陰極射線（英語：cathode 射線）是在電子管中可以觀察到的電子流，是從低壓氣體放電管陰極發(fā)出的電子在電場加速下形成的電子流。它有兩個(gè)性質(zhì)，一是垂直于陰極，二是帶有負(fù)電，并且總是從陰極出發(fā)，終點(diǎn)與陽極無關(guān)。
1859年，德國物理學(xué)者普呂克（德語：Julius Plücker）觀測到，當(dāng)管內(nèi)部氣體足夠稀薄時(shí)，在陰極附近的管壁會出現(xiàn)綠色磷光，施加磁場可以改變磷光的位置，他推斷綠色磷光是出自于電流撞擊于玻璃所產(chǎn)生的現(xiàn)象。普呂克的學(xué)生希托夫（德語：Johann Wilhelm Hittorf）于1869年發(fā)現(xiàn)，假設(shè)在陰極與磷光之間置入一塊物體，則輝光會被限制在陰極與物體之間，玻璃管壁會因?yàn)槲矬w的遮擋而在磷光曲面內(nèi)出現(xiàn)一片陰影，這意味著輝光是由只會以直線傳播的射線形成，并且在管壁造成磷光。1897年，約瑟夫·約翰·湯姆森（Thomson）根據(jù)放電管中的陰極射線在電磁場和磁場作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負(fù)電，1911年美國物理學(xué)家羅伯特·密立根（R.Millikan）由著名的油滴實(shí)驗(yàn)測出了電子電荷的絕對值。
陰極射線用途廣泛，人們利用陰極射線發(fā)明了陰極射線管，用于生產(chǎn)電子示波器中的示波管、電視的顯像管、電子顯微鏡等；同時(shí)，陰極射線也是一種重要的探測工具，可用來進(jìn)行核物理或基本粒子的研究；另外，陰極射線還可直接用于切割、熔化、焊接等。
命名
陰極射線之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈兪怯烧婵展苤械呢?fù)電極或陰極發(fā)射出來的。早期研究陰極射線時(shí)主要使用的是克魯克斯管，也稱為陰極射線管，它的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)兩端有電極的密封玻璃管，管內(nèi)的空氣絕大部分被抽出，所剩氣體非常稀薄。電極由片狀或棒狀的金屬材料制成，兩個(gè)電極分別通過導(dǎo)線與電池的正、負(fù)兩極相連，與電池負(fù)極相連的電極稱為陰極，與電池正極相連的電極稱為陽極。接上電池后，玻璃管中將發(fā)出綠色的光。因?yàn)楣馐菑年帢O發(fā)出的，所以科學(xué)家將這種綠光稱為陰極射線。
簡史
對氣體放電現(xiàn)象的研究導(dǎo)致陰極射線的發(fā)現(xiàn)，由陰極射線的研究又導(dǎo)致了電子的發(fā)現(xiàn)，這個(gè)過程也是電磁學(xué)不斷深入發(fā)展的歷程，由氣體放電到陰極射線再到電子的發(fā)現(xiàn)，體現(xiàn)了培根（F.Bacon）關(guān)于實(shí)驗(yàn)科學(xué)的原則。
對氣體放電的研究
1654年，奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）發(fā)明真空泵后物理學(xué)家開始在稀薄空氣中做電的試驗(yàn)。1705年，人們發(fā)現(xiàn)在稀薄空氣中的電弧比在一般空氣中的長。1838年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）開始研究電子管中的放電現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了“法拉第暗區(qū)”。“法拉第暗區(qū)”把紫色的陰極電輝和粉紅色的陽極電輝分開；隨著氣壓的降低，陽極輝光被分裂為數(shù)條彩帶。1857 年，德國物理學(xué)家和玻璃制造商海因里希·蓋施勒（Heinrich Geissler）利用“埃萬杰利斯塔·托里拆利真空”原理發(fā)明了一種水銀真空泵，用它抽掉玻璃管中的絕大部分空氣，發(fā)明了蓋斯勒管后，法拉第發(fā)現(xiàn)的低氣壓氣體放電現(xiàn)象就被深入發(fā)掘起來。
德國物理學(xué)家普呂克在1859年發(fā)現(xiàn)了一種特殊的熒光。這種熒光分布在陰極射線管中陰極附近的管壁上，用磁鐵可以改變它的位置。普呂克直覺地認(rèn)為，它是由陰極發(fā)射出的電流碰擊管壁造成的。十年后，普呂克的學(xué)生希托夫再次實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了普昌克的發(fā)現(xiàn)。他做了一個(gè)喇叭形的陰極射線管（即希托夫管），小端安裝一個(gè)點(diǎn)狀陰極，大端作為投影面，陽極裝在射線管中下部的引腳里。他在陰極射線管中間放置一塊障礙物片，使其面對著陰極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大端面上出現(xiàn)一塊邊界清晰的陰影，形狀與障礙物片相似，仿佛是經(jīng)點(diǎn)光源發(fā)射的光投影而成的。
