومع مرور الوقت، امتصت جدران الأنبوب الهواء، فتوقف عن العمل.

قام هيتورف وغولدشتاين ^{[ 6 ]} بدراسة طريقة أكثر موثوقية وتحكمًا لإنتاج أشعة الكاثود ، وأعاد توماس إديسون اكتشافها عام 1880. يتكون الكاثود من سلك متوهج يُسخّن حتى الاحمرار بتيار كهربائي يمر عبره، حيث يُطلق الإلكترونات إلى الأنبوب عبر عملية تُسمى الانبعاث الحراري . استخدمت أولى أنابيب التفريغ الإلكترونية الحقيقية، التي اخترعها جون أمبروز فليمنج عام 1904 ، تقنية الكاثود الساخن هذه ، وحلّت محل أنابيب كروكس. لم تكن هذه الأنابيب بحاجة إلى غاز للعمل، لذا تم تفريغها إلى ضغط منخفض، حوالي 10⁻⁹ ^ضغط جوي (10⁻⁴ ^{باسكال ). أما طريقة التأين المستخدمة في أنابيب كروكس لإنتاج أشعة الكاثود، فلا تُستخدم اليوم إلا في عدد قليل} من أنابيب التفريغ الغازي المتخصصة، مثل أنابيب الكريترون .

في عام 1906، اكتشف لي دي فورست أن جهدًا كهربائيًا صغيرًا على شبكة من الأسلاك المعدنية بين المهبط والمصعد يمكن أن يتحكم في التيار الكهربائي في حزمة أشعة المهبط التي تمر عبر أنبوب مفرغ. كان اختراعه، المسمى بالثلاثي ، أول جهاز قادر على تضخيم الإشارات الكهربائية، وأحدث ثورة في التكنولوجيا الكهربائية، مؤسسًا بذلك مجال الإلكترونيات . أتاحت الأنابيب المفرغة البث الإذاعي والتلفزيوني ، بالإضافة إلى الرادار ، والأفلام الناطقة، والتسجيل الصوتي، وخدمة الهاتف لمسافات طويلة، وشكلت أساس الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية حتى ستينيات القرن العشرين، عندما أنهى الترانزستور عصر الأنابيب المفرغة.

تُعرف أشعة الكاثود الآن عادةً باسم حزم الإلكترونات. وقد طُبقت تقنية معالجة حزم الإلكترونات، التي طُورت في هذه الأنابيب المبكرة، عمليًا في تصميم أنابيب التفريغ، ولا سيما في اختراع أنبوب أشعة الكاثود (CRT) على يد فرديناند براون عام 1897، والذي استُخدم في أجهزة التلفزيون وأجهزة راسم الإشارة . واليوم، تُستخدم حزم الإلكترونات في أجهزة متطورة مثل المجاهر الإلكترونية، وتقنية الطباعة الحجرية بحزم الإلكترونات ، ومسرعات الجسيمات .

في عامي 1858/1859، صنع يوليوس بلوكر أنبوبًا ذا مصعد على شكل صليب مالطي مواجه للمهبط. كان المصعد مفصليًا بحيث يمكن طيه لأسفل على أرضية الأنبوب. عند تشغيل الأنبوب، ألقت أشعة المهبط ظلًا حادًا على شكل صليب على التألق الموجود على الوجه الخلفي للأنبوب، مما يدل على أن الأشعة تتحرك في خطوط مستقيمة. ^{[ 8 ] : 79} استُخدم هذا التألق كدليل على أن أشعة المهبط هي موجات كهرومغناطيسية، حيث كان الضوء فوق البنفسجي هو الشيء الوحيد المعروف آنذاك بأنه يُسبب التألق . بعد فترة، يتلاشى التألق ويقل توهجه. ^{[ 9 ] : 143} إذا طُوي الصليب لأسفل خارج مسار الأشعة، فإنه لا يُلقي ظلًا، وتصبح المنطقة المظللة سابقًا أكثر تألقًا من المنطقة المحيطة بها.

