上節課我們說了人類對電現象研究的曆史是從摩擦生電開始的，通過對摩擦生電的研究我們對電現象有了一些定性的認識，比如說我們規定了玻璃電就是正電，樹脂電就是負電，這個規定直接導緻了今天的電子帶負電，原子核帶正電，甚至還提出了電荷守恒這個非常超前的概念。
但是由于摩擦生電的本質原因非常的複雜，直到今天我們都不太了解為什麼有些材料相比于另一些材料更加渴望電子。
是以在18世紀的時候，當時的人們想要對電進行定量的研究，想要知道更多關于電的細節，研究摩擦生電肯定就不行了。我們需要找到一種簡單的、直覺的電現象才能繼續往下研究。
那有些人就想，那大自然的閃電現象怎麼樣呀？1752年的時候富蘭克林還證明了天空中的閃電，跟地面上的靜電釋放一樣，都是電流。
不過天空中的閃電離我們太遠，而且它們發生的時間、地點都沒有規律，也不好控制，是以研究起來也不友善，是以我們還是需要找到一些簡單、易控制的電現象來進行研究。
就在1709年的時候，發現電具有排斥現象的英國人豪克斯比就發現，把一個玻璃管中的空氣抽走，不過當時真空泵的能力有限，隻把管内的氣壓抽到标準大氣壓的1/60，然後在玻璃管的兩端接上電極，然後再連結上摩擦生電的電源。
注意，電極這個詞是後來法拉第發明的。在後面的文章我們講到電場和電場力的時候，還會再說到法拉第。
那麼豪克斯比就在上面的這個裝置中看到奇妙的閃光，再往後的很長一段時間内，包括華生在内的很多科學家都發現了這個現象。
不過，當時人們并不知道這個閃光是怎麼來的？隻知道這個現象很神奇，引起了所有人極大的興趣。
其實這個現象，直到1913年玻爾在發表了他的“三部曲”論文以後，才得到了解釋，我們現在知道這是，玻璃管中的陰極和陽極之間放電的時候，其中電流中的電子擊中了玻璃管中稀薄氣體的原子，并且從這些原子中敲出了它的基态電子，上層的電子在往下躍遷的時候就發出了電磁輻射，是以才形成了閃光。這個現象其實就是今天的熒光燈、氖光燈的發光的基本原理。
不過在當時來說，電子可以使得惰性氣體放光這件事其實沒有多大意義，當時人們就算知道了這個原理，他也造不出絢麗的霓虹燈，其實這個現象對人類來說最重要的是陰極和陽極之間的放電現象。為啥這麼說呢？
因為這意味着我們可以直接在真空管中研究電流了，以前的電流都是導體内部，你看不見它，沒有辦法研究，現在我們可以把電流裝在透明的瓶子裡面，我們就能在實驗室對它的性質進行可控的分析了。這才是關鍵。
是以說，要想得到純電流，我們就應該排除電流讓氣體放光這種次級現象，那要怎樣做？肯定是抽幹管子裡面的氣體，那沒了氣體不就沒了反應了。
次級
不過制造真空對人類來說還是比較有挑戰的，相信你聽過這麼一句話“大自然厭惡真空”，是以直到1858年的時候，我們才發明了一個真正意義上的真空泵，可以讓玻璃管内的氣壓低到标準大氣壓的萬分之幾，這個級别。
“這是比較現代的一個陰極射線管”
氣壓一低，立馬就有了新發現，這一年德國波昂大學的普呂克就發現，低壓真空放電管中氣體的發光消失了，但是在陽極末端的玻璃壁上确看到了綠色的輝光。
那這些綠色的輝光是從哪裡來的？到底是跟陰極有關、還是跟陽極有關？1878年，英國實體學家克魯克斯改進了真空放電管，也就是下圖的樣子。
它在陽極末端的玻璃管前放置了一個金屬箔片，并且在末端玻璃管内壁上塗了熒光粉，可以看到金屬箔片的陰影投在了末端玻璃管上，這充分的證明了有一種看不見的東西是從陰極發射出來的，然後打在了末端玻璃管上，出現了綠色的輝光。也可以看出這種東西，它的穿透能力有限。是以才被金屬箔片給擋住了。
鑒于它是從陰極發射出來的，是以以後人們就叫它陰極射線，這種管子就叫陰極射線管。是以接下來的問題是，陰極射線到底是啥？
普呂克曾經說，陰極射線是陰極材料飛濺出來的小顆粒，因為它在末端的玻璃管上看到了一層薄薄的陰極材料，克魯克斯曾經說，陰極射線是帶電氣體離子，瓦爾利曾經說，陰極射線是帶負電的粒子，因為它用磁場偏轉了陰極射線。
後兩個都是英國人，雖然他倆說法不一，但是有一個共同點，都是帶電實物粒子。而在德國就出來了不同的理論，代表人物就是赫赫有名的赫茲，它在1888年證明了電磁波的存在。
