Experimentos del tubo de rayos catódicos de JJ Thomson

Sir Joseph John Thomson fue un físico británico y premio Nobel. Era conocido por el descubrimiento del electrón. En 1897 demostró que los rayos catódicos estaban compuestos por partículas muy pequeñas cargadas negativamente. Estas partículas más tarde se llamaron electrones. El aparato de su experimento se llama tubo de rayos catódicos (CRT).

JJ Thomson

JJ Thomson no fue el único que trabajó en rayos catódicos, pero varios otros jugadores como Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard habían contribuido o estaban ocupados estudiándolo. 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 información importante sobre el mundo atómico.

Rayo catódico y tubo de rayos catódicos

Antes de saltar directamente a los hallazgos de Thomson, comprendamos 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 (CRT) es un tubo de vidrio hueco. El aire en el tubo se bombea para crear un vacío.

Tubo de rayos catódicos.

El CRT consta de las siguientes partes:

1. Emisor de electrones (o cañón de electrones): El cañón de electrones se compone principalmente de calentador y cátodo. Emite el haz de electrones agudo, rayos catódicos. En los CRT modernos, el haz de electrones se genera mediante emisión termoiónica, utilizando un filamento de calentamiento, como se muestra en el diagrama anterior. Sin embargo, el mecanismo de emisión de cátodo frío se utilizó en los experimentos de Thomson.
2. Sistema de enfoque y aceleración: Está formado por una serie de ánodos. Estrechará el haz y aumentará su energía cinética.
3. Sistema de deflexión: Controla la dirección del haz de electrones. Esto se logra mediante un campo eléctrico y magnético externo. Los rayos catódicos se doblan cuando interactúan con estos campos.
4. Recubrimiento fosforescente: Es la parte final del CRT, donde los rayos inciden para crear un resplandor.

Experimentos de thomson

En aquellos días, los físicos no tenían claro si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz o si eran materiales. Se sostuvieron muchas opiniones diversas sobre estos rayos. Según algunos, los rayos se deben a algún proceso en el éter. JJ Thomson demostró que la naturaleza inmaterial y la hipótesis etérea de los rayos catódicos eran erróneas. Llegó a la conclusión de que los rayos estaban compuestos de partículas. Toda su obra se puede dividir en tres experimentos diferentes. En el primero se estudiaba el efecto magnético sobre los rayos catódicos mientras que en el segundo los rayos eran desviados por un campo eléctrico. En el experimento final, logró medir la relación masa-carga.

Experimento 1: Desviación magnética

El aparato de experimentación constaba de dos cilindros metálicos. Los cilindros se colocaron coaxialmente y se aislaron entre sí. El cilindro exterior se conectó a tierra mientras que el interior se conectó a un electrómetro para detectar cualquier corriente eléctrica, como se muestra en la siguiente figura. Ambos cilindros tenían agujeros o hendiduras. Cuando se aplicó una diferencia de potencial alta entre el cátodo (A en el diagrama) y el ánodo (B en el diagrama), los rayos catódicos, que se produjeron en el tubo izquierdo, se emitieron desde el cátodo y entraron en la campana de cristal principal. Los rayos no entrarían en los cilindros a menos que fueran desviados por un campo magnético.

Diagrama para el experimento 1.

Trazó el camino de los rayos usando la fluorescencia en una pantalla cuadrada en el frasco. Cuando los rayos fueron desviados por un campo magnético, se infiltran en los cilindros a través de las rendijas. Y se detectó la presencia de carga negativa en el electrómetro. Si estos rayos se desviaban más, sobrepasaban las rendijas y el electrómetro no mostraba ninguna lectura. “Por lo tanto, este experimento muestra que, sin embargo, giramos y desviamos los rayos catódicos por fuerzas magnéticas, la electrificación negativa sigue el mismo camino que los rayos y que esta electrificación negativa está indisolublemente conectada con los rayos catódicos”, citó Thomson.

Además, repitió el experimento con diferentes materiales y gases y descubrió 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.

1. Los rayos catódicos eran desviados por un campo magnético de la misma manera que si estuvieran formados por partículas cargadas negativamente.
2. Los rayos eran independientes del material de los electrodos y del gas en el frasco.

Experimento 2: Desviación eléctrica

El primer experimento demostró el comportamiento de los rayos catódicos como partículas cargadas negativamente bajo un campo magnético. Esta declaración se volvió deficiente cuando los rayos catódicos no se desviaron en un campo eléctrico. Fue observado por Hertz mucho antes que Thomson. Esto resultó en un dilema sobre si los rayos catódicos son partículas cargadas negativamente o no. Thomson decidió investigar más a fondo a través de otro experimento.

Diagrama para el experimento 2.

Thomson construyó un tubo de Crookes modificado como se muestra en la figura anterior. Cuando se aplicó una diferencia de potencial alta entre el cátodo y el ánodo, se generaron rayos catódicos en el cátodo (C en el diagrama). A medida que estos rayos pasaban por el ánodo (A en el diagrama) y luego por la rendija B, que estaba puesta a tierra, los rayos se agudizaban. Este haz angosto se propagó a través de las placas de aluminio (D y E) y finalmente golpeó la pantalla fosforescente para producir un parche brillante. La pantalla estaba escalada, de modo que se pudiera medir la desviación del haz.

