تعريف الأشعة المهبطية

تُعرف الأشعة المهبطية على أنّها حزمة من الإلكترونات سالبة الشحنة التي تترك القطب السالب (المهبط) في أنبوب مفرغ من الهواء ويحتوي على غاز عند ضغط منخفض، وهي التي تنتج عنها الأشعة السينية بعد أن يتم تركيزها على سطح صلب يُعرف باسم مضاد المهبط، كما أنّ اصطدامها بشاشة المهبط المغطاة بجزيئات تمتلك القدرة على التوهج يسبب توهج تلك الجزيئات ومن ثمّ الشاشة، هذا التأثير عندما يرتبط بانحراف الأشعة المتحكم به عن طريق الحقول الكهربائية أو المغناطيسية، يؤدي إلى ظهور ما يسمى براسم الأشعة المهبطية أو أنبوب الأشعة المهبطية (CRT) الذي يستخدم في مراقبة التغيرات في قيم الجهد أو التيار المتناوب كما يستخدم كأنبوب شاشة في التلفزيون والرادار.§

اكتشاف الأشعة المهبطية

خلال سبعينيات القرن التاسع عشر، تمكّن العالم الفيزيائي البريطاني ويليام كروس من إخلاء الأنابيب من الهواء وذلك تحت ضغط أقل من 6-10 ضغط جوي، وسميت تلك الأنابيب على اسمه، لكن أول من قام بتجاربه على الأنابيب هو مايكل فاراداي في العام 1838م الذي أجرى تجاربه على أنبوب مملوء بهواء مخلخل الذرات حيث لاحظ ظهور قوس مضاء كانت بدايته عند مهبط الأنبوب (القطب السالب) ونهايته تقريبًا عند المصعد (القطب الموجب)، أمّا عند إخلاء الأنبوب من الهواء كانت تسود منطقة مظلمة أمام المهبط مباشرةً حيث لا يوجد أي بصيص نور، وأصبح يطلق على هذه المنطقة بفضاء المهبط المظلم أو فضاء فاراداي المظلم.

مع تجاري كروس على الأنابيب الهوائية لاحظ أنّه كلما قلت كمية الهواء داخل الأنبوب كلما انتشرت المنطقة المظلمة أكثر، حتى إخلاء الأنبوب بالكامل من الهواء كان الظلام قد حل بالكامل عليه، لكن لوحظ أنّ الزجاج المحيط بمصعد الأنبوب قد بدأ بالتوهج وتزداد المنطقة المتوهجة كلما ازداد إخلاء الأنبوب من الهواء، فسرت هذه الحالة بأنّه كلما ازدادت كمية الهواء الخارجة من الأنبوب كلما ازدادت فرص الألكترونات بالعبور من المهبط إلى المصعد بخطوط مستقيمة دون أن تصطدم بأي ذرة من ذرات الغاز لعدم وجود عوائق أمامها.

تم زيادة تحفيز تلك الجسيمات عن طريق تطبيق جهد كهربائي على طرفي الأنبوب، فأصبحت تنتقل بسرعات عالية جدًا بين المهبط والمصعد، وبات يطلق عليها اسم الأشعة المهبطية، لكن كانت سرعات انتقال هذه الأشعة فائقة جدًا لدرجة أنّها كانت تتخطى المصعد وتصطدم بالزجاج الخلفي له، وعند اصطدامها به كانت تثير الإلكترونات الموجودة في مداراتها للانتقال إلى مستويات طاقة أعلى مما يؤدي إلى توهجها، قام الباحثون فيما بعد بطلاء الجدار الداخلي للأنبوب بمواد كيميائية فلورية مثل كبريتيد الزنك لجعل التوهج أكثر وضوحًا، ساعد هذا الأمر العلماء على نلاحظة أنّ الأجسام الموجودة في الأنبوب أمام المهبط مثل المصعد تلقي بظلال حادة الحواف على الجدار الخلفي المتوهج، وفي العام 1869م كان الفيزيائي الألماني يوهان هيتورف أول من أدرك أن شيئًا ما يجب أن يسافر في خطوط مستقيمة من المهبط لتتشكل تلك الظلال، أطلق عليها العالم يوجين غولدشتاين فيما بعد اسم الأشعة المهبطية.

اكتشاف الأشعة المهبطية

استكمل العالم جوزيف جون طومسون دراسة خصائص هذه الأشعة فلاحظ أنّ تلك الجسيمات المكونة لحزم الأشعة سالبة الشحنة كونها تنفر من العناصر سالبة الشحنة وتنجذب للعناصر الموجبة الشحنة، وقد أطلق على هذه الجسيمات الصغيرة جدًا من الذرة اسم “الإلكترونات”، ليكون أول من يكتشف ويسمى الإلكترونات باسمها المعروف في يومنا هذا، وليدحض نظرية دالتون الذرية التي كانت تعتبر الذرة هي أصغر جزء من المادة في الكون وأنها غير قابلة للتجزئة، ليكتشف بذلك أهم الاكتشافات في تاريخ الفيزياء وقد حصل على جائزة نوبل في الفيزياء على هذا الاكتشاف.§

خصائص الأشعة المهبطية

تتمتع الأشعة المهبطية بالخواص الفيزيائية التالية:

  1. تنتقل بخطوط مستقيمة من المهبط إلى المصعد ويمكنها أن تلقي بظلالها الحادة.
  2. مشحونة بشحن سالبة.
  3. يحرف الحقل الكهربائي والمغناطيسي الأشعة المهبطية.
  4. لا تعتمد خصائص الأشعة المهية على نوع الأقطاب الكهربائية أو الغازات المستخدمة في الأنبوب المفرغ.
  5. سرعة انتقالها أبطأ من الضوء.
  6. تسخن الأجسام التي تصطدم بها الأشعة المهبطية.
  7. تستطيع اختراق الصفائح المعدنية الرقيقة.
  8. يتوهج الفوسفور عند سقوط الأشعة المهبطية عليه.
  9. يتأين الغاز بالأشعة المهبطية.
  10. الأشعة المهبطية أخف 1800 مرة من الهيدروجين الذي يعتبر أخف عنصر في الطبيعة.§

 استخدامات الأشعة المهبطية

تستخدم الأشعة المهبطية في الكثير من التطبيقات، منها:

  • طورت أنابيب الأشعة المهبطية CRT إلى مذبذبات الأشعة المهبطية CRO التي تستخدم في العديد من التطبيقات الإلكترونية وكأنابيب تلفزيونية.
  • لإيجاد نسبة الشحنة إلى الكتلة في الإلكترونيات.
  • في إنتاج الأشعة السينية.
  • في المجاهر الإلكترونية المستخدمة لدراسة تفاصيل الكائنات الدقيقة.§