我們之前在課本學過,J. J. 湯姆森 (Joseph John Thomson) 用陰極射線管發現了電子。不過陰極射線管並非湯姆森所發明,那麼,這個關鍵儀器是怎麼誕生的?這得從玻璃工匠蓋斯勒 (Heinrich Geißler) 說起。
將玻璃棒加熱至麥芽糖般的柔軟膏狀,再吹製成各種造型的吹玻璃工藝很早就有了,而這門近乎藝術的手工業往往也都是由家族成員世代相傳。1814年出生於德國中部一個小鎮的蓋斯勒,便是因此自小就參與家中的吹製玻璃工作。
隨著近代化學逐漸蓬勃發展,越來越多的化學實驗需要特製的玻璃器具,蓋斯勒18歲開始便代表父親至各地出差,承接各大學實驗室的客製化訂單。1852年,蓋斯勒到波昂 (Bonn) 為波昂大學承製實驗器材,決定在此定居下來,並在兩年後開設自己的工坊。
1857年,波昂大學的物理教授普呂克 (Julius Plücker) 問蓋斯勒能否做出更接近真空的玻璃管。原來法拉第在1838年曾做過一項實驗,他在玻璃管兩端置入金屬片,分別做為陰極與陽極,再將管內的氣體抽出,然後通上高壓電,結果出現一道明亮的光弧橫跨兩極之間,不過靠近陰極處卻是暗的(後來便稱為「法拉第暗區」)
沒有人可以解釋這奇特現象,而受限於當時的真空技術,也沒辦法做更進一步的實驗,只能就此不了了之。如今事隔近二十年後,普呂克見到蓋斯勒高超的玻璃工藝,讓他燃起破解氣體放電的希望。蓋斯勒不負所望,利用托里切利(Evangelista Torricelli)水銀真空的原理,開發出真空幫浦,不但讓玻璃管內的氣體只剩千分之一大氣壓,還可注入不同氣體。
普呂克用這些真空程度甚於以往三百倍的「蓋斯勒管」進行實驗,結果通電後出現的不再是一道光弧,而是泛著柔和的輝光。普呂克發現不同氣體會產生不同顏色的光,後來的人便利用這個特點將蓋斯勒管改成五顏六色的霓虹燈管。此外德國化學家本生 (Robert Bunsen) 和克希荷夫 (Gustav Kirchhoff) 於1859年發表光譜分析的論文後,普呂克和弟子希托夫(Johann Hittorf)也利用蓋斯勒管來觀測不同氣體的譜線,比用火焰燃燒還穩定。
普呂克還發現磁鐵會使輝光偏折,代表它會受到磁場影響。希托夫受此啟發,等到蓋斯勒的真空幫浦改良至可使真空程度小於萬分之一大氣壓,以及產生更高電壓的設備問世後,於1869年繼續進行實驗。他在玻璃管中間放置金屬片,結果輝光被阻隔在陰極與金屬片之間,而且金屬片的影子投射在陽極那端的玻璃上,代表輝光是由陰極射向陽極,而且是以直線行進;希托夫還特地用L型的蓋斯勒管加以證實。幾年之後,大家便都以「陰極射線」稱之。
希托夫雖然仍無法解釋陰極射線如何產生,至少已掀開了神祕面紗的一角,再來將由英國的物理學家克魯克斯(William Crookes)接棒探索。克魯克斯這個人相當特別,他不但篤信幽靈的存在,還積極參與降靈會,下一篇就來講他的故事。
參考資料: