أشعة الكاثود

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Cathode ray" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( فبراير 2011 ) ( تعرف على كيفية ووقت إزالة هذه الرسالة )

أشعة الكاثود أو حزم الإلكترونات ( شعاع الإلكترون ) هي تيارات من الإلكترونات التي تُلاحظ في أنابيب التفريغ . إذا تم تجهيز أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء بقطبين كهربائيين وتم تطبيق جهد كهربائي عليه ، يُلاحظ توهج الزجاج خلف القطب الموجب، بسبب الإلكترونات المنبعثة من الكاثود (القطب الكهربائي المتصل بالطرف السالب لمصدر الجهد الكهربائي). تم رصدها لأول مرة في عام 1859 من قبل الفيزيائي الألماني يوليوس بلوكر ويوهان فيلهلم هيتورف ، ^[1] وتم تسميتها في عام 1876 من قبل يوجين جولدشتاين Kathodenstrahlen ، أو أشعة الكاثود. ^{[2] [3]} في عام 1897، أظهر الفيزيائي البريطاني جيه جيه طومسون أن أشعة الكاثود تتكون من جسيم مشحون سلبًا غير معروف سابقًا، والذي سُمي لاحقًا بالإلكترون . تستخدم أنابيب أشعة الكاثود (CRTs) شعاعًا مركّزًا من الإلكترونات التي تنحرف بواسطة المجالات الكهربائية أو المغناطيسية لتقديم صورة على الشاشة.

تُسمى أشعة الكاثود بهذا الاسم لأنها تنبعث من القطب السالب، أو الكاثود ، في أنبوب مفرغ من الهواء. لإطلاق الإلكترونات في الأنبوب، يجب أولاً فصلها عن ذرات الكاثود. في أنابيب التفريغ التجريبية المبكرة ذات الكاثود البارد التي اكتُشفت فيها أشعة الكاثود، والتي تسمى أنابيب كروكس ، تم ذلك باستخدام جهد كهربائي مرتفع يبلغ آلاف الفولتات بين الأنود والكاثود لتأين ذرات الغاز المتبقية في الأنبوب. تم تسريع الأيونات الموجبة بواسطة المجال الكهربائي نحو الكاثود، وعندما اصطدمت به أخرجت الإلكترونات من سطحه؛ كانت هذه هي أشعة الكاثود. تستخدم الأنابيب المفرغة الحديثة الانبعاث الحراري ، حيث يتكون الكاثود من خيط سلكي رفيع يتم تسخينه بواسطة تيار كهربائي منفصل يمر من خلاله. تؤدي الحركة الحرارية العشوائية المتزايدة للخيط إلى إخراج الإلكترونات من سطح الخيط، إلى الفراغ المفرغ من الأنبوب.

نظرًا لأن الإلكترونات تحمل شحنة سالبة، فإنها تتنافر مع المهبط السالب وتنجذب إلى الأنود الموجب. تنتقل في خطوط متوازية عبر الأنبوب الفارغ. يعمل الجهد المطبق بين الأقطاب الكهربائية على تسريع هذه الجسيمات منخفضة الكتلة إلى سرعات عالية. أشعة الكاثود غير مرئية، ولكن تم اكتشاف وجودها لأول مرة في أنابيب كروكس هذه عندما ضربت الجدار الزجاجي للأنبوب، مما أثار ذرات الطلاء الزجاجي وتسبب في انبعاث الضوء منها، وهو توهج يسمى الفلوريسنت . لاحظ الباحثون أن الأشياء الموضوعة في الأنبوب أمام المهبط يمكن أن تلقي بظل على الجدار المتوهج، وأدركوا أن شيئًا ما يجب أن يسافر في خطوط مستقيمة من المهبط. بعد أن تضرب الإلكترونات الجزء الخلفي من الأنبوب، فإنها تشق طريقها إلى الأنود، ثم تنتقل عبر سلك الأنود عبر مصدر الطاقة وتعود عبر سلك المهبط إلى المهبط، لذلك تحمل أشعة المهبط التيار الكهربائي عبر الأنبوب.

