DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN

El neutrón no fue descubierto experimentalmente hasta el año 1932 y es que el hecho de que fuera una partícula neutra dificultaba enormemente su detección. De hecho, como se puede observar el el vídeo, solamente su detección indirecta es posible.

Los indicios sobre su posible existencia venían de la evidencia de que la masa de los átomos de helio era unas 4 veces mayor a las de hidrógeno cuando se sabía que el helio tenía dos protones y el hidrógeno uno (por lo que era de esperar una masa doble). En realidad, Marie Curie ya había evidenciado la existencia de partículas neutras con masa en sus estudios de la radioactividad.

En el experimento realizado por James Chadwick se utilizó una fuente radioactiva de polonio para emitir partículas alfa que al impactar contra una lámina de berilio emitían un segundo tipo de radiación que no se podía detectar directamente (los neutrones).

La forma de constatar este segundo tipo de radiación era colocando una segunda lámina (en este caso, de parafina) como obstáculo en su recorrido. Lo que se observaba es que como resultado de las colisiones de estas partículas "transparentes" con la parafina se emitían otras partículas que ahora sí estaban cargadas, de cuya dispersión en una cámara de gas y la corriente generada en un cátodo se podían deducir sus propiedades, apuntando a que eran protones. 

Trazando inferidas las propiedades de los protones con las que tenían que tener las partículas colisionantes (aplicando conservación de la energía y el momento lineal) se dedujo que tales partículas debían de ser neutras y poseer una masa muy parecida a la del protón. Se había descubierto el neutrón.

DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN

Eugen Goldstein tuvo la ocurrencia de realizar unos agujeros en el cátodo de un tubo de rayos catódicos. Lo que observó es que cuando aplicaba el alto voltaje además de la luz característica debida a la emisión de los rayos catódicos (electrones), aparecía otro haz luminoso de otro color detrás del cátodo. A estos rayos se los denominó rayos canales y fueron observados por primera vez en el año 1886. 

Poco tiempo después Wilheim Wien, demostró que estos rayos eran debidos a partículas de carga positiva al ver que al aplicar un campo eléctrico perpendicular a su trayectoria, ésta se curvaba hacia el polo negativo que lo generaba. En función de la desviación vertical sufrida por los rayos canales en el fondo del tubo se podía deducir la relación entre la carga y la masa (e/m). Suponiendo que la carga era idéntica que la del electrón pero cambiada de signo, se observó que la masa estaba en correspondencia con la masa atómica del elemento que ocupaba el gas. 

Se había descubierto el protón y se había confeccionado el mecanismo que derivaría en la espectroscopia de masas. La masa hallada cuando el gas utilizado era hidrógeno era 1840 veces mayor a la masa del electrón. Aunque el hallazgo no fue corroborado hasta el año 1919 cuando Rutherford encontró trazas de núcleos de hidrógeno al bombardear con partículas alfa un gas de nitrógeno.

En el vídeo de abajo se puede ver como los rayos canales se producen por la ionización de las átomos de gas al chocar con los electrones que constituyen los rayos catódicos.

DESCUBRIMIENTO HISTÓRICO DEL ELECTRÓN

El crucial descubrimiento del electrón fue el producto de décadas de investigación experimental y pequeñas contribuciones de muchas personas. Pero la autoría del mismo se la atribuye específicamente a J.J.Thomson, quien supo rellenar los huecos que los anteriores experimentos habían dejado, perfeccionarlos y combinarlos adecuadamente para sacar conclusiones claras.

El dispositivo experimental que utilizó fue el tubo de rayos catódicos (CRT). Con diferentes experimentos realizados sobre la base del CRT se definieron la propiedades de los rayos catódicos. Una de las más importantes es que no importa cual sea el material del que esté formado el cátodo, los rayos tienen exactamente el mismo comportamiento. Por lo tanto deben de estar relacionados con algún tipo de componente elemental de la materia, pues es idéntico y está presente en todos los materiales.

El experimento de Thomson más relevante fue sin duda es que aportó como resultado la medida la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón: e/m. Su estrategia para obtener este valor fue la de relacionar el campo eléctrico con el campo magnético para el que se obtenía la misma deflexión vertical.

Hoy en día hay experimentos más sofisticados que permiten obtener esa misma medida de forma más clara utilizando unas bobinas de Helmholtz que permiten crear un campo magnético tan potente que la trayectoria del rayo catódico se curva hasta encerrarse en un círculo. En ese caso, la posibilidad de utilizar el radio medido del círculo simplifica enormemente el cálculo.