Rayo Catódico

Rayo Catódico

Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo(electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente. Los rayos viajan hacia el ánodo en línea recta, y continúan más allá de él durante una cierta distancia. Este fenómeno fue estudiado por los físicos a finales del siglo XIX, otorgándose un premio Nobel a Philipp von Lenard. Los rayos catódicos primeramente fueron producidos por los tubos de Geissler. Los tubos especiales fueron desarrollados para el estudio de estos rayos por William Crookes y se los llamó tubos de Crookes. Pronto se vio que los rayos catódicos están formados por los portadores reales de la electricidad que ahora se conocen como electrones. El hecho de que los rayos son emitidos por el cátodo, es decir el electrodo negativo, demostró que los electrones tienen carga negativa.

Los rayos catódicos se propagan en línea recta en ausencia de influencias externas e independientemente de dónde se sitúe el ánodo, pero son desviados por los campos eléctricos o magnéticos (que pueden ser producidos colocando los electrodos de alto voltaje o imanes fuera del tubo de vacío - esto explica el efecto de los imanes en una pantalla de TV). El refinamiento de esta idea es el tubo de rayos catódicos (CRT), también conocido como tubo de Crookes (porque fue inventado el 1875 por William Crookes). El CRT es la clave en los televisores, lososciloscopios, y las cámaras de televisión vidicon.

En el año 1897, el físico inglés Joseph John Thompson estudió el comportamiento y los efectos de los rayos catódicos. En sus experimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que lleva soldados dos electrodos conectados a una gran tensión (de 20000 a 100000 voltios) se hace el vacío (aproximadamente 0,001 mmHG), al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo, que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes del electrodo negativo, que llamaron rayos catódicos. Según las observaciones de Thomson, estos rayos:

• Se propagan en línea recta.

• Al colocar un imán, se produce un campo eléctrico el cuál desvía a los rayos catódicos. (Regla de la mano derecha)

• Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos.

• Si se pone unas aspas delante, las hace girar, demostrando así que el electrón tiene masa.

• Sus componentes, los electrones, son universales, puesto que al cambiar el gas contenido en el tubo, no cambia la naturaleza de los rayos.

El físico inglés J.J Thomson, en 1897, al estudiar las propiedades y los efectos de los rayos catódicos, dedujo inicialmente su carácter corpuscular y su naturaleza eléctrica negativa.

Una vez hecho el estudio de la relación carga/masa para tales partículas, se obtuvo siempre el mismo valor (1,758796 × 1011 C/kg) fueran cuales fuesen las condiciones en las que se produjeran los rayos y la naturaleza del gas encerrado en el tubo. A propuesta del físico irlandés George Johnstone Stoney, se bautizó a estas partículas con el nombre de electrones, suponiéndolas como partículas elementales de la electricidad o, como se dice en la actualidad, cargas eléctricas elementales.

Posteriores investigaciones de Milikan, en 1913, y de Hopper y Labby, en 1941, permitieron obtener el valor de la carga eléctrica que poseen, así como también deducir su masa.

• Carga del electrón: -1,602 × 10-19 C

• Masa del electrón: 9,1 × 10-31 kg

Las principales propiedades de los rayos catódicos son las mostradas a continuación:

• Los rayos catódicos salen del cátodo perpendicularmente a su superficie y en ausencia de campos eléctricos o magnéticos se propagan rectilíneamente.

• Son desviados por un campo eléctrico, desplazándose hacia la parte positiva del campo.

• Son desviados por campos magnéticos.

• Producen efectos mecánicos; la prueba de ello es que tienen la capacidad de mover un molinete de hojas de mica que se interpone en su trayectoria.

• Transforman su energía cinética en térmica, elevando la temperatura de los objetos que se oponen a su paso.

• Impresionan placas fotográficas.

• Excitan la fluorescencia de algunas sustancias, como pueden ser el vidrio o el sulfuro de cinc.

• Ionizan el aire que atraviesan.

Rayo Anódico

Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos positivos construidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el electrodo negativo en un tubo de Crookes.

Estos rayos fueron observados por vez primera por el físico alemán Eugen Goldstein, en el año 1886. Además, el trabajo realizado por científicos como Wilhelm Wien y Joseph John Thomson sobre los rayos anódicos, acabaría desembocando en la aparición de la espectrometría de masas.

Estos rayos anódicos se forman cuando los electrones van desde el cátodo (-) al ánodo (+), y chocan contra los átomos del gas encerrado en el tubo. Como las partículas del mismo signo se repelen, estos electrones que van hacia el ánodo arrancan los electrones de la corteza de los átomos del gas, el átomo se queda positivo, al formarse un ion positivo, éstos se precipitan hacia el cátodo que los atrae con su carga negativa.

Propiedades y efectos de los rayos

• Su carga es positiva e igual o múltiplo entero de la del electrón.

• La masa y la carga de las partículas que constituyen los rayos canales varía según la naturaleza del gas encerrado en el tubo y, generalmente, aquella es igual a la masa atómica de dicho elemento gaseoso.

• Son desviados por campos eléctricos y magnéticos, desplazándose hacia la parte negativa del campo.

Radioactividad

El científico francés Antoine Henry Becquerel, en 1896, cuando se encontraba estudiando las propiedades de ciertos minerales entre ellos sales de uranio, conclu¬yó que emitían espontáneamente un tipo de radiación de mayor poder de penetra¬ción que los rayos X pues velaban una placa fotográfica aún cuando estuviera en la oscuridad y cubierta por una envoltura protectora. En 1898 los esposos Fierre y Mane Curie se interesaron por los descubrimientos de Becquerel y mediante sus investigaciones lograron descubrir los elementos radio (Ra) y polonio (Po) que emitían radiaciones semejantes al uranio (U) y por ello se les denominó materiales radiactivos.

Rutherford logró separar estas radiaciones, por medio de .un campo eléctrico, en tres tipos que detectó en una pantalla:

Fig. 3.5 Radiaciones emitidas por materiales radiactivos y su comportamiento frente a un campo eléctrico.

De las observaciones realizadas por Rutherford se concluye la naturaleza eléctrica de la materia y el fenómeno de transmutación de los elementos, es decir, la trans¬formación de un elemento en otro por emisión de radiaciones alfa, beta y gama. Los materiales radiactivos tienen gran influencia en el mundo actual por sus impli¬caciones en las fuentes de energía nuclear para barcos, submarinos, centrales ener¬géticas nucleares, satélites y en la fabricación de las bombas atómicas. Por otro lado, el efecto fisiológico de la exposición a las emisiones radiactivas es de consecuencias fatales pues las quemaduras producidas son de tipo cancerígeno y así mismo afectan el código genético de los cromosomas de las células sexuales con repercusiones graves sobre la descendencia.

Teoría Cuántica

Cuando un cuerpo es calentado emite radiación electromagnética en un amplio rango de frecuencias.

El cuerpo negro (ideal) es aquel que además absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su temperatura.

A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX consistía en que si bien el espectro teórico y los resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias (infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este problema era conocido con el provocativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que la predicción teórica diverge a infinito en ese límite.

Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética.

Para resolver la catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es emitida de manera continua sino en cuantos de energía discreta, a los que llamamos fotones.

La energía de estos fotones es:

E (fotón) = h.ν

ν : Frecuencia de la radiación electromagnética (s-1)

h : constante de Planck

h = 6,62.10-27 erg.s

h = 6,62.10-34 J.s

Cuando la frecuencia de la radiación es baja el efecto de la discretización se vuelve despreciable debido al minúsculo

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