يمكن التحكم في التيار في شعاع من أشعة الكاثود عبر أنبوب مفرغ من الهواء عن طريق تمريره عبر شاشة معدنية من الأسلاك ( شبكة ) بين الكاثود والأنود، والتي يتم تطبيق جهد سلبي صغير عليها. يعمل المجال الكهربائي للأسلاك على انحراف بعض الإلكترونات، مما يمنعها من الوصول إلى الأنود. تعتمد كمية التيار التي تمر عبر الأنود على الجهد على الشبكة. وبالتالي، يمكن جعل الجهد الصغير على الشبكة يتحكم في جهد أكبر بكثير على الأنود. هذا هو المبدأ المستخدم في الأنابيب المفرغة لتضخيم الإشارات الكهربائية. كان الصمام المفرغ ثلاثي الأقطاب الذي تم تطويره بين عامي 1907 و1914 أول جهاز إلكتروني يمكنه التضخيم، ولا يزال يستخدم في بعض التطبيقات مثل أجهزة الإرسال اللاسلكية . يمكن أيضًا توجيه حزم أشعة الكاثود عالية السرعة والتلاعب بها بواسطة المجالات الكهربائية التي يتم إنشاؤها بواسطة صفائح معدنية إضافية في الأنبوب الذي يتم تطبيق الجهد عليه، أو المجالات المغناطيسية التي يتم إنشاؤها بواسطة ملفات من الأسلاك ( المغناطيسات الكهربائية ). تُستخدم هذه العناصر في أنابيب أشعة الكاثود ، الموجودة في أجهزة التلفاز وشاشات الكمبيوتر، وفي المجاهر الإلكترونية .

• 
  أنبوب كروكس. يقع المهبط (الطرف السالب) على اليمين. ويقع الأنود (الطرف الموجب) في قاعدة الأنبوب في الأسفل.
• 
  تنتقل أشعة الكاثود من الكاثود الموجود في الجزء الخلفي من الأنبوب، فتصطدم بالواجهة الزجاجية، مما يجعلها تتوهج باللون الأخضر عن طريق الفلورسنت . يلقي الصليب المعدني الموجود في الأنبوب ظلًا، مما يدل على أن الأشعة تنتقل في خطوط مستقيمة.
• 
  يقوم المغناطيس بإنشاء مجال مغناطيسي أفقي من خلال عنق الأنبوب، مما يؤدي إلى ثني الأشعة إلى الأعلى، وبالتالي يصبح ظل الصليب أعلى.
• 
  عندما يتم عكس المغناطيس، فإنه ينحني الأشعة إلى الأسفل، وبالتالي يكون الظل منخفضًا. وينتج التوهج الوردي عن أشعة الكاثود التي تضرب ذرات الغاز المتبقية في الأنبوب.

بعد اختراع مضخة التفريغ عام 1654 بواسطة أوتو فون جيريك ، بدأ الفيزيائيون في إجراء تجارب على تمرير الكهرباء ذات الجهد العالي عبر الهواء المخفف . وفي عام 1705، لوحظ أن شرارات المولدات الكهروستاتيكية تقطع مسافة أطول عبر الهواء المنخفض الضغط مقارنة بالهواء ذي الضغط الجوي.

في عام 1838، طبق مايكل فاراداي جهدًا عاليًا بين قطبين معدنيين عند طرفي أنبوب زجاجي تم إخلاؤه جزئيًا من الهواء، ولاحظ قوسًا ضوئيًا غريبًا يبدأ عند الكاثود (القطب السالب) وينتهي عند الأنود (القطب الموجب). ^[4] في عام 1857، قام الفيزيائي الألماني ونفاخ الزجاج هاينريش جيسلر بسحب المزيد من الهواء باستخدام مضخة محسنة، إلى ضغط يبلغ حوالي 10 ⁻³ ضغط جوي ووجد أنه بدلاً من القوس، ملأ التوهج الأنبوب. كان الجهد المطبق بين قطبي الأنبوبين، المتولد عن ملف تحريض ، في أي مكان بين بضعة كيلو فولت و100 كيلو فولت. كانت تسمى أنابيب جيسلر ، على غرار لافتات النيون اليوم .

