Els raigs catòdics i l'experiment de Thomson

Els raigs catòdics són corrents d'electrons lliures que, entre d'altes, exciten la fluorescència d'algunes substàncies. Van ser descoberts a mitjans de segle XIX, però la seva naturalesa no es va comprendre fins a finals del mateix segle. L'estudi dels raigs catòdics dut a terme pel físic J.J. Thomson va suposar el descobriment de l'electró. 

Hipòtesis sobre la naturalesa dels raigs catòdics 

El descobriment dels raigs catòdics a finals de la dècada de 1850 va meravellar els científics de l'època. Es va introduir un gas (aire, hidrogen, diòxid de carboni, etc.) a baixa pressió en un tub de vidre en el qual s’hi havia fet el buit. Prèviament, s’havien col·locat un parell d’elèctrodes (càtode i ànode) en l’interior de l’estructura tubular, que estaven connectats a una bateria externa. Quan s’aplicaven grans voltatges elèctrics al gas, es produïen unes resplendors, l’aspecte i grandària dels quals variaven a mesura que disminuïa la pressió. Quan la pressió del gas era força baixa, aquesta brillantor es transformava en un raig, que anava del càtode al ànode, la qual cosa significava que aquest raig posseïa càrrega elèctrica negativa, ja que l’ànode és positiu.

Aquests raigs misteriosos es van anomenar “raigs catòdics”, i el descobriment s’atribueix al físic alemany Julius Plücker.

Fins a 1895 es coneixien moltes propietats d’aquests raigs: es propagaven en línia recta, eren desviats per camps magnètics, travessaven làmines primes metàl·liques, etc. No obstant, aquestes característiques conegudes no responien la pregunta: 

Què eren els raigs catòdics?

Varis científics van presentar diferents hipòtesis per a respondre la pregunta. Alguns creien que es tractava d’una forma de matèria composta per molècules del gas present en el tub que havien adquirit càrrega de l’electricitat, altres consideraven que es tractava d’un tipus de matèria insòlita que mai s’havia aconseguit aïllar en un laboratori, i, de fet, aquest darrer pensament era el més pròxim a la realitat. 

Experiments previs al de Thomson 

Al voltant del 1895 varis científics creien que els rajos catòdics eren feixos de partícules. Un d’ells va ser el físic britànic Joseph John Thomson, recordat per la història com el descobridor de l’electró. Tot i això, va haver dos experimentadors que van aplanar el camí de Thomson al aproximar-se molt a la resposta; van ser Emil Weichert i Walter Kaufmann. Emil Weichert, científic prussià, va cloure el seu treball amb els raigs catòdics concloent que no es tracta dels àtoms químics coneguts, ja que la massa d’aquestes partícules és entre 2.000 i 4.000 vegades menor a la de l’àtom d’hidrogen, el més lleuger de tots. Weichert es va aproximar bastant amb aquesta afirmació, ja que era conscient que es tractava d’un tipus de partícula nou, però no va aconseguir trobar l’electró. Walter Kaufmann, científic alemany, va descobrir que la naturalesa d’aquesta partícula misteriosa era independent a la naturalesa del gas tancat en el tub; ja fos aire, hidrogen, diòxid de carboni,... el resultat dels seus càlculs era el mateix, però tampoc va aconseguir aïllar l’electró.

L'experiment de Thomson 

Josep John Thomson, premi Nobel de física, havia arribat a les mateixes conclusions que Weichert i Kaufmann quan, l’any 1897, va dur a terme l’experiment que el convertiria en un dels homes més importants de la ciència experimental. Pensava que eren rajos corpusculars, i sabia que la naturalesa dels corpuscles era independent a la del gas tancat en el tub. Amb tot això, va aconseguir fer un pas més que Weichert i Kaufmann en la cerca de la resposta, al trobar el valor de la quantitat de la càrrega i la massa inercial. En una llarga sèrie d’experiments, Thomson va obtenir el valor de dividir la quantitat de càrrega i la massa inercial, que era de 2,0x10^11 coulombs (els coulombs són la unitat de la càrrega elèctrica en el Sistema Internacional). Això va suposar el descobriment de l’electró. El terme “electró” va ser encunyat anys abans pel físic irlandès G. Johnstone Stoney, qui havia teoritzat sobre la possible existència de partícules negatives. 

Subdivisió de la matèria

El descobriment de l’electró significava que els àtoms eren divisibles, ja que, com a mínim, estaven compostos per aquest partícula (posteriorment es va descobrir el protó i el neutró). Fins a l’experiment de Thomson, es creia que els àtoms eren indivisibles. De fet, el terme àtom significa en grec “sense parts”. Thomson va afirmar que aquesta subdivisió de la matèria, és a dir, l’electró, és un ingredient de tota la matèria i part de la substància amb què estan fets els elements químics. A través d’aquesta afirmació, Thomson va elaborar el seu model atòmic, que ja vam veure en una entrada anterior, però que, esquemàticament, podem recordar com és: 

L’àtom està format per una massa positiva (color carn) que inclou els electrons, que són partícules negatives (color blau fosc).

Una de les principals aplicacions dels raigs catòdics és la generació d’imatges en els televisors antics. Gràcies a aquests, es van assolir millor resolució en les imatges i una major velocitat d’exploració. 

1 Les resplendors són les que podem observar en els tubs de neó.