阴极射线

阴极射线（英语：cathode 射线）是在电子管中可以观察到的电子流，是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。它有两个性质，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。

1859年，德国物理学者普吕克（德语：Julius Plücker）观测到，当管内部气体足够稀薄时，在阴极附近的管壁会出现绿色磷光，施加磁场可以改变磷光的位置，他推断绿色磷光是出自于电流撞击于玻璃所产生的现象。普吕克的学生希托夫（德语：Johann Wilhelm Hittorf）于1869年发现，假设在阴极与磷光之间置入一块物体，则辉光会被限制在阴极与物体之间，玻璃管壁会因为物体的遮挡而在磷光曲面内出现一片阴影，这意味着辉光是由只会以直线传播的射线形成，并且在管壁造成磷光。1897年，约瑟夫·约翰·汤姆森（Thomson）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，1911年美国物理学家罗伯特·密立根（R.Millikan）由著名的油滴实验测出了电子电荷的绝对值。

阴极射线用途广泛，人们利用阴极射线发明了阴极射线管，用于生产电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等；同时，阴极射线也是一种重要的探测工具，可用来进行核物理或基本粒子的研究；另外，阴极射线还可直接用于切割、熔化、焊接等。

命名

阴极射线之所以如此命名，是因为它们是由真空管中的负电极或阴极发射出来的。早期研究阴极射线时主要使用的是克鲁克斯管，也称为阴极射线管，它的基本结构是一个两端有电极的密封玻璃管，管内的空气绝大部分被抽出，所剩气体非常稀薄。电极由片状或棒状的金属材料制成，两个电极分别通过导线与电池的正、负两极相连，与电池负极相连的电极称为阴极，与电池正极相连的电极称为阳极。接上电池后，玻璃管中将发出绿色的光。因为光是从阴极发出的，所以科学家将这种绿光称为阴极射线。

简史

对气体放电现象的研究导致阴极射线的发现，由阴极射线的研究又导致了电子的发现，这个过程也是电磁学不断深入发展的历程，由气体放电到阴极射线再到电子的发现，体现了培根（F.Bacon）关于实验科学的原则。

对气体放电的研究

1654年，奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）发明真空泵后物理学家开始在稀薄空气中做电的试验。1705年，人们发现在稀薄空气中的电弧比在一般空气中的长。1838年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）开始研究电子管中的放电现象，并发现了“法拉第暗区”。“法拉第暗区”把紫色的阴极电辉和粉红色的阳极电辉分开；随着气压的降低，阳极辉光被分裂为数条彩带。1857 年，德国物理学家和玻璃制造商海因里希·盖施勒（Heinrich Geissler）利用“埃万杰利斯塔·托里拆利真空”原理发明了一种水银真空泵，用它抽掉玻璃管中的绝大部分空气，发明了盖斯勒管后，法拉第发现的低气压气体放电现象就被深入发掘起来。

德国物理学家普吕克在1859年发现了一种特殊的荧光。这种荧光分布在阴极射线管中阴极附近的管壁上，用磁铁可以改变它的位置。普吕克直觉地认为，它是由阴极发射出的电流碰击管壁造成的。十年后，普吕克的学生希托夫再次实验，证实了普昌克的发现。他做了一个喇叭形的阴极射线管（即希托夫管），小端安装一个点状阴极，大端作为投影面，阳极装在射线管中下部的引脚里。他在阴极射线管中间放置一块障碍物片，使其面对着阴极，结果发现在大端面上出现一块边界清晰的阴影，形状与障碍物片相似，仿佛是经点光源发射的光投影而成的。

对阴极射线的研究

1876年，德国物理学家戈德斯坦（E·Goldstein）做了一个相似的实验，不过他把阴极做得很大，而把障碍物做得很小，结果观察到一个边界模糊的阴影。这个实验似乎也能说明阴极射线发射类似于光的物质。戈德斯坦给它命名为 “阴极射线”。

英国物理学家威廉·克鲁克斯（Sir William Crookes）在1879年发现了第二个暗区“克鲁克斯暗区”，这个暗区把阴极辉光柱劈为两半：一半附在阴极表面，称为“阴极电辉”，另一半夹在两个暗区之间，称为“阴电辉”。克鲁克斯还发现，随着真空度的再提高，“克鲁克斯暗区”就步步紧逼阳极电辉和“迈克尔·法拉第暗区”，以致使它们消失；当气压低到0.01毫米汞柱时，“克鲁克斯暗区”便笼罩了整个放电管，辉光完全消失，而玻璃壁上出现了荧光。由此，对阴极射线的本质有了两种完全不同的概念，德国物理学家认为阴极射线像普通的光线一样是以太中的波动，以威廉·克鲁克斯为代表的在英国物理学家中流行另一种观点，认为阴极射线是由阴极发射的带负电的粒子所组成。