كان تفسير هذه التأثيرات هو أن الجهد العالي يسرع الإلكترونات الحرة والذرات المشحونة كهربائيًا ( الأيونات ) الموجودة بشكل طبيعي في هواء الأنبوب. ^{[ بحاجة لمصدر ]} عند الضغط المنخفض، كانت هناك مساحة كافية بين ذرات الغاز بحيث يمكن للإلكترونات أن تتسارع إلى سرعات عالية بما يكفي بحيث عندما تصطدم بذرة فإنها تطرد الإلكترونات منها، مما يخلق المزيد من الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة، والتي استمرت في خلق المزيد من الأيونات والإلكترونات في تفاعل متسلسل، ^{[ بحاجة لمصدر ]} يُعرف باسم التفريغ المتوهج . انجذبت الأيونات الموجبة إلى الكاثود وعندما ضربته أخرجت المزيد من الإلكترونات منه، والتي انجذبت نحو الأنود. وبالتالي كان الهواء المؤين موصلًا للكهرباء وتدفق تيار كهربائي عبر الأنبوب.

كانت أنابيب جيسلر تحتوي على ما يكفي من الهواء بحيث لا تستطيع الإلكترونات أن تقطع سوى مسافة ضئيلة قبل الاصطدام بالذرة. كانت الإلكترونات في هذه الأنابيب تتحرك في عملية انتشار بطيئة ، ولم تكتسب سرعة كبيرة أبدًا، لذلك لم تنتج هذه الأنابيب أشعة الكاثود. وبدلاً من ذلك، أنتجت تفريغًا متوهجًا ملونًا (كما هو الحال في ضوء النيون الحديث )، يحدث عندما تصطدم الإلكترونات بذرات الغاز، مما يثير إلكتروناتها المدارية إلى مستويات طاقة أعلى. أطلقت الإلكترونات هذه الطاقة على شكل ضوء. تسمى هذه العملية بالفلورسنت.

بحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، تمكن الفيزيائي البريطاني ويليام كروكس وآخرون من تفريغ الأنابيب إلى ضغط أقل، أقل من 10 ⁻⁶ ضغط جوي. وقد أطلق على هذه الأنابيب اسم أنابيب كروكس. وكان فاراداي أول من لاحظ وجود مساحة مظلمة أمام الكاثود مباشرة، حيث لم يكن هناك أي توهج. وقد أطلق على هذه المساحة اسم "مساحة الكاثود المظلمة" أو "مساحة فاراداي المظلمة" أو "مساحة كروكس المظلمة". ووجد كروكس أنه عندما ضخ المزيد من الهواء خارج الأنابيب، انتشرت مساحة فاراداي المظلمة أسفل الأنبوب من الكاثود نحو الأنود، حتى أصبح الأنبوب مظلمًا تمامًا. ولكن عند الطرف الموجب (الأنود) للأنبوب، بدأ زجاج الأنبوب نفسه يتوهج.

ما كان يحدث هو أنه مع ضخ المزيد من الهواء من الأنبوب، فإن الإلكترونات التي خرجت من الكاثود عندما ضربته الأيونات الموجبة يمكنها أن تنتقل لمسافة أبعد، في المتوسط، قبل أن تصطدم بذرة غاز. وبحلول الوقت الذي أصبح فيه الأنبوب مظلماً، كان بإمكان معظم الإلكترونات أن تنتقل في خطوط مستقيمة من الكاثود إلى نهاية الأنود للأنبوب دون تصادم. وفي غياب العوائق، تسارعت هذه الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة إلى سرعات عالية بواسطة الجهد بين الأقطاب الكهربائية. كانت هذه هي أشعة الكاثود.