Cuando Hertz hubo aplicado un campo eléctrico entre las placas, no notó ninguna desviación del haz. Por lo tanto, concluyó que los rayos catódicos no se ven afectados por un campo eléctrico.

Después de Hertz, cuando Thomson realizó el mismo experimento, también encontró resultados similares. 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 se unió a la terminal positiva de la batería y la placa inferior a la terminal negativa, el rayo se desvió hacia arriba. Si se invirtiera la polaridad de las placas, el haz se desviaría hacia abajo.

Los rayos catódicos se desvían hacia abajo cuando se invierte la polaridad.

Finalmente, logró demostrar que los rayos no son más que partículas cargadas negativamente.

Conclusión

Él concluyó:

Como los rayos catódicos llevan una carga de electricidad negativa, son desviados por una fuerza electrostática como si estuvieran electrificados negativamente y sobre ellos actúa una fuerza magnética de la misma forma en que esta fuerza actuaría sobre un cuerpo electrificado negativamente que se mueve a lo largo del camino. de estos rayos, no veo escapatoria a la conclusión de que son cargas de electricidad negativa transportadas por partículas de materia.

Nota: Una pregunta, que puede inquietar a los lectores, es por qué el rayo se desvió cuando se incrementó el vacío en el tubo. La gran diferencia de potencial entre los electrodos ionizó las moléculas de gas residual en electrones e iones libres, también conocido como carga espacial. Estos electrones e iones libres apantallaron eléctricamente el campo eléctrico externo en el caso de Hertz. Por lo tanto, resultó en un campo eléctrico húmedo y el haz no se vio afectado por el campo eléctrico. Pero en el caso de Thomson, debido al mayor vacío, la densidad de la carga espacial era mucho 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 todavía sentía curiosidad por estas partículas. Reflexionó sobre si qué eran estas partículas, si eran átomos o moléculas, o algunas entidades desconocidas aún por descubrir. Para encontrar respuestas a tales preguntas, realizó el tercer experimento. En este experimento, midió la relación masa-carga de las partículas.

Diagrama para el experimento 3.

El aparato experimental para este experimento fue 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 de arriba.

El campo magnético se aplicó de manera que fuera perpendicular tanto al campo eléctrico como a los rayos catódicos. Esto se representa en la siguiente figura.

El campo magnético era perpendicular tanto al campo eléctrico como a los rayos catódicos.

Inicialmente, aplicó el único campo eléctrico, que desvió el haz en una dirección particular. Esta desviación eléctrica fue medida por él. Y luego se varió el campo magnético hasta que el haz volvió a la trayectoria original, es decir, permaneció sin desviarse. En esta condición, la fuerza magnética y la fuerza eléctrica se anularon entre sí. Eran iguales en magnitud pero opuestas en dirección.

Calculó la relación masa-carga ( m ⁄ e ) usando la siguiente expresión.

Aquí, E y H son la intensidad del campo eléctrico y la intensidad del campo magnético, l es la longitud de las placas y θ es la desviación cuando solo se aplica el campo eléctrico. Todos estos parámetros eran conocidos.

El valor de la relación informado 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) × 10 11  C kg −1 .

Thomson también notó que su valor calculado de m ⁄ e era independiente del gas en el tubo de descarga y del metal usado en el cátodo. Esto también dio una idea de que las partículas eran una parte integral de los átomos.

También señaló que el valor de m ⁄ e era alrededor de 1000 veces menor que el valor 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 . Implicaba que la masa de las partículas era mucho más pequeña que la de los iones de hidrógeno o que estaban muy cargadas. Lenard había determinado que el rango, que está estrechamente relacionado con el camino libre medio para las colisiones, de los rayos catódicos; era de 0,5 cm. Por otro lado, el camino libre medio de las moléculas de aire fue de 10 −5  cm, que es muy pequeño en comparación con el rango de los rayos catódicos. Por lo tanto, argumentó que el tamaño de estas partículas debe ser mucho más pequeño que las moléculas de aire.

JJ Thomson con su tubo de rayos catódicos.

Conclusión

Thomson nombró a estas partículas como corpúsculos, luego se les cambió el nombre a electrones. Llegó a la conclusión de que los corpúsculos eran más pequeños que el tamaño de los átomos y eran una parte integral de un átomo.

Sobre la base de estos resultados experimentales, Thomson también propuso su modelo de pudín de ciruelas. Fue honrado con el Premio Nobel de Física.

Las hipótesis de Thomson

Thomson presentó tres hipótesis a partir de sus experimentos.

1. Los rayos catódicos están formados por partículas cargadas negativamente llamadas corpúsculos.
2. El átomo está compuesto por estos corpúsculos.
3. Estos corpúsculos son la única parte integral 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.