El experimento de Thomson

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.

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.

Los resultados fueron sorprendentes ya que, independientemente del material que se usara para el electrodo, la relación q/m era constante, lo que significaba que los corpúsculos responsables de los rayos catódicos eran siempre iguales y no dependían del material de partida. Además, la relación q/m era muy inferior a la ya conocida del átomo de hidrógeno. Con esto, Thomson ya pudo predecir que había descubierto una partícula fundamental con un peso muy inferior al átomo de hidrógeno.

Para confirmarlo, Thomson hizo un tercer experimento con el que obtuvo una aproximación de la carga de esta partícula. En este caso, su resultado no fue tan acertado como en el resto de sus experimentos, pero su intento fue el germen del que sería uno de los experimentos más importantes de la física, con el que Millikan logró obtener el valor de la carga del electrón, pero eso es otra historia ;P.

En 1906 J.J. Thomson recibió el premio Nobel de física por el descubrimiento de esta nueva partícula que acabaríamos llamando electrón.

Curiosidades de la ciencia

Thomson no habló del electrón en sus primeros resultados. Él se refería a esta partícula como corpúsculo. El nombre de electrón curiosamente fue acuñado anteriormente al descubrimiento de Thomson por el físico irlandés George Johnstone Stoney, que en 1874 publicó una hipótesis según la cual la electricidad estaba formada por pequeños corpúsculos llamados electrones. Está claro que Stoney no andaba muy desencaminado.

Otros artículos de la serie descubriendo el átomo

Rutherford: la radiactividad y el descubrimiento del núcleo atómico. 

Bohr (I). El átomo y el cuanto.

Bohr (II). ¿Cómo convencer a la comunidad científica?

James Chadwick y el Neutrón.

Bibliografía

Carriers of negative electricity. Nobel Lecture, December 11, 1906. Joseph J. Thomson

http://library.thinkquest.org/19662/high/eng/exp-thomson.html

http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/thomson1897.html

Otros recursos

Brian Cox explicándonos el descubrimiento de Thomson (eso sí, en inglés):

Los tres experimentos de Thomson en El Tamiz  Como siempre, una gozada leer un artículo sobre el tema en El Tamiz.

Publicado el 1 octubre, 2012 en Curiosidades de la ciencia, Descubriendo el átomo, Grandes experimentos de la física y etiquetado en , , , , . Guarda el enlace permanente. 10 comentarios.

  1. Me ha gustado mucho este articulo. Este año llevo la asignatura de Química, y en uno de los primeros capítulos habla del descubrimiento del electrón y la verdad es que no se extiende mucho, por lo que este articulo me ayudado a comprender mejor el experimento de Thomson.

    Por cierto estoy totalmente deacuerdo con tu recomendación sobre el Tamiz., son unos fenómenos.

    Saludos y animo con el blog.

    • Lo impresionante de este experimento es lo sencillo que parece ahora, pero lo complicado que fue para la época. La verdad es que los finales del siglo XIX y principios del XX fue una época increíble para la ciencia, una auténtica revolución del conocimiento.

  2. Hay un problema con las ecuaciones planteadas!. La ecuación de la trayectoria corresponde a una parábola solo para la región de acción de los campos magnético y eléctrico. Una vez recorrida dicha región, la partícula continua su trayectoria pero en linea recta. Por ello la ecuación planteada SOLO es valida para cierto tramo del tubo de rayos catodicos (Experimento de JJ. Thompson)

  1. Pingback: El experimento de Thompson

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