陰極線

1838年、マイケル・ファラデーは、空気を部分的に抜いたガラス管の両端にある2つの金属電極間に高電圧を印加し、陰極（負極）から始まり陽極（正極）で終わる奇妙な光のアークを発見した。^{[ 4 ]} 1857年、ドイツの物理学者でガラス職人のハインリヒ・ガイスラーは、改良されたポンプでさらに空気を吸い出し、圧力を約10⁻³気圧まで下げ^、アークの代わりに管内が光で満たされることを発見した。誘導コイルによって生成された管の2つの電極間に印加された電圧は、数キロボルトから100キロボルトの間であった。これらは、今日のネオンサインに似たガイスラー管と呼ばれた。

これらの現象の説明は、高電圧によって管内の空気中に自然に存在する自由電子と帯電原子（イオン）が加速されたというものでした。低圧では、ガス原子間に十分な空間があるため、電子は十分な速度まで加速され、原子に衝突すると電子をはじき飛ばし、より多くの正イオンと自由電子が生成されます。この連鎖反応はグロー放電として知られています。正イオンは陰極に引き寄せられ、陰極に衝突するとさらに多くの電子をはじき飛ばし、はじき飛ばされた電子は陽極に引き寄せられます。このようにしてイオン化された空気は電気伝導性を持ち、管内に電流が流れます。

ガイスラー管には十分な量の空気が含まれていたため、電子は原子と衝突するまでにほんのわずかな距離しか移動できませんでした。これらの管内の電子はゆっくりと拡散する過程で移動し、速度がほとんど上がらなかったため、陰極線は発生しませんでした。その代わりに、電子がガス原子に衝突し、原子の軌道電子をより高いエネルギー準位に励起することで、色鮮やかなグロー放電（現代のネオン管のような）が発生しました。電子はこのエネルギーを光として放出しました。この過程は蛍光と呼ばれます。

1870年代までに、イギリスの物理学者ウィリアム・クルックスらは、管内の圧力を10⁻⁶気圧以下にまで下げることに成功した^。これらはクルックス管と呼ばれた。ファラデーは、陰極のすぐ前に発光のない暗い空間があることに最初に気づいた。これは「陰極暗空間」、「ファラデー暗空間」、または「クルックス暗空間」と呼ばれるようになった。クルックスは、管から空気をさらに抜き出すと、ファラデー暗空間が陰極から陽極に向かって管を下方に広がり、最終的に管全体が暗くなることを発見した。しかし、管の陽極（正極）側では、管自体のガラスが光り始めた。

実際には、管から空気が排出されるにつれて、陽イオンが陰極に衝突して叩き出された電子は、ガス原子に衝突するまでに平均してより遠くまで移動できるようになった。管が暗くなる頃には、ほとんどの電子は衝突することなく陰極から陽極まで直線的に移動できるようになった。障害物がないため、これらの低質量粒子は電極間の電圧によって高速に加速された。これが陰極線である。

イオンが管の陽極側に到達すると、非常に高速で移動していたため、陽極に引き寄せられるにもかかわらず、しばしば陽極を通り過ぎて管の背面壁に衝突しました。ガラス壁の原子に衝突すると、軌道電子がより高いエネルギー準位に励起されました。電子が元のエネルギー準位に戻る際に、エネルギーを光として放出し、ガラスが蛍光を発しました。通常は緑色または青色に発光しました。後の研究者たちは、発光をより見やすくするために、硫化亜鉛などの蛍光性化学物質を背面壁の内側に塗布しました。

陰極線自体は目に見えないが、この偶然の蛍光現象によって、研究者たちは、陽極など陰極の前にある管内の物体が、光る背面の壁にくっきりとした影を落とすことに気づいた。1869年、ドイツの物理学者ヨハン・ヒットルフは、影を落とすためには何かが陰極から直線的に移動しているに違いないと初めて認識した。オイゲン・ゴールドシュタインは、それを陰極線（ドイツ語：Kathodenstrahlen）と名付けた。

