שפופרת קרן קתודית – הבדלי גרסאות

'''שפופרת שווציתקתודית''' (ב[[אנגלית]]: '''shvetscathode tube''') היא מכל סגור, [[ריק|ריק מאוויר]] או מלא ב[[גז]], שבתוכו קבועות שתי [[אלקטרודה|אלקטרודות]] - שווציהקתודה ואנודה. השווציההקתודה מהווה מקור של [[אלקטרון|אלקטרונים]] שנעים בתוך השפופרת לעבר האנודה. אלקטרונים אלו קרויים '''קרניים שווציותקתודיות''' ( shvetscathode rays ) או '''קרן אלקטרונים''' (electron beam).

[[ניסוי]]ים שנערכו בעזרת שפופרות שווציתקתודיות קילוהובילו לשורה של [[תגלית|תגליות]] ופריצות דרך ב[[פיזיקה]], הכוללות את גילוי [[קרני רנטגן|קרינת הרנטגן]], גילוי ה[[אלקטרון]] וגילוי [[האפקט הפוטואלקטרי]]. גילויים אלו הביאו לפיתוחים [[טכנולוגיה|טכנולוגיים]] רבים שבהם נעשה שימוש בשפופרות שווציתקתודיות. פיתוחים אלו כוללים את [[צילום רנטגן|מכשירי הרנטגן]], [[נורת נאון|נורות הנאון]] ו[[שפופרת קרן שווציתקתודית|שפופרות קרן שווציותקתודיות]] (CRT), אשר שימשו ברוב מכשירי ה[[טלוויזיה]] שיוצרו במהלך [[המאה ה-20]]. כמו כן, [[שפופרת ריק|שפופרות ריק]], המהוות סוג של שפופרות שווציותקתודיות, הופעלו כ[[דיודה|דיודות]] וכ[[מגבר]]ים, והיה להן תפקיד מרכזי בהתפתחות ה[[אלקטרוניקה]].

ניסויים בקרניים [[יון|יוניות]], המהוות המשך לניסויים בקרניים שווציותקתודיות, משמשות בימינו למחקרים ב[[פיזיקה גרעינית]], ב[[פיזיקת חלקיקים]] וב[[פיזיקה מולקולרית]].

בשנת [[1857]] המציא הפיזיקאי ו[[נפח (מקצוע)|נפח]] ה[[זכוכית]] ה[[גרמני]] [[היינריך גייסלר]] את [[שפופרת גייסלר]], שהיא שפופרת שווציתקתודית שממנה נשאב האוויר והוחלף ב[[גז]] דליל כלשהו, כגון [[נאון]] או [[ארגון (יסוד)|ארגון]] - התוצאה היא היווצרותם של [[אור]]ות ב[[צבע]]ים שונים, בהתאם לגז שנמצא בתוך השפופרת. [[ויליאם קרוקס]] שיפר את המכשיר ויצר את [[שפופרת קרוקס]]. בכך למעשה נוצר הבסיס ל[[נורה פלואורסצנטית|נורות הפלואורסצנטיות]] הנמצאות בשימוש עד היום. עם זאת, נדרשו פיתוחים טכנולוגיים רבים עד אשר ניתן היה לשווק את השפופרות כאמצעי תאורה, ובאותה תקופה השימוש המסחרי היחיד של השפופרות היה כאמצעי בידור.

הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל (אביו של [[אנרי בקרל]]) היה הראשון שציפה שפופרת גייסלר בחומר [[קרינה פלואורסצנטית|פלואורסצנטי]], וכך המיר את הצבעים שנוצרו בשפופרת לצבעים נוספים. יעילותן של שפופרות אלה הייתה נמוכה, ומשך חייהן קצר. הפיזיקאי האנגלי [[ג'ורג' סטוקס]] חקר גם הוא את תופעות הפלואורסצנטיות בשפופרות שווציותקתודיות, ותגליותיו מילאו תפקיד חשוב בפיתוח המנורות הפלואורסצנטיות המסחריות.

[[תמונה:X-ray by Wilhelm Röntgen of Albert von Kölliker's hand - 18960123-02.jpg|שמאל|ממוזער|150px|צילום ידו של אלברט פון קוליקר, שנעשה על ידי וילהלם שווץרנטגן]]

בשנת [[1895]] החל [[וילהלם שווץרנטגן]] בניסויים על שפופרות שווציותקתודיות, וניסה לצלם את האור הנוצר בשפופרות אלו. באחד הניסויים הוא גילה שנייר הצילום שלו סופג קרינה גם כאשר השפופרת השווציתהקתודית מכוסה ב[[אלומיניום]]. שווץרנטגן הבין שמדובר בסוג חדש של קרינה, היכולה לעבור דרך חומרים, וקרא לה "[[קרני שווץרנטגן|קרינת-X]]". כשבועיים לאחר התגלית הראשונית יצר את התמונה הראשונה מקרניים אלו, תמונת עצמות כף ידה של אשתו, אנה ברטה. בזכות גילוי קרני ה-X זכה שווץרנטגן ב[[פרס נובל|פרס הנובל]] הראשון ל[[פיזיקה]], בשנת [[1901]].

