En la década de 1870, el físico británico William Crookes y otros pudieron evacuar los tubos a una presión más baja, por debajo de 10−6 atm. Estos fueron llamados tubos de Crookes. Faraday había sido el primero en notar un espacio oscuro justo en frente del cátodo, donde no había luminiscencia. Esto se llamó “espacio oscuro del cátodo”, “espacio oscuro de Faraday” o “espacio oscuro de Crookes”. Crookes descubrió que cuando bombeaba más aire de los tubos, el espacio oscuro de Faraday se extendía por el tubo desde el cátodo hacia el ánodo, hasta que el tubo estaba completamente oscuro. Pero en el extremo anódico (positivo) del tubo, el vidrio del tubo comenzó a brillar. Lo que sucedió fue que a medida que se bombeaba más aire del tubo, los electrones podían viajar más lejos, en promedio, antes de que golpearan un gas átomo. Para cuando el tubo estaba oscuro, la mayoría de los electrones podían viajar en línea recta desde el cátodo hasta el extremo del ánodo sin colisión. Sin obstrucciones, estas partículas de baja masa se aceleraron a altas velocidades por el voltaje entre los electrodos. Estos fueron los rayos catódicos. Cuando llegaron al extremo anódico del tubo, viajaban tan rápido que, aunque se sintieron atraídos por él, A menudo volaron más allá del ánodo y golpearon la pared posterior del tubo. Cuando golpearon átomos en la pared de vidrio, excitaron sus electrones orbitales a niveles de energía más altos, haciendo que fluorescentes. Los investigadores posteriores pintaron la pared posterior interna con productos químicos fluorescentes como el sulfuro de zinc, para hacer que el brillo sea más visible. Los rayos de cátodo en sí mismos son invisibles, pero esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores notar que los objetos en el tubo frente al cátodo, como el ánodo, proyecta sombras de bordes afilados en la brillante pared posterior. En 1869, el físico alemán Johann Hittorf fue el primero en darse cuenta de que algo debía estar viajando en línea recta desde el cátodo para proyectar las sombras. Eugen Goldstein los llamó rayos catódicos .
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