أنبوب كروكس

تطورت أنابيب كروكس من أنابيب غايسلر التي اخترعها الفيزيائي الألماني وصانع الزجاج هاينريش غايسلر عام 1857، ^{[ 6 ] [ 7 ]} وهي أنابيب تجريبية تشبه مصابيح النيون الحديثة . كانت أنابيب غايسلر تتميز بفراغ منخفض، حوالي 10⁻³ ^ضغط جوي (100 باسكال )، ^{[ 8 ]} ولم تكن الإلكترونات فيها قادرة على قطع مسافة طويلة قبل الاصطدام بجزيء غاز. لذا، كان تيار الإلكترونات يتحرك ببطء شديد ، ويصطدم باستمرار بجزيئات الغاز، دون أن يكتسب طاقة كبيرة. لم تُصدر هذه الأنابيب أشعة كاثودية، بل تفريغًا ضوئيًا ملونًا يملأ الأنبوب عندما تصطدم الإلكترونات بجزيئات الغاز وتثيرها، مُنتجةً الضوء.

بحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، تمكن ويليام كروكس (مع باحثين آخرين) من تفريغ أنابيبه إلى ضغط منخفض، يتراوح بين ^10⁻⁶ و 5 × 10⁻⁸ ^ضغط جوي ، باستخدام مضخة تفريغ زئبقية محسّنة من نوع سبرينجل، اخترعها زميله تشارلز أ. جيمينغهام. ^{[ 9 ]} ووجد أنه مع زيادة كمية الهواء المتدفقة من أنابيبه، تتشكل منطقة داكنة في الغاز المتوهج بجوار المهبط. ^{[ 10 ] : ص 40-41.} ومع انخفاض الضغط، امتدت المنطقة الداكنة، التي تُعرف الآن باسم فضاء فاراداي المظلم أو فضاء كروكس المظلم ، إلى أسفل الأنبوب، حتى أصبح باطن الأنبوب مظلمًا تمامًا. ومع ذلك، بدأ الغلاف الزجاجي للأنبوب بالتوهج عند طرف المصعد. ^{[ 11 ] : 137-139} ما كان يحدث هو أنه مع زيادة كمية الهواء المسحوب من الأنبوب، قلّت جزيئات الغاز التي تعيق حركة الإلكترونات من المهبط، مما مكّنها من قطع مسافة أطول، في المتوسط، قبل أن تصطدم بأحدها. وبحلول الوقت الذي أصبح فيه داخل الأنبوب مظلمًا، كانت الإلكترونات قادرة على السير في خطوط مستقيمة من المهبط إلى المصعد، دون تصادم. وقد تسارعت إلى سرعة عالية بفعل المجال الكهربائي بين الأقطاب، وذلك لأنها لم تفقد الطاقة نتيجة التصادمات، ولأن أنابيب كروكس كانت تعمل بجهد أعلى . وعندما وصلت إلى طرف المصعد من الأنبوب، كانت تتحرك بسرعة كبيرة لدرجة أن العديد منها تجاوز المصعد واصطدم بالجدار الزجاجي. كانت الإلكترونات نفسها غير مرئية، ولكن عندما اصطدمت بجدران الأنبوب الزجاجية، أثارت الذرات في الزجاج، مما جعلها تُصدر ضوءًا أو تتألق ، وعادةً ما يكون لونها أصفر مخضر. قام الباحثون في وقت لاحق بطلاء الجدار الخلفي لأنابيب كروكس بطلاء فلوري، لجعل الحزم أكثر وضوحًا.

سمح هذا التألق العرضي للباحثين بملاحظة أن الأجسام الموجودة داخل الأنبوب، مثل المصعد، تُلقي بظلال حادة الحواف على جدار الأنبوب. وكان يوهان هيتورف أول من أدرك في عام 1869 أن شيئًا ما يجب أن يتحرك في خطوط مستقيمة من المهبط لإلقاء الظل. ^{[ 12 ] : 79 [ 13 ]} وفي عام 1876، أثبت يوجين غولدشتاين أنها تنبعث من المهبط، وأطلق عليها اسم أشعة المهبط ( Kathodenstrahlen ). ^{[ 11 ] : 138}

في ذلك الوقت، كانت الذرات أصغر الجسيمات المعروفة، وكان يُعتقد أنها غير قابلة للانقسام، وكان الإلكترون مجهولًا، وما الذي يحمل التيارات الكهربائية لغزًا محيرًا. خلال الربع الأخير من القرن التاسع عشر، تم اختراع أنواع عديدة مبتكرة من أنابيب كروكس، واستُخدمت في تجارب تاريخية لتحديد ماهية أشعة الكاثود. كانت هناك نظريتان: اعتقد كروكس أنها "مادة مشعة"؛ أي ذرات مشحونة كهربائيًا، بينما اعتقد العالمان الألمانيان هيرتز وغولدشتاين أنها "اهتزازات أثيرية"؛ شكل جديد من الموجات الكهرومغناطيسية . ^{[ 6 ] [ 12 ] : 80-81 [ 11 ] : 189-190} حُسم الجدل عام 1897 عندما قاس جيه جيه طومسون نسبة الكتلة إلى الشحنة لأشعة الكاثود، مُظهرًا أنها تتكون من جسيمات، لكنها أخف بنحو 1800 مرة من أخف ذرة، وهي الهيدروجين . لذلك، لم تكن ذرات، بل جسيم جديد، وهو أول جسيم دون ذري يتم اكتشافه، والذي أطلق عليه فيما بعد اسم الإلكترون . ^{[ 14 ]}

