První experimenty s výboji v plynech při sníženém tlaku provedl v roce 1710 Francis Hawksbee, když pozoroval světélkování zředěného plynu ve výbojové trubici. Obdobná pozorování, která tento jev potvrdila, učinili poté i abbé Nollet, Gottfried Heinrich Grummont a Michael Faraday. Zjistilo se, že barva záření závisí na druhu plynu uvnitř nádoby. Elektrický výboj mimo výbojovou trubici se podařilo demonstrovat roku 1745 Ewaldu Georgu Kleistovi a o rok později nezávisle na něm i Pieteru van Musschenbroekovi. Zatím nebylo jasné, zda je povaha blesku stejná jako umělý výboj ve výbojové trubici. Experimentální potvrzení uskutečnil v roce 1752 Benjamin Franklin. Pro další výzkum elektrických výbojů bylo zapotřebí snížit tlak plynu ve výbojové trubici. Vzduchovou pumpu, která byla schopna vyčerpat tlak řádově až na desetitisíciny tlaku atmosferickeho, se podařilo sestrojit Johannu Geisslerovi v roce 1858.
Do skleněné trubice zatavíme dvě elektrody – kladnou anodu a zápornou katodu, které připojíme k napětí řádově 100 V. Při normálním atmosférickém tlaku, tj. asi 100 000 Pa, nevznikne žádný výboj, protože vzduch je velmi dobrý izolant.
Skleněná trubice při tlaku 100 000 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při tlaku kolem 5000 Pa se objeví neklidný tenký načervenalý provazovitý výboj spojující obě elektrody.
Skleněná trubice při tlaku 5 000 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při snížení tlaku asi na 1500 Pa se provazcovitý klidný výboj rozšíří na celý průřez výbojové trubice.
Skleněná trubice při tlaku 1 500 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Snížíme–li tlak asi na 700 Pa, nabude výboj formy, kterou nazýváme doutnavý výboj. Kolem katody se vytvoří modrý chomáč světla, tzv. katodové světlo. Okolo anody se vytvoří červená záře, tzv. kladný sloupec. Mezi oběma oblastmi je Faradayův tmavý prostor.
Skleněná trubice při tlaku 700 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Elektrony a kladné ionty získávají díky napětí určité zrychlení, hmotné ionty řádově tisíckrát nižší. Proto pomalé kladné ionty zůstávají v prostoru mezi elektrodami déle, a proto v trubici vzniká kladný prostorový náboj. U katody dojde k náhlému poklesu potenciálu, nabuzení molekul a vzniku katodového doutnavého světla. Naproti tomu u anody je rozdíl potenciálů malý a k vzniku anodového světla dojde jen v tenké trubici, protože k vzniku záření přispívají stěny trubice.
Je–li malá vzdálenost anody od katody, jak je tomu např. u doutnavky, svítí jen katodová svítící vrstva a ostatní části výboje jsou potlačeny. Naopak ve rtuťových nebo sodíkových výbojkách je vzdálenost mezi katodou a anodou velká a využívá se anodového sloupce. Rtuťová výbojka je naplněna argonem s nepatrným množstvím rtuti. Ve zředěném argonu ve vnitřní baňce z křemenného skla vznikne doutnavý výboj a po vypaření argonu dojde k výboji v parách rtuti. Vznikne světlo všech vlnových délek (i ultrafialové), s výjimkou vlnových délek červeného světla. Proto je baňka opatřena z vnitřní strany vrstvou luminoforu, který přeměňuje UV záření na červené světlo. Sodíková výbojka neobsahuje na vnitřní straně luminofor. Vnitřní baňka je naplněna neonem s malým množstvím sodíku. Vydává proto žlutozelené světlo. Výbojkové světlo je 5krát intenzivnější než u žárovky se stejným příkonem. Nevýhodnou výbojek je, že dávají monochromatické tedy jednobarevné světlo, které je nevhodné k osvětlení malých prostor. Konstrukčně upravená výbojka, která obsahuje navíc startér zajišťující napětí až 400 V k zažehnutí výboje, se nazývá zářivka. Podle druhu plynu, který výbojka obsahuje, září různými barvami (neon – červená, argon – fialová, krypton – růžová, páry sodíku – žlutá).
Při dalším snížení tlaku asi na 100 Pa se kladný sloupec přiblíží ke katodě ve tvaru pruhů. Faradayův temný prostor se rozšíří a těsně u povrchu katody vznikne Crooksův tmavý prostor.
Skleněná trubice při tlaku 100 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při tlaku 10 Pa se anodový sloupec ještě víc zkrátí a zeslábne, katodové světlo zoranžoví a rozšíří se k anodě, postupně se od svítící katody stále více odděluje tzv. tmavým katodovým prostorem. Odčerpáním vzduchu totiž snížíme počet vznikajících kladných iontů, které tvoří anodové světlo a tím i jeho intenzitu.
Skleněná trubice při tlaku 10 Pa.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při tlaku 0,1 Pa se Crookesův tmavý prostor rozšíří po celé trubici, barvy vyblednou, je slyšet praskot a sykot. V letech 1858 až 1859 prováděl pokusy s výboji v plynech při takto sníženém tlaku Julius Plücker. Zjistil, že při větším snížení tlaku začínají světélkovat kromě plynu i stěny nádoby, při ještě větším snížení tlaku světélkování plynu ustane, ale světélkování stěn trubice je výraznější. Vzniklo tzv. katodové záření, které v roce 1896 znovu objevil Johann Wilhelm Hittorf, pojmenoval je Eugen Goldstein v roce 1876. Studiem katodového záření se zabýval William Crookes, který zjistil, že nezávisí na druhu plynu ani na druhu elektrod. Katodové záření vystupuje kolmo z katody a šíří se přímočaře k anodě, některými látkami prochází (např. hliníkovým plíškem, kterým může unikat ven ze skleněné trubice), nese energii, která se dopadem mění na teplo, v magnetickém poli se odchyluje. Vysvětlení v roce 1889 podal Phillip Lenard, když zjistil, že katodové záření je tvořeno elektrony, jejichž rychlost závisí na přiloženém napětí. V roce 1896 se katodovým zářením zabýval Joseph John Thomson, který patřil k zastáncům teorie, že katodové záření je tvořeno korpuskulemi se záporným elektrickým nábojem. Studoval účinky elektrického pole na katodové záření, které při delším působení způsobuje nejprve větší výchylku, která se postupně zmenšuje. Na základě tohoto měření určil měrný náboj (tj. poměr elektrického náboje a hmotnosti). Pro různé plyny a materiály mu vycházela hodnota měrného náboje ve velmi úzkém intervalu, o něco málo menší než měrný náboj iontu vodíku. Na základě těchto výsledků objevil novou částici, pro kterou se ujal název elektron.
Vznik katodového záření.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Objev katodových paprsků vedl Eugena Goldsteina v roce 1886 k objevu záření tvořeném kladně nabitými částicemi – tzv. kanálovému záření, které vzniká ve vyčerpané trubici, jejíž katoda je opatřená dírkami. Z dírek při výboji vychází nažloutlé záření na opačnou stranu než je anoda. Jedná se o kladně nabité letící ionty zbylého plynu v trubici. Nyní se záření nazývá anodové.
