[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El átomo físico clásico] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [La electricidad y el átomo] [La constante de Faraday y la electrolisis] [Experimentos con tubos de rayos catódicos] [Modelo atómico de Thomson] [Otros modelos atómicos clásicos] [Modelo atómico de Rutherford] [Introducción al núcleo atómico] [Estequiometría de isótopos] [Referencias]
El modelo de Thomson para el átomo de 1904 es el primero
modelo en el cual los procesos físicos se apoderan del modo en que ha de
investigarse al átomo, en este sentido, las relaciones de una especie química
con otra no son tan relevantes como las propiedades internas del átomo. Y son
esas propiedades internas las que empiezan a poder ser estudiadas mediante
avances en la investigación de la electricidad. Uno de estos avances son los
tubos de descarga (Sinclair, 2013). Los tubos de descarga son tubos en los que se
extrae el aire y se llenan con un gas, igualmente, el interior del tubo es
acondicionado con un par de electrodos que permite realizar la descarga
eléctrica por medio de un circuito, el circuito se completa no por un cable
sino por el semivacío que se obtiene al extraer el gas interno. Uno de los
mayores retos es lograr que el material del tubo logre resistir la temperatura
y también sea aislante con respecto al medio externo.
Figura 4‑1. El
tubo de descarga. En los tubos de descarga se forma un circuito al
interior del tubo gracias a la baja presión, los electrones fluyen desde el
cátodo hacia el ánodo completando el circuito (YouTube).
Estos tubos explotan el fenómeno de la Descarga Eléctrica en
los Gases y operan mediante la ionización del gas cuando se aplica un voltaje
lo suficientemente alto como para generar una conducción eléctrica mediante el
fenómeno subyacente de la descarga de Townsend. El voltaje necesario para
iniciar la descarga y mantenerla depende de la presión y la composición del
gas, así como de la geometría del tubo. Los tubos de descarga son muy empleados
como bombillas de luz a gas, sin embargo, en el estudio del átomo sirvieron
para señalar que estos no eran partículas indivisibles como planteaban Leucipo
y Demócrito.
El tubo de Geissler
La condición más
importante para adquirir la tecnología del tubo de descarga es el vacío, esta
tecnología se adquirió en 1654 con la invención de la bomba de vacío por Otto
von Guericke (1602-1686). En 1705 fue reportado que las chispas de un
generador electrostático eran más estables en un ambiente de baja presión de
aire (Kurzweil,
Richter, & Schneider, 1990).
En 1838 Michael Faraday (1791-1867) logró pasar corriente eléctrica a través de
un tubo de vidrio con baja presión de aire, notando simultáneamente la
formación de un extraño arco de luz entre los extremos del cátodo “electrodo
negativo” y el ánodo “electrodo positivo” (Faraday,
1838). En
1857 el fabricante de tubos de vidrio “y físico aficionado” germánico llamado
Heinrich Geissler (1814-1879) inventó una bomba de vacío más potente con la
cual pudo reducir la presión atmosférica mil veces (10-3
atm).
Figura 4‑2.
Heinrich Geissler
(Igelshieb, 26 de mayo de 1814- Bonn, 24 de enero de 1879), fue un
inventor alemán, reconocido por idear el Tubo de Geissler, elemento clave para
el desarrollo de la tecnología electrónica de los tubos de vacío. Heinrich
Geissler, fìsico y diestro soplador de vidrio, se dio a la tarea de fabricar
tubos de diversos tamaños, formas y colores estos tubos llamaron la atención de
los físicos de su época quienes lo usaron para sus experimentos extrayéndoles
el aire mediante bombas de aire al vacío y poniendo en su lugar algún gas a
baja presión.
Al repetir los experimentos de Faraday en sus nuevos tubos
de vacío Heinrich Geissler encontró que, en lugar de un arco, se formaba un
brillo de iluminaba la totalidad del tubo. La electricidad necesaria se
encontraba entre los 100 kilovoltios o más (Bussalo,
1993; Garritz, 2005). Semejante a una
lámpara de Neón el tubo de Geissler solo lograba generar un rayo que viajaba
muy cortas distancias. La luz generada en los tubos de Geissler no presentaba
propiedades diferentes a las de cualquier otro tipo de luz, es decir, no se
trataba de rayos catódicos.
