Descubrimiento De Los Rayos Catódicos

Descubrimiento de los rayos catódicos.

Eugen Goldstein

Eugen Goldstein (5 de septiembre de 1850 – 26 de diciembre de 1930) fue un físico alemán. Fue un investigador de los tubos de descarga, el descubridor de los rayos anódicos, y se le acredita el descubrimiento del protón.1 Fue profesor de la Universidad de Berlín. Se dedicó a investigar las descargas en los gases enrarecidos. Oponiéndose a Crookes, creyó que los rayos catódicos eran, a semejanza de la luz, de naturaleza ondulatoria.

En 1886 observó por primera vez a los protones desde los rayos catódicos.

Los planteamientos de Goldstein fueron los que le dieron la posibilidad a Thomson para que los recogiera y formulara el modelo atómico de Thomson.

Biografía

Goldstein nació en 1860 Gleiwitz la Alta Silesia, hoy se conoce como Gliwice, Polonia. Estudió en Breslau y después, bajo Helmholtzen Berlín. Goldstein trabajó en el Observatorio de Berlín desde 1878 hasta 1890, pero pasó la mayor parte de su carrera en el Observatorio de Potsdam, donde se convirtió en jefe de la sección de astrofísica en 1927. También trabajó como abogado de Inmigración judía. Murió en 1930 y fue enterrado en el cementerio de Weißensee en Berlín.

Trabajo y obra

A mediados del siglo XX, Julius Plücker investigó la luz emitida en los tubos de descarga y la influencia de campos magnéticos en el resplandor. Más tarde, en 1869, Johann Wilhelm Hittorf estudió los tubos de descarga de rayos de energía que se extiende desde un electrodo negativo, el cátodo. Estos rayos de fluorescencia producida cuando golpean las paredes de vidrio de un tubo, y cuando es interrumpido por un objeto sólido que arrojan una sombra.

En la década de 1870 Goldstein había realizado sus propias investigaciones de los tubos de descarga, y nombró a las emisiones de luz estudiados por otros kathodenstrahlen, o los rayos catódicos. En 1886, descubrió que los tubos de descarga de cátodo perforado también emiten una luz al final del cátodo. Goldstein llegó a la conclusión que, además de los rayos catódicos ya conocida, posteriormente reconocido como electrones que se mueven desde el cátodo con carga negativa hacia el ánodo cargado positivamente, hay otro rayo que viaja en la dirección opuesta. Debido a que estos últimos rayos pasa a través de los agujeros, o canales, en el cátodo, Goldstein llamó kanalstrahlen, o los rayos del canal. Están compuestos de iones positivos, cuya identidad depende de la de gas residual en el interior del tubo. Fue otro de los estudiantes de Helmholtz, Wilhelm Wien, que más tarde llevó a cabo extensos estudios de los rayos del canal, y en el tiempo esta obra se convertiría en parte de la base de la espectrometría de masas.

El rayo de ánodo con la menor relación E / m proviene del gas hidrógeno (H2), y está hecho de iones H +. En otras palabras, este rayo es de protones. Trabajo de Goldstein con los rayos de ánodo de H + fue aparentemente la primera observación de que el protón, aunque estrictamente hablando se podría argumentar que era Wien, que mide la relación E / m del protón y tiene el mérito de su descubrimiento.

Goldstein también se utilizan tubos de descarga para investigar cometas. Un objeto, como una pequeña bola de cristal o de hierro, colocados en el camino de los rayos catódicos produce emisiones secundarias a los lados, hacia el exterior en la quema de una manera que recuerda la cola de un cometa. Véase el trabajo de Hedenus para las fotos e información adicional.2

Los Rayos Catódicos y el descubrimiento del electrón

Antecedentes Históricos

El primer experimento para tratar de determinar la carga del electrón fue llevado a cabo por Townsend a fines del siglo pasado, observando un proceso electrolítico. El experimento se basaba en algunas hipótesis, las cuales no eran del todo verdaderas. En consecuencia, el valor obtenido dista un 37,5% del valor actualmente aceptado.

Wilson mejoró la experiencia agregándole un campo eléctrico mediante placas paralelas, disminuyendo el error a 35,5%.

Estos dos experimentos utilizaban nubes de partículas suspendidas. No había forma de aislar una partícula individualmente para ser examinada en detalle.

Millikan, usando potenciales mucho mayores que los utilizados por Wilson, consiguió forzar a las gotas de agua a moverse en contra de la gravedad. Millikan pudo capturar una única gota y consiguió, liberándola y capturándola repetidas veces, llegar al valor de e con un error de 29,9%. Luego cambió las gotas de agua por partículas de aceite permitiendo períodos de observación más largos ya que las gotas no se evaporaban. De esta forma, consiguió calcular el valor de e con un 0,6%.

