Для опытов изготовляли тонкостенные, стеклянные, запаянные с обоих концов трубки. Внутри трубки находились два металлических электрода, вводы которых были пропущены сквозь стекло.
Новые достаточно мощные воздушные насосы позволяли получать в трубках разрежение значительно более высокое, чем то, которого достигал в своих опытах Петров.
Присоединив проводники от электродов трубки к полюсам большой батарей, ученые постепенно откачивали воздух.
Сначала, когда насос только начинал действовать, в трубке ничего особенного заметить не удавалось. Воздух — плохой проводник электричества. Стрелка измерительного прибора — чувствительного гальванометра, отмечавшего даже самый слабый ток, включенного в цепь вместе с трубкой, оставалась недвижной: ток не шел.
Когда насос откачал большую часть воздуха, в трубке возникало красивое свечение в виде лучистой короны. Свет в короне струился и мерцал. Это были искусственно созданные эльмовы огни. Потом разряд принимал форму яркой нити, соединявшей электроды, нить превращалась в толстый шнурок, постепенно расслаивавшийся и, наконец, разряд заполнял всю трубку.
Непрерывно откачивая воздух, насос постепенно доводил давление в трубке до одной сотой нормального. Кистевой разряд к этому моменту сменялся пурпурно-розовым свечением, возникшим в конце трубки, возле анода, а у катода появлялось синеватое или фиолетовое свечение, но оно располагалось не возле самого катода, а чуть поодаль.
Между пурпурным свечением у анода и синеватым у катода неизменно появлялся темный промежуток. Гальванометр показывал, что через трубку в это время проходит значительный ток. Чем меньше оставалось в трубке воздуха, а следовательно, чем разреженнее становился он, тем сильнее отклонялась стрелка прибора. Казалось странным: если воздух не проводит электричества, то как может проводить его почти пустое пространство — вакуум?
При плотности воздуха в одну тысячную долю нормальной, свечение с анодной стороны распространилось почти на всю трубку и стало более ярким и слоистым. Оно напоминало пурпурные волны полярных сияний. Как мы теперь знаем— пурпурно-розовое свечение трубки и есть искусственно созданное полярное сияние.
Темный промежуток между синеватым свечением у катода и ярким у анода постепенно расширялся; световые явления в трубке располагались так, как это показано на рисунке 33.
Рис. 33. По мере того, как откачивают воздух из катодной трубки, характер свечения в ней меняется.
Делая опыты с трубками, физики изменяли состав газов и наблюдали, как при этом в трубке менялась окраска света. Особенно красивыми были световые явления в разреженном азоте. Трубки с азотом ярко сияли, струившийся из них пурпурно-красный свет озарял комнату. Столь же красиво, хотя и менее ярко, светился разреженный кислород.
Водород давал слабое розовато-фиолетовое свечение, а при сильном разрежении его свечение приобретало неприятный фиолетовый оттенок. Наиболее ярко светящиеся газы — аргон и неон — в те годы еще не были открыты. Свечение этих газов нам теперь хорошо знакомо: аргоном и неоном наполняют газосветные трубки, которыми освещают витрины магазинов или используют их для световых реклам и вывесок.
Открытие катодных лучей
В 1859 году давление воздуха в трубках удалось снизить до одной десятитысячной доли нормального атмосферного давления. При таком сильном разрежении в трубках пурпурно-розовое, слоистое анодное свечение меркнет, слабеет и, наконец, гаснет. При еще большей откачке воздуха анодное свечение вовсе исчезает. Фиолетовое же свечение катода заметно тускнеет, а стенки трубки принимают зеленоватый оттенок и сами начинают светиться, темное же пространство распространяется от катода по всей трубке.
Пространство внутри трубки выглядит почти темным, зато на ее стеклянной стенке, как раз напротив катода, появляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно: стекло в этом месте становится похожим на драгоценный камень.
Это наводит на мысль, что теперь трубку пронизывают какие-то невидимые лучи, которые распространяются от катода и вызывают свечение стекла. Предметы, поставленные на их пути, отбрасывали резкую тень, как изображено на рисунке 34.
Рис. 34. Предмет, поставленный поперек катодного луча, отбрасывает в зеленом пятне явственную тень.
Эти лучи-невидимки получили название катодных лучей.
При изготовлении трубок мастеру-стеклодуву не всегда удавалось поместить катод строго напротив анода. Обычно катод был чуть-чуть наклонен или повернут в сторону; случалось также, что и трубка получалась слегка изогнутой. При малых разрежениях газа в трубке это совершенно не влияло на характер свечения. Свечение все равно струилось от катода к аноду и «находило» анод, где бы он ни помещался.