陰極線
陰極線は波動と同様の性質を持っており、直線状に進み、物体にさえぎられると影を作る。一方でアーネスト・ラザフォードは陰極線が薄い金属箔を貫通することを示したが、これは粒子的な振る舞いである。これらの性質は互いに相反するため、陰極線を波動と粒子のどちらかに分類するのは容易ではなかった。クルックスは陰極線が粒子だと主張し、ヘルツは波動説を支持した。J・J・トムソンが電場を用いて陰極線を偏向させたことにより論争は決着した。当時の科学者は電磁波が電場によって曲げられないことを理解していたため、これが陰極線が粒子線だという証拠だとみなされた。
後の1924年、ルイ・ド・ブロイは博士論文の中で、アルベルト・アインシュタインが光子について示した粒子と波動の二重性が電子についても成立するという理論を提唱した。陰極線が波動的なふるまいを示すことは、結晶格子によって電子線を回折させるデイヴィソン=ガーマーの実験(1927年)によって実証された。
すなわち、真空管の中で陰極から陽極に至る電子の流れが陰極線である。
陰極線が運ぶ電流量を制御するには、金属線を編んで作ったスクリーン(グリッド電極)を陰極の近くに設置しておいてわずかに電圧をかけ、陰極線がグリッドを通るようにすればいい。こうすると、金属線から電場を作用させて電子の一部を跳ね返し、陽極に届かないようにすることができる。すなわちグリッド電極のわずかな電圧を変化させることで陽極電流を制御することができる。真空管で電気信号の増幅が行えるのはこの原理による。陰極線は高速の電子からなるため、偏向電極に電圧を印加して作った電場や、導線コイル(電磁石)で作った磁場を通じて偏向させることができる。これらの技術はテレビやコンピュータディスプレイで用いられているブラウン管や、電子顕微鏡に応用されている。
クルックス管。
管底の陰極から発した陰極線が手前のガラス壁に当たり、緑色の蛍光を発させている。管内に置かれた十字型の金属板が影を作っているのは、陰極線に直進する性質があるためである。
U字磁石によって管の頸部に水平方向の磁場が作られると、陰極線が上方に偏向されるために十字型の影は上方にずれる。
磁石の向きを反転させると、陰極線が下方に偏向され、影は下方にずれる。ピンク色の光は陰極線が残留気体の原子とぶつかることで生じている。
1838年、マイケル・ファラデーは希薄空気で満たされたガラス管に電流を通す実験を行い、奇妙な光のアークが陰極から陽極まで伸びていることに気づいた。 1857年、ドイツ人の物理学者で吹きガラス職人でもあったハインリッヒ・ガイスラーは、改良されたポンプを用いて真空度10 atmにまで減圧すると、管内にアークではなくグロー光が発生することを発見した。このとき電極間に加えられていた電圧は誘導コイルによって発生させたもので、数kVから数100 kVまでの間だったと考えられる。この発光管は現代のネオンサインと似たもので、ガイスラー管と呼ばれるようになった。
これらの現象は、空気に含まれている電荷を帯びた原子(イオン)が高電圧によって加速されたために起きたと説明された。希薄空気では気体原子の間に十分な空間が開くため、イオンの加速は原子と衝突することで電子を弾き出せるまでになる。これによりさらなる陽イオンと自由電子が生まれ、連鎖的に反応が進む。生じた陽イオンはすべて陰極に引き付けられていき、その表面に衝突することで多数の電子を叩き出す。電子はすべて陽極に引き付けられていく。
ガイスラー管の中にはある程度の空気が残っており、電子はわずかな距離を進んだだけで気体原子と衝突する。このようなゆっくりした拡散過程では電子の速さはそれほど高くならないため、ガイスラー管で陰極線が形成されることはない。その代わり、イオンや自由な電子が気体原子と衝突してその軌道電子をより高い準位に励起させることで、鮮やかな色のグロー放電(ネオンサインで利用されている発光機構)が生じる。励起された軌道電子が光としてエネルギーを放出する過程を蛍光という。
この時代、原子は最も小さい粒子であり、分割することは不可能だと考えられていた。何が電流を運んでいるのかは謎だった。19世紀末には20年余りにわたって陰極線の正体を突き止めるための実験が数多く行われた。当時二つの説があり、クルックスとアーサー・シュスターは陰極線が「放射物質」("radiant matter")の粒子、すなわち電荷を帯びた原子だと信じていた。ドイツの科学者アイルハルト・ヴィーデマン(英語版)、ハインリヒ・ヘルツ、ゴルトシュタインらは陰極線を「エーテル波動」("aether waves")、すなわち新種の電磁波とみなし、管内を流れる電流を運ぶものとは無関係だと考えていた。
1897年にJ・J・トムソンは陰極線の質量を測定し、それが粒子からなることを示して論争を終結させた。しかし、その質量は最も軽い原子である水素の1/1800でしかなかった。