当時、原子は既知の最小の粒子であり、分割不可能だと考えられていた。電流を運ぶものが何であるかは謎だった。19世紀後半、陰極線が何であるかを解明するために、クルックス管を用いた多くの歴史的な実験が行われた。理論は2つあった。クルックスとアーサー・シュスターは、陰極線は「放射物質」、つまり電荷を帯びた原子の粒子だと考えた。一方、ドイツの科学者アイハルト・ヴィーデマン、ハインリヒ・ヘルツ、ゴールドシュタインは、陰極線は「エーテル波」、つまり新しい形態の電磁波であり、管を通して電流を運ぶものとは別物だと考えた。

この議論は1897年にJJトムソンが陰極線の質量を測定し、それが粒子でできているが、最も軽い原子である水素よりも約1800倍軽いことを示したことで決着した。したがって、それらは原子ではなく、新しい粒子、発見された最初の亜原子粒子であり、彼は当初それを「微粒子」と呼んだが、後に1874年にジョージ・ジョンストン・ストーニーが提唱した粒子にちなんで電子と名付けられた。彼はまた、それらが光電性物質や放射性物質から放出される粒子と同一であることを示した。^{[ 5 ]}それらは金属線で電流を運び、原子の負の電荷を運ぶ粒子であることがすぐに認識された。

トムソンはこの業績により1906年のノーベル物理学賞を受賞した。フィリップ・レナードも陰極線理論に大きく貢献し、陰極線とその性質に関する研究で1905年にノーベル賞を受賞した。

クルックス管で使用されていた陰極線生成のためのガス電離（または冷陰極）方式は、管内の残留空気の圧力に依存するため、信頼性に欠けていた。時間が経つにつれて、空気は管の壁に吸収され、動作しなくなった。

陰極線を生成するより信頼性が高く制御可能な方法は、ヒットルフとゴールドスタイン^{[ 6 ]}によって研究され、1880年にトーマス・エジソンによって再発見されました。別の電流を流して赤熱させたワイヤーフィラメントで作られた陰極は、熱電子放出と呼ばれるプロセスによって電子を管内に放出します。1904年にジョン・アンブローズ・フレミングによって発明された最初の真の電子真空管は、この熱陰極技術を使用しており、クルックス管に取って代わりました。これらの管は動作するためにガスを必要としないため、約^10⁻⁹気圧（10⁻⁴ ^Pa ）の低圧まで真空引きされました。クルックス管で使用されていた陰極線を生成するための電離方法は、今日ではクリトロンなどのいくつかの特殊なガス放電管でのみ使用されています。

1906年、リー・デ・フォレストは、陰極と陽極の間にある金属線の格子にわずかな電圧をかけることで、真空管を通過する陰極線ビームの電流を制御できることを発見した。彼の発明である三極管は、電気信号を増幅できる最初の装置であり、電気技術に革命をもたらし、電子工学という新たな分野を創り出した。真空管は、ラジオやテレビ放送、レーダー、トーキー映画、音声録音、長距離電話サービスなどを可能にし、トランジスタが登場して真空管の時代が終わる1960年代まで、民生用電子機器の基盤となった。

陰極線は現在では一般的に電子ビームと呼ばれています。これらの初期の真空管で開拓された電子ビーム操作技術は、真空管の設計、特に1897年にフェルディナント・ブラウンによって発明された陰極線管（CRT）の発明において実用化され、テレビやオシロスコープに用いられました。今日では、電子ビームは電子顕微鏡、電子ビームリソグラフィー、粒子加速器などの高度な装置に利用されています。

1858/59年にユリウス・プリュッカーは、陰極に向かってマルタ十字の形をした陽極を持つ管を製作した。この陽極は蝶番で取り付けられており、管の底に折り畳むことができた。管を点灯すると、陰極線が管の背面にある蛍光体に鋭い十字形の影を落とし、光線が直線的に移動することを示した。^{[ 8 ] : 79}この蛍光は、当時蛍光を引き起こすことが知られていた唯一のものが紫外線であったため、陰極線が電磁波であるという論拠として用いられた。しばらくすると蛍光は「疲れて」光が弱まった。^{[ 9 ] : 143}十字を折り畳んで光線の経路から外すと、もはや影を落とさなくなり、以前は影になっていた領域が周囲の領域よりも強く蛍光を発した。