عندما وصلت إلى نهاية الأنود للأنبوب، كانت تتحرك بسرعة كبيرة لدرجة أنه على الرغم من انجذابها إليه، إلا أنها غالبًا ما طارت عبر الأنود وضربت الجدار الخلفي للأنبوب. عندما ضربت ذرات في الجدار الزجاجي، أثارت إلكتروناتها المدارية إلى مستويات طاقة أعلى . عندما عادت الإلكترونات إلى مستوى طاقتها الأصلي، أطلقت الطاقة على شكل ضوء، مما تسبب في توهج الزجاج ، وعادة ما يكون لونه أخضر أو ​​أزرق. في وقت لاحق، قام الباحثون بطلاء الجدار الخلفي الداخلي بمواد كيميائية فلورية مثل كبريتيد الزنك ، لجعل التوهج أكثر وضوحًا.

أشعة الكاثود نفسها غير مرئية، لكن هذه الفلورسنت العرضية سمحت للباحثين بملاحظة أن الأجسام الموجودة في الأنبوب أمام الكاثود، مثل الأنود، تلقي ظلالاً حادة الحواف على الجدار الخلفي المتوهج. في عام 1869، كان الفيزيائي الألماني يوهان هيتورف أول من أدرك أنه يجب أن يسافر شيء ما في خطوط مستقيمة من الكاثود لإلقاء الظلال. أطلق عليها يوجين جولدشتاين اسم أشعة الكاثود ( Kathodestrahlen الألمانية ).

في ذلك الوقت، كانت الذرات أصغر الجسيمات المعروفة، وكان يُعتقد أنها غير قابلة للتجزئة. وكان ما يحمل التيارات الكهربائية لغزًا. وخلال الربع الأخير من القرن التاسع عشر، أجريت العديد من التجارب التاريخية باستخدام أنابيب كروكس لتحديد ماهية أشعة الكاثود. وكانت هناك نظريتان. اعتقد كروكس وآرثر شوستر أنها جسيمات من "المادة المشعة"، أي ذرات مشحونة كهربائيًا. اعتقد العلماء الألمان إيلهارد فيدمان وهينريش هيرتز وجولدشتاين أنها "موجات الأثير"، وهي شكل جديد من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وكانت منفصلة عما يحمل التيار الكهربائي عبر الأنبوب.

تم حل المناقشة في عام 1897 عندما قام جيه جيه تومسون بقياس كتلة أشعة الكاثود، حيث أظهر أنها مكونة من جسيمات، لكنها كانت أخف بحوالي 1800 مرة من أخف ذرة، الهيدروجين . لذلك، لم تكن ذرات، بل جسيمًا جديدًا، أول جسيم دون ذري يتم اكتشافه، والذي أطلق عليه في الأصل " جسيم " ولكن تم تسميته لاحقًا بالإلكترون ، بعد الجسيمات التي افترضها جورج جونستون ستوني في عام 1874. كما أظهر أنها متطابقة مع الجسيمات المنبعثة من المواد الكهروضوئية والمشعة. ^[5] سرعان ما تم الاعتراف بأنها الجسيمات التي تحمل التيارات الكهربائية في الأسلاك المعدنية، وتحمل الشحنة الكهربائية السالبة للذرة.

حصل تومسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906 عن هذا العمل. كما ساهم فيليب لينارد بشكل كبير في نظرية أشعة الكاثود، حيث فاز بجائزة نوبل عام 1905 عن أبحاثه حول أشعة الكاثود وخصائصها.

كانت طريقة التأين بالغاز (أو الكاثود البارد ) لإنتاج أشعة الكاثود المستخدمة في أنابيب كروكس غير موثوقة، لأنها تعتمد على ضغط الهواء المتبقي في الأنبوب. وبمرور الوقت، امتصت جدران الأنبوب الهواء، وتوقفت عن العمل.

تم التحقيق في طريقة أكثر موثوقية وقابلية للتحكم لإنتاج أشعة الكاثود بواسطة Hittorf و Goldstein، ^{[ بحاجة لمصدر ]} وأعاد توماس إديسون اكتشافها في عام 1880. سيطلق الكاثود المصنوع من خيوط سلكية ساخنة للغاية بواسطة تيار منفصل يمر من خلالها الإلكترونات في الأنبوب من خلال عملية تسمى الانبعاث الحراري . استخدمت أول أنابيب مفرغة إلكترونية حقيقية، اخترعها جون أمبروز فليمنج في عام 1904، تقنية الكاثود الساخن هذه ، وحلت محل أنابيب كروكس. لم تكن هذه الأنابيب بحاجة إلى غاز فيها للعمل، لذلك تم إخلاؤها إلى ضغط أقل، حوالي 10 ⁻⁹ ضغط جوي (10 ⁻⁴ باسكال). تُستخدم طريقة التأين لإنشاء أشعة الكاثود المستخدمة في أنابيب كروكس اليوم فقط في عدد قليل من أنابيب التفريغ الغازي المتخصصة مثل الكريترونات .

في عام 1906، وجد لي دي فورست أن الجهد الصغير على شبكة من الأسلاك المعدنية بين الكاثود والأنود يمكن أن يتحكم في التيار في شعاع من أشعة الكاثود التي تمر عبر أنبوب مفرغ. كان اختراعه، المسمى بالثلاثي ، أول جهاز يمكنه تضخيم الإشارات الكهربائية، وأحدث ثورة في التكنولوجيا الكهربائية، مما أدى إلى إنشاء مجال جديد للإلكترونيات . جعلت الأنابيب المفرغة البث الإذاعي والتلفزيوني ممكنًا، وكذلك الرادار ، والأفلام الناطقة، والتسجيل الصوتي، وخدمة الهاتف لمسافات طويلة، وكانت أساس الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية حتى ستينيات القرن العشرين، عندما جلب الترانزستور نهاية عصر الأنابيب المفرغة.

تُسمى أشعة الكاثود الآن عادةً بأشعة الإلكترون. وقد تم تطبيق تقنية معالجة أشعة الإلكترون التي كانت رائدة في هذه الأنابيب المبكرة عمليًا في تصميم الأنابيب المفرغة، وخاصة في اختراع أنبوب أشعة الكاثود (CRT) بواسطة فرديناند براون في عام 1897، والذي تم استخدامه في أجهزة التلفزيون وأجهزة قياس الذبذبات . واليوم، تُستخدم أشعة الإلكترون في أجهزة متطورة مثل المجاهر الإلكترونية وطباعة أشعة الإلكترون ومسرعات الجسيمات .

مثل الموجة، تنتقل أشعة الكاثود في خطوط مستقيمة، وتنتج ظلًا عندما تعيقها الأجسام. أثبت إرنست رذرفورد أن الأشعة يمكن أن تمر عبر رقائق معدنية رقيقة، وهو السلوك المتوقع من الجسيم. تسببت هذه الخصائص المتضاربة في حدوث اضطرابات عند محاولة تصنيفها على أنها موجة أو جسيم. أصر كروكس على أنها جسيم، في حين أكد هرتز أنها موجة. تم حل المناقشة عندما استخدم جيه جيه تومسون مجالًا كهربائيًا لحرف الأشعة. كان هذا دليلاً على أن الحزم تتكون من جسيمات لأن العلماء كانوا يعرفون أنه من المستحيل حرف الموجات الكهرومغناطيسية بحقل كهربائي. يمكن أن تخلق هذه أيضًا تأثيرات ميكانيكية، مثل الفلورسنت، وما إلى ذلك.

اقترح لويس دي بروجلي لاحقًا (1924) في أطروحته للدكتوراه أن الإلكترونات تشبه الفوتونات ويمكن أن تعمل كموجات . تم إثبات السلوك الموجي لأشعة الكاثود لاحقًا بشكل مباشر باستخدام الانعكاس من سطح النيكل بواسطة ديفيسون وجيرمر ، ^[6] والانتقال عبر الأغشية الرقيقة من السليولويد والأغشية المعدنية لاحقًا بواسطة جورج باجيت طومسون وألكسندر ريد ^[7] في عام 1927. (أجرى ألكسندر ريد، الذي كان طالب دراسات عليا لدى طومسون، التجارب الأولى لكنه توفي بعد فترة وجيزة في حادث دراجة نارية ^[8] ونادرًا ما يتم ذكره.)

• الكيمياء العامة (بنية وخصائص المادة) بقلم أرونا باندارا (2010)

• موقع أنبوب أشعة الكاثود
• أنبوب كروكس مع صليب مالطي يعمل