Sir Joseph John Thomson fue un físico británico y premio Nobel. Fue conocido por el descubrimiento del electrón. En 1897, demostró que los rayos catódicos estaban compuestos por partículas muy pequeñas con carga negativa. Estas partículas se denominaron posteriormente electrones. El aparato de su experimento se llama tubo de rayos catódicos (TRC).
J. J. Thomson no era el único que trabajaba en los rayos catódicos, sino que varios otros actores como Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard habían contribuido o estaban ocupados en su estudio. Sin embargo, las contribuciones de Thomson siguen siendo más significativas que las del resto. Sus resultados experimentales fueron investigados más a fondo por Rutherford y Bohr, lo que proporcionó además importantes conocimientos sobre el mundo atómico.
Rayos catódicos y tubo de rayos catódicos
Antes de saltar directamente a los descubrimientos de Thomson, entendamos algunos conocimientos básicos sobre los rayos catódicos y el tubo de rayos catódicos.
¿Qué son los rayos catódicos? Los rayos catódicos son corrientes de electrones emitidos desde el cátodo (el electrodo conectado al terminal negativo de una batería). Estos rayos viajan en línea recta y pueden ser desviados por campos eléctricos y magnéticos.
El tubo de rayos catódicos (TRC) es un tubo de vidrio hueco. El aire del tubo se bombea para crear un vacío.
El TRC consta de las siguientes partes:
- Emisor de electrones (o cañón de electrones): El cañón de electrones se compone principalmente de un calentador y un cátodo. Emite el haz de electrones afilados, los rayos catódicos. En los TRC modernos, el haz de electrones se genera por emisión termoiónica -utilizando un filamento calefactor- como se muestra en el diagrama anterior. Sin embargo, en los experimentos de Thomson se utilizó el mecanismo de emisión catódica fría.
- Sistema de enfoque y aceleración: Está formado por una serie de ánodos. Estrecha el haz y aumenta su energía cinética.
- Sistema de deflexión: Controla la dirección del haz de electrones. Se consigue mediante un campo eléctrico y magnético externo. Los rayos catódicos se curvan al interactuar con estos campos.
- Recubrimiento fosforescente: Es la parte final del TRC, donde los rayos inciden para crear un brillo.
Experimentos de Thomson
En aquella época, los físicos no tenían claro si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz o eran materiales. Había muchas opiniones diversas sobre estos rayos. Según algunos, los rayos se deben a algún proceso en el éter. La naturaleza inmaterial y la hipótesis etérea de los rayos catódicos fueron demostradas por J. J. Thomson. Llegó a la conclusión de que los rayos estaban formados por partículas. Toda su obra puede dividirse en tres experimentos diferentes. En el primero, estudió el efecto magnético sobre los rayos catódicos, mientras que en el segundo, los rayos fueron desviados por un campo eléctrico. En el último experimento, consiguió medir la relación entre la masa y la carga.
Experimento 1: Desviación magnética
El aparato del experimento consistía en dos cilindros metálicos. Los cilindros estaban colocados coaxialmente y aislados entre sí. El cilindro exterior estaba conectado a tierra mientras que el interior estaba unido a un electrómetro para detectar cualquier corriente eléctrica como se muestra en la figura siguiente. Ambos cilindros tenían agujeros o rendijas. Cuando se aplicaba una diferencia de potencial elevada entre el cátodo (A en el diagrama) y el ánodo (B en el diagrama), los rayos catódicos, que se producían en el tubo izquierdo, salían del cátodo y entraban en la campana principal. Los rayos no entraban en los cilindros a menos que fueran desviados por un campo magnético.
Se trazó la trayectoria de los rayos utilizando la fluorescencia en una pantalla cuadrada en la jarra. Cuando los rayos fueron desviados por un campo magnético, se infiltraron en los cilindros a través de las rendijas. Y se detectó la presencia de carga negativa en el electrómetro. Si estos rayos se doblaban más, sobrepasaban las rendijas y el electrómetro no mostraba ninguna lectura. «Así, este experimento demuestra que, por mucho que torzamos y desviemos los rayos catódicos mediante fuerzas magnéticas, la electrificación negativa sigue el mismo camino que los rayos y que esta electrificación negativa está indisolublemente unida a los rayos catódicos», citó Thomson.