وجد يوجين غولدشتاين عام 1876 أن أشعة الكاثود تنبعث دائمًا بشكل عمودي على سطح الكاثود. ^{[ 9 ] : 138 [ 10 ]} إذا كان الكاثود عبارة عن صفيحة مسطحة، فإن الأشعة تنطلق في خطوط مستقيمة عمودية على مستوى الصفيحة. كان هذا دليلًا على أنها جسيمات، لأن الجسم المضيء، مثل صفيحة معدنية ساخنة، يُصدر ضوءًا في جميع الاتجاهات، بينما يتنافر الجسيم المشحون مع الكاثود في اتجاه عمودي. تُسخّن أشعة الكاثود المادة التي تصطدم بها. ^{[ 9 ] : 145} إذا صُنع القطب الكهربائي على شكل طبق كروي مقعر، فإن أشعة الكاثود ستتركز في بقعة أمام الطبق. ^{[ 7 ]} يمكن استخدام هذا لتسخين العينات إلى درجة حرارة عالية.

يمكن أن ينحرف مسار أشعة الكاثود بفعل مجال كهربائي . بنى هاينريش هيرتز أنبوبًا مزودًا بزوج ثانٍ من الصفائح المعدنية على جانبي شعاع أشعة الكاثود، وهو ما يُعرف بجهاز أنبوب أشعة الكاثود البدائي. إذا كانت أشعة الكاثود جسيمات مشحونة ، فمن المفترض أن ينحني مسارها بفعل المجال الكهربائي المتولد عند تطبيق جهد كهربائي على الصفائح، مما يؤدي إلى تحرك بقعة الضوء التي تصطدم بها الأشعة جانبيًا. لم يلاحظ هيرتز أي انحناء، ولكن تبين لاحقًا أن أنبوبه لم يكن مفرغًا من الهواء بشكل كافٍ، مما تسبب في تراكم الشحنات السطحية التي حجبت المجال الكهربائي. بعد ذلك، أعاد آرثر شوستر التجربة باستخدام فراغ أعلى. ووجد أن الأشعة تنجذب نحو صفيحة مشحونة بشحنة موجبة وتتنافر مع صفيحة مشحونة بشحنة سالبة، مما يؤدي إلى انحناء الشعاع. كان هذا دليلًا على أنها مشحونة بشحنة سالبة، وبالتالي ليست موجات كهرومغناطيسية.

يمكن انحراف مسار الأشعة بواسطة مجال مغناطيسي . وضع كروكس مغناطيسًا عبر عنق الأنبوب، بحيث كان القطب الشمالي على جانب من الشعاع والقطب الجنوبي على الجانب الآخر، وسار الشعاع عبر المجال المغناطيسي بينهما. انحنى الشعاع لأسفل، عموديًا على المجال المغناطيسي. ^{[ 9 ] : 150-151.} ولكشف مسار الشعاع، اخترع كروكس أنبوبًا (انظر الصور) مزودًا بشاشة من الورق المقوى مطلية بمادة فسفورية على طول الأنبوب، بزاوية طفيفة بحيث تصطدم الإلكترونات بالفسفور على طوله، مكونةً خطًا متوهجًا على الشاشة. ويمكن رؤية الخط وهو ينحني لأعلى أو لأسفل في مجال مغناطيسي عرضي. هذا التأثير (الذي يُسمى الآن قوة لورنتز ) مشابه لسلوك التيارات الكهربائية في المحرك الكهربائي ، وأظهر أن أشعة الكاثود تخضع لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي مثل التيارات في الأسلاك. كان كل من الانحراف الكهربائي والمغناطيسي دليلاً على نظرية الجسيمات، لأن المجالات الكهربائية والمغناطيسية ليس لها تأثير على حزمة من الموجات الضوئية في الفراغ.