Figura 4‑3.
William Crookes (Londres,
17 de junio de 1832-ibídem, 4 de abril de 1919) fue un químico inglés, uno de
los científicos más importantes en Europa del siglo XIX, tanto en el campo de
la física como en el de la química. En 1863 ingresó en la Royal Society,
y fue nombrado Sir en 1910. Es conocido por ser el inventor del tubo de rayos
catódicos, por el descubrimiento del elemento talio, y por ser el primero en
analizar el gas helio en laboratorio.
El tubo de Crookes
Los tubos de Crookes fueron diseñados a partir de los tubos
de Geissler por parte de William Crookes “imagen siguiente” (1832-1919). La
diferencia primordial entre los dos era el mejoramiento de las bombas de vacío,
mientras que los tubos de Geissler solo llegaban a una milésima de la atmósfera
normal (10-3 atm), los tubos de Crookes alcanzaban una presión de
entre una millonésima y una cienmillonésima de la atmósfera normal (10-6 y
10-8 atm) (Dylla, 2006).
La nueva bomba de vacío había sido desarrollada por un colaborador
de Crookes (Redhead,
1999) llamado
Charles A. Gimingham. Una vez que se iniciaba la descarga eléctrica, la luz
generada normalmente por un tipo de Geissler desaparecía en un área oscura
denominada el Espacio Oscuro de Crookes (Aston,
1911).
Figura 4‑4.
Tubo de Crookes. Para su tiempo, los rayos de un tubo de Crookes
eran un descubrimiento inesperado en las investigaciones sobre circuitos y
electricidad, muchas modificaciones fueron realizadas al tubo de Crookes para
determinar sus propiedades (YouTube).
El área
oscura se extendía eliminando el brillo totalmente excepto por la cubierta de
vidrio en el extremo positivo “ánodo”. El vidrio del extremo positivo emite una
fluorescencia verde-amarilla que puede ser amplificada mediante pintura
fluorescente. Hasta este punto hemos descrito el fenómeno del tubo de
Crookes sin apelar al modelo que lo explica. En resumen, se trata de tubos con
menor presión con un gas que es estimulado por un campo eléctrico, lo cual
genera una fluorescencia en el extremo positivo “ánodo”.
Experimentos con los tubos de
Crookes
Figura 4‑5.
Eugen Goldstein (5 de septiembre de 1850-26 de diciembre de 1930)
fue un físico alemán. Fue un investigador, el descubridor de los rayos
anódicos. Fue profesor de la Universidad de Berlín. Se dedicó a investigar las
descargas en los gases enrarecidos. Oponiéndose a Crookes, creyó que los rayos
catódicos eran, a semejanza de la luz, de naturaleza ondulatoria. Los
planteamientos de Goldstein fueron los que le dieron la posibilidad a Thomson
para que los recogiera y formulara el modelo atómico de Thomson.
Los tubos de Crookes fueron empleados en docenas de
experimentos celebres para poder determinar la causa de la fluorescencia en el
extremo positivo del circuito (Dahl, 1997). Se propusieron
dos modelos, los científicos británicos Crookes y Cromwell Varley creían que se
trataba de corpúsculos o materia radiante, es decir átomos eléctricamente
cargados.
Investigadores germánicos como Gustav Wiedemann, Heinrich
Hertz, y Eugen Goldstein opinaban que se trataba de vibraciones del “éter”,
alguna forma nueva de radiación electromagnética y estaban separados de la
causa que transportaba la corriente eléctrica a través del tubo (Dahl, 1997).
Estas hipótesis generaron una serie de experimentos por
varios físicos, los cuales conllevarían a los trabajos de Jean Perrin y J. J.
