Jabarkan Sejarah dari Tabung Crookes

Tabung Crookes berevolusi dari Tabung Geissler sebelumnya yang ditemukan oleh fisikawan dan peniup gelas asal Jerman Heinrich Geissler pada tahun 1857, tabung percobaan yang mirip dengan lampu tabung neon modern. Tabung Geissler hanya memiliki vakum rendah, sekitar 10−3 atm (100 Pa), dan elektron di dalamnya hanya bisa menempuh jarak pendek sebelum menabrak molekul gas. Karenanya arus elektron bergerak dalam proses difusi yang lambat, terus-menerus bertabrakan dengan molekul gas, tidak pernah mendapatkan banyak energi. Tabung-tabung ini tidak menciptakan berkas sinar katoda, hanya memancarkan cahaya berwarna-warni yang mengisi tabung saat elektron menabrak molekul gas dan membuatnya tereksitasi, menghasilkan cahaya.

Pada tahun 1870-an, Crookes (di antara peneliti lain) mampu mengevakuasi tabungnya ke tekanan yang lebih rendah, 10−6 hingga 5x10−8 atm, menggunakan pompa vakum raksa Sprengel yang telah disempurnakan yang ditemukan oleh rekan kerjanya, Charles A. Gimingham. Ia menemukan bahwa saat ia memompa lebih banyak udara keluar dari tabungnya, area gelap dalam gas bercahaya terbentuk di sebelah katoda. Saat tekanan semakin rendah, area gelap, yang sekarang disebut ruang gelap Faraday atay ruang gelap Crookes, menyebar ke bawah tabung, sampai bagian dalam tabung benar-benar gelap. Namun, selubung kaca tabung mulai bersinar di ujung anoda.

Apa yang terjadi adalah semakin banyak udara yang dipompa keluar dari tabung, semakin sedikit molekul gas yang menghalangi pergerakan elektron dari katoda, sehingga mereka dapat menempuh jarak yang lebih jauh, rata-rata, sebelum mereka menabrak. Pada saat bagian dalam tabung menjadi gelap, elektron dapat melakukan perjalanan dalam garis lurus dari katoda ke anoda, tanpa tabrakan. Mereka dipercepat hingga kecepatan tinggi dengan adanya medan listrik antara elektroda, baik karena mereka tidak kehilangan energi untuk tumbukan, dan juga karena tabung Crookes dioperasikan pada tegangan yang lebih tinggi. Pada saat mereka mencapai ujung anoda tabung, mereka melaju sangat cepat sehingga banyak yang melewati anoda dan menabrak dinding kaca. Elektron itu sendiri tidak terlihat, tetapi ketika mereka menabrak dinding kaca tabung, mereka mengeksitasi atom di dalam kaca, membuatnya mengeluarkan cahaya atau berpendar, biasanya kuning-hijau. Eksperimen selanjutnya lalu mengecat dinding belakang tabung Crookes dengan cat fluoresen, untuk membuat sinar lebih terlihat.

Fluoresensi yang tidak disengaja ini memungkinkan peneliti untuk memperhatikan bahwa benda-benda di dalam tabung, seperti anoda, memberikan bayangan tajam pada dinding tabung. Johann Hittorf pertama kali mengenali pada tahun 1869 bahwa sesuatu harus berjalan dalam garis lurus dari katoda untuk menghasilkan bayangan. Pada tahun 1876, Eugen Goldstein membuktikan bahwa mereka berasal dari katoda, dan menamakannya sinar katoda (Kathodenstrahlen).

Pada saat itu, atom adalah partikel terkecil yang diketahui dan diyakini tidak dapat dibagi, elektron tidak diketahui, dan apa yang membawa arus listrik adalah sebuah misteri. Selama kuartal terakhir abad ke-19, banyak jenis tabung Crookes yang cerdik ditemukan dan digunakan dalam eksperimen bersejarah untuk menentukan apa itu sinar katoda (lihat di bawah). Terdapat dua teori: Crookes percaya bahwa sinar katoda adalah 'materi bercahaya'; yaitu, atom bermuatan listrik, sementara ilmuwan Jerman Hertz dan Goldstein percaya bahwa sinar katoda adalah 'vibrasi eter'; beberapa bentuk baru gelombang elektromagnetik.  Perdebatan itu diselesaikan pada tahun 1897 ketika J. J. Thomson mengukur massa sinar katoda, menunjukkan bahwa sinar katoda terbuat dari partikel, tetapi sekitar 1800 kali lebih ringan dari atom paling ringan, hidrogen. Oleh karena itu, mereka bukan atom, tetapi partikel baru, subatomik pertama yang ditemukan, yang kemudian dinamai elektron. Kemudian ditemukan pula bahwa partikel-partikel ini juga bertanggung jawab atas arus listrik dalam kabel, dan membawa muatan negatif dalam atom.