وضع كروكس توربينًا صغيرًا ذا ريش أو عجلة مجدافية في مسار أشعة الكاثود، ولاحظ دورانه عند اصطدام الأشعة به. ^{[ 9 ] : 146-149} دارت العجلة المجدافية في اتجاه معاكس لجانب الكاثود من الأنبوب، مما يشير إلى أن قوة أشعة الكاثود التي تصطدم بالريش هي التي تُسبب الدوران. استنتج كروكس حينها أن هذا يُظهر أن لأشعة الكاثود زخمًا ، وبالتالي من المرجح أن تكون هذه الأشعة جسيمات مادية . مع ذلك، استُنتج لاحقًا أن دوران العجلة المجدافية لم يكن بسبب زخم الجسيمات (أو الإلكترونات) التي تصطدم بها، بل بسبب التأثير الإشعاعي . ^{[ 7 ]} عندما اصطدمت الأشعة بسطح الريشة، سخّنتها، وتسببت الحرارة في تمدد الغاز المجاور لها، دافعةً الريشة. وقد أثبت ذلك جيه جيه طومسون عام 1903 ، حيث حسب أن زخم الإلكترونات التي تصطدم بالعجلة المجدافية يكفي فقط لتدويرها دورة واحدة في الدقيقة. ^{[ 7 ]} كل ما أظهرته هذه التجربة حقًا هو أن أشعة الكاثود كانت قادرة على تسخين الأسطح.

أراد جان باتيست بيرين تحديد ما إذا كانت أشعة الكاثود تحمل شحنة سالبة بالفعل ، أم أنها مجرد مرافقة لحاملات الشحنة، كما اعتقد الألمان. في عام ١٨٩٥، صنع أنبوبًا مزودًا بـ"مُجمِّع"، وهو عبارة عن أسطوانة ألومنيوم مغلقة بها ثقب صغير في نهايتها المواجهة للكاثود، لجمع أشعة الكاثود. ^{[ ٩ ] : ١٦١-١٦٥.} تم توصيل المُجمِّع بجهاز كشف كهربائي لقياس شحنته. أظهر جهاز الكشف الكهربائي شحنة سالبة، مما يثبت أن أشعة الكاثود تحمل بالفعل كهرباء سالبة.

اكتشف غولدشتاين عام 1886 أنه إذا صُنع المهبط بثقوب صغيرة، فستُرى تيارات من توهج ضوئي خافت تنبعث من الثقوب الموجودة على الجانب الخلفي للمهبط، متجهةً بعيدًا عن المصعد. ^{[ 11 ] [ 9 ] : 158-159} وقد وُجد أنه في مجال كهربائي، تنحني أشعة المصعد هذه في الاتجاه المعاكس لأشعة المهبط، نحو صفيحة مشحونة بشحنة سالبة، مما يدل على أنها تحمل شحنة موجبة. هذه هي الأيونات الموجبة التي انجذبت إلى المهبط، مُنتجةً أشعة المهبط. وقد أطلق عليها غولدشتاين اسم أشعة القناة ( Kanalstrahlen ). ^{[ 12 ]}

اعتقد يوجين غولدشتاين أنه اكتشف طريقة لقياس سرعة أشعة الكاثود. فإذا كان التوهج المرصود في غاز أنابيب كروكس ناتجًا عن حركة أشعة الكاثود، فإن الضوء المنبعث منها في اتجاه حركتها، أي أسفل الأنبوب، سينزاح تردده بسبب تأثير دوبلر . ^{[ 7 ]} ويمكن رصد هذا الانزياح باستخدام مطياف ، لأن طيف خط الانبعاث سينزاح. فصنع أنبوبًا على شكل حرف "L"، ووجه مطيافًا عبر زجاج الكوع إلى أسفل أحد ذراعيه. وقاس طيف التوهج عندما كان المطياف موجهًا نحو طرف الكاثود، ثم عكس توصيلات مصدر الطاقة ليصبح الكاثود هو الأنود وتتحرك الإلكترونات في الاتجاه المعاكس، وراقب الطيف مرة أخرى بحثًا عن أي انزياح. لم يجد أي انزياح، فاستنتج أن هذا يعني أن الأشعة تتحرك ببطء شديد. وفي وقت لاحق، تبين أن التوهج في أنابيب كروكس ينبعث من ذرات الغاز التي تصطدم بها الإلكترونات، وليس من الإلكترونات نفسها. بما أن الذرات أكبر بآلاف المرات من الإلكترونات، فإنها تتحرك بشكل أبطأ بكثير، مما يفسر عدم وجود انزياح دوبلر.