對陰極射線的研究
1876年，德國物理學(xué)家戈德斯坦（E·Goldstein）做了一個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)，不過他把陰極做得很大，而把障礙物做得很小，結(jié)果觀察到一個(gè)邊界模糊的陰影。這個(gè)實(shí)驗(yàn)似乎也能說明陰極射線發(fā)射類似于光的物質(zhì)。戈德斯坦給它命名為 “陰極射線”。
英國物理學(xué)家威廉·克魯克斯（Sir William Crookes）在1879年發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)暗區(qū)“克魯克斯暗區(qū)”，這個(gè)暗區(qū)把陰極輝光柱劈為兩半：一半附在陰極表面，稱為“陰極電輝”，另一半夾在兩個(gè)暗區(qū)之間，稱為“陰電輝”。克魯克斯還發(fā)現(xiàn)，隨著真空度的再提高，“克魯克斯暗區(qū)”就步步緊逼陽極電輝和“邁克爾·法拉第暗區(qū)”，以致使它們消失；當(dāng)氣壓低到0.01毫米汞柱時(shí)，“克魯克斯暗區(qū)”便籠罩了整個(gè)放電管，輝光完全消失，而玻璃壁上出現(xiàn)了熒光。由此，對陰極射線的本質(zhì)有了兩種完全不同的概念，德國物理學(xué)家認(rèn)為陰極射線像普通的光線一樣是以太中的波動，以威廉·克魯克斯為代表的在英國物理學(xué)家中流行另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為陰極射線是由陰極發(fā)射的帶負(fù)電的粒子所組成。
陰極射線本質(zhì)的探討
19世紀(jì)下半葉，關(guān)于陰極射線的本質(zhì)大致有兩派不同的解釋，一是英法派的“負(fù)電微粒說”，如英國物理學(xué)家瓦爾萊、克魯克斯、約瑟夫·約翰·湯姆森和法國科學(xué)家讓·佩蘭等，都支持這種觀點(diǎn)；1895年，法國科學(xué)家佩蘭使陰極射線進(jìn)入“法拉第電籠”的實(shí)驗(yàn)，有力地支持了陰極射線是帶負(fù)電的粒子流的觀點(diǎn)，二是德國派的“以太波動說”，以戈德斯坦為代表，從它具有化學(xué)效應(yīng)等的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，認(rèn)為陰極射線是與紫外線類似的一種波——“以太波”。在他的實(shí)驗(yàn)中，陰極做得很大，而在陰陽極之間放置的障礙物又很小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管壁上出現(xiàn)了障礙物的邊緣模糊的陰影。由此，他認(rèn)為熒光似乎是陰極射線的散射效應(yīng)。
1889年德國物理學(xué)家勒納（Philipp Lenard ）在其老師著名的物理學(xué)家赫茲(Heinrich Hertz )教授的啟發(fā)下，做了一個(gè)特制的玻璃放電管，在管子的末端用一個(gè)很薄的鋁片封口，他發(fā)現(xiàn)陰極射線能夠穿過鋁片繼續(xù)在管外的空氣中行進(jìn)（如下圖所示）。實(shí)驗(yàn)表明，從鋁窗發(fā)出的射線和放電管內(nèi)的射線具有相同的性質(zhì)，即它們都能激發(fā)熒光，都可被四氧化三鐵偏轉(zhuǎn)等等。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使勒納取得了一系列豐碩的實(shí)驗(yàn)成果。他進(jìn)一步證明了陰極射線有某些化學(xué)效應(yīng)，例如使照相底片感光、使空氣變成臭氧、使氣體電離導(dǎo)電等等。還發(fā)現(xiàn)射線在氣體中散射，散射隨氣體的密度而增加；射線對不同物體的穿透本領(lǐng)不同，吸收率和物體密度有直接的關(guān)系。勒納證明了陰極射線即使在真空中也帶負(fù)電，還發(fā)現(xiàn)陰極射線有不同的類型，它們在磁場中偏轉(zhuǎn)的程度不同。
在研究陰極射線本質(zhì)的過程中，德國的威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)由倫琴管子發(fā)出的某種“東西”，射到該處紙板上的熒光物質(zhì)從而產(chǎn)生熒光。