電子の発見
カンガルー先生陰極線は直進し、磁場で曲がり、羽根車を回す。電場でも磁場と同じ向きに曲がったから、トムソンは「負の電気を持つ粒子」だと結論したよ。
30秒でつかむ
- ガラス管の中をほぼ真空にして高い電圧をかけると、陰極（−極）から陽極（＋極）へ向かって、目には見えない何かの流れが生じる。これを陰極線（新しいタブで開きます）という（既習は単元「電流」の「静電気と電流」へ）。
- 陰極線は直進し、途中に置いた羽根車を回し、磁場をかけると進む向きが曲がる。電場をかけても、磁場と同じ側へ曲がった。力を受けて曲がるので、陰極線は何らかの「もの」の流れだと考えられた。
- トムソンは1897年、電場と磁場による曲がり方を比べる実験から、陰極線は負の電気を持つ小さな粒子の流れであり、陰極の金属や気体を変えても性質が同じだと示した。この粒子を電子と呼ぶ。
詳しく
真空放電と陰極線
ガラス管の中の空気を真空ポンプで抜いていき、内部の気圧（新しいタブで開きます）が十分低くなった状態で管の両端の電極に高い電圧をかけると、管の中に放電（新しいタブで開きます）が起こる。これを真空放電という。気圧をさらに下げていくと、陰極（−極）のあたりから陽極（＋極）に向かって、目には見えない何かの流れが生じ、管の壁に塗った蛍光物質を光らせる。この流れを陰極線という（既習：単元「電流」の「静電気と電流」）。
陰極線には、途中に置いた物体の裏側にはっきりした影ができることから直進する性質があり、小さな羽根車を置くとそれを回すことから運動量（新しいタブで開きます）（エネルギー）を持つ性質がある。また、磁石を近づけると陰極線の進路は曲がる。電場（帯電した平行板の間）をかけても進路は曲がり、しかもその曲がる向きは、負の電気を帯びた粒子が受ける力の向きと一致した。
これらの事実から、陰極線は何らかの「粒子」の流れであり、しかも負の電気を持っていると考えられるようになった。問題は、その粒子が陰極の金属や管の中の気体の種類によって違うのか、それともすべての物質に共通するものなのか、という点だった。
トムソンの実験と電子の発見（1897年）
イギリスの物理学者トムソンは、真空放電管の中の陰極線に電場と磁場を同時にかけ、両方の力がちょうど打ち消し合って陰極線が直進する条件を調べた（この電場・磁場をそろえて速さを求める方法は、次のページ「電子の比電荷（新しいタブで開きます）」で数値とともに扱う）。
トムソンは、陰極の金属を白金・アルミニウムなど別の金属に変えても、管の中の気体を空気・水素など別の気体に変えても、陰極線が電場・磁場から受ける力の性質（負の電気を持ち、原子よりもずっと軽い）が変わらないことを確かめた。
この結果から、トムソンは陰極線が「負の電気を持つ、原子よりもはるかに軽い粒子」の流れであり、その粒子はどんな物質の原子にも共通して含まれていると結論した。この粒子が電子である。原子の中に、原子よりも小さい粒子が存在することが初めて示されたことになる。
なぜ陰極線の正体を長く議論する必要があったのか
陰極線が発見された当初、それが荷電粒子の流れなのか、それとも光と同じ種類の波（電磁波）なのかで意見が分かれていた。陰極線が電場で曲がることを示す実験は、当初気圧が十分に下がっていなかったために上手くいかず、波だと考える研究者もいた。
トムソンは真空度を十分に高めた管を使い、電場でも磁場でも同じ向きに曲がること、そのときの曲がり方が負の電気を持つ粒子に働く力の大きさとつじつまが合うことを示して、この論争に結論をつけた。
のちにミリカンの実験（のちのページ「電気素量の測定（新しいタブで開きます）」）で、電子1個が持つ電気量（新しいタブで開きます）（電気素量）が精密に測定され、電気が電子という粒子を単位として、とびとびの値しか取らないことが確かめられている。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/discovery-of-the-electron/?from=print#quiz
陰極線の進路に物体を置くと、管の壁にその物体のはっきりした影ができる。この事実から分かる陰極線の性質はどれか。
- ◯ 直進する性質
- ◯ 熱だけを伝える性質
- ◯ 音だけを伝える性質
- ◯ 向きを変えずに四方へ広がる性質
正解：直進する性質
陰極線（新しいタブで開きます）はまっすぐ進むため、途中に物体を置くとその裏側に影ができる。陰極線に電場をかけると、上下の平行板のうち正極板側へ曲がった。このことから陰極線が持つ電気の種類はどれか。
- ◯ 正の電気
- ◯ 負の電気
- ◯ 曲がる向きだけでは分からない
- ◯ 電気を持たない
正解：負の電気
正の極板に引かれて曲がったので、陰極線は負の電気を持つ粒子の流れだと分かる。トムソンは陰極の金属や管内の気体の種類を変えて実験を重ねた。その結果何が分かったか。
- ◯ 陰極線の性質は金属の種類によって大きく異なり、金属ごとに別の粒子だと分かった
- ◯ 気体の種類を変えると陰極線は観測されなくなると分かった
- ◯ 磁場をかけても陰極線は曲がらないと分かった
- ◯ 陰極線の性質（負の電気・軽さ）は金属や気体の種類によらず同じで、電子はすべての物質に共通する粒子だと分かった
正解：陰極線の性質（負の電気・軽さ）は金属や気体の種類によらず同じで、電子はすべての物質に共通する粒子だと分かった
陰極・気体を変えても同じ結果だったことから、電子はどんな物質にも共通して含まれる粒子だと結論された。電子の発見が示した、原子についての重要な事実はどれか。
- ◯ 原子核の中に陽子と中性子があること
- ◯ 原子はこれ以上分けられない最小の粒子であること
- ◯ 原子よりも小さく、負の電気を持つ共通の粒子（電子）が存在すること
- ◯ 原子は電気を帯びないこと
正解：原子よりも小さく、負の電気を持つ共通の粒子（電子）が存在すること
それまで最小の粒子だと考えられていた原子の中に、さらに小さい共通の粒子（電子）があることが初めて示された。
単元のポイント
- 陰極線（新しいタブで開きます） 真空放電管の陰極から出て陽極へ向かう、目に見えない流れ（既習：単元「電流」の「静電気と電流」）
- 陰極線の性質 直進する・羽根車を回す（運動量を持つ）・電場と磁場で曲がる
- トムソンの結論（1897年） 陰極線は負の電気を持つ粒子（電子）の流れで、金属や気体の種類によらず同じ性質を持つ
- 電子の発見の意味 原子よりも小さい、負の電気を持つ共通の粒子が存在することが初めて示された