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.

DEFLEXIÓN VERTICAL EN UN TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

Una de las propiedades más útiles de los rayos catódicos es de la curvarse a pasar a través de un campo eléctrico. El campo eléctrico puede crearse sometiendo dos placas conductoras paralelas a un cierto voltaje en el interior del tubo de rayos catódicos. Como producto de la fuerza eléctrica actuando sobre las partículas cargadas los rayos catódicos desviarán su trayectoria, lo que se traducirá en que su proyección en la pantalla final (ánodo) sufrirá una deflexión vertical con respecto a su posición original.

Un estudio pormenorizado, que tenga en cuenta los voltajes concretos que se apliquen entre el ánodo y el cátodo y en las placas que curvan la trayectoria de los rayos, así como la posición, orientación y tamaño exacto de todos los elementos constituyentes incluyendo el propio tubo, permiten obtener la expresión matemática exacta de la deflexión vertical (y) que se espera.

Este estudio requiere unos conocimientos previos básicos de:

• geometría
• conservación de la energía: para hallar la velocidad de partida de los rayos a sabiendas que toda la energía cinética (1/2·m·v^2) que obtienen debe provenir de toda las energía eléctrica que se acumula en el cátodo (e·V)
• vectores: para saber descomponer la trayectoria en sus dos componentes horizontal y vertical y operar con ellas por separado
• cinemática: para calcular tiempos y desplazamientos en cada eje según la velocidad inicial y eventualmente la aceleración (vertical, que entre las placas se debe a la fuerza eléctrica que generan sobre los rayos)

Así, aplicando las reglas de conservación de la energía y dividiendo el problema en fragmentos más pequeños donde se pueden aplicar las reglas de la cinemática, se obtiene que la deflexión vertical total solamente depende de dos cosas:

1. la geometría del tubo de rayos catódicos, la cual, para cada modelo particular, puede ser reducida a una constante
2. el cociente entre el voltaje aplicado entre las placas centrales encargadas de producir la deflexión y el voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo encargado de producir los rayos

El hecho de que la deflexión sea directamente proporcional al voltaje aplicado entre las placas centrales convierte al tubo de rayos catódicos en elemento principal para dos de los aparatos más utilizados por nuestra sociedad actual:

• el osciloscopio
• la televisión

Sin embargo es importante destacar que la deflexión vertical de los rayos catódicos debida a la aplicación de un campo eléctrico externo en parte de su trayectoria no depende en absoluto ni de la masa ni de la carga de las partículas asociadas a estos rayos.

PROPIEDADES DE LOS RAYOS CATÓDICOS

Con la ayuda de ciertos utensilios se pueden hacer pequeños experimentos con un tubo de rayos catódicos y obtener las principales propiedades de los rayos catódicos:

• Los rayos catódicos surgen del cátodo y se propagan en línea recta (si no hay campos eléctricos y/o magnéticos en su trayectoria).
• Deben de tener masa, ya que son capaces de hacer mover las aspas de un molinete al transmitirle su energía cinética.
• Deben de tener carga eléctrica ya que son curvados en presencia de un campo magnético.
• Igualmente si atraviesan una zona con un campo eléctrico son curvados produciéndose una deflexión.
• Pueden convertir su energía cinética en térmica aumentando la temperatura de los cuerpos con los que impactan.

RAYOS CATÓDICOS

El tubo de rayos catódicos surge como una mejora del tubo de Crookes, poniendo de manifiesto unos rayos lumínicos que aparecen cuando se aplica un alto voltaje entre sus dos electrodos. Colocando una cruz de Malta en su interior de un material duro que no puede ser atravesado por la luz ni la materia y observando donde se proyecta su sombra, se llega a la conclusión de que los rayos provienen del cátodo. De ahí su nombre.

También se comprueba que estos rayos se ven atraídos por un imán, lo cual no ocurre con los rayos de luz ordinarios. La primera evidencia experimental de este hecho fue presentada en el año 1858 por Julius Plücker tras estudiar el efecto de un electroimán sobre la descarga eléctrica en tubos de vacío (usando lo que hoy se conocen como tubos de Geissler) conteniendo gases enrarecidos. Por lo que deben tener carga eléctrica asociada. Dado que surgen del cátodo, el polo negativo,  es de esperar que su carga sea negativa también. Pero para confirmar su carga negativa lo que se hizo fue colocar unas placas conductoras paralelas entre sí, a medio recorrido dentro del tubo, y observar hacia donde y con qué grado de deflexión se curvaban los rayos si se aplicaba un voltaje dado a éstas.