Los fascinantes rayos catódicos

En 1855, Heinrich Geissler inventó una potente bomba de vacío. Esta bomba podía extraer el aire de un tubo de vidrio lo suficientemente resistente como para reducir la presión al 0,01% de la presión atmosférica. Fue la primera mejora importante en las bombas de vacío después de que Guericke inventase la bomba de aire, dos siglos antes. El uso de la nueva bomba de Geissler hizo posible la bombilla eléctrica y una multitud de inventos de una importancia tecnológica enorme en los siguientes 50 años. También abrió nuevos campos a la investigación científica pura.

A un amigo de Geissler, Julius Plücker, se le ocurrió conectar uno de los tubos en los que había hecho el vacío usando la bomba Geissler a una batería. Se sorprendió al descubrir que, a pesar de la muy baja presión obtenida con la bomba de Geissler, la electricidad seguía fluyendo a través del tubo. Plücker usó un aparato similar al de la Figura 1a. Selló un cable en cada extremo de un tubo de vidrio resistente. Dentro del tubo, cada cable terminaba en una placa de metal llamada electrodo. Fuera del tubo, cada cable estaba conecatdo a una fuente de alto voltaje. La placa negativa dentro del tubo se llama cátodo, y la placa positiva se llama ánodo. Un medidor indicaba la corriente que pasaba por el tubo.

Figura 1. Fuente: Cassidy Physics Library

Plücker y su alumno Johann Hittorf notaron que cuando una corriente eléctrica pasaba a través del gas a baja presión en un tubo, el tubo mismo brillaba con un color verde pálido. Otros investigadores observaron también este efecto, pero tuvieron que pasar dos décadas antes de que alguien realizara un estudio a fondo de estos tubos luminosos.

Para 1875, William Crookes había diseñado nuevos tubos para estudiar el fenómeno. Cuando usó un tubo doblado, notó que el verde más intenso aparecía en la parte del tubo que estaba directamente enfrente del cátodo (el punto g de la Figura 1b). Esto sugería que el brillo verde se produce por algo que sale del cátodo y se desplaza por el tubo hasta que choca con el vidrio. Otro físico, Eugen Goldstein, que también estaba estudiando los efectos de pasar una corriente eléctrica a través de un gas a baja presión, acuñó un término para lo que fuese que parecía provenir del cátodo, rayos catódicos. ¿Pero qué podrían ser?

Para estudiar la naturaleza de los rayos, Crookes hizo algunos experimentos muy creativos. Razonó que si los rayos catódicos pudieran interceptarse antes de llegar al final del tubo, el intenso brillo verde desaparecería. Para comprobarlo introdujo distintas barreras, la más famosa de ellas una cruz de Malta metálica. La sombra creada por la barrera aparecía en medio del resplandor verde al final del tubo (Figura 1c). El cátodo, por tanto, parecía actuar como una fuente que irradia una especie de luz; a todos los efectos, la cruz actuaba como una barrera que bloqueaba la luz. La sombra, la cruz y el cátodo aparecían a lo largo de una línea recta. Por lo tanto, concluyó Crookes, los rayos catódicos, fuesen lo que fuesen, como los rayos de luz, viajan en línea recta. Crookes hizo todos los experiemntos que se le ocurrieron pero uno de ellos resultaría ser muy significativo: al mover un imán cerca del tubo y la sombra se desplazaba. Crookes había descubierto que los campos magnéticos desvían los rayos catódicos, algo que no ocurre con la luz.

Tras muchos experimentos, Crookes encontró las siguientes propiedades de rayos catódicos:

• No importa de qué metal esté hecho el cátodo, siempre produce rayos con las mismas propiedades.

• En ausencia de un campo magnético, los rayos viajan en línea recta perpendicular a la superficie del cátodo que los emite.

• Un campo magnético desvía la trayectoria de los rayos catódicos.

• Los rayos pueden producir algunas reacciones químicas similares a las reacciones que produce la luz. Por ejemplo, ciertas sales de plata (como las usadas en fotografía) cambian de color cuando inciden rayos catódicos sobre ellas.

• Además, Crookes sospechó (pero no logró demostrar concluyentemente) que los objetos cargados eléctricamente desvían la trayectoria de los rayos catódicos.

Los rayos catódicos fascinaron a los físicos de la época. Algunos pensaron que los rayos debían ser una forma de luz. Después de todo, tienen muchas de las propiedades de la luz: viajan en línea recta y producen cambios químicos y resplandores fluorescentes, al igual que la luz. Según la teoría de Maxwell la luz consiste en ondas electromagnéticas. Por lo tanto, los rayos catódicos podían ser, por ejemplo, ondas electromagnéticas de frecuencia mucho más alta que las de la luz visible.

Sin embargo, los campos magnéticos no modifican la trayectoria la luz pero sí la de los rayos catódicos. Sabemos que los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre las corrientes, es decir, sobre las cargas eléctricas en movimiento. Un campo magnético desvía los rayos catódicos de la misma manera que desvía las cargas negativas. De aquí que algunos físicos creyesen que los rayos catódicos consistían en partículas cargadas negativamente.

El debate sobre si los rayos catódicos son una forma de ondas electromagnéticas o una corriente de partículas cargadas continuó durante 25 años. Finalmente, en 1897, J.J. Thomson, jefe del famoso Laboratorio Cavendish en la Universidad de Cambridge, realizó una serie de experimentos que convencieron a los físicos de que los rayos catódicos son partículas cargadas negativamente.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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