阴极射线是什么？

前面我们已经说过，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J.普吕克尔在 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”。

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 J.J.汤姆孙）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实验。图 2.3 就是汤姆孙实验中所使用的仪器的简图。

阴极射线由阴极 C 发出，通过狭缝 A 和 B 将阴极射线约束成细束，然后穿过 D、E 之间的空间，最后达到右边带有标尺的荧光屏上进行观察。当 D、E 充电，阴极射线束会向上或向下偏转（方向取决于 D、E 的极性）。汤姆孙根据实验中阴极射线偏转的方向确定出阴极射线是带负电的。然后他又在 D、E 之间换成用通电线圈加上一个方向与简图平面垂直的磁场。磁场也使细束发生向上或向下的偏转（方向与磁场的方向有关）。阴极射线细束在磁场中的偏转方向也证明阴极射线束所带的电荷是负的。接着汤姆孙巧妙地使磁场产生的偏转正好抵消电场所产生的偏转，这样就可以计算出阴极射线细束的速度。然后分别从电场和磁场单独产生的偏转幅度，再计算出细束的电荷与质量的比值（荷质比）e/m。汤姆孙求得的阴极射线的荷质比 e/m，比在电解过程中测得的氢离子的荷质比 eH/mH 大将近 2000 倍。因此汤姆孙认为阴极射线是由比氢离子小得多的带负电的粒子所组成。他把这种粒子称为“微粒”，所带的电荷（代表电荷的基本单位）称为“电子”。后来人们直接将

组成阴极射线的粒子本身称为“电子”。阴极射线束就是电子束，这是射线大家族中一个非常重要的成员，在现代科学技术中占有重要的地位。

从阴极射线实质的揭示过程，对我们至少有两点极为有益的启示：其一， 穷追不舍的探索精神和深入细致的分析与思考的习惯，对于科学技术的发明和发现是何等的重要，古今中外这样的事例俯拾皆是，一切有志于科学技术的人们都要十分注意培养这种基本素质；其二，技术的革新与改进和实验科学的进展是相辅相成的，这样的例证也是不胜枚举的。