阴极射线之迷

轰动世界的万国博览会于1855年在法国巴黎开暮了。

在博览会的一角有一件展品,大多数参观者都没有注意,却引起好几位科学家的莫大兴趣。这是一个绕满漆包线的大线圈,通上6伏直流电以后,线圈的振子象电铃一样地振动，同时从线圈上接出来的两根铁针的针尖之间,发出了紫红色的小闪电。展品的说明书上写着:“感应线圈:可以把低的直流电压变成几千伏的高电压。巴黎电学器械厂技师鲁姆柯夫1851年发明。”

以前要得到直流的高电压需要把几千个电池串联起来,不仅花钱多,还要为这许多电池盖一间很大的房子。这回可好了,用这个一只手就能拿得动的“小玩意”就能得到高电压。那些想用高电压作实验的科学家们围着这个“感应线圈”转来转去，他们都准备回去照样装一台这样的“感应线圈”变压器。

就这样,高压感应线圈变压器传到了德国。

就在这一年里,德国的玻璃工入盖斯勒利用托里拆利真空原理发明了一种水银真空泵。他在一根玻璃管的两端封上两根白金丝,再用他的泵把管中的空气抽掉,然后在两根白金丝上通上感应线圈发出来的高压电。管中残余的气体就发出了紫红色的辉光。这就是低压气体放电管。

可不要小看这根放电管,它不仅是今天霓虹灯、日光灯、电子管、显象管的老祖宗,而且通过对放电管中放电现象的研究,使人们得出意想不到的许多大发现。

由于它是盖斯勒最早制成的,所以人们通常把它叫做盖斯勒管。

德国波恩大学的物理学教授普吕克对盖斯勒管非常感兴趣。他和他的学生希托夫一起作了许多研究。他们发现,在管中除了气体在发光以外,正对着阴极(负极)的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光。用磁铁在管外晃动,这荧光也在晃动,好象能被磁铁吸引似的。为什么会这样?当时他们没有搞清楚。那时,德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析法。

普吕克和希托夫也开始研究光谱。他们制作了两头粗中间细的盖斯勒管,在管中充进去一点点纯的气体,例如纯的氧气或纯的氢气,通电以后,不同的气体就会发出不同颜色的光。用分光镜检查,每种气体都发出自己特有的亮线。就这样,气体放电管成了用光谱分析气体的辅助工具。

后来,英国科学家拉姆赛在空气中发现了氦、氖、氩、氪、氙,都是用气体放电管研究得的结果。不同的气体发光的颜色不同,例如氖发红光、氙发蓝光、氦发黄光。后来人们制成了长长的放电管,弯成各种花样,充进不同的气体,通电后就显示出五彩缤纷的光的图案。这就是我们常见的霓虹灯。

普吕克在1868年去世了。他的学生希托夫继续研究放电管。他始终想着那玻璃管壁上的荧光。

他作了一个圆球状的放电管,在球当中装了一片金属障碍物,而两个电极是垂直安装的。通电后,阴极对面的玻璃壁上不仅发出荧光,还出现了障碍物的影子,好象从阴极放射出某种光线似的。

但这又不象是光线。

希托夫用透明的云母作成障碍物装在放电管里,结果也出现了清楚的影子。他又用磁铁靠近放电管去试验,影子移动了位置，说明这种由阴极发出来的射线受磁铁的影响弯曲了。这些现象显然跟光线不一样,因为光线能透过云母片,并且不被磁场所弯曲。

后来,有一位科学家古德斯坦也作了类似的实验,他发现电场也会使射线偏转。他把这种由阴极发射出来的奇妙射线叫做“阴极射线”。

阴极射线是什么?英国科学家克鲁克斯作了非常细致的研究。

克鲁克斯是英国伦教大学的化学教授,一位善于作实验的科学家。世界上只要有什么重要的新发现被他知道了,他就立刻在自己的实验室里也装起仪器来试一试,继续研究,并且大都有新的创造和发现。

德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析后,克鲁克斯在实验室里也立刻装起了分光镜,很快地他就成为英国首屈一指的光谱分析专家。

