上节课我们说了人类对电现象研究的历史是从摩擦生电开始的，通过对摩擦生电的研究我们对电现象有了一些定性的认识，比如说我们规定了玻璃电就是正电，树脂电就是负电，这个规定直接导致了今天的电子带负电，原子核带正电，甚至还提出了电荷守恒这个非常超前的概念。
但是由于摩擦生电的本质原因非常的复杂，直到今天我们都不太了解为什么有些材料相比于另一些材料更加渴望电子。
所以在18世纪的时候，当时的人们想要对电进行定量的研究，想要知道更多关于电的细节，研究摩擦生电肯定就不行了。我们需要找到一种简单的、直观的电现象才能继续往下研究。
那有些人就想，那大自然的闪电现象怎么样呀？1752年的时候富兰克林还证明了天空中的闪电，跟地面上的静电释放一样，都是电流。
不过天空中的闪电离我们太远，而且它们发生的时间、地点都没有规律，也不好控制，所以研究起来也不方便，因此我们还是需要找到一些简单、易控制的闪电现象来进行研究。
就在1709年的时候，发现电具有排斥现象的英国人豪克斯比就发现，把一个玻璃管中的空气抽走，不过当时真空泵的能力有限，只把管内的气压抽到标准大气压的1/60，然后在玻璃管的两端接上电极，然后再连结上摩擦生电的电源。
注意，电极这个词是后来法拉第发明的。在后面的文章我们讲到电场和电场力的时候，还会再说到法拉第。
那么豪克斯比就在上面的这个装置中看到奇妙的闪光，再往后的很长一段时间内，包括华生在内的很多科学家都发现了这个现象。
不过，当时人们并不知道这个闪光是怎么来的？只知道这个现象很神奇，引起了所有人极大的兴趣。
其实这个现象，直到1913年玻尔在发表了他的“三部曲”论文以后，才得到了解释，我们现在知道这是，玻璃管中的阴极和阳极之间放电的时候，其中电流中的电子击中了玻璃管中稀薄气体的原子，并且从这些原子中敲出了它的基态电子，上层的电子在往下跃迁的时候就发出了电磁辐射，所以才形成了闪光。这个现象其实就是今天的荧光灯、氖光灯的发光的基本原理。
不过在当时来说，电子可以使得惰性气体放光这件事其实没有多大意义，当时人们就算知道了这个原理，他也造不出绚丽的霓虹灯，其实这个现象对人类来说最重要的是阴极和阳极之间的放电现象。为啥这么说呢？
因为这意味着我们可以直接在真空管中研究电流了，以前的电流都是导体内部，你看不见它，没有办法研究，现在我们可以把电流装在透明的瓶子里面，我们就能在实验室对它的性质进行可控的分析了。这才是关键。
所以说，要想得到纯电流，我们就应该排除电流让气体放光这种次级现象，那要怎样做？肯定是抽干管子里面的气体，那没了气体不就没了反应了。
次级
不过制造真空对人类来说还是比较有挑战的，相信你听过这么一句话“大自然厌恶真空”，所以直到1858年的时候，我们才发明了一个真正意义上的真空泵，可以让玻璃管内的气压低到标准大气压的万分之几，这个级别。
“这是比较现代的一个阴极射线管”
气压一低，立马就有了新发现，这一年德国波恩大学的普吕克就发现，低压真空放电管中气体的发光消失了，但是在阳极末端的玻璃壁上确看到了绿色的辉光。
那这些绿色的辉光是从哪里来的？到底是跟阴极有关、还是跟阳极有关？1878年，英国物理学家克鲁克斯改进了真空放电管，也就是下图的样子。
它在阳极末端的玻璃管前放置了一个金属箔片，并且在末端玻璃管内壁上涂了荧光粉，可以看到金属箔片的阴影投在了末端玻璃管上，这充分的证明了有一种看不见的东西是从阴极发射出来的，然后打在了末端玻璃管上，出现了绿色的辉光。也可以看出这种东西，它的穿透能力有限。所以才被金属箔片给挡住了。
鉴于它是从阴极发射出来的，所以以后人们就叫它阴极射线，这种管子就叫阴极射线管。所以接下来的问题是，阴极射线到底是啥？
普吕克曾经说，阴极射线是阴极材料飞溅出来的小颗粒，因为它在末端的玻璃管上看到了一层薄薄的阴极材料，克鲁克斯曾经说，阴极射线是带电气体离子，瓦尔利曾经说，阴极射线是带负电的粒子，因为它用磁场偏转了阴极射线。
后两个都是英国人，虽然他俩说法不一，但是有一个共同点，都是带电实物粒子。而在德国就出来了不同的理论，代表人物就是赫赫有名的赫兹，它在1888年证实了电磁波的存在。
