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Tubo de descarga

Es un tubo, normalmente de forma cilíndrica, donde se producen las descargas eléctricas entre los electrodos. Está relleno con un gas (vapor de mercurio o sodio habitualmente) a alta o baja presión que determina las propiedades de la lámpara. En las lámparas fluorescentes se recubre la cara interna con sustancias fluorescentes que convierten las emisiones ultravioletas en luz visible. Los materiales que se emplean en su fabricación dependen del tipo de lámpara y de las condiciones de uso.

JOSE THOMSON (1856-1940).

Las investigaciones que condujeron al descubrimiento del electrón comenzaron con un intento de explicar la discrepancia que existe en el modo como se desvían los rayos catódicos según que actúen sobre ellos fuerzas magnéticas o fuerzas eléctricas.

Las fuerzas magnéticas desván los rayos del mismo modo que si fuesen ellas partículas cargadas de electricidad negativa que se movieran en la misma dirección que los rayos.

Si es colocado un cilindro de Faraday fuera de la trayectoria normal de un haz delgado de rayos catódicos, no recibe ninguna carga eléctrica; pero recibe una abundante carga eléctrica negativa si por medio de un imán de hace que el haz se desvíe hacia el interior del cilindro. Esto sería una prueba decisiva de que los rayos lleven electricidad negativa, de no haber demostrado Hertz que no padecen desviación alguna al exponerlos a la acción de una fuerza eléctrica. De ahí derivó Hertz que los rayos no estaban cargados de electricidad negativa. Sostuvo pues, la hipótesis, defendida por la mayoría de los físicos alemanes, según la cual tales rayos son corrientes eléctricas que pasan a través del éter, saliendo del cátodo la electricidad negativa, y yendo hacia él la positiva, y que sobre ellos actúan las fuerzas magnéticas de acuerdo a las leyes descubiertas por Ampére acerca de las fuerzas que obran sobre las corrientes eléctricas.

Dichas corrientes darían una carga eléctrica negativa a los cuerpos contra los cuales chocan. Las desviaría un imán, de acuerdo con las leyes de Ampére. No las desviarían las fuerzas eléctricas. Son cabalmente las propiedades que durante mucho tiempo se creyó que poseían los rayos catódicos.

En mi primer experimento para desviar un haz de rayos catódicos, lo hice pasar por entre dos láminas paralelas de metal sujetas en lo interior del tubo de descarga y generé un campo eléctrico entre las láminas. Con ello no logré producir ninguna desviación duradera. Con todo, pude descubrir un leve fulgor en el haz, al aplicar por primera vez una fuerza eléctrica. Esto me dio la clave de lo que, a mi juicio, explica la falta de desviación eléctrica de los rayos.

De existir un gas entre las láminas, lo ionizarían los rayos catódicos al atravesarlo, y producirían así cierta cantidad de partículas cargadas de electricidad así positiva como negativa. La lámina cargada de electricidad positiva atraería las partículas cargadas de electricidad negativa, y neutralizaría, en el espacio que queda entre las láminas, el efecto de su electrización positiva. Cargándose así las láminas no se generaría fuerza eléctrica entre ellas. El resplandor momentáneo tuvo por causa el que no era instantánea la neutralización de las láminas.

Como de acuerdo con esta hipótesis la falta de desviación se debía a la presencia de gas, o sea a lo demasiado alto de la presión lo que había que hacer era lograr un vacío mucho mayor. Esto era más fácil de decir que de hacer. En aquél tiempo la técnica para producir vacíos altos se hallaba todavía en pañales. No se había comprendido la necesidad de eliminar el gas condensado sobre las paredes del tubo de descarga y sobre el metal de los electrodos, a acusa de la calefacción prolongada. Como dicho gas se liberaba al pasar la descarga por el tubo, el vacío se echaba a perder rápidamente durante la descarga; y las máquinas neumáticas que de entonces se disponía no tenían la rapidez necesaria para seguir el ritmo de esa liberación. No obstante, haciendo pasar un día y otro día la descarga por el tubo sin introducir nuevo gas, se fue eliminando el gas de las paredes y de los electrodos, y se hizo posible conseguir un vacío mucho mayor.

Este resultado eliminó la discrepancia entre los efectos de las fuerzas eléctricas y las magnéticas que actuaban sobre las partículas catódicas, más aún: suministró el método para medir la velocidad de las partículas y la razón e/m, siendo m la masa de las partículas y la e su carga eléctrica.

Estos experimentos se hacían como exploración. El aparato era muy sencillo y adolecía de las necesidades necesarias para obtener resultados numéricos rigurosos. Sin embargo, era apto par confirmar que las partículas del rayo catódico son el orden 107 siendo así que el valor más pequeño hallado hasta entonces era 104, para el átomo de hidrógeno, en la electrólisis. De modo que, si fuese e igual a la carga de electricidad que lleva el átomo de hidrógeno –cosa que más delante se demostró- la masa m de la partícula de rayo no podía ser mayor que la milésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno, la cual era la masa más pequeña de las hasta entonces conocidas. También quedó confirmado que la masa de las partículas sobredichas no depende de la clase de gas que contiene el tubo de descarga. Tan sorprendentes eran esos resultados que consideré más importantes hacer una revisión general del asunto que perfeccionar la determinación del valor exacto de la relación entre la masa de la partícula y la masa del átomo de hidrógeno.