阴极射线本质的探讨

19世纪下半叶，关于阴极射线的本质大致有两派不同的解释，一是英法派的“负电微粒说”，如英国物理学家瓦尔莱、克鲁克斯、约瑟夫·约翰·汤姆森和法国科学家让·佩兰等，都支持这种观点；1895年，法国科学家佩兰使阴极射线进入“法拉第电笼”的实验，有力地支持了阴极射线是带负电的粒子流的观点，二是德国派的“以太波动说”，以戈德斯坦为代表，从它具有化学效应等的实验出发，认为阴极射线是与紫外线类似的一种波——“以太波”。在他的实验中，阴极做得很大，而在阴阳极之间放置的障碍物又很小，结果发现管壁上出现了障碍物的边缘模糊的阴影。由此，他认为荧光似乎是阴极射线的散射效应。

1889年德国物理学家勒纳（Philipp Lenard ）在其老师著名的物理学家赫兹(Heinrich Hertz )教授的启发下，做了一个特制的玻璃放电管，在管子的末端用一个很薄的铝片封口，他发现阴极射线能够穿过铝片继续在管外的空气中行进（如下图所示）。实验表明，从铝窗发出的射线和放电管内的射线具有相同的性质，即它们都能激发荧光，都可被四氧化三铁偏转等等。这个发现使勒纳取得了一系列丰硕的实验成果。他进一步证明了阴极射线有某些化学效应，例如使照相底片感光、使空气变成臭氧、使气体电离导电等等。还发现射线在气体中散射，散射随气体的密度而增加；射线对不同物体的穿透本领不同，吸收率和物体密度有直接的关系。勒纳证明了阴极射线即使在真空中也带负电，还发现阴极射线有不同的类型，它们在磁场中偏转的程度不同。

在研究阴极射线本质的过程中，德国的威廉·伦琴发现由伦琴管子发出的某种“东西”，射到该处纸板上的荧光物质从而产生荧光。这一偶然发现，最终导致他因发现X光而独享首届诺贝尔物理学奖，伦琴发现X光的消息，传到法国物理学家贝克勒尔那里，最终导致他在1896年发现了物质的放射性，并拿到诺贝尔物理学奖；1897年，约瑟夫·约翰·汤姆森在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，并测定了电子的荷质比，汤姆逊是从重复赫兹的实验开始的，他制作了一个类似于赫兹实验用的威廉·克鲁克斯管，把偏转金属板放在放电管内，金属板上加一个电压形成电场，当阴极射线通过电场时，没有观察到任何持续而稳定的偏转。但细心的汤普森冲锋枪没有放过实验中出现的非常细微的异常现象。他发现在金属板上外加电压的瞬间阴极射线出现短暂的偏转，然后很快地回到管壁表尺的中点。汤姆逊抓住这瞬间的异常，分析出现这种现象的可能原因。在电场中也应该观察到阴极射线的偏转。而现在的装置中没有观察到持续而稳定的偏转很可能是由于放电管内气体的存在。他认为，当阴极射线穿过气体时会使气体变成导电体，射线将被导电体包围起来，屏蔽了电的作用力，就像金属罩把验电器屏蔽起来一样，使它不受外部的电作用。由此，他给自己的实验提出了新的要求，实验必须在更高的真空中进行。汤姆逊利用了当时最先进的真空技术，将放电管内的空气一直抽到只剩下极小量的空气时，终于排除了电离气体的屏蔽作用，使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，偏转的方向表明射线带的是负电荷。没有当时高真空技术的发展，也许法国汤姆逊公司无法确定电子的存在。电子的发现，结束了关于阴极射线的争论，也使这位约瑟夫·汤姆逊独享1906年诺贝尔物理学奖。

真空管

1883年以发明电灯而著名的美国发明家托马斯·爱迪生（T.Edison），为阻止碳丝蒸发，在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子而产生了微弱的电流，1885年，英国电气工程师亚历山大·弗莱明（John Ambrose Fleming）经过反复试验，终于发现，如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，灯泡里的电子就能实现单向流动。1904年，弗莱明研制出一种能够使电流单向流动的特殊灯泡—“热离子阀”，当灯丝加热后，就提高了其上面电子的能量，加上一个接在电源正极的屏极，就会有电流流动；当屏极接电池的负极，灯丝接正极时，屏极上没有可以自由运动的电子，因而不会产生电流。热离子阀催生了世界上第一只电子管—真空二极管。