Thomson, en los cuales se determinaría que se trataba de corpúsculos con una
masa y una carga negativa asociada. En la actualidad estas partículas causantes
del brillo fluorescente en el extremo positivo del tubo de Crookes es
denominado electrón.
El
experimento de Lenard
Philipp Eduard Anton von Lenard (1862-1947) modificó el tubo
de Crookes. Colocando una placa de aluminio justo en el punto donde los rayos
catódicos impactaban en lugar de vidrio, esta placa es denominada la ventana de
Lenard. Más allá de la ventana se ubicaba una superficie de revelado
fotográfico que serviría como el detector.
La cuestión era bien simple, analizar si las partículas de
los rayos catódicos podían atravesar sobre láminas de materia, lo cual
hicieron (Falconer, 1987; Schonland, 1923; Thomson, 1897; Whiddington, 1914). Lenard encontró que los
rayos catódicos podían penetrar los materiales mucho más que cualquier
sustancia hecha de átomos. Algunos emplearon este resultado para argumentar que
los rayos catódicos eran ondas, pero posteriormente se determinó que se trataba
de una de las propiedades consecuentes de la extrema pequeñez de los
electrones.
El experimento de Plüker o de
la cruz de Malta
Mejor conocido como el experimento de la cruz de Malta, fue
realizado en 1869 por Julius Plücker (Arabatzis, 2009; Brok, 2005). El montaje se trataba de
construir una figura cerca del extremo positivo del tubo “ánodo”, el cual
contaba con una palanca que permitía plegarlo, por lo que el mismo tubo podía
ser empleado como un tubo de Crookes estándar o como un tubo con la cruz de
Malta “En la actualidad es imposible imaginar un tubo de Crookes sin una cruz
de Malta”. Dos son los resultados más representativos del experimento de la
cruz de Malta:
1- Al encenderse el tubo de Crookes se generaba una sombra
en el extremo con pintura fluorescente con la misma forma que la placa con la
cruz de Malta. Esto implicaba necesariamente que se trataba de algo que viajaba
desde el cátodo, parte de esa sustancia era capturada por la cruz de Malta,
mientras que lo demás pasaba derecho. Debido a que la forma de la cruz de Malta
no se hacía más grande o más pequeña se razonaba que se trataba de algo que
viajaba en línea recta, es decir un rayo.
2- La fluorescencia es limitada, el vidrio o la pintura
disminuía su capacidad para brillar después de algunos minutos, capacidad que
podía ser recuperada después de algunos minutos. Con la cruz de Malta, si esta
era retirada con el tubo encendido, la región previamente oscura brillará con
una intensidad mayor que el resto de la placa.
Figura 4‑6.
Resultados del experimento de la cruz de Malta (YouTube).
Los experimentos de Goldstein
Eugen Goldstein (1850-1930) fue un físico alemán que trabajó
ávidamente con los tubos de descarga de Crookes, le dio su nombre a los rayos
catódicos y sus opuestos los rayos anódicos –que él denominó rayos canales. Goldstein
en 1876 (Raizer, Kisin, & Allen, 1991; Thomson, 1900) encontró que los rayos del tubo de Crookes
son disparados siempre en dirección perpendicular a la superficie del cátodo.
Si el cátodo era una placa plana, los rayos eran disparados en forma de
líneas rectas perpendiculares al plano de la placa.
Figura 4‑7.
Experimento de Goldstein 1. Los tubos de Crookes son literalmente
aceleradores de partículas, ya sean electrones (Cátodo a Ánodo) o protones
(Ánodo a Cátodo). Gracias a los canales en el ánodo logró determinarse la
existencia de una simetría, sin embargo, al parecer estos rayos no fueron
tomados en cuenta a la hora de la formulación del modelo del pastel con paces
del átomo.
Esta era una evidencia de que se trataba de partículas, debido
a que la radiación ondulatoria emite en todas las direcciones posibles. Debido
a que estos rayos avanzaban desde el cátodo para impactar en el ánodo fueron
denominados por Goldstein como los Rayos Catódicos. La superficie de la placa
puede ser alterada y en consecuencia la dirección de los rayos de los tubos de
Crookes manipulada. Una placa cóncava tiene el potencial de concentrar los
rayos de toda la placa en un único punto, el cual puede transmitir grandes
cantidades de energía en forma de calor.
