Sir Joseph John Thomson foi um físico britânico e ganhador do Prêmio Nobel. Ele era conhecido pela descoberta do electrão. Em 1897, ele mostrou que os raios catódicos eram compostos de partículas muito pequenas e carregadas negativamente. Essas partículas mais tarde foram chamadas de elétrons. O aparelho de sua experiência é chamado de tubo de raios catódicos (CRT).
J. J. Thomson não era o único a trabalhar com raios catódicos, mas vários outros jogadores como Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard tinham contribuído ou estavam ocupados a estudá-lo. No entanto, as contribuições de Thomson continuam mais significativas do que as dos demais. Seus resultados experimentais foram investigados mais detalhadamente por Rutherford e Bohr, que forneceram importantes insights sobre o mundo atômico.
Raios catódicos e tubo de raios catódicos
Antes de saltar diretamente as descobertas de Thomson, vamos entender alguns conhecimentos básicos sobre raios catódicos e o tubo de raios catódicos.
O que são raios catódicos? Os raios catódicos são fluxos de elétrons emitidos pelo cátodo (o eletrodo conectado ao terminal negativo de uma bateria). Estes raios viajam em linhas rectas e podem ser desviados pelo campo eléctrico e magnético.
O tubo de raios catódicos (CRT) é um tubo de vidro oco. O ar no tubo é bombeado para fora para criar um vácuo.
O CRT consiste nas seguintes partes:
- Emissor de electrões (ou canhão de electrões): O canhão de electrões é composto principalmente por aquecedor e cátodo. Emite o feixe de electrões afiado, raios catódicos. Nos CRTs modernos, o feixe de elétron é gerado por emissão termiônica – usando um filamento de aquecimento – como mostrado no diagrama acima. No entanto, o mecanismo de emissão de cátodo frio foi usado nas experiências de Thomson.
- Sistema de focalização e aceleração: É composto por uma série de ânodos. Ele vai estreitar o feixe e aumentar sua energia cinética.
- Sistema de deflexão: Controla a direcção do feixe de electrões. Isto é conseguido através de um campo elétrico e magnético externo. Os raios catódicos curvam-se enquanto interagem com estes campos.
- Revestimento fosforescente: É a parte final do CRT, onde os raios atacam para criar um brilho.
As experiências de Thomson
Retroceder naqueles dias, os físicos não sabiam se os raios catódicos eram imateriais como a luz ou se eram materiais. Muitas opiniões diversas eram mantidas sobre esses raios. De acordo com alguns, os raios são devidos a algum processo no éter. A natureza imaterial e a hipótese aérea dos raios catódicos foram provados errados por J. J. Thomson. Ele concluiu que os raios eram constituídos por partículas. Todo o seu trabalho pode ser dividido em três experiências diferentes. Na primeira, o efeito magnético sobre os raios catódicos foi estudado, enquanto na segunda, os raios foram desviados por um campo elétrico. No experimento final, ele conseguiu medir a relação massa/carga.
Experimento 1: Deflexão magnética
O aparelho do experimento consistiu de dois cilindros metálicos. Os cilindros foram colocados coaxialmente e isolados um do outro. O cilindro exterior foi aterrado enquanto o interior foi ligado a um electrómetro para detectar qualquer corrente eléctrica, como mostra a figura abaixo. Ambos os cilindros tinham furos ou fendas. Quando uma alta diferença de potencial era aplicada entre o cátodo (A no diagrama) e o anodo (B no diagrama), os raios catódicos, que eram produzidos no tubo esquerdo, eram emitidos a partir do cátodo e entravam no frasco principal do sino. Os raios não entrariam nos cilindros a menos que fossem desviados por um campo magnético.
Ele traçou o caminho dos raios usando a fluorescência em uma tela quadrada no frasco. Quando os raios foram dobrados por um campo magnético, eles infiltram-se nos cilindros através das fendas. E a presença de carga negativa foi detectada no electrómetro. Se estes raios fossem mais dobrados, eles ultrapassavam as fendas e o electrómetro não mostrava nenhuma leitura. “Assim, este experimento mostra que, embora torçamos e desviemos os raios catódicos por forças magnéticas, a eletrificação negativa segue o mesmo caminho que os raios e que essa eletrificação negativa está indissoluvelmente ligada aos raios catódicos”, Thomson citou.