這一偶然發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致他因發(fā)現(xiàn)X光而獨(dú)享首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，倫琴發(fā)現(xiàn)X光的消息，傳到法國物理學(xué)家貝克勒爾那里，最終導(dǎo)致他在1896年發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的放射性，并拿到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1897年，約瑟夫·約翰·湯姆森在研究稀薄氣體放電的實(shí)驗(yàn)中，證明了電子的存在，并測定了電子的荷質(zhì)比，湯姆遜是從重復(fù)赫茲的實(shí)驗(yàn)開始的，他制作了一個(gè)類似于赫茲實(shí)驗(yàn)用的威廉·克魯克斯管，把偏轉(zhuǎn)金屬板放在放電管內(nèi)，金屬板上加一個(gè)電壓形成電場，當(dāng)陰極射線通過電場時(shí)，沒有觀察到任何持續(xù)而穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)。但細(xì)心的湯普森沖鋒槍沒有放過實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的非常細(xì)微的異常現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)在金屬板上外加電壓的瞬間陰極射線出現(xiàn)短暫的偏轉(zhuǎn)，然后很快地回到管壁表尺的中點(diǎn)。湯姆遜抓住這瞬間的異常，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因。在電場中也應(yīng)該觀察到陰極射線的偏轉(zhuǎn)。而現(xiàn)在的裝置中沒有觀察到持續(xù)而穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)很可能是由于放電管內(nèi)氣體的存在。他認(rèn)為，當(dāng)陰極射線穿過氣體時(shí)會使氣體變成導(dǎo)電體，射線將被導(dǎo)電體包圍起來，屏蔽了電的作用力，就像金屬罩把驗(yàn)電器屏蔽起來一樣，使它不受外部的電作用。由此，他給自己的實(shí)驗(yàn)提出了新的要求，實(shí)驗(yàn)必須在更高的真空中進(jìn)行。湯姆遜利用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的真空技術(shù)，將放電管內(nèi)的空氣一直抽到只剩下極小量的空氣時(shí)，終于排除了電離氣體的屏蔽作用，使陰極射線在電場中發(fā)生了穩(wěn)定的電偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向表明射線帶的是負(fù)電荷。沒有當(dāng)時(shí)高真空技術(shù)的發(fā)展，也許法國湯姆遜公司無法確定電子的存在。電子的發(fā)現(xiàn)，結(jié)束了關(guān)于陰極射線的爭論，也使這位約瑟夫·湯姆遜獨(dú)享1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
真空管
1883年以發(fā)明電燈而著名的美國發(fā)明家托馬斯·愛迪生（T.Edison），為阻止碳絲蒸發(fā)，在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，無意中發(fā)現(xiàn)，沒有連接在電路里的銅絲，卻因接收到碳絲發(fā)射的熱電子而產(chǎn)生了微弱的電流，1885年，英國電氣工程師亞歷山大·弗萊明（John Ambrose Fleming）經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)，如果在真空燈泡里裝上碳絲和銅板，燈泡里的電子就能實(shí)現(xiàn)單向流動。1904年，弗萊明研制出一種能夠使電流單向流動的特殊燈泡—“熱離子閥”，當(dāng)燈絲加熱后，就提高了其上面電子的能量，加上一個(gè)接在電源正極的屏極，就會有電流流動；當(dāng)屏極接電池的負(fù)極，燈絲接正極時(shí)，屏極上沒有可以自由運(yùn)動的電子，因而不會產(chǎn)生電流。熱離子閥催生了世界上第一只電子管—真空二極管。
1906年，美國工程師李·德富雷斯特（D.Forest）在弗萊明的玻璃管內(nèi)添加了金屬網(wǎng)狀的“柵極G”，形成三極管。柵極的作用是控制流向屏極的電子流：當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，就會幫助屏極產(chǎn)生對電子的吸引力，并且柵極電壓越高，效果越強(qiáng)；當(dāng)柵極加負(fù)電壓時(shí)，就會屏蔽屏極，抑制電子流。由于柵極距離陰極近，它上面的微小電壓會引起陰陽兩極之間的電流的很大變化，形成放大作用或開關(guān)作用。人們接著又制造出了四極管、五極管。電子管的出現(xiàn)，極大地推動了無線電技術(shù)、自動控制技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。
原理
陰極射線致發(fā)光，又稱為陰極發(fā)光。是通過陰極射線管中的熒光屏，把電訊號變?yōu)槿搜劭梢姷墓庥嵦枺瑏磉_(dá)到顯示的目的。陰極射線致發(fā)光是高速電子直接轟擊激發(fā)發(fā)光體所產(chǎn)生的發(fā)光。