当他给阴极射线施加电场的时候，发现阴极射线好像没有偏转，所以他断定这东西不带电，是一种类似于电磁波的东西。在1891的时候，赫兹就进一步证明了阴极射线具有一定能力的穿透性，可以穿过很薄的金箔，更加确认了阴极射线是电磁波的理论。
所以德国人就认为这是电磁波，英国人就说这是带负电的粒子，那么到底是啥东西？关键在于这东西为什么可以被磁场偏转，但不能被电场偏转呢？
可以很明确说，肯定有一方的实验出现了问题，现在我们知道是赫兹的实验不够严谨，他之所以不能用电场偏转阴极射线，是因为他的真空管中的气体没有抽干净，导致电场力变弱，再加上阴极射线的速度很快，所以他才没有看到阴极射线的偏转。
气体没有抽干净主要影响的是带电金属板上电荷的数量，前面我们说了阴极射线可以电离气体，那么被电离的气体，就会被吸引到带电金属板上，导致金属板之间的电场强度变低，从而不能有效的偏转阴极射线。
汤姆逊是第一个用电场偏转阴极射线的人，他当时就是用了更好的真空泵，才偏转了阴极射线，进而证明了阴极射线就是一种从阴极发射出来的带负电的粒子流。
所以现在的问题就变成了这个带负电的粒子所具有的性质，那么接下来汤姆逊研究的方法也很简单，就是在真空管中，给阴极射线分别施加电场和磁场，看阴极射线被偏转的情况，然后就计算出了阴极射线粒子的荷质比。
接下来，我们就说下阴极射线在力的作用下、和它的质量、速度、飞行距离、偏转距离之间的关系。
上图就是汤姆逊当时所使用的阴极射线管，可以看出C接的是负极，AB接的是正极，C和A之间有很大的电势差，所以电子就在C处受到了排斥力飞出了负极直奔正极，在正极的中心留有小孔，所以就在AB处形成一道阴极射线。
阴极射线从B出来以后会经过DE，DE可以施加电场或者是施加磁场，总之在DE这里阴极射线会受到一个垂直于运动方向的力的作用，产生一个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质量，然后我们在用这个加速度乘以粒子在偏转区飞行的时间，就能够算出粒子在飞出偏转区以后向上或者向下获得的速度。那这个时间怎样算？其实就是用偏转区的距离除以粒子水平上的飞行速度。
这可以理解吧，就是牛顿第二定律的内容，当粒子出了偏转区域以后，直到他撞上末端的玻璃管，飞行的这段距离叫漂移区。
由于粒子这时除了在水平方向上有速度外，还在上方或者下方有一个速度，所以当它撞在末端玻璃管的时候肯定会偏移中心位置。
这个偏移的量怎么算？也很简单，就是用粒子向上或者向下的速度乘以它在漂移区飞行的时间，这个速度刚才我们已经算出来了，剩下的这个时间其实就是用漂移区的距离除以粒子在水平上的速度。
“汤姆逊当年用的管子”
然后我们就算出了粒子在末端偏移的距离，那么我们把以上的公式综合在一起就是这样的，“射线在末端的位移”=“作用下粒子上的力”ד偏转区长度”ד漂移区长度”/粒子的质量×粒子水平速度^2。
公式就是这样的，非常的简单，在这个公式中，粒子在末端偏转的距离可以量出来，是已知的，偏转区和漂移区的长度是已知的，设计印记射线管的时候可以量出来，未知的量是粒子的质量和速度。
还有一个作用在粒子身上的力，我们知道在电场力中，这个力的大小正比于粒子的电荷，所以我们要是给阴极射线管施加电场的话，那么末端的位移就和粒子的这几个未知参数有关：电荷除以质量乘以速度的平方。
三个未知量，一个方程，这肯定不行，所以至少还需要一个方程，所以我们就给阴极射线加上磁场，那么磁场力的大小就跟带电粒子的电荷，以及速度成正比，所以给阴极射线施加磁场以后，我们又获得了一个关于位移和电荷、质量、速度之间的关系。
现在我们有了两组不同的参数组合值，因此我们就能算出阴极射线的速度，以及电荷和质量比。
所以可以看出仅凭牛顿力学内容，我们就可以研究出阴极射线重要的性质，发现第一个亚原子粒子。
下节课，我们说电场、和电场力，以及阴极射线在电场力的作用下发生的偏转。然后我们在说磁场和磁场力，以及阴极射线在磁场的作用下发生的偏转。最后我们在算出阴极射线的荷质比，这要一步一步地来，不要着急。
那么在后面的内容中，我们在说原子核是怎么被发现的时候，在说由阴极射线管引发的其他两个重大的发现，X射线和放射性。
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