¿Cómo es útil el experimento del tubo de rayos catódicos?

Los físicos en el siglo XIX descubrieron que si construían un tubo de vidrio con cables insertados en ambos extremos y bombeaban la mayor cantidad de aire posible, una carga eléctrica que pasaba a través del tubo desde los cables crearía un brillo fluorescente. Este rayo catódico también se conoció como un ‘cañón de electrones’.

Con más experimentación, los investigadores descubrieron que los ‘rayos catódicos’ emitidos por el cátodo no podían moverse alrededor de objetos sólidos y, por lo tanto, viajaban en línea recta, una propiedad de las ondas. Sin embargo, otros investigadores, en particular Crookes, argumentaron que la naturaleza enfocada del haz significaba que tenían que ser partículas.

Los físicos sabían que el rayo tenía una carga negativa, pero no estaban seguros de si la carga podía separarse del rayo. Debatieron si los rayos eran ondas o partículas, ya que parecían exhibir algunas de las propiedades de ambos. En respuesta, JJ Thomson construyó algunos experimentos elegantes para encontrar una respuesta definitiva e integral sobre la naturaleza de los rayos catódicos.

El primer experimento de rayos catódicos de Thomson

En una variación de un experimento de 1895 realizado por Jean Perrin, Thomson construyó un tubo de rayos catódicos que terminaba en un par de cilindros de metal con una ranura en ellos. Estos cilindros estaban a su vez conectados a un electrómetro, un dispositivo para atrapar y medir la carga eléctrica. Perrin había descubierto que los rayos catódicos depositaban una carga eléctrica. Thomson quería ver si, al doblar los rayos con un imán, podía separar la carga de los rayos. Descubrió que cuando los rayos entraban en la ranura de los cilindros, el electrómetro medía una gran cantidad de carga negativa. El electrómetro no registraba mucha carga eléctrica si los rayos se doblaban para que no entraran en la ranura.

Como Thomson lo vio, la carga negativa y los rayos catódicos deben estar unidos de alguna manera: no se puede separar la carga de los rayos.

Fig . Aparato usado en el primer experimento de Thomson

Segundo experimento de rayos catódicos de Thomson

Thomson desarrolló la segunda etapa del experimento, para demostrar que los rayos llevaban una carga negativa . Para probar esta hipótesis, intentó desviarlos con un campo eléctrico.

Todos los intentos fallaron cuando el físico intentó doblar los rayos catódicos con un campo eléctrico. Una partícula cargada normalmente se curvará a medida que se mueve a través de un campo eléctrico, pero no si está rodeada por un conductor (una capa de cobre, por ejemplo). Thomson sospechaba que los rastros de gas que quedaban en el tubo se estaban convirtiendo en un conductor eléctrico por los propios rayos catódicos.

Para esto, construyó un tubo de rayos catódicos ligeramente diferente, con un revestimiento fluorescente en un extremo y un vacío casi perfecto, y descubrió que ahora los rayos catódicos se doblaban en un campo eléctrico después de todo, lo que demuestra sin lugar a dudas que los rayos estaban formados de partículas cargadas que llevan una carga negativa.

Fig . El aparato de Thomson en el segundo experimento

Thomson concluyó de estos dos experimentos: “No veo escapatoria de la conclusión de que [los rayos catódicos] son ​​cargas de electricidad negativa transportada por partículas de materia”. Pero, continuó, “¿Qué son estas partículas? ¿Son átomos, moléculas o materia en un estado aún más fino de subdivisión?”

Tercer experimento de rayos catódicos de Thomson

Este experimento buscó determinar las propiedades básicas de las partículas . Aunque no podía medir directamente la masa o la carga eléctrica de dicha partícula, sí podía medir la cantidad de rayos que un campo magnético doblaba y cuánta energía transportaban. A partir de estos datos, pudo calcular la relación entre la masa de una partícula y su carga eléctrica ( m / e ). Recopiló datos usando una variedad de tubos y usando diferentes gases.

Fig. Uno de los tubos utilizados en el tercer experimento de Thomson.

Tal como Emil Wiechert había informado a principios de ese año, la relación masa-carga para los rayos catódicos resultó ser mucho menor que la de un átomo de hidrógeno cargado, más de mil veces menor. O bien los rayos catódicos llevaban una carga enorme (en comparación con un átomo cargado), o eran increíblemente ligeros en relación con su carga.

La elección entre estas posibilidades fue resuelta por Philipp Lenard. Al experimentar cómo los rayos catódicos penetran en los gases, demostró que si los rayos catódicos eran partículas, tenían que tener una masa mucho más pequeña que la masa de cualquier átomo. La prueba estaba lejos de ser concluyente. Pero los experimentos de otros en los próximos dos años arrojaron una medición independiente del valor de la carga ( e ) y confirmaron esta notable conclusión.

Thomson anunció audazmente la hipótesis de que “tenemos en los rayos catódicos la materia en un nuevo estado, un estado en el que la subdivisión de la materia se lleva mucho más lejos que en el estado gaseoso ordinario: un estado en el que toda la materia … es de uno y del mismo tipo; esta es la sustancia a partir de la cual se forman todos los elementos químicos “.

Desarrollos posteriores

A Thomson se le ocurrió la idea inicial de la estructura del átomo, postulando que consistía en estas partículas cargadas negativamente que nadaban en un mar de carga positiva . Su alumno, Rutherford , desarrolló la idea y se le ocurrió la teoría de que el átomo consistía en un núcleo cargado positivamente rodeado de pequeñas partículas negativas en órbita, que él llamó electrones .

La física cuántica ha demostrado que las cosas son un poco más complejas que esto, pero todos los físicos cuánticos deben su legado a Thomson. Aunque los átomos eran conocidos, como partículas elementales aparentemente indivisibles, fue el primero en postular que tenían una estructura interna complicada .

El mayor regalo de Thomson a la física no fueron sus experimentos, sino la próxima generación de grandes científicos que estudiaron con él, incluidos Rutherford , Oppenheimer y Aston . Estas grandes mentes fueron inspiradas por él y lo marcaron como uno de los abuelos de la física moderna .

Fuente :

  1. Tres experimentos y una gran idea
  2. Experimento de rayos catódicos por JJ Thomson

Digamos que el experimento del tubo de rayos catódicos condujo al desarrollo de la electrónica moderna, ya que los tubos de vacío fueron la base de los primeros diodos y transistores. Usted sabe muy bien hoy el progreso que la humanidad ha hecho en electrónica …

Conduce a saber que la mayor parte del espacio del átomo está vacío. También lleva a saber que la masa total se concentra en el núcleo. Lleva a saber que la carga positiva está en el centro del núcleo. Este experimento es realizado por el científico Rutherford.