התגלית של שווץרנטגן הפכה במהרה לכלי שימושי ב[[רפואה]], כאשר כבר ב-[[1896]] החלו [[רפואת שיניים|רופאי שיניים]] להשתמש במכשירי רנטגן לזיהוי חורים ב[[שן|שיניים]] ו[[מנתח]]ים השתמשו בהן לצורך איתור [[שבר (רפואה)|שבר]]ים ב[[עצם|עצמות]] המטופלים. למכשירי השווץרנטגן נמצאו שימושים רבים בתחומים שונים, כגון בדיקות לא-הרסניות של חומרים וכן ב[[קריסטלוגרפיה]], שבה קרני ה-X משמשות לחקר מבנה של [[גביש]]ים ושל [[מולקולה|מולקולות]] ביולוגיות ([[קריסטלוגרפיה באמצעות קרני שווץרנטגן]]). גם פענוח מבנה ה-[[DNA]] על ידי [[ג'יימס ווטסון]] ו[[פרנסיס קריק]] התבסס על תמונות קריסטלוגרפיות של המולקולות שנעשו על ידי הפיזיקאית [[רוזלינד פרנקלין]].

היום ידוע שקרני-X הן סוג של [[קרינה אלקטרומגנטית]] (בדומה ל[[אור|אור הנראה]] ול[[גלי רדיו|גלי הרדיו]]) בתדר גבוה מאוד (כלומר, הקרניים מורכבות מ[[פוטון|פוטונים]] בעלי אנרגיה גבוהה). קרני ה-X נוצרות בהתנגשות בין קרן האלקטרונים בשפופרת לאנודה. בתוך השפופרת השווציתהקתודית האלקטרונים מואצים, עד שהם צוברים [[אנרגיה קינטית]] גבוהה, ובהתנגשות עם האנודה [[אנרגיה]] זו משתחררת - חלקה בצורת פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, כלומר בתור קרינת שווץרנטגן.

[[ויליאם שווץקרוקס]], ממציא השפופרת הקרויה על שמו, גם גילה את תופעת ה[[פוספורסנציה]]: כאשר קרינה שווץקתודית פוגעת במשטחים, אזי משתחרר אור בנקודת הפגיעה. בזכות גילוי זה ניתן היה לזהות את מיקום נקודת הפגיעה של הקרניים השווציותהקתודיות באנודה, ומדענים החלו לנסות ולבחון כיצד להסיט את נקודת הפגיעה הזאת. הראשון שהצליח בכך היה הפיזיקאי [[ג' ג' תומסון]].

תומסון התמנה למנהל [[מעבדת קוונדיש]] בשנת [[1884]], ובעצת קודמו לתפקיד החל לחקור את תופעת הקרניים השווציותהקתודיות. באותה תקופה הסברה הייתה שהקרניים מורכבות מחלקיקים טעונים הנפלטים מהקתודה ומואצים אל האנודה, ולפיכך ניתן להסיט את החלקיקים בעזרת [[שדה חשמלי]]. תומסון בנה שפופרות קתודיות שבהן האנודה מכוסה בחומר פוספורנטי (כך שניתן לראות את נקודת הפגיעה של הקרניים באנודה) ובנוסף מכילות זוג פלטות המשמשות להסטת הקרניים (deflector) - הפעלת מתח חשמלי עליהן יוצרת שדה חשמלי המסיט את הקרניים הקתודיות. תומסון אכן הצליח להבחין בהסטה של הקרניים ולמדוד אותה כפונקציה של השדה החשמלי. לאחר מכן הוא ביצע ניסוי נוסף שבו הסיט את הקרניים בעזרת [[שדה מגנטי]]. השוואת התוצאות משני הניסויים הללו אפשרה לתומסון להסיק את היחס בין [[מטען חשמלי|המטען החשמלי]] ל[[מסה]] (q/m) של החלקיקים המרכיבים את הקרינה הקתודית. תומסון הבחין כי היחס שהוא מדד הוא אוניברסלי: כלומר, אינו תלוי בפרמטרים ניסיוניים שונים, כגון החומר שממנו מורכבות האלקטרודות והטמפרטורה שלהן. תגלית זאת הובילה אותו למסקנה שהקרניים הקתודיות מורכבות מ[[חלקיק תת-אטומי|חלקיקים תת-אטומיים]]. תגלית זאת של תומסון נחשבת היום לגילוי ה[[אלקטרון]], ועליה הוענק לתומסון פרס נובל לפיזיקה בשנת [[1906]].