當他給陰極射線施加電場的時候，發現陰極射線好像沒有偏轉，是以他斷定這東西不帶電，是一種類似于電磁波的東西。在1891的時候，赫茲就進一步證明了陰極射線具有一定能力的穿透性，可以穿過很薄的金箔，更加确認了陰極射線是電磁波的理論。
是以德國人就認為這是電磁波，英國人就說這是帶負電的粒子，那麼到底是啥東西？關鍵在于這東西為什麼可以被磁場偏轉，但不能被電場偏轉呢？
可以很明确說，肯定有一方的實驗出現了問題，現在我們知道是赫茲的實驗不夠嚴謹，他之是以不能用電場偏轉陰極射線，是因為他的真空管中的氣體沒有抽幹淨，導緻電場力變弱，再加上陰極射線的速度很快，是以他才沒有看到陰極射線的偏轉。
氣體沒有抽幹淨主要影響的是帶電金屬闆上電荷的數量，前面我們說了陰極射線可以電離氣體，那麼被電離的氣體，就會被吸引到帶電金屬闆上，導緻金屬闆之間的電場強度變低，進而不能有效的偏轉陰極射線。
湯姆遜是第一個用電場偏轉陰極射線的人，他當時就是用了更好的真空泵，才偏轉了陰極射線，進而證明了陰極射線就是一種從陰極發射出來的帶負電的粒子流。
是以現在的問題就變成了這個帶負電的粒子所具有的性質，那麼接下來湯姆遜研究的方法也很簡單，就是在真空管中，給陰極射線分别施加電場和磁場，看陰極射線被偏轉的情況，然後就計算出了陰極射線粒子的荷質比。
接下來，我們就說下陰極射線在力的作用下、和它的品質、速度、飛行距離、偏轉距離之間的關系。
上圖就是湯姆遜當時所使用的陰極射線管，可以看出c接的是負極，ab接的是正極，c和a之間有很大的電勢差，是以電子就在c處受到了排斥力飛出了負極直奔正極，在正極的中心留有小孔，是以就在ab處形成一道陰極射線。
陰極射線從b出來以後會經過de，de可以施加電場或者是施加磁場，總之在de這裡陰極射線會受到一個垂直于運動方向的力的作用，産生一個向上或者向下的加速度。
加速度的大小就等于作用力除以粒子的品質，然後我們在用這個加速度乘以粒子在偏轉區飛行的時間，就能夠算出粒子在飛出偏轉區以後向上或者向下獲得的速度。那這個時間怎樣算？其實就是用偏轉區的距離除以粒子水準上的飛行速度。
這可以了解吧，就是牛頓第二定律的内容，當粒子出了偏轉區域以後，直到他撞上末端的玻璃管，飛行的這段距離叫漂移區。
由于粒子這時除了在水準方向上有速度外，還在上方或者下方有一個速度，是以當它撞在末端玻璃管的時候肯定會偏移中心位置。
這個偏移的量怎麼算？也很簡單，就是用粒子向上或者向下的速度乘以它在漂移區飛行的時間，這個速度剛才我們已經算出來了，剩下的這個時間其實就是用漂移區的距離除以粒子在水準上的速度。
“湯姆遜當年用的管子”
然後我們就算出了粒子在末端偏移的距離，那麼我們把以上的公式綜合在一起就是這樣的，“射線在末端的位移”=“作用下粒子上的力”ד偏轉區長度”ד漂移區長度”/粒子的品質×粒子水準速度^2。
公式就是這樣的，非常的簡單，在這個公式中，粒子在末端偏轉的距離可以量出來，是已知的，偏轉區和漂移區的長度是已知的，設計印記射線管的時候可以量出來，未知的量是粒子的品質和速度。
還有一個作用在粒子身上的力，我們知道在電場力中，這個力的大小正比于粒子的電荷，是以我們要是給陰極射線管施加電場的話，那麼末端的位移就和粒子的這幾個未知參數有關：電荷除以品質乘以速度的平方。
三個未知量，一個方程，這肯定不行，是以至少還需要一個方程，是以我們就給陰極射線加上磁場，那麼磁場力的大小就跟帶電粒子的電荷，以及速度成正比，是以給陰極射線施加磁場以後，我們又獲得了一個關于位移和電荷、品質、速度之間的關系。
現在我們有了兩組不同的參數組合值，是以我們就能算出陰極射線的速度，以及電荷和品質比。
是以可以看出僅憑牛頓力學内容，我們就可以研究出陰極射線重要的性質，發現第一個亞原子粒子。
下節課，我們說電場、和電場力，以及陰極射線在電場力的作用下發生的偏轉。然後我們在說磁場和磁場力，以及陰極射線在磁場的作用下發生的偏轉。最後我們在算出陰極射線的荷質比，這要一步一步地來，不要着急。
那麼在後面的内容中，我們在說原子核是怎麼被發現的時候，在說由陰極射線管引發的其他兩個重大的發現，x射線和放射性。