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El experimento de Thomson
Publicado por El zombi de Schrödinger
A finales del siglo XIX, el átomo era considerado indivisible. Joseph J. Thomson consiguió dar fin a esta idea mediante un importante experimento que llevó al descubrimiento de una nueva partícula: el electrón.
Tubo de vacío usado por JJ Thomson en uno de los experimentos realizados para descubrir el electrón. Expuesto en el museo del laboratorio Cavendish
Los rayos catódicos
Thomson realizó sus experimentos usando rayos catódicos, esos que encontrábamos hasta hace pocos años dentro de nuestros televisores. Pues bien, la investigación sobre estos rayos se inició a finales del siglo XIX y consistía en la creación de un tubo de vacío con dos electrodos en su interior. Los electrodos se conectan a un circuito, de forma que uno de los electrodos queda cargado negativamente (cátodo) y otro positivamente (ánodo).
Cuando el cátodo se calienta, un flujo eléctrico pasa de éste al ánodo, lo que indica que está cargado negativamente y además se puede producir iluminación si se coloca una sustancia fluorescente al final del tubo. Estos rayos se emiten siguiendo una línea recta entre cátodo y ánodo y siguen así si no encuentran interferencias.
Se sabía que estos rayos podían ser desviados por un campo magnético, pero los intentos de desviarlos con un campo eléctrico habían sido infructuosos. Thomson pensaba que esto podía ser un problema de insuficiente vacío en el tubo, así que construyó su propia versión para conseguir el vacío más perfecto posible dentro de él.
El experimento de Thomson
Thomson preparó su tubo con un cuidado extremo, consiguiendo el mejor vacío del que fue capaz e incluyendo dos placas dentro que servirían para generar un campo eléctrico. La sección del tubo usado para el experimento es la siguiente:
Sección del tubo con el campo eléctrico activado.
Los rayos salían del cátodo, atravesaban el ánodo, cruzaban la región en la que podían activarse tanto el campo eléctrico como el magnético y terminaban en el lado opuesto del tubo. En esta parte final, Thomson dibujó una serie de señales para medir la desviación de los rayos. El campo magnético era generado por unos electroimanes exteriores al tubo.
Gracias al vacío conseguido por Thomson en su tubo, pudo ver cómo los rayos catódicos se desviaban por la acción del campo eléctrico. Además, en un experimento anterior, ya había demostrado que la carga negativa y la luminosidad eran indivisibles, al contrario de lo que pensaban algunos investigadores.
Cómo calculó la velocidad
Thomson quería saber más acerca de estos rayos, así que aprovechó los campos magnético y eléctrico para calcular la velocidad. El campo magnético desviaba el rayo hacia una dirección, y el campo eléctrico hacia la contraria, de forma que ajustando las intensidades de ambos podía conseguir que el rayo mantuviera su dirección original y llegara recto al final del tubo.
Ahora bien, Thomson sabía que la fuerza que ejercía el campo magnético era
F = Bqv, donde B era la intensidad del campo magnético, q era la carga de las partículas que formaban el rayo y v la velocidad de las mismas.
Por otro lado, Thomson sabía que la fuerza ejercida por el campo eléctrico era
F = Eq, donde E era la intensidad del campo eléctrico.
1. Cuando los campos magnético y eléctrico están desactivados, el rayo catódico mantiene su dirección original en línea recta.
2. Con el campo eléctrico activado, el rayo catódico es atraído por la carga positiva del mismo doblándose hacia “arriba”.
3. Con el campo magnético activado, el rayo catódico sufre una fuerza que le hacer girar hacia “abajo”. La orientación del campo magnético en este caso sigue la línea de un lápiz que atravesara la pantalla.
4. Con los campos magnético y eléctrico activados, Thomson fue probando con la intensidad de ambos hasta que el rayo catódico siguió una línea recta. Es decir, Thomson configuró ambos campos para que las fuerzas ejercidas sobre el rayo catódico se anularan entre sí.