1876年にオイゲン・ゴールドシュタインは、陰極線は常に陰極の表面に垂直に放出されることを発見した。^{[ 9 ] : 138 [ 10 ]}陰極が平板の場合、陰極線は板の平面に垂直な直線で放出された。これは、赤熱した金属板のような発光体があらゆる方向に光を放出するのに対し、荷電粒子は陰極に垂直な方向に反発されるため、陰極線が粒子であることの証拠となった。陰極線は、衝突した物質を加熱する。^{[ 9 ] : 145} 電極が凹面球状皿の形に作られている場合、陰極線は皿の前のスポットに集束される。^{[ 7 ]} これを利用してサンプルを高温に加熱することができる。

陰極線の経路は電場によって偏向される。 ハインリッヒ・ヘルツは、陰極線ビームの両側に2枚目の金属板を配置した管、つまり原始的なCRTを製作した。陰極線が荷電粒子であれば、金属板に電圧を印加したときに発生する電場によってその経路が曲がり、光線が当たる光の点が横に移動するはずである。ヘルツは曲がりを発見できなかったが、後に、彼の管の真空度が不十分で、表面に電荷が蓄積して電場が隠されていたことが判明した。後にアーサー・シュスターは、より高い真空度でこの実験を繰り返した。彼は、光線が正に帯電した金属板に引き寄せられ、負に帯電した金属板に反発され、ビームが曲がることを発見した。これは、光線が負に帯電しており、したがって電磁波ではないという証拠となった。

光線の経路は磁場によって偏向される。 クルックスは管の首に磁石を置き、北極がビームの片側に、南極が反対側に来るようにし、ビームがそれらの間の磁場を通過するようにした。ビームは磁場に垂直に下向きに曲がった。^{[ 9 ]： 150-151}ビームの経路を明らかにするために、クルックスは管の長さに沿って蛍光体をコーティングした厚紙のスクリーンを備えた管（図を参照）を発明した。スクリーンはわずかに角度をつけて配置され、電子がその長さに沿って蛍光体に衝突し、スクリーン上に光る線ができた。この線は横方向の磁場の中で上向きまたは下向きに曲がるのが観察できた。この効果（現在ではローレンツ力と呼ばれている）は、電動機内の電流の挙動に似ており、陰極線が導線内の電流のようにファラデーの誘導の法則に従うことを示した。電気的な偏向と磁気的な偏向はどちらも粒子理論の証拠となった。なぜなら、真空中では電場と磁場は光線に影響を与えないからである。

クルックスは、陰極線の経路に小さな羽根付きタービンまたはパドルホイールを置き、線が当たるとそれが回転することを発見した。 ^{[ 9 ] : 146-149}パドルホイールは管の陰極側から遠ざかる方向に回転し、パドルに当たる陰極線の力が回転を引き起こしていることを示唆した。クルックスは当時、これは陰極線が運動量を持っていることを示しているので、線は物質粒子である可能性が高いと結論付けた。しかし、後にパドルホイールが回転したのは、パドルホイールに当たる粒子（または電子）の運動量によるものではなく、放射測定効果によるものであると結論付けられた。^{[ 7 ]} 線がパドルの表面に当たると、表面が加熱され、その熱によって隣接するガスが膨張し、パドルが押された。これは1903年にJJトムソンによって証明され、電子がパドルホイールに当たる運動量では、ホイールを1分間に1回転させるのに十分であると計算された。^{[ 7 ]}この実験で実際に示されたのは、陰極線が表面を加熱できるということだけだった。

ジャン＝バティスト・ペランは、陰極線が実際に負の電荷を運んでいるのか、それともドイツ人が考えていたように単に電荷キャリアに付随しているだけなのかを解明したいと考えていた。1895年、彼は陰極に面した端に小さな穴が開いた密閉されたアルミニウム製の円筒形「キャッチャー」を備えた管を作り、陰極線を収集した。^{[ 9 ]： 161-165}キャッチャーは検電器に取り付けられ、その電荷を測定した。検電器は負の電荷を示し、陰極線が実際に負の電気を運んでいることを証明した。