Mais ainda, ele repetiu o experimento com diferentes materiais e gases e descobriu que a deflexão dos raios era a mesma, independentemente dos materiais e gases utilizados.
Conclusões
Ele chegou aos dois pontos principais após este experimento.
- Raios catódicos foram desviados por um campo magnético da mesma forma como se fossem compostos de partículas carregadas negativamente.
- Os raios eram independentes do material dos eléctrodos e do gás no frasco.
Experimento 2: Deflexão eléctrica
O primeiro experimento demonstrou o comportamento dos raios catódicos como partículas carregadas negativamente sob um campo magnético. Esta afirmação tornou-se deficiente quando os raios catódicos falharam em deflectir em um campo eléctrico. Foi observado por Hertz muito antes de Thomson. Isto resultou em um dilema se os raios catódicos são ou não partículas com carga negativa. Thomson decidiu investigar melhor através de outro experimento.
Thomson construiu um tubo de Crookes modificado, como mostrado na figura acima. Quando uma alta diferença de potencial foi aplicada entre o cátodo e o ânodo, os raios catódicos foram gerados no cátodo (C no diagrama). Como estes raios passaram através do ânodo (A no diagrama) e posteriormente através da fenda B, que foi aterrada, os raios foram afiados. Este feixe estreito propagou-se através de placas de alumínio (D e E) e finalmente atingiu a tela fosforescente para produzir uma mancha brilhante. A tela foi escalonada para que a deflexão do feixe pudesse ser medida.
Quando Hertz aplicou um campo elétrico entre as placas, ele não notou nenhuma deflexão do feixe. Assim, ele concluiu que os raios catódicos não são afetados por um campo elétrico.
Após Hertz, quando Thomson realizou o mesmo experimento, ele também encontrou os resultados semelhantes. Ele repetiu o mesmo experimento sob pressão muito menor do que o anterior. Desta vez, o feixe foi desviado por um campo elétrico. Quando a placa superior foi ligada ao terminal positivo da bateria e a placa inferior ao terminal negativo, o feixe foi deflectido para cima. Se a polaridade das placas fosse invertida, o feixe deflectiria para baixo.
Finalmente, ele conseguiu provar que o feixe não é mais do que partículas carregadas negativamente.
Conclusão
Concluiu:
Como os raios catódicos carregam uma carga de eletricidade negativa, são desviados por uma força eletrostática como se fossem eletricamente eletrificados negativamente e são atuados por uma força magnética exatamente na forma em que essa força atuaria sobre um corpo eletricamente eletrificado negativamente se movendo no caminho desses raios, não vejo como escapar da conclusão de que eles são cargas de eletricidade negativa carregadas por partículas de matéria.
Nota: Uma questão, que pode assombrar os leitores, é por que o feixe deflectiu quando o vácuo no tubo foi aumentado. A alta diferença de potencial entre os eletrodos ionizou as moléculas residuais de gás em elétrons e íons livres, também conhecidos como carga espacial. Estes electrões e iões livres crivaram electricamente o campo eléctrico externo, no caso da Hertz. Assim, resultou em um campo elétrico úmido, e o feixe não foi afetado pelo campo elétrico. Mas no caso de Thomson, devido ao maior vácuo, a densidade da carga espacial era muito menor. E não impediram significativamente o campo elétrico.
Experimento 3: relação massa/carga (e/m)
Após demonstrar as propriedades eletrostáticas dos raios catódicos, Thomson ainda estava curioso sobre estas partículas. Ele ponderou se o que eram estas partículas, se eram átomos ou moléculas, ou algumas entidades desconhecidas ainda por descobrir. Para encontrar respostas a tais perguntas, ele realizou a terceira experiência. Neste experimento, ele mediu a relação massa/carga das partículas.
O aparelho experimental para este experimento foi o mesmo do experimento anterior. Adicionalmente, ele aplicou um campo magnético colocando os pólos de um eletroímã ao redor do tubo como mostrado na figura acima.