كانت الأنابيب المتوهجة الملونة شائعة الاستخدام في المحاضرات العامة لشرح أسرار علم الكهرباء الحديث. صُنعت الأنابيب المزخرفة من معادن فلورية، أو من أشكال فراشات مطلية بطلاء فلوري، ومُحكمة الإغلاق من الداخل. ^{[ 7 ]} عند توصيل التيار الكهربائي، أضاءت المواد الفلورية بألوان متوهجة متعددة.

في عام 1895، اكتشف ويلهلم رونتجن الأشعة السينية المنبعثة من أنابيب كروكس. وسرعان ما اتضحت الاستخدامات المتعددة للأشعة السينية، وكان هذا أول تطبيق عملي لأنابيب كروكس. وبدأت الشركات المصنعة للأجهزة الطبية بإنتاج أنابيب كروكس متخصصة لتوليد الأشعة السينية، وهي أول أنابيب الأشعة السينية .

كانت أنابيب كروكس غير موثوقة ومتقلبة. اعتمدت كل من طاقة وكمية أشعة الكاثود المنتجة على ضغط الغاز المتبقي في الأنبوب. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} بمرور الوقت، امتصت جدران الأنبوب الغاز، مما أدى إلى انخفاض الضغط. ^{[ 18 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} أدى ذلك إلى تقليل كمية أشعة الكاثود المنتجة وزيادة الجهد الكهربائي عبر الأنبوب، مما أدى إلى إنتاج أشعة كاثود ذات طاقة أعلى. ^{[ 17 ]} في أنابيب كروكس للأشعة السينية، سُميت هذه الظاهرة "التصلب" لأن الجهد الكهربائي الأعلى أنتج أشعة سينية "أكثر صلابة" وأكثر اختراقًا؛ سُمي الأنبوب ذو الفراغ الأعلى "أنبوبًا صلبًا"، بينما سُمي الأنبوب ذو الفراغ الأقل "أنبوبًا لينًا". في النهاية، انخفض الضغط إلى درجة توقف الأنبوب عن العمل تمامًا. ^{[ 17 ]} ولمنع ذلك، تم دمج أجهزة "تليين" مختلفة في الأنابيب المستخدمة بكثرة مثل أنابيب الأشعة السينية، والتي تطلق كمية صغيرة من الغاز، مما يعيد وظيفة الأنبوب. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

حلت أنابيب التفريغ الإلكترونية، التي اختُرعت لاحقًا حوالي عام 1904، محل أنبوب كروكس. تعمل هذه الأنابيب عند ضغط أقل بكثير، حوالي 10⁻⁹ ^ضغط جوي (10⁻⁴ ^باسكال )، حيث يكون عدد جزيئات الغاز قليلًا جدًا لدرجة أنها لا تُوصل التيار عن طريق التأين . بدلًا من ذلك، تستخدم مصدرًا أكثر موثوقية وتحكمًا للإلكترونات، وهو فتيل مُسخّن أو مهبط ساخن يُطلق الإلكترونات عن طريق الانبعاث الحراري . أما طريقة التأين المستخدمة في أنابيب كروكس لتوليد أشعة المهبط، فلا تُستخدم اليوم إلا في عدد قليل من أنابيب التفريغ الغازي المتخصصة ، مثل الثايراترونات .

تم تطبيق تقنية معالجة حزم الإلكترونات التي تم تطويرها في أنابيب كروكس عمليًا في تصميم أنابيب التفريغ، وخاصة في اختراع أنبوب أشعة الكاثود بواسطة فرديناند براون في عام 1897، وهي تستخدم الآن في عمليات متطورة مثل المجاهر الإلكترونية وطباعة الليثوغرافيا بحزم الإلكترونات .

عندما يكون الجهد المطبق على أنبوب كروكس مرتفعًا بما يكفي، حوالي 5000 فولت أو أكثر، ^{[ 19 ]} فإنه يُسرّع الإلكترونات إلى سرعة عالية كافية لتوليد أشعة سينية عند اصطدامها بالمصعد أو الجدار الزجاجي للأنبوب. تُصدر الإلكترونات السريعة أشعة سينية عندما ينحني مسارها بشدة أثناء مرورها بالقرب من الشحنة الكهربائية العالية لنواة الذرة ، وهي عملية تُسمى كبح الإشعاع ، أو عندما تدفع إلكترونات الذرة الداخلية إلى مستوى طاقة أعلى ، وهذه بدورها تُصدر أشعة سينية عند عودتها إلى مستوى طاقتها السابق، وهي عملية تُسمى تألق الأشعة السينية . لا شك أن العديد من أنابيب كروكس المبكرة ولّدت أشعة سينية، لأن باحثين أوائل مثل إيفان بوليوي لاحظوا أنها تُخلّف علامات ضبابية على ألواح التصوير الفوتوغرافي غير المعرضة للضوء القريبة .