Además, repitió el experimento con diferentes materiales y gases y comprobó que la desviación de los rayos era la misma independientemente de los materiales y gases utilizados.
Conclusiones
Llegó a los dos puntos principales después de este experimento.
- Los rayos catódicos eran desviados por un campo magnético de la misma manera que si estuvieran formados por partículas cargadas negativamente.
- Los rayos eran independientes del material de los electrodos y del gas del frasco.
Experimento 2: Desviación eléctrica
El primer experimento sí demostró el comportamiento de los rayos catódicos como partículas cargadas negativamente bajo un campo magnético. Esta afirmación se volvió deficiente cuando los rayos catódicos no se desviaron en un campo eléctrico. Esto fue observado por Hertz mucho antes que Thomson. Esto dio lugar a un dilema sobre si los rayos catódicos son partículas con carga negativa o no. Thomson decidió investigar más a fondo a través de otro experimento.
Thomson construyó un tubo de Crookes modificado como se representa en la figura anterior. Cuando se aplicaba una gran diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, se generaban rayos catódicos en el cátodo (C en el diagrama). Al pasar estos rayos por el ánodo (A en el diagrama) y posteriormente por la rendija B, que estaba conectada a tierra, los rayos se afilaban. Este haz estrecho se propagaba a través de las placas de aluminio (D y E) y finalmente golpeaba la pantalla fosforescente para producir una mancha brillante. La pantalla se escaló para poder medir la desviación del haz.
Cuando Hertz aplicó un campo eléctrico entre las placas, no observó ninguna desviación del haz. Por lo tanto, llegó a la conclusión de que los rayos catódicos no se ven afectados por un campo eléctrico.
Después de Hertz, cuando Thomson realizó el mismo experimento, también encontró los mismos resultados. Repitió el mismo experimento bajo una presión mucho menor que la anterior. Esta vez el rayo fue desviado por un campo eléctrico. Cuando la placa superior estaba unida al terminal positivo de la batería y la placa inferior al terminal negativo, el rayo se desviaba hacia arriba. Si se invertía la polaridad de las placas, el rayo se desviaba hacia abajo.
Finalmente, consiguió demostrar que el rayo no son más que partículas cargadas negativamente.
Conclusión
Concluyó:
Como los rayos catódicos llevan una carga de electricidad negativa, son desviados por una fuerza electrostática como si estuvieran electrificados negativamente y son actuados por una fuerza magnética de la misma manera en que esta fuerza actuaría sobre un cuerpo electrificado negativamente que se moviera a lo largo de la trayectoria de estos rayos, no puedo ver ninguna escapatoria a la conclusión de que son cargas de electricidad negativa transportadas por partículas de materia.
Nota: Una pregunta, que puede atormentar a los lectores, es que por qué el rayo se desvió cuando se aumentó el vacío en el tubo. La elevada diferencia de potencial entre los electrodos ionizó las moléculas de gas residuales en electrones e iones libres, también conocidos como carga espacial. Estos electrones e iones libres apantallaron eléctricamente el campo eléctrico externo en el caso de Hertz. De este modo, se producía un campo eléctrico amortiguado, y el rayo no se veía afectado por el campo eléctrico. Pero en el caso de Thomson, debido al mayor vacío, la densidad de la carga espacial era muy menor. Y no obstaculizaron significativamente el campo eléctrico.
Experimento 3: Relación masa-carga (e/m)
Después de demostrar las propiedades electrostáticas de los rayos catódicos, Thomson seguía sintiendo curiosidad por estas partículas. Se preguntaba qué eran estas partículas, si eran átomos o moléculas, o algunas entidades desconocidas aún por descubrir. Para encontrar respuestas a estas preguntas, realizó el tercer experimento. En este experimento, midió la relación masa-carga de las partículas.
El aparato experimental para este experimento era el mismo que el anterior. Además, aplicó un campo magnético colocando los polos de un electroimán alrededor del tubo como se muestra en la figura anterior.
El campo magnético se aplicó de forma que fuera perpendicular tanto al campo eléctrico como a los rayos catódicos. Esto se representa en la figura siguiente.
