Respuestas
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.
Cuando los rayos se mantenían rectos aplicando un campo magnético y otro eléctrico, se cumplía la siguiente relación:
Bqv = Eq, o lo que es lo mismo: Bv = E, y a partir de esta relación pudo calcular la velocidad como el cociente entre la intensidad del campo eléctrico y el magnético (E/B).
thomson conocía los valores de intensidad de los campos eléctrico y magnético que estaba aplicando, así que pudo calcular la velocidad de las partículas; el resultado aproximado fue de 1/3 de la velocidad de la luz cuando conseguía las mejores condiciones posible de vacío en el tubo. Esto significaba que no se podía tratar de una onda electromagnética, ya que estas viajaban a la velocidad de la luz en el vacío. Thomson ya lo sospechaba y, tras esta confirmación, quería saber algo más acerca de esos corpúsculos con carga que debían conformar el rayo catódico.
Carga y masa del electrón
Una vez conocida la velocidad, Thomson desactivó el campo magnético, de forma que el rayo quedaba desviado únicamente por el campo eléctrico (ver dibujo 2). Con estas condiciones y conociendo la velocidad, pudo obtener la relación entre carga y masa del electrón.
Para ello debía medir la aceleración que sufrían las partículas en el eje y cuando se encontraban dentro del campo eléctrico. En su ponencia de los premios Nobel, lo comparó con el cálculo del desplazamiento en la vertical de un proyectil balístico; en este caso en lugar de la aceleración provocada por la gravedad g, utilizaría la aceleración provocada por el campo eléctrico y el valor del tiempo ya lo conocía al tener el dato de la longitud (l) y la velocidad (v) que había calculado anteriormente:
Como el desplazamiento y podía medirlo en el tubo, conseguía despejar facilmente el valor q/m, es decir, el ratio entre la carga de la partícula y su masa.