أراد فيليب لينارد معرفة ما إذا كانت أشعة الكاثود قادرة على النفاذ من أنبوب كروكس إلى الهواء. انظر الرسم التوضيحي. صنع أنبوبًا مزودًا بـ"نافذة" (W) في غلافه الزجاجي المصنوع من رقائق الألومنيوم، بسماكة كافية لعزل الضغط الجوي (سُميت لاحقًا "نافذة لينارد")، مواجهةً للكاثود (C) بحيث تصطدم بها أشعة الكاثود. ^{[ 9 ] : 182-188.} وجد أن شيئًا ما قد نفذ بالفعل. فعند تقريب شاشة فلورية من النافذة، أضاءت الشاشة، على الرغم من عدم وصول أي ضوء إليها. كما أن لوحة فوتوغرافية عند تقريبها منها أصبحت داكنة، على الرغم من عدم تعرضها للضوء. وكان مدى هذا التأثير قصيرًا جدًا، حوالي 2.5 سنتيمتر (0.98 بوصة) . قاس لينارد قدرة أشعة الكاثود على اختراق صفائح المواد، ووجد أنها تخترق لمسافات أبعد بكثير من قدرة الذرات المتحركة. ولأن الذرات كانت أصغر الجسيمات المعروفة آنذاك، فقد اعتُبر هذا في البداية دليلًا على أن أشعة الكاثود عبارة عن موجات. لاحقًا، تبيّن أن الإلكترونات أصغر بكثير من الذرات، مما يفسر قدرتها الأكبر على الاختراق. وقد مُنح لينارد جائزة نوبل في الفيزياء عام 1905 تقديرًا لإسهاماته. 

أعاد فيلهلم رونتغن تجارب لينارد، وفي مساء الثامن من نوفمبر عام ١٨٩٥، مع حلول الظلام، اكتشف انبعاث أشعة سينية من الجدار الزجاجي لأنبوبه، وذلك عندما خفّض ضغط الغاز المتبقي وزاد الجهد العالي. ووجد أنه في ظل الظروف المثلى، كان الانبعاث مصحوبًا بتوهج أصفر من الجدار الذي تصطدم به أشعة الكاثود. وكان غايسلر قد لاحظ توهجًا أصفر مماثلًا قبل ٣٥ عامًا دون أن يلاحظ وجود أشعة سينية. مُنح رونتغن أول جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٠١.

اقترح لويس دي بروي لاحقًا (عام 1924) في أطروحته للدكتوراه أن الإلكترونات تشبه الفوتونات ويمكنها أن تتصرف كموجات . وقد تم إثبات السلوك الموجي لأشعة الكاثود بشكل مباشر باستخدام الانعكاس من سطح النيكل بواسطة دافيسون وجيرمر ، ^{[ 13 ]} والنفاذية عبر أغشية السيلولويد الرقيقة، ولاحقًا الأغشية المعدنية بواسطة جورج باجيت طومسون وألكسندر ريد ^{[ 14 ]} في عام 1927. (أجرى ألكسندر ريد، الذي كان طالبًا لدى طومسون، التجارب الأولى، لكنه توفي بعد ذلك بوقت قصير في حادث دراجة نارية ^{[ 15 ]} ونادرًا ما يُذكر).