Inicialmente, aplicó el único campo eléctrico, que desviaba el rayo hacia una dirección determinada. Esta desviación eléctrica fue medida por él. Luego se varió el campo magnético hasta que el rayo volvió a la trayectoria original, es decir, permaneció sin desviarse. En esta condición, la fuerza magnética y la fuerza eléctrica se habían anulado mutuamente. Eran iguales en magnitud pero opuestas en dirección.
Calculó la relación masa-carga (m⁄e) utilizando la siguiente expresión.
Aquí, E y H son la fuerza del campo eléctrico y la fuerza del campo magnético, l es la longitud de las placas, y θ es la desviación cuando sólo se aplica el campo eléctrico. Todos estos parámetros eran conocidos.
Prueba de m/e
Sea:
- D la placa conectada al borne positivo de una pila y E conectada al borne negativo.
- FE sea la fuerza ejercida por el campo eléctrico.
- FH sea la fuerza ejercida por el campo magnético.
- s sea el desplazamiento vertical de la viga en el extremo de las placas.
- l sea la longitud de una placa.
- θ ser la desviación en el campo eléctrico.
- v ser la velocidad constante del rayo cuando entra en el campo eléctrico.
- O ser el origen.
- T ser el tiempo que pasan los rayos catódicos en el campo eléctrico.
Esta notación se representa en la siguiente figura.
Cuando la fuerza eléctrica y la fuerza magnética se anulan mutuamente, los rayos no se desvían. Por tanto, la fuerza neta sobre los rayos es cero.
Sabemos que FE = eE y FH = -evH. El signo negativo muestra que las fuerzas están en la dirección opuesta.
El desplazamiento a partir de las fórmulas cinemáticas es
En la dirección x, la velocidad inicial es v y la aceleración es cero.
Sustituyendo el valor de v en la ecuación anterior,
Cuando t = T, x = l.
En la dirección y, la velocidad inicial es cero, pero el rayo se acelera a medida que avanza en el campo eléctrico.
La aceleración es la fuerza dividida la masa.
Sustituyendo el valor de a,
Cuando t = T, y = s.
Eliminando T,
Así, la relación masa-carga es la siguiente: 
Para valores menores de θ, 
.
Finalmente,
El valor de la relación reportado por Thomson en su artículo es (1,29 ± 0,17) × 10-7.
El recíproco de m⁄e da la relación carga-masa (e⁄m). El valor de e⁄m recomendado por CODATA es 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson también observó que su valor calculado de m⁄e era independiente del gas del tubo de descarga y del metal utilizado del cátodo. Esto también dio un indicio de que las partículas eran una parte integral de los átomos.
También observó que el valor de m⁄e era unas 1000 veces menor que el de los iones de hidrógeno. El valor de m⁄e de los iones de hidrógeno estimado en ese momento era de alrededor de 10-4. Esto implicaba que la masa de las partículas era mucho menor que la de los iones de hidrógeno o que estaban muy cargadas. Lenard había determinado que el alcance, que está estrechamente asociado al recorrido libre medio para las colisiones, de los rayos catódicos; era de 0,5 cm. Por otro lado, el recorrido libre medio de las moléculas de aire era de 10-5 cm, que es muy pequeño en comparación con el alcance de los rayos catódicos. Por lo tanto, argumentó que el tamaño de estas partículas debía ser mucho menor que el de las moléculas de aire.
Conclusión
Thomson denominó a estas partículas como corpúsculos, más tarde fueron rebautizadas como electrones. Llegó a la conclusión de que los corpúsculos eran más pequeños que el tamaño de los átomos y formaban parte integral de un átomo.
Basado en estos resultados experimentales Thomson también propuso su modelo del pudín de ciruelas. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física.
Hipótesis de Thomson
Thomson presentó tres hipótesis a partir de sus experimentos.
- Los rayos catódicos están formados por partículas con carga negativa llamadas corpúsculos.
- El átomo está formado por estos corpúsculos.
- Estos corpúsculos son la única parte integrante de un átomo.
La tercera hipótesis se demostró errónea más tarde cuando su propio alumno Rutherford propuso la presencia del núcleo cargado positivamente en un átomo.
Artículos asociados
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