Breve Historia de la Radiactividad (IV)

J. J. Thomson

En 1897 Joseph John Thomson dirigió uno de los más bellos experimentos de física de todos los tiempos: descubrió el "electrón", la primera partícula elemental, y vio que tenía carga eléctrica y, asimismo, masa; determinó la relación de carga y masa.

Vamos a recrear el experimento de Joseph John Thomson paso a paso, no sin citar a su ayudante de laboratorio Ebenezzer Everett, experto en soplados de vidrio y magnífico aparatista, que construyó la mayoría de los aparatos que J.J. diseñaba. Y es que el profesor Thomson no se caracterizaba por su habilidad manual; de hecho, Ebenezzer solía mantenerlo, sabiamente, a una distancia prudente de los aparatos.

El aparato que utilizó J.J era similar al mostrado en la figura 2, bajo estas líneas, en su representación esquemática.

Cuando J.J. conectó el polo negativo del generador de 100 voltios al cátodo, y el polo positivo al cilindro que hacía de ánodo, el haz de rayos catódicos produjo en la pantalla una franja iluminada en su centro. Hasta aquí nada nuevo ocurría. Los rayos catódicos, fuesen los que fuesen, salían del cátodo o polo negativo del tubo, pasaban por la rendija y pasaban a la pantalla, donde producía la luminiscencia correspondiente.

A continuación Thomson conectó el segundo generador a los extremos de las placas deflectoras D1 y D2 (Figura 3). Al hacerlo, la imagen de la rendija se desplazó hacía la parte de la placa de deflexión unida al polo positivo. 

La conclusión fue inmediata: los rayos catódicos tenían carga negativa, puesto que eran atraídos por la placa positiva y repelidos por la negativa. Pero si esto era cierto, el paso de las cargas que se desplazaban desde el cátodo hasta el ánodo debía ser equivalente a una corriente eléctrica que se desplazaba por un cable. Y sabemos que, de acuerdo con los experimentos de Faraday, cuando un cable conduce una corriente eléctrica y se sitúa cerca de un imán, el cable se mueve.

¿Pasaría lo mismo con los rayos catódicos? J.J. Thomson lo averiguó rápidamente colocando un imán en la forma indicada en el esquema que vemos en la Figura 4 (en realidad colocó un electroimán, que permitía variar la intensidad del campo magnético).

El experimento

Y, efectivamente, la imagen de la rendija se desplazó hacia abajo, como corresponde al efecto de un campo magnético sobre una carga negativa en las condiciones de la figura. Manipulando los voltajes de los tres generadores, el primero unido al cátodo y ánodo el de las placas deflectoras y el que produce el campo magnético, se entendía perfectamente lo que estaba ocurriendo:

1) En la región del cátodo se producían partículas negativas de carga e y masa m a las que llamaremos electrones.

2) Los electrones repelidos por el cátodo negativo y atraídos por el ánodo positivo, se aceleran hacia la pantalla con una velocidad que depende del voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo.

3) Cuando los electrones, animados de una velocidad v, pasan por la región de las placas deflectoras, sufren una fuerza igual al producto del campo eléctrico por la carga: E · e.

Esta fuerza produce una aceleración a= F/M y es muy sencillo calcular el punto en que el electrón impacta en la pantalla, en función de e y m si se conoce v.

Como e y m son desconocidos, pero el ángulo de deflexión se puede medir, se obtiene la relación e/m.

Pero J.J. Thomson no conocía la velocidad de los electrones, por eso empleó también el efecto del campo magnético sobre el electrón, que depende asimismo de la velocidad, carga y masa.

En el caso de una carga en movimiento, el electrón dentro de una región con un campo magnético B, la fuerza es perpendicular a la velocidad del electrón e igual al producto e · v · B.

En la situación experimental que diseñó Thomson, el efecto del campo magnético podía anular el efecto del campo eléctrico e · E = - e · v · B de donde obtuvo el valor de la velocidad, v= E/ B.

Conocida la velocidad, con cualquiera de los dos experimentos de deflexión podía obtener e/m.

En el caso del efecto del campo eléctrico, es la fuerza del campo, F actúa sobre el electrón durante el tiempo que tarda en recorrer la longitud de placas, es decir T = d/v y como la fuerza.

F = e · F la aceleración es F/m, durante el tiempo T adquiere una velocidad vertical.

V · v= a· t = e · E· t/m, de donde se deduce R /m

Por un procedimiento semejante se puede deducir e/m del resultado de la deflexión producida por un campo magnético.

La fuerza F = e· V · B produce una aceleración perpendicular siempre a la velocidad, de valor a = e· v· B/m.

Pero una aceleración perpendicular a la velocidad produce un movimiento circular uniforme, cuyo radio se calcula fácilmente igualando la fuerza magnética, que es la fuerza centrípeta, a la fuerza centrífuga:

a = e·v·B = m·v2/ r

e·B =m·v/r

Siendo el radio de la trayectoria: r = m·v/e· B

En la figura se ve fácilmente que la longitud de la región del campo B cumple la condición:

l=r·sen(a); a = arcsen(l/r)

J.J. Thomson nació en 1856 en Manchester donde su padre era editor y tenía una librería de libros antiguos. Murió en Agosto de 1940 y está enterado en la Abadía de Westminster, cerca de las tumbas de Newton y Darwin.

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