في الثامن من نوفمبر عام ١٨٩٥، كان فيلهلم رونتغن يُشغّل أنبوب كروكس المغطى بورق مقوى أسود عندما لاحظ أن شاشة فلورية قريبة منه تتوهج بضوء خافت. ^{[ ٢٠ ]} أدرك أن بعض الأشعة غير المرئية المنبعثة من الأنبوب قادرة على اختراق الورق المقوى وجعل الشاشة تتوهج. واكتشف أنها قادرة على اختراق الكتب والأوراق الموضوعة على مكتبه. بدأ رونتغن بالتفرغ لدراسة هذه الأشعة، وفي الثامن والعشرين من ديسمبر عام ١٨٩٥، نشر أول بحث علمي حول الأشعة السينية. ^{[ ٢١ ]} مُنح رونتغن أول جائزة نوبل في الفيزياء (عام ١٩٠١) لاكتشافاته.

أدت التطبيقات المتعددة للأشعة السينية إلى الاستخدام العملي الأول لأنابيب كروكس، وبدأت ورش العمل بتصنيع أنابيب كروكس متخصصة لتوليد الأشعة السينية، وهي أول أنابيب الأشعة السينية. كان المصعد مصنوعًا من معدن ثقيل، عادةً البلاتين ، مما أدى إلى توليد المزيد من الأشعة السينية، وكان مائلًا بزاوية بالنسبة للمهبط، بحيث تشع الأشعة السينية من خلال جانب الأنبوب. كان للمهبط سطح كروي مقعر يركز الإلكترونات في بقعة صغيرة  قطرها حوالي 1 مم على المصعد، وذلك لتقريب مصدر نقطي للأشعة السينية، مما أعطى صورًا شعاعية فائقة الوضوح . استُخدمت أنابيب الأشعة السينية من نوع المهبط البارد حتى عام 1920 تقريبًا، عندما حلت محلها أنابيب كوليدج للأشعة السينية ذات المهبط الساخن .

في عام 1869، 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. ^{[ 12 ] : 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. ^{[ 11 ] : 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. ^{[ 11 ] : 138 [ 23 ]} 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. ^{[ 11 ] : 145} إذا صُنع القطب الكهربائي على شكل طبق كروي مقعر، فإن أشعة الكاثود ستتركز في بقعة أمام الطبق. ^{[ 13 ]} يمكن استخدام هذا لتسخين العينات إلى درجة حرارة عالية.

صنع 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 الصفيحة المشحونة إيجابيًا وتتنافر مع الصفيحة المشحونة سلبيًا، مما يؤدي إلى انحناء الشعاع. كان هذا دليلًا على أنها مشحونة سلبيًا، وبالتالي ليست موجات كهرومغناطيسية.

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. ^{[ 11 ] : 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. كان هذا التأثير (الذي يُسمى الآن قوة لورنتز ) مشابهًا 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 دليلًا على نظرية الجسيمات، لأن المجالات الكهربائية والمغناطيسية الساكنة ليس لها أي تأثير على شعاع من الموجات الضوئية في الفراغ.

إيقاف التشغيل

بدون مغناطيس، تسير الأشعة في خط مستقيم

باستخدام المغناطيس، تنحني الأشعة لأعلى

عند عكس اتجاه المغناطيس، تنحني الأشعة إلى الأسفل.

أنبوب كروكس يوضح الانحراف المغناطيسي. عند وضع مغناطيس عند عنق الأنبوب (على اليمين)، تنحني الأشعة لأعلى أو لأسفل، عمودية على المجال المغناطيسي الأفقي ، مما يجعل الرقعة الخضراء المتوهجة تبدو أعلى أو أسفل. يتوهج الهواء المتبقي في الأنبوب باللون الوردي عند اصطدامه بالإلكترونات.

وضع كروكس توربينًا صغيرًا ذا ريش أو عجلة مجدافية في مسار أشعة الكاثود، ولاحظ دورانه عند اصطدام الأشعة به. ^{[ 11 ] : 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 فمن 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 . ^{[ 13 ]} عندما اصطدمت الأشعة بسطح الريشة، سخّنته، وتسببت الحرارة في تمدد الغاز المجاور، 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. ^{[ 13 ]} 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. ^{[ ١١ ] : 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. ^{[ 24 ] [ 11 ] : 158-159} وقد وُجد أنه في مجال كهربائي، تنحني أشعة المصعد هذه في الاتجاه المعاكس لأشعة المهبط، باتجاه 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 ). ^{[ 25 ]}

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 . ^{[ 13 ]} 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")، مواجهة للكاثود (C) بحيث تصطدم بها أشعة الكاثود. ^{[ 11 ] : 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. وفي وقت لاحق، تم إدراك أن الإلكترونات أصغر بكثير من الذرات، مما يفسر قدرتها الأكبر على الاختراق.