Experimenté luego con partículas electrizadas que se habían producido por métodos en los cuales no se había aplicado ninguna fuerza eléctrica a la fuente de las partículas. Como es sabido, los metales al aplicárseles luz ultravioleta dan electricidad negativa; y otro tanto hacen los filamentos metálicos y los de carbono cuando se ponen incandescentes. Utilizando métodos análogos a los que usé para el caso de los rayos catódicos medí los valores de la razón e/m, para los portadores de electricidad negativa en estos últimos casos, y encontré que dichos valores eran idénticos al que se da en los rayos catódicos:

Después de largas meditaciones acerca de los experimentos, me pareció que eran ineludibles las conclusiones siguientes:

Los átomos no son invisibles; porque de ellos pueden arrancarse partículas cargadas de electricidad negativa, por la acción de fuerzas eléctricas, el choque de átomos que se mueven con rapidez, la luz ultravioleta o el calor.

Todas esas partículas son iguales en cuanto a la masa y llevan la misma carga de electricidad negativa, sea cual fuere la especie de átomos de que salgan, y son elementos constitutivos de todo átomo.

La masa de dichas partículas es menos de un millonésimo de las masa de átomo de hidrógeno.

En un principio di a esas partículas el nombre de "corpúsculos", pero ahora se designan con el más apropiado de "electrones". Publiqué por primera vez la existencia de dichas partículas en un discurso vespertino que pronuncié en el Instituto Real el viernes 29 de abril de 1897…

Al principio muy pocos creyeron en la existencia de tales cuerpos más pequeños que los átomos. Mucho tiempo después me dijo un distinguido físico, presente a mi conferencia del Instituto Real, que pensó que les estaba yo "tomando el pelo". La cosa no me llamó la atención; ya que yo mismo tuve que vencer grandes obstáculos para llegar a esta explicación de mis experimentos; y sólo cuando me convencí de que éstos no dejaban ninguna escapatoria, externé mi creencia en la existencia de cuerpos más pequeños que los átomos.

Fragmento de "Recollections and Reflections" (Recuerdos y Reflexiones), obra de Thomson, publicada en 1936 por George Bell, Ltd., Londres.

Reseña Biográfica:

Físico inglés. Nació en Cheetham Hill, cerca de Manchester el 18 de diciembre de 1856. Cursó sus estudios en Manchester y se mudó a Cambridge en 1876, graduándose en matemáticas. Asumió un puesto en el laboratorio de Cavendish, donde emprendió investigaciones sobre las teorías del electromagnetismo. En 1884 fue designado director del famoso laboratorio Cavendish de esa universidad. En 1897 sus estudios los condujeron al descubrimiento del electrón: toda materia, cualquiera que sea su fuente, contiene partículas de la misma clase mucho menos masivas que los átomos de que forman parte demostró sus hipótesis con el paso de la electricidad por un tubo de vacío interesándose en los misteriosos rayos que partían del polo negativo. Así descubrió que éstos no eran ondas, sino partículas infinitesimales, conductoras de energía negativa. Las llamó electrones y sostuvo que existían en toda clase de materia. Otros hombres de ciencia desarrollaron luego tales afirmaciones, entre ellos su discípulo Ernest Rutherford, iniciador de la teoría nuclear, decisiva para los estudios atómicos.

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La doctrina electrónica es una ciencia que con toda justicia pertenece al siglo XX. Antes de la asombrosa decena comprendida entre 1895 y 1905, al final de un siglo y al comienzo de otro el decenio que abarca de Roentgen a Einstein, el decenio que creó la concepción científica revolucionaria del siglo XX, nadie había soñado en abrir puertas, clasificar colores y contar objetos por medio del "ojo electrónico", ni tampoco en "ondas cerebrales" que se ven y se oyen, en voces que dan la vuelta al mundo, en aviones enemigos localizados por medio de tubos electrónicos ; ni en películas cinematográficas a través del éter, o en motores a los que se detiene o se hace funcionar a control remoto o en metales soldados por medio de los tubos electrónicos.

Ciertamente, cuando la no

Introducción

Es muy conveniente comenzar el estudio de los experimentos de Thompson con la presentación del fenómeno de la descarga eléctrica en gases a baja presión. Como la mayoria de los institutos carecen de equipos de tubos de descarga, se pueden aprovechar las fuentes de los equipos de espectrometría.

La experiencia debe contextualizarse en el los intentos por conocer la naturaleza de la electricidad.[ref hist 1, ref hist 2] En el análisis de la misma deben distinguirse dos problematicas diferentes:

1. La incandescencia que se produce en el gas (sobre esta cuestión trataremos en la sesión de espectrometría)

2. La naturaleza de la electricidad que produce la incandescencia: ¿qué es lo que está viajando por el gas? ¿qué está saltando de un electro a otro?