1861年,他用光谱分析法发现了一个新元素铊。

1865年,本生的学生斯普伦发明了一种能抽高真空的水银泵。克鲁克斯立刻在他的实验室中也装了一套。他把泵接在气体放电管上,一个新的实验开始了。他把气体放电管通上高压电,开始抽真空。气体越抽越少,管中气体开始发光了。

继续抽下去,一个新奇的现象出现了:阴极附近出现了一段不发光的黑暗区域,原来连续的光柱断开了,仍旧发光的一段光柱也象鱼鳞一样闪烁不定。再抽下去,黑暗的区域越来越长,好象由阴极伸出来一股暗流,把发光区域越压越短,最后,暗区压到阳极上,整个光柱就全部消失了。

这时候,放电管已经抽成高真空,没有明亮的气体发光,但是整个管子似乎处在种闪烁状态。在阴极对面的玻璃壁上,荧光非常清楚。

也就是说,管中由阴极发射出强烈的阴极射线。

克鲁克斯制成了高真空放电管—一阴极射线管,

后来人们把这种放电管叫做克鲁克斯管。克鲁克斯详细地研究了阴极射线的许多奇妙性质。

1879年8月22日在伦敦,英国科协举行科学报告会。

许多科学家在开会前几小时就赶到了会场,希望能占上一个前排的好位置。因为那天是有名的克鲁克斯教授作报告,并且还要当众表演各种各样的放电管,来晚了坐在后面怎么能看得清楚呢!

克鲁克斯也忙得够呛!他和他的助手一起,几乎把他的实验室的东西都搬来了。讲台上放了好几张桌子,桌子上摆满了各式各样的放电管,还有高压感应线圈、蓄电池等等。

在热烈的掌声中,克鲁克斯开始作报告。他详细地介绍了他一年来研究阴极射线的成果。

克鲁克斯指出:在盖斯勒管中是低压气体在发光,不论管子是什么形状,在高压电的作用下,充满整个管子的低压气体都会发出明亮的辉光。

但是在高真空放电管中只有阴极射线,阴极射线是走直线的,并且是肉眼所看不见的,我们能看见的只是由阴极射线打在玻璃管壁上而引起的荧光。

他的助手搬来一个V型放电管,上面两端接有电极。克鲁克斯将电源接到放电管上以后,报告厅窗上的帷幕拉上了,大厅里的灯也熄灭了。

在黑暗中,大家看到V形管右半部管壁发出一股微弱的荧光,管底则发出一片明亮的荧光,而管子左半部却完全是黑暗的。克鲁克斯说右边管子头上接的是阴极,左边接的是阳极。

接着,他把电极交换了位置,结果V形管左半部有荧光,而右半部变成黑暗的了。

克鲁克斯说:很清楚,阴极射线是由阴极发出来的,它不能拐弯。接着助手又搬上两个大的梨形放电管。通电后,在阴极对面的玻璃壁上发出一片绿色的荧光。

克鲁克斯把一个放电管立了起来又放下,这时在管中竖立起一片十字形的金属片,这金属片挡住了阴极射线,玻璃壁上出现了十字形的黑影,非常清楚。

克鲁克斯说:虽然阴极射线象光线一样可以生成影子,但是它不是光线。他把另一个放电管中的挡片立起来,同样出现了黑影。

他说:这个挡片是透明的云母作的,光线能透过,也就是说不会有黑影，但阴极射线却透不过，产生了黑影。

那么阴极射线是什么呢?

助手把一个长长的放电管搬上台来了。这管子作的十分巧妙,中间平行地安放着两根玻璃棒,就象火车的轨道一样，通上电以后,小风车开始转动,离开阴极向阳极跑去。

把电极互换以后,原来的阴极变成阳极,原来的阳极变成阴极,小风车又往回转动。

克鲁克斯告诉大家,由阴极发出来的射线实际上是微小的粒子流,它们打在小风车一侧的翼上就会使风车转动。

克鲁克斯表演了各种各样的放电管,有的里面放着铂铱片,在阴极射线集中射击下发热发光。

有的里面放了一块钻石,有的放着各种矿石,这些物质在阴极射线的射击下发出五颜六色的光芒。他说,分析这些光的光谱,可以鉴定物质的化学组成。

最使人惊叹不已的是这样一个放电管:阴极做成了凹面镜形,所以发出的阴极射线聚焦在一个小点上，在管中装了一个可以转动的风车,在风车和阴极之间立着一块挡板。通电以后,阴极射线射在挡板上,风车静止不动。