En la actualidad, el valor de la carga del electrón fue encontrado utilizando difracción de rayos X en cristales para determinar el número de Avogadro, el cual luego puede ser usado para obtener e (1,60217733 x 10-19 C).

Experiencia Realizada

La experiencia se basa en el planteo de la dinámica de la gota de aceite cargada en dos situaciones diferentes:

1. Caída libre en un fluido viscoso (aire)

Como se esquematiza en la figura, las fuerzas aplicadas sobre la gota son: gravitatoria, de empuje (Q) y viscosa.

Considerando el peso y la fuerza de empuje:

Podemos definir un peso aparente W de la gota en el fluido, dado por la suma de (1) y (2):

Considerando ahora a la fuerza viscosa, podemos escribirla mediante la ley de Stokes de la mecánica de los fluidos de la siguiente forma:

Donde η es el coeficiente de viscosidad del aire y a el radio de la gota considerada esférica. Considerando relación entre masa, volumen y densidad, ésta última supuesta constante en la gota, llegamos a que la fuerza neta cumplirá la siguiente ecuación, de acuerdo a la segunda ley de Newton:

La resolución de esta ecuación diferencial en v, conduce a que, para un tiempo adecuado, la solución transitoria tienda a cero, subsistiendo la permanente que resulta una velocidad constante en el tiempo (velocidad límite):

Despejando el radio a obtenemos la siguiente expresión:

2. Bajo la acción de una Fuerza Electrostática

Las placas del capacitor están sometidas a una diferencia de potencial, por lo tanto surge un campo eléctrico que será E = V/d. De la interacción entre la carga y este campo, se manifiesta la fuerza electrostática:

Variando la diferencia de potencial, variamos en consecuencia la fuerza electrostática, pudiendo lograr una situación de reposo para la partícula. En esta condición, la fuerza viscosa es nula; por lo tanto, planteando el equilibrio de fuerzas:

Donde si reemplazamos a m por su expresión, donde ρ es la densidad; despejando q, obtenemos:

Procedimientos

Mediante el atomizador, se inyecta una nube de gotas de aceite dentro de la celda de Millikan. A través del microscopio se puede observar a las gotas, iluminadas por la lámpara, en su caída libre. Entonces se aplica una diferencia de potencial a la celda, generando un campo eléctrico que, en consecuencia, provoca que algunas partículas se precipiten y otras cambien su sentido de movimiento debido a las diferentes polaridades de éstas. Focalizando en una gota específica, se varía la tensión mediante el potenciómetro para intentar llevarla hasta un estado de reposo (equilibrio entre fuerza electrostática y gravitatoria. En este instante se registra la tensión indicada por el voltímetro. Luego súbitamente desactivamos el campo eléctrico, en consecuencia, la partícula iniciará un movimiento de caída libre. Auxiliados por una cuadrícula en el microscopio, medimos la distancia recorrida y, registrando el tiempo correspondiente en el cronómetro, podemos calcular la velocidad. Ésta velocidad es la límite.

De la caída libre obtenemos la velocidad límite y, mediante la ecuación (4), podemos calcular el radio de la partícula. Este dato se hace necesario para poder aplicar la ecuación (5) en el caso estático para poder calcular la carga de la gota.

Se repite la experiencia hasta conseguir un número adecuado de valores.

Se llevo a cabo la experiencia realizando 6 mediciones con gotas diferentes obteniendo los valores expresados en la tabla 4.1. En la tabla 4.2 podemos ver los parámetros bajos los cuales asumimos que se desarrolló la experiencia.

Los errores relativos de los valores de las cargas calculadas han sido obtenidos mediante la propagación de errores correspondiente, cuyos desarrollos se detallan en el primer ítem del apéndice.

En el gráfico 4.1 están representados los valores obtenidos con sus correspondientes barras de error. Con fines comparativos, se ha graficado la carga del electrón.

En este momento, debemos hacer las siguientes aclaraciones antes de seguir con nuestro análisis:

1. No podemos independizarnos totalmente del hecho que hoy sabemos lo que intentamos encontrar empíricamente.

2. Esta predisposición, se ve potenciada por haber realizado pocas determinaciones. Por lo tanto, los hechos no dan lugar a conclusiones categóricas.

3. Estas vagas conclusiones que obtenemos de la lectura de los resultados, están teñidas de un subjetivismo necesario para poder compatibilizarlas con los hechos conocidos que estamos queriendo observar.

Por lo tanto, si en algún punto de nuestro análisis, damos a entender que conocemos a donde queremos llegar, es porque en realidad estamos verificando y no descubriendo la carga del electrón.

Continuemos

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