Abordar está segunda línea de investigación lleva a plantearse el diseño de experimentos para decidir si la electricidad tiene una naturaleza corpuscular u ondulatoria. En ocasiones, algunas de las ideas que proponen los alumnos se corresponden con los diseños experimentales históricos. Otros montages deben ser sugeridos por el profesor. Si no se dispone de los tubos de descarga para reproducir los experimentos se puede recurrir a filmaciones de los mismos. En cualquier caso, uno de los experimentos se puede reproducir con las fuentes de los equipos de espectrometría.

En la sesión presencial se trabajó de forma análoga a como se procede en el aula con alumnos. La diferencia fundamental fue que surgieron todas las propuestas correspondientes a los montages históricos (cosa que evidentemente no suele pasar en clase). A continuación pasamos a cometar los diferentes experimentos que se pueden hacer y en cada caso nos referiremos a las propuestas con ellos relacionados.

Ficha de trabajo utilizada en la sesión: versión Word versión PDF

Experimento del molinillo

Una propuesta para determinar si la descarga eléctrica está formada por ondas o partículas consiste en estudiar si es capaz de mover un objeto. El ejemplo típico es hacer girar un molinillo. La hipótesis que se hace es que si se observa que el molinillo gira las descarga eléctrica debe estar constituida por partículas. Al realizar el experimento se comprueba que efectivamente la descarga eléctrica produce el giro del molinillo.

El paso de la electricidad por el tubo de descarga origina el movimiento de las aspas del molinillo

Vídeo del experimento (600Kb)

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Pero en la interpretación de este resultado es necesario ser precabido. Las ondas electromagnéticas, según la teoría de Maxwell, también son capaces de mover los objetos, ya que no solo transportan energía sino que también transportan cantidad de movimiento. Si el experimento apoya la idea de una concepción corpuscular de la electricidad es por el orden de magnitud de la cantidad de movimiento implicada. Se trata pués de una "prueba circunstancial" que no permite una sentencia firme. [Ref hist 4]

Efecto del campo electrico y del campo magnético

Otra posibilidad para determinar la naturaleza (ondulatoria o corpuscular) de los rayos catódicos es analizar el efecto que sobre ellos produce un campo eléctrico o un campo magnético. La hipótesis ahora es que si los rayos están formados por partículas cargadas deben desviarse cuando son sometidos a la acción de un campo eléctrico o de un campo magnético. Efectivamente tanto un campo eléctrico como un campo magnético cambia la dirección del rayo catódico. El experimento es compelejo de realizar con campo eléctrico, pero relativamente sencillo con campo magnético.

A continuación presentaremos cuatro variaciones diferentes del experimento de desviación de rayos catódicos por la acción de campos magnéticos. Las tres primeras requieren para su realización de diferentes tipos de tubos de descarga. La cuarta, que no es tan vistosa como las anteriores, se puede hacer con los tubos espectrales de los equipos de espectrometría. En todos los caso, para regular la intensidad del campo magnético que se aplica, proponemos la construcción de un sencillo electroimán, utilizando material de electricidad del que se dispone en los centros [Detalles técnicos de la construcción del electroimán]

Efecto del campo magnético utilizando un tubo de descarga con una pantalla interpuesta que permite visualizar el punto de incidencia del rayo

Para estudiar el efecto del campo magnético sobre el rayo catódico, el tubo de descarga más adecuado es el que dispone de una pantalla interpuesta entre los electrodos que permite visualizar el punto de incidencia del rayo. Nosotros empleamos uno, como el reproducido en la ilustración (Figura 1), en el que la pantalla permite visualizar el punto de incidencia de los rayos solo por uno de sus costados.

Figura 1

Figura 2

Con este tubo hemos diseñado dos experiencias. En la primera experiencia utilizamos el electrodo de la izquierda como negativo y aplicamos un campo magnético perpendicular a la dirección del rayo y dirigido hacia el lado desde el que observamos. En el esquema de la Figura 2 este campo magnético es perpendicular al plano de la representación y dirigido hacia afuera.[Detalle de la disposición del electroimán] Se observa que el rayo catódico se desvia hacia abajo, como corresponde a un haz de partículas negativas.

La desviación del rayo catódico al aplicar un campo magnético hacia afuera es la que corresponde a un haz de partículas negativas

Vídeo del experimento (550 Kb)

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En la segunda experiencia diseñada con el mismo tubo, empleamos el electrodo de la derecha como negativo. Entonces la pantalla proyecta una sombra sobre la cara izquierda del tubo. Un campo magnético aplicado en la misma dirección que antes, desvia el límite superior de esta sombra hacia arriba.

La aplicación de un campo magnético hace que el límite superior de la sombra se desplace hacia arriba.

Vídeo del experimento (500 kb)