Thomson era un hombre brillante, y aunque creía, ciertamente, en los átomos antes de hacer sus experimentos que mostraban la existencia de los corpúsculos cargados negativamente que ahora llamamos electrones, sus ideas de estructura atómica eran algo vagas antes de sus múltiples experimentos con los rayos catódicos. Él creía que los átomos estaban hechos de algún tipo de vórtices etéreos. Él creía en la idea general que tenían los químicos, que los átomos de diferentes tipos estaban formados por átomos de un tipo básico: la hipótesis ya se había planteado de que este átomo era hidrógeno. Pero en cuanto a la estructura del hidrógeno en sí, tuvo la idea de que se parecía a una nebulosa en el espacio.
Después de que Thomson había establecido para su propia satisfacción que los rayos catódicos tenían una relación de masa a carga fija y realmente se comportaban como partículas, el muy pequeño valor de esta relación de masa a carga en comparación con el que era conocido por los portadores de carga en electrólisis sugirió Le dijo que la carga de un ion era mucho mayor que la carga de un corpúsculo de rayos catódicos: la idea equivocada, como sabemos ahora, pero una suposición bastante razonable. De hecho, la diferencia es causada por la relación de masa de un átomo y un electrón. La carga en los corpúsculos de rayos catódicos no se resolvió realmente hasta el experimento de la gota de aceite Millikan, en aproximadamente 1909.
Thomson consideró que un átomo primordial probablemente tenía muchos de estos corpúsculos en su interior, y que la unión entre diferentes átomos podría funcionar mediante la ruptura de un solo corpúsculo de un átomo y formando un tubo o vórtice que conecta los dos átomos. Los corpúsculos de rayos catódicos que él pensó se desprendieron de átomos en el cátodo mismo por la intensidad del campo eléctrico.
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Todos los interesados en la física y su historia deberían encontrar el momento de leer el artículo de Thomson sobre el electrón en 1897: es una obra maestra de razonamiento conciso y argumentación combinada con técnicas brillantes e innovadoras para la época, muy importante para la invención de una bomba de vacío mucho mejor que nadie había hecho aún, y la investigación cuidadosa de la dependencia de la presión de estos efectos. Este fue un momento muy crítico en física, y en tecnología, realmente no hay muchas dudas al respecto.
JJ Thomson 1897
Entonces, después de sus experimentos, Thomson cambió de opinión, abandonó por completo sus viejos modelos y pensó que había tres oportunidades principales para un modelo. Primero, el átomo podría tener un conjunto de partículas cargadas positivamente, una para cada una de las cargadas negativamente. Estos pares podrían estar persiguiéndose entre sí dentro del átomo. Segundo, los electrones pueden orbitar alrededor de una región positiva central en el átomo que tiene la misma carga que la de los electrones. Finalmente, surgió la idea de que había una gran nube de carga positiva neutralizada por los electrones en su interior.
El último es el modelo que Thomson eligió.
Por supuesto, todos en ese momento imaginaban que solo el electromagnetismo podría importar para los átomos. Nadie imaginó entonces que había otras fuerzas que eso y la gravedad. La gravedad era claramente sin importancia dentro de los átomos, dada su fuerza muy débil.
Entonces, por razones desconocidas para mí, Thomson prefería el último modelo: una gran nube de carga positiva con numerosos corpúsculos cargados negativamente atados dentro de él. Hubo algún trabajo teórico que demostró que tales modelos podrían ser electrostáticamente estables a pequeñas perturbaciones si los corpúsculos estuvieran atrapados en su lugar en anillos concéntricos con números particulares fijos de corpúsculos negativos en la nube cargada positivamente. La gente también observó experimentalmente la estabilidad de varias configuraciones de imanes, unidas a un centro y vio que formaban conchas. Thomson y otros trataron de impulsar estos modelos, de hecho, para tratar de explicar algunas de las líneas espectrales que se sabía que eran emitidas y absorbidas por los átomos.
Por supuesto, esta fue la pregunta clave. Todos sabían que los átomos tenían que ser eléctricamente neutros. Pero, ¿por qué toda esta espectroscopía aparentemente completamente loca?
Pero cómo se organizó la carga positiva y negativa era realmente una incógnita en ese momento. Las líneas espectrales nunca podrían explicarse realmente con el modelo de Thompson. Simplemente no funcionó. Ni siquiera estaba realmente cerca, y esta era la pregunta clave, la pregunta central. ¿Qué podría explicar las frecuencias de esas líneas de emisión? Las líneas de emisión incluso se habían utilizado para identificar un nuevo elemento llamado helio, que se vio en el espectro del Sol, pero que también se encontró pronto en la Tierra.
La gente usaba la mecánica clásica en ese momento, para tratar de calcular las frecuencias.
Poco después del modelo de Thomson, apareció el modelo de Nagaoka: Nagaoka tenía muchísimos electrones cuya carga se neutralizaba con una gran cantidad de carga positiva contenida en el medio del átomo, y los electrones supuestamente se movían en la forma de los anillos de Saturno. Nagaoka afirmó que su modelo era estable.
No estoy seguro de quién se dio cuenta por primera vez de que ninguno de estos modelos podría ser estable contra la radiación, pero en cualquier caso, todos estos modelos estaban presentes, y esto inspiró a Rutherford y Soddy en Montreal a comenzar a investigar la cuestión del modelo de Thomson con su enorme nube de carga positiva, utilizando el fenómeno recientemente descubierto de la radiactividad. Rutherford y Soddy realmente ya habían encontrado los resultados cruciales en experimentos realizados en la universidad McGill, antes de 1910.
Hubo demasiada dispersión de las partículas alfa cargadas positivamente a través de finas láminas de oro para posiblemente estar de acuerdo con las ideas de Thomson sobre el gran tamaño de la nube cargada positivamente en un átomo. Rutherford y Soddy ya sabían que la nube cargada positivamente tenía que ser mucho más pequeña y pesada.
Pero Rutherford fue cuidadoso y repitió los experimentos con láminas de oro con mucho más detalle en Inglaterra. Creo que el experimento absolutamente concluyente Geiger-Marsden (Rutherford) se realizó en Manchester, después de que Rutherford se mudó a Inglaterra, pero antes de que Rutherford se mudara al Cavendish.
Thomson hizo una suposición perfectamente razonable sobre un modelo atómico basado en lo que sabía. ¿Qué principios estuvieron involucrados en la elección de Thomson?
Bueno, personalmente me encantaría regresar en el tiempo y conocer a JJ, ¡y preguntarle a mí mismo!