ゴールドシュタインは1886年に、陰極に小さな穴を開けると、陰極の裏側、陽極とは反対方向の穴からかすかな光の筋が出てくるのが見えるということを発見した。^{[ 11 ] [ 9 ]： 158-159}電場中では、これらの陽極光線は陰極光線とは反対方向に、負に帯電した板の方に曲がることがわかった。これは陽極光線が正の電荷を帯びていることを示している。これらは陰極に引き寄せられて陰極光線を生成した正イオンである。ゴールドシュタインはこれらをカナル光線（Kanalstrahlen ）と名付けた。^{[ 12 ]}

オイゲン・ゴールドシュタインは、陰極線の速度を測定する方法を考案したと考えていた。クルックス管のガスに見られるグロー放電が移動する陰極線によって発生しているとすれば、管内を移動する方向に放射される光の周波数はドップラー効果によってシフトするはずである。^{[ 7 ]}これは、発光線スペクトルがシフトするため、分光器で検出できる。彼は「L」字型の管を作り、エルボのガラスを通して腕の1つに分光器を向けた。彼は分光器を陰極側に向け、グローのスペクトルを測定した後、電源の接続を切り替えて陰極を陽極にし、電子が逆方向に移動するようにして、再びスペクトルを観察してシフトを探した。彼はシフトを見つけられなかったため、これは光線が非常にゆっくりと移動していることを意味すると計算した。後に、クルックス管のグローは電子そのものではなく、電子に衝突されたガス原子から放出されるものであることが認識された。原子は電子よりも数千倍も質量が大きいため、動きがはるかに遅く、ドップラー効果が生じない。

フィリップ・レナードは、陰極線がクルックス管から空気中に透過するかどうかを調べようとした。図を参照。彼は、陰極（C）に面した、大気圧を保持するのに十分な厚さのアルミ箔でできたガラス管に「窓」 （W）を設けた管を作った（後に「レナード窓」と呼ばれる） 。陰極線が陰極に当たるようにするためである。^{[ 9 ]： 182-188} 彼は、何かが透過することを発見した。蛍光スクリーンを窓にかざすと、光が当たっていないにもかかわらず蛍光を発した。写真乾板をかざすと、光に当たっていないにもかかわらず暗くなった。この効果の範囲は非常に短く、約2.5センチメートル（0.98インチ）であった。彼は、陰極線が物質のシートを透過する能力を測定し、動いている原子よりもはるかに遠くまで透過できることを発見した。当時知られていた最小の粒子は原子であったため、これは当初、陰極線が波動である証拠とみなされた。後に、電子は原子よりもはるかに小さいことが分かり、それが電子の透過力の高さの理由であることが明らかになった。レナードはこの業績により、1905年にノーベル物理学賞を受賞した。 

ヴィルヘルム・レントゲンはレナードの実験を再現し、1895年11月8日の夜、暗くなると、残留ガス圧をさらに下げて高電圧を上げると、X線管のガラス壁からX線が放出されることを発見した。彼は、最適な条件下では、陰極線が当たった壁から黄色っぽい光が発せられることを発見した。ガイッスラーは35年前にすでに同様の黄色っぽい光を観測していたが、X線には気づいていなかった。レントゲンは1901年に第1回ノーベル物理学賞を受賞した。

ルイ・ド・ブロイは後に（1924年）、博士論文の中で電子は光子に似ており、波のように振る舞うことができると示唆した。陰極線の波動的な振る舞いは、後にダヴィソンとゲルマーによってニッケル表面からの反射を用いて直接実証され^{[ 13 ]}、 1927年にはジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードによってセルロイド薄膜、そして後に金属薄膜を透過する実験によって実証された^{[ 14 ]}。（トムソンの大学院生であったアレクサンダー・リードは最初の実験を行ったが、その後まもなくオートバイ事故で亡くなり^{[ 15 ]}、ほとんど言及されていない。）