فرغ تومسون أنبوب الأشعة المهبطية من الهواء بسبب

فرغ تومسون أنبوب الأشعة المهبطية من الهواء بسبب، تقليل التصادمات بين الإلكترونات المنتجة وجزيئات الهواء.

أراد تومسون إثبات فكرة أن الأشعة المنبعثة من الإلكترون لا يمكن فصلها عن الشحنة الكامنة واستخدم في ذلك المجال المغناطيسي وأسطوانة معدنية أنشأ بها أنبوب أشعة الكاثود وتحتوي الأسطوانة على شقين تؤدي إلى مقاييس كهربائية يمكنها قياس الشحنات الكهربائية الصغيرة، كما أراد إثبات أن الأشعة المهبطية تحمل شحنة سالبة فقام بطلاء أنبوب أشعة الكاثود بالفلورسنت.

ووضع أسفلها لوحان كهربائيان بهما أنود موجب وكاثود سالب فوجد أن الشحنة الكهربائية تنحرف عن الأشعة مما يعني أن الأشعة عبارة عن جسيمات تحمل شحنة سالبة كما أنه توصل إلى الفكرة الأولية لبنية الذرة فقد افترض أنها تتكون من جسيمات سالبة الشحنة تدور حول مجموعة من الشحنات الموجبة ثم طور رذرفورد هذه الفكرة وأثبت أن الذرة تتكون من نواة موجبة الشحنة محاطة بجسيمات سالبة الشحنة وأطلق عليها الإلكترونات.

نسبة الشحنة إلى الكتلة في انبوب تومسون تعطى بالعلاقة

q / m.

لإثبات تلك العلاقة كالتالي أولاً بما أن F = q E حيث أن F هي القوة المؤثرة على الإلكترون وتقاس بالنيوتن وq هي شحنة الإلكترون وتقاس بالكولوم وE هو المجال الكهربائي الذي يؤثر على الإلكترون ووحدة قياسه هي نيوتن لكل كولوم، وبما أن الانحراف العمودي يرتبط بكتلة الإلكترون فيجب تطبيق معادلة التسارع وهي a = F / m حيث أن F هي القوة الكلية المؤثرة على الإلكترون وm هي كتلة الإلكترون وتقاس بالكيلوجرام وa هو تسارع الإلكترون ويقاس بالمتر لكل ثانية مربعة.

وبتساوى المعادلتين نجد أن q / m = a / e، ووجد تومسون أن تلك النسبة تساوي -1.76 × 10^-11 وذلك يثبت أن كتلة الإلكترون صغيرة جداً حيث أن كتلة البروتون تساوي 1836 ضعف كتلة الإلكترون، وقديماً كانت تسمى الأنابيب التي استخدمها تومسون أنابيب تفريغ الغاز أو أنابيب كروكس نسبة إلى العالم ويليام كروكس الذي أظهرت تجاربه شحنة الإلكترونات أما الآن تسمى أنابيب أشعة كاثود وتتكون من زجاج فارغ مع قطبين معدنيين وغاز داخل الزجاج وعندما يتم تطبيق فرق الجهد عبر أنبوب كاثود فإن الإلكترونات تنتقل من القطب السالب إلى القطب الموجب.

ما هو أنبوب الأشعة المهبطية

أنبوب الأشعة المهبطية هو أنبوب مكون من زجاج محكم الإغلاق به أنود وكاثود على كل طرف من طرفي الأنبوب ويحتوي على مصدر لإنتاج الإلكترونات حيث ينطلق من حزماً من الإلكترونات خلال الأنبوب والذي يمكن إعادة توجيهه باستخدام مجال كهرومغناطيسي كما أن الكاثود عبارة عن ذرات موجبة الشحنة تمتص الإلكترونات أما الأنود فهو أيونات سالبة الشحنة بها وفرة من الإلكترونات.

وقد تم استخدام أنبوب الأشعة المهبطية في صناعة التلفزيون حيث تغير الأشعة إسقاطها على الشاشة الفسفورية مما يؤدي إلى ظهور الصورة كما تدخل في صناعة شاشة الكمبيوتر والرادار وشاشات رسم الذبذبات كما تستخدم في الأجهزة الطبية لإنتاج حزم إشعاعية عالية الطاقة مثل الأشعة السينية، وأنبوب الأشعة المهبطية يكون محكم الإغلاق حتى لا تدخل جزيئات الهواء أو أي مادة أخرى.

مكونات أنبوب الأشعة المهبطية

• شاشة مطلية بالفوسفور.

• مسدس الإلكترونات.

• نظام التركيز والانحراف.

• الغلاف أو الحاوية.

شاشة مطلية بالفوسفور : هي المسؤولة عن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وذلك عن طريق اصطدام الإلكترونات بمادة الفوسفور وهي مادة كيميائية يصدر عنها ضوءاً عند تعرضها للطاقة الكهربائية والفوسفور الشائع استخدامه هو كبريتيد الزنك النقي والذي ينتج عنه ضوءاً أخضر كما يعتمد الضوء على الشوائب التي قد تكون موجودة في كبريتيد الزنك، مثال كبريتيد الزنك الذي يحتوي على شوائب من الفضة ينتج عنه لون ضوء أزرق.

وعند استخدام الفوسفور الموجود في أكسيد الإيتريوم ينتج عنه ضوءاً أحمر أما الموجود في سيليكات الإيتريوم ينتج عنه ضوءاً أزرق أرجواني، كما أن الضوء الناتج عن الفوسفور لا بد أن يستمر لفترة معينة مثال في التلفزيون إذا استمر التوهج الناتج عن الفوسفور لفترة طويلة ينتج عن ذلك صورة غير واضحة وإذا استمر لفترة قصيرة فلن يكون هناك صورة.

مسدس الإلكترونات : يتكون من ثلاث أجزاء أساسية وهم الكاثود والأنود والشبكة والكاثود يتكون من قطعة معدنية عندما يتم تسخينها ينتج عنها إلكترونات وفي الغالب تكون الكاثودات مصنوعة من معدن السيزيوم وهو عبارة عن معدن قلوي يفقد الإلكترونات بسهولة عندما يتم تسخينه إلى درجة حرارة تصل إلى 1750 درجة فهرنهايت أي 825 درجة مئوية.

والأنود عبارة عن قطب يعمل على تسريع انطلاق الإلكترونات فهو موجب الشحنة ويتم وضعه على مسافة قصيرة من الكاثود أما الشبكة فهي تقوم بالتحكم في شدة شعاع الإلكترون الذي يمر خلال الأنود وهي عبارة عن قطعة إسطوانية مصنوعة من المعدن، ويطبق عليها شحنة كهربائية متغيرة.

نظام التركيز والانحراف : يتكون الشعاع الإلكتروني ويكون مخروطي الشكل وحتى يكون واضحاً عند انطلاقه لشاشة العرض لا بد من إضافة عدسة كهربائية أو مغناطيسية إلى أنبوب الأشعة المهبطية وتشبه تلك العدسة العدسات الموجودة في النظارات، ولا بد من وجود نظام انحراف حتى تتحرك حزمة الإلكترون في اتجاه أفقي ونظام تركيز حتى تتحرك في اتجاه رأسي حيث أن كلاً منهما يتحكم في مسار شعاع الإلكترون بواسطة المجال المغناطيسي والشحنة الكهربائية.

الغلاف أو الحاوية : وهو عبارة عن غلاف خارجي يعطي لأنبوب الأشعة المهبطية شكلها المميز ومن الأمثلة الأكثر شيوعاً الأنبوب المستخدم في جهاز التلفزيون وفي الغالب يتكون الغلاف من الزجاج وأحياناً يتم تصنيعه من السيراميك أو الأنابيب المعدنية وفي الأنبوب جزء اسطواني يحتوي على مسدس إلكتروني ونظام التركيز والانحراف، ويتم ضخ الهواء في الأنبوب تحت ضغط من 6 إلى 10 باكسال.[4]

استخدامات الأشعة المهبطية

• تستخدم في صناعة الشاشات حيث يتم توجيه شعاع إلكتروني داخل الأنابيب المفرغة وباستخدام نظام الانحراف وينتج عن ذلك الشعاع اللون الأبيض.

• تستخدم أحياناً بدلاً عن الترانزستور السيليكون في صناعة الأجهزة الإلكترونية.

• تستخدم في الرعاية الطبية في جهاز راسم الذبذبات حيث أن تعمل على قياس التغيرات التي تحدث في الجهد الكهربائي مع مرور الوقت.

• كانت أول لعبة فيديو في العالم باستخدام الأشعة المهبطية وكانت عبارة عن شعاع ينتج من الأنبوب المهبطية لا بد من تعديل مساره حتى يصطدم بالأهداف الموجودة على الشاشة.

خصائص الأشعة المهبطية

• تنتقل في مسار مستقيم وتنحرف عن طريق مجالات كهربائية ومغناطيسية فهي عبارة عن إلكترونات تتدفق داخل أنابيب مفرغة.

• تحمل شحنة سالبة حيث أنها أدت إلى اكتشاف الإلكترونات.

• تنتج عند الكاثود وتنتقل إلى الأنود خلال أنبوب مفرغ.

• لا تتأثر خصائص الأشعة المهبطية بالغاز المستخدم في الأنبوب المفرغ ولا تتأثر بالأقطاب الكهربائية.

• تنتقل بمعدل أبطأ من الضوء.

• قد ينتج عنها حرارة عند اصطدامها بأي شئ فهي تنبعث من القطب السالب.

• لديها القدرة على المرور خلال الصفائح المعدنية الرفيعة.

• عند سقوطها على معدن الفوسفور ينتج عنه طاقة ضوئية.

• أخف 180 مرة من عنصر الهيدروجين.

• عند تطبيق جهد على أنبوب الأشعة المهبطية فإن الإلكترونات تنبعث من الكاثود ويتوهج الزجاج المقابل للإلكترود السالب.[