O campo magnético foi aplicado de tal forma que foi perpendicular ao campo elétrico e aos raios catódicos. Isto está representado na figura abaixo.
Inicialmente, ele aplicou o único campo elétrico, que defletia o feixe para uma determinada direção. Esta deflexão elétrica foi medida por ele. E então o campo magnético variou até que o feixe retornou ao caminho original, ou seja, permaneceu sem deflexão. Nesta condição, a força magnética e a força elétrica tinham se anulado uma à outra. Elas eram iguais em magnitude, mas opostas na direção.
Ele calculou a relação massa/carga (m⁄e) usando a expressão abaixo.
Aqui, E e H são a força do campo elétrico e a força do campo magnético, l é o comprimento das placas, e θ é a deflexão quando apenas o campo elétrico é aplicado. Todos estes parâmetros foram conhecidos.
Prova de m/e
Let:
- D seja a placa ligada ao terminal positivo de uma bateria e E ligada ao terminal negativo.
- FE seja a força exercida pelo campo eléctrico.
- FH seja a força exercida pelo campo magnético.
- s seja o deslocamento vertical do feixe no extremo das placas.
- l seja o comprimento de uma placa.
- θ seja a deflexão no campo eléctrico.
- v seja a velocidade constante do feixe quando este entra no campo eléctrico.
- O seja a origem.
- T seja o tempo gasto pelos raios catódicos no campo eléctrico.
Esta notação é representada na figura abaixo.
Quando a força eléctrica e a força magnética se anulam mutuamente, os raios não são desviados. Assim, a força líquida sobre os raios é zero.
Conhecemos FE = eE e FH = -evH. O sinal negativo mostra que as forças estão na direção oposta.
O deslocamento das fórmulas cinemáticas é
No sentido x, a velocidade inicial é v e a aceleração é zero.
Substituindo o valor de v na equação acima,
Quando t = T, x = l.
No sentido y, a velocidade inicial é zero, mas o feixe acelera à medida que avança no campo eléctrico,
A aceleração é massa dividida pela força.
Substituindo o valor de a,
Quando t = T, y = s.
Eliminar T,
Assim, a relação massa/carga é a seguinte: 
Para valores menores de θ, 
.
Finalmente,
O valor da relação relatada por Thomson em seu trabalho é (1,29 ± 0,17) × 10-7,
O recíproco de m⁄e dá a relação carga-massa (e⁄m). O valor de e⁄m recomendado por CODATA é 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1,
Thomson também notou que o seu valor calculado de m⁄e era independente do gás no tubo de descarga e do metal utilizado do cátodo. Isto também deu a entender que as partículas eram parte integrante dos átomos.
Thomson também notou que o valor de m⁄e era cerca de 1000 vezes menor do que o valor dos íons hidrogênio. O valor de m⁄e de íons de hidrogênio estimado naquela época era de cerca de 10-4. Isso implicava que a massa das partículas era muito menor que a dos íons de hidrogênio ou que estavam fortemente carregadas. Lenard tinha determinado que o intervalo, que está intimamente associado ao caminho médio livre para colisões, dos raios catódicos; era de 0,5 cm. Por outro lado, o caminho livre médio das moléculas de ar era de 10-5 cm, o que é muito pequeno em comparação com a faixa dos raios catódicos. Portanto, ele argumentou que o tamanho dessas partículas deve ser muito menor que o das moléculas do ar.
Conclusão
Thomson nomeou essas partículas como corpúsculos, mais tarde elas foram renomeadas como elétrons. Ele concluiu que os corpúsculos eram menores que o tamanho dos átomos e eram parte integrante de um átomo.
Baseado nestes resultados experimentais Thomson também propôs seu modelo de pudim de ameixa. Ele foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física.
As hipóteses de Thomson
Thomson apresentou três hipóteses de seus experimentos.
- Raios catódicos são compostos por partículas com carga negativa chamadas corpúsculos.
- O átomo é composto por estes corpúsculos.
- Estes corpúsculos são a única parte integrante de um átomo.
A terceira hipótese foi provada errada mais tarde quando seu próprio aluno Rutherford propôs a presença do núcleo com carga positiva em um átomo.
Artigos associados
- Número atômico