Figura 4‑8.
Experimento de Goldstein 2. En el siguiente modelo los platos (d)
y (e) representan electrodos de un segundo circuito que genera un campo
eléctrico.
Figura 4‑9.
Experimento de Goldstein 3. La demostración de que los rayos
catódicos tienen carga eléctrica negativa se debe a que se alejan del polo
negativo en un magneto (YouTube).
Figura 4‑10. El
experimento de la veleta. Los rayos catódicos empujan la veleta, la
transferencia de momento cinético del rayo a la veleta demostró que estos tenían
masa, y que estaban compuestos por partículas invisibles que se aceleraban, así
pues estos son los primeros aceleradores de partículas (YouTube).
Otro experimento de Goldstein bastante célebre fue realizado
en 1886, en el cual el cátodo estaba hecho con canales huecos. Cuando el tubo
fue activado pudo notarse la presencia de luminosidad detrás de cátodo.
Posteriormente se determinó la existencia de un rayo opuesto al catódico,
es decir uno que provenía desde el ánodo y que al atravesar los canales de
ánodo podían ser detectados. Debido a la necesidad de crear canales en el
ánodo, estos rayos fueron denominados Rayos Canales (Freeman, 1987).
Los
experimentos de Hertz, Schuster y Perrin
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) construyó un tubo con un
segundo par de placas metálicas cuya función sería la de generar un campo
magnético de forma paralela a la dirección del reyo catódico. Cuando fuese
activado, una placa actuaría como el polo positivo y otra como el polo negativo (Dahl, 1997).
Si el rayo catódico tuviera carga, el campo eléctrico sería
capaz de desviarlo y la dirección de la desviación indicaría la carga. Hertz no
encontró ninguna desviación, sin embargo, experimentos posteriores mostraron
que sus tubos de Crookes no tenían una presión lo bastante baja y además la
carga eléctrica no era lo suficientemente alta. Posteriormente el físico alemán
Franz Arthur Friedrich Schuster (1851-1934) repitió el montaje de Hertz pero
con un mayor voltaje. Los resultados fueron que el rayo era desviado
efectivamente por el campo eléctrico, alejándose del polo negativo y siendo
atraído por el polo positivo. Esto fue evidencia directa de que la carga de los
rayos catódicos era negativa (Dahl, 1997). Hertz argumentaba que los
rayos catódicos eran ondas, y otros físicos proponían que los rayos catódicos
eran acompañados de los verdaderos portadores de la carga negativa. Perrin
hacia 1895 modificó el tubo de Crookes para capturar los rayos catódicos y
enviarlos a un electroscopio, este determinó la carga negativa de los rayos.
Los rayos catódicos, los
experimentos de Crookes
Crookes realizó experimentos semejantes a los de un campo eléctrico generado por
corriente eléctrica, pero en lugar de un circuito empleó imanes simples. La
dirección de desviación era la misma, los rayos catódicos eran alejados por el
polo negativo y atraídos por el polo positivo. Crookes también colocó turbinas
muy ligeras en la dirección del rayo catódico, después de todo, si eran
partículas que viajaban en línea recta, estas debían tener una masa asociada, y
cualquier masa asociada acelerada a una velocidad suficiente almacena un
momento cinético transferible a otra masa. En otras palabras, los rayos
catódicos debían almacenar fuerza cinética semejante a las gotas de agua en un
rio y deberían en teoría mover la turbina (Arabatzis, 2009). En la actualidad no se considera que la turbina
se mueva por la transmisión del momento cinético, sino por el calentamiento del
gas próximo a la turbina, el cual al expandirse lo mueve, en otras palabras, el
experimento de las turbinas no sirve como argumento para determinar la
naturaleza particulada de los rayos catódicos.
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