1906年，美国工程师李·德富雷斯特（D.Forest）在弗莱明的玻璃管内添加了金属网状的“栅极G”，形成三极管。栅极的作用是控制流向屏极的电子流：当栅极加正电压时，就会帮助屏极产生对电子的吸引力，并且栅极电压越高，效果越强；当栅极加负电压时，就会屏蔽屏极，抑制电子流。由于栅极距离阴极近，它上面的微小电压会引起阴阳两极之间的电流的很大变化，形成放大作用或开关作用。人们接着又制造出了四极管、五极管。电子管的出现，极大地推动了无线电技术、自动控制技术和计算技术的发展。

原理

阴极射线致发光，又称为阴极发光。是通过阴极射线管中的荧光屏，把电讯号变为人眼可见的光讯号，来达到显示的目的。阴极射线致发光是高速电子直接轰击激发发光体所产生的发光。

阴极射线致发光是一种相当复杂的过程。从最初的激发到磷光体发光这中间包括几个过程。当具有一定能量的电子（一次电子）单射到晶态磷光体表面的颗粒上时，将发生3种情况：第1种情况是一部分一次电子在磷光体表面受到点阵原子的阻挡碰撞而离开磷光体，电子只改变方向，但没有能量损失，即发生了弹性散射；第2种情况还有一部分一次电子入射到表面因碰撞不仅改变了方向而且损失了部分能量，即发生了非弹性散射；第3种情况是其余一部分电子将穿入磷光体内部。由于在穿行途径上不断地与点阵原子和杂质原子相碰撞，一次电子的能量逐渐减少，速度减慢，与此同时，由于碰撞，在磷光体内激发了自由电子（二次电子）和激子。自由电子来自磷光体的价带电子受激发而跃迁离化到导带。而激子在体内可以自由移动，将激发能量从激发地点传输给发光中心，使发光中心受激发，中心上的电子可离化到导带或只是受激，可见，由于激子的能量媒介作用，同样会产生二次电子。二次电子中的一部分将参与发光过程，另外一部分却能挣脱晶体的束缚而逸出体外，这部分电子称为二次电子的发射。进入磷光体的一次电子由于库仑作用的结果，还会遇到反向散射。

性质

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。

就像波一样，阴极射线直线传播，并且在遇到物体阻挡时产生阴影。欧内斯特·卢瑟福证明了射线可以穿过薄金属箔，这表现出粒子的行为。这些矛盾的特性使得在尝试将其归类为波动或粒子时造成了混乱。威廉·克鲁克斯坚称它是一个粒子，而赫兹则认为它是波。当 J.J.汤姆森用电场来偏转射线时，争论得以解决。这证明了射线由粒子组成，因为科学家知道用电场无法偏转电磁波。它们还能产生机械效应、荧光等。

路易·德布罗意（Louis de Broglie）后来（1924 年）在他的博士论文中建议，电子像光子一样，可以表现为波动。阴极射线的波动行为后来通过戴维森和格默利（Davisson and Germer）直接演示，通过从镍表面的反射，以及乔治·佩吉特·汤普森（George Paget Thomson）在 1927 年通过金属薄膜的透射进行了演示。

应用

电子器件

在没有外部影响的情况下，阴极射线直线传播，而电场和磁场可以改变它们的方向。人们利用这个现象发明了阴极射线管。阴极射线管的应用十分广泛，利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚集以及能使被照射的某些物质（如五硫化二磷）发荧光的性质，人们发明了电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等。例如，电视机显像管是利用阴极射线照射到荧光屏上的萤光物质而发光的原理制成的。另外阴极射线还用于电子显微镜等仪器设备中。

探测工具

阴极射线是一种重要的探测工具，将阴极射线加速使之具有较大能量，并轰击确定的靶子，可用来进行核物理或基本粒子的研究。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、医学诊断、材料分析和金属探伤。

其他

阴极射线还可直接用于切割、熔化、焊接等。

在真空条件下，用电流加热阴极发射电子束，带负电荷的电子束高速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速极加速又通过电磁透镜把电子束聚焦。发射的电子束功率大，经过一次或二次聚焦，聚焦较细，能量密度非常集中，电子束以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，其能量大部分转变为热能，这样，便可把一千瓦或更高的能量集中到直径为5～10微米的点内，而可获得高达10瓦/厘米2左右的能量密度。如此高的能量密度，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内升高到摄氏度几千度以上，热量还没有来得及传导扩散开去，就可把局部材料瞬时熔化、气化及蒸发掉。

参考资料

阴极射线.术语在线.2024-05-31

神秘的“绿色荧光”.中国科学院.2024-05-31