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阴极射线

阴极射线是在1858年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的。1897年约瑟夫约翰汤姆逊根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电,并测出其荷质比,这在一定意义上是历史上第一次发现电子,12年后美国物理学家罗伯特安德鲁密立根用油滴实验测出了电子的电荷。

阴极射线 cathode ray

从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子流。阴极可以是冷的也可以是热的,电子通过外加电场的场致发射、残存气体中正离子的轰击或热电子发射过程从阴极射出。

阴极射线应用广泛。电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质,如硫化锌发荧光的性质工作的.高速的阴极射线打在某些金属靶极上能产生X射线,可用于研究物质的晶体结构。阴极射线还可直接用于切割、熔化、焊接等。

克鲁克斯阴极射线管在伦琴发现X射线的过程中起了重要的作用,那么阴极射线是一种什么射线呢?阴极射线是德国物理学家尤利乌斯普吕克在1858年进行低压气体放电研究的过程中发现的。稍后,英国物理学家克鲁克斯在实验室里研究闪电现象时,也发现了这种射线。当装有2个电极的玻璃管(cathode ray tube)里的空气被抽到相当稀薄的时候,在2个电极间加上几千伏的电压,这时在阴极对面的玻璃壁上闪烁着绿色的辉光,可是并没有看到从阴极上有什么东西发射出来。这究竟是怎么一回事呢?

这种现象引起许多科学家的浓厚兴趣,进行了很多实验研究。当在阴极和对面玻璃壁之间放置障碍物时,玻璃壁上就会出现障碍物的阴影;若在它们之间放一个可以转动的小叶轮,小叶轮就会转动起来。看来确实从阴极发出一种看不见的射线,而且很像一种粒子流。在人们还没有弄清楚这种射线的庐山真面目之前,只好将它称为“阴极射线”。

这个名字是由德国物理学家戈尔德施泰因(又译 戈德斯坦)命名的。

关于阴极射线的本质,当时在国际上有两种截然不同的意见。大多数英国物理学家(如约瑟夫约翰汤姆逊)认为阴极射线是一种带电的粒子流,因为它可以被电场或磁场偏转。汤姆孙等英国物理学家由实验中还测得阴极射线速度比光速小2个数量级。19世纪90年代初,德国物理学家由实验中得知,阴极射线甚至可以穿透薄金属箔,据此他们认为阴极射线不可能是粒子流。

在阴极射线是不是带电这个问题上,开始时英国物理学家汤姆孙和德国物理学家赫兹做了同样的实验,也观察到同样的结果。我们来听听汤姆孙本人对这一段经历的回忆吧:“我使阴极射线偏转的第一次尝试是使它通过固定在放电管内的2个平行板之间的空间,并且在平行金属板之间加上一个电场。结果没有产生任何持续的偏转。”

对于这样一个同样的实验结果,赫兹简单而错误地得出了以下的结论:阴极射线是不带电的。而汤姆孙没有简单从事,他进行了更加深入的分析和思考,终于找到了问题的症结所在。他在《回忆与感想》一书中继续回忆说:“偏转之所以没有出现是由于气体存在(压力太高),因此要解决的问题是获得更高度的真空。而这一点说起来比做起来容易得多。”

汤姆孙继续对阴极射线进行深入的研究,1897年终于完成了他那闻名于世的测定出电子比荷的实验。

阴极射线有两个性质,一是垂直于阴极,二是带有负电,并且总是从阴极出发,终点与阳极无关。


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