这时候,克鲁克斯把一块磁铁挂在放电管上面,在磁场的作用下,阴极射线往上偏转了,通过挡板的上方射在风车的翼上,

于是风车就飞快地转动起来。克鲁克斯又把磁铁转了180°,磁场方向也跟着变了180°,阴极射线反过来向下偏转了,通过挡板的下方射在风车翼上,于是风车就反一个方向转动起来。

克鲁克斯反复地转动磁铁,风车就一会儿正着转,一会儿反着转。风车上画了清晰的螺旋线,所以由螺旋线是展开还是收缩可以看清风车旋转的方向。

“啊!真是妙极了!”人们惊呼。

克鲁克斯告诉大家,光线是不能被磁场弯曲的,

而阴极射线能被磁场弯曲,这说明阴极射线不仅是

种粒子流,而且是带电的粒子流。

各种放电管都表演过了,窗上的帷幕打开了。最后,克鲁克斯对这些实验作了总结,他指出:阴极射线是一种物质的流,是带电的物质的流,它以很高的速度离开阴极,这是由于同性相斥,它带的显然是阴电。

这是一种什么样的物质呢?我们通常见到的三种形态的物质,是固态的,是液态的,是气态的,而这阴极射线是超气态物质,是第四态物质。在极其热列的掌声中,克鲁克斯结束了他的科学报告。

大家拥上台去,更仔细地察看那些巧妙的放电管。这一系列精采的科学实验使大家赞叹不已!阴极射线是一种带负电的粒子流,是一种前所未知的新物质。许多科学家回去之后都装起了克鲁克斯管,想揭开阴极射线之谜。

英国剑桥大学有个卡文迪许实验室,是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的,创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦,他创建了电磁场理论,并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利,他和拉姆賽一起发现了空气中的惰性气体。1884年,汤姆逊作了第三任实验室主任,他开始研究阴极射线。

卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器,有研究电磁学的光荣传统。汤姆逊在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后,他想:既然阴极射线是带电的粒子,又能够被磁场和电场偏转,那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。

汤姆逊设计了一个阴极射线管,在管子一端装上阴极和阳极,在阳极上开了一条细缝,这样一来,通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束,直射到玻璃管的另一端。这端的管壁上涂有荧光物质,或者装上照相底片。

在射线管的中部装有两个电极板,通上电压以后就产生电场。电场越强,阴极射线通过电场后偏转就越大。电场强度和偏转程度都可以测量出来。这时候在射线管外面又加上一个磁场,这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消,结果阴极射线不发生偏转。

汤姆逊测量了在这种情况下的电场和磁场的强度,利用物理学定律计算出了阴极射线的速度。这速度非常快,大约是每秒三万公里(相当于光速的1/10)。

接着他又测量组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值,发现这种带电粒子的质量非常小,大约是氢原子的质量的1/2000。

汤姆逊作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,他测量了不同阴极上射出的带电粒子,发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体——一氢气、氧气、氮气……充到管内,阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。

这就说明了一个非常重要的问题:不管阴极射线是由那里产生的—一是由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一样。也就是说,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000的带阴电的粒子。

这实验是1897年10月完成的

1897年4月30日,汤姆逊在英国皇家学会讲演的时候曾经指出:“阴极射线不是带电的原子,阴极射线的粒子应该比原子小得多。”半年之后,他证实了自己的论断。

关于电,从十八世纪以来,许多科学家都在研究。

他们认为电也有一种最小的粒子,并且起名叫做电子。如今,汤姆逊真的发现了这个电的小微粒—电子。阴极射线实际是高速的电子流。后来人们又发现,白热的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分。人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1/1837。

现在大家都公认,是汤姆逊在1897年正式发现了电子。这是十九世纪末最伟大的发现之一。二十世纪是电子时代,是原子时于代。电子的发现为人类打开了这个新时代的大门。

要知道,汤姆逊的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂,基本原理却是一样的。在今天,你可以在放映电视的时候作一下汤姆逊的实验,只要拿一块磁铁放在显像管旁边,就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子流发生作用。