陰極射線致發(fā)光是一種相當(dāng)復(fù)雜的過程。從最初的激發(fā)到磷光體發(fā)光這中間包括幾個(gè)過程。當(dāng)具有一定能量的電子（一次電子）單射到晶態(tài)磷光體表面的顆粒上時(shí)，將發(fā)生3種情況：第1種情況是一部分一次電子在磷光體表面受到點(diǎn)陣原子的阻擋碰撞而離開磷光體，電子只改變方向，但沒有能量損失，即發(fā)生了彈性散射；第2種情況還有一部分一次電子入射到表面因碰撞不僅改變了方向而且損失了部分能量，即發(fā)生了非彈性散射；第3種情況是其余一部分電子將穿入磷光體內(nèi)部。由于在穿行途徑上不斷地與點(diǎn)陣原子和雜質(zhì)原子相碰撞，一次電子的能量逐漸減少，速度減慢，與此同時(shí)，由于碰撞，在磷光體內(nèi)激發(fā)了自由電子（二次電子）和激子。自由電子來自磷光體的價(jià)帶電子受激發(fā)而躍遷離化到導(dǎo)帶。而激子在體內(nèi)可以自由移動，將激發(fā)能量從激發(fā)地點(diǎn)傳輸給發(fā)光中心，使發(fā)光中心受激發(fā)，中心上的電子可離化到導(dǎo)帶或只是受激，可見，由于激子的能量媒介作用，同樣會產(chǎn)生二次電子。二次電子中的一部分將參與發(fā)光過程，另外一部分卻能掙脫晶體的束縛而逸出體外，這部分電子稱為二次電子的發(fā)射。進(jìn)入磷光體的一次電子由于庫侖作用的結(jié)果，還會遇到反向散射。
性質(zhì)
陰極射線有兩個(gè)性質(zhì)，一是垂直于陰極，二是帶有負(fù)電，并且總是從陰極出發(fā)，終點(diǎn)與陽極無關(guān)。
就像波一樣，陰極射線直線傳播，并且在遇到物體阻擋時(shí)產(chǎn)生陰影。歐內(nèi)斯特·盧瑟福證明了射線可以穿過薄金屬箔，這表現(xiàn)出粒子的行為。這些矛盾的特性使得在嘗試將其歸類為波動或粒子時(shí)造成了混亂。威廉·克魯克斯堅(jiān)稱它是一個(gè)粒子，而赫茲則認(rèn)為它是波。當(dāng) J.J.湯姆森用電場來偏轉(zhuǎn)射線時(shí)，爭論得以解決。這證明了射線由粒子組成，因?yàn)榭茖W(xué)家知道用電場無法偏轉(zhuǎn)電磁波。它們還能產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、熒光等。
路易·德布羅意（Louis de Broglie）后來（1924 年）在他的博士論文中建議，電子像光子一樣，可以表現(xiàn)為波動。陰極射線的波動行為后來通過戴維森和格默利（Davisson and Germer）直接演示，通過從鎳表面的反射，以及喬治·佩吉特·湯普森（George Paget Thomson）在 1927 年通過金屬薄膜的透射進(jìn)行了演示。
應(yīng)用
電子器件
在沒有外部影響的情況下，陰極射線直線傳播，而電場和磁場可以改變它們的方向。人們利用這個(gè)現(xiàn)象發(fā)明了陰極射線管。陰極射線管的應(yīng)用十分廣泛，利用陰極射線在電磁場作用下偏轉(zhuǎn)、聚集以及能使被照射的某些物質(zhì)（如五硫化二磷）發(fā)熒光的性質(zhì)，人們發(fā)明了電子示波器中的示波管、電視的顯像管、電子顯微鏡等。例如，電視機(jī)顯像管是利用陰極射線照射到熒光屏上的螢光物質(zhì)而發(fā)光的原理制成的。另外陰極射線還用于電子顯微鏡等儀器設(shè)備中。
探測工具
陰極射線是一種重要的探測工具，將陰極射線加速使之具有較大能量，并轟擊確定的靶子，可用來進(jìn)行核物理或基本粒子的研究。高速的陰極射線打在某些金屬靶極上能產(chǎn)生X射線，可用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)診斷、材料分析和金屬探傷。
其他
陰極射線還可直接用于切割、熔化、焊接等。
在真空條件下，用電流加熱陰極發(fā)射電子束，帶負(fù)電荷的電子束高速飛向帶高電位的正極，在飛向正極的過程中，經(jīng)過加速極加速又通過電磁透鏡把電子束聚焦。發(fā)射的電子束功率大，經(jīng)過一次或二次聚焦，聚焦較細(xì)，能量密度非常集中，電子束以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，其能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/7233634422280962104.html">熱能，這樣，便可把一千瓦或更高的能量集中到直徑為5～10微米的點(diǎn)內(nèi)，而可獲得高達(dá)10瓦/厘米2左右的能量密度。如此高的能量密度，可使被沖擊部分的材料在幾分之一微秒內(nèi)升高到攝氏度幾千度以上，熱量還沒有來得及傳導(dǎo)擴(kuò)散開去，就可把局部材料瞬時(shí)熔化、氣化及蒸發(fā)掉。
參考資料 >
陰極射線.術(shù)語在線.2024-05-31
神秘的“綠色熒光”.中國科學(xué)院.2024-05-31