El físico británico J.J. Thomson anuncia el descubrimiento de electrones

El físico británico J.J. Thomson anuncia el descubrimiento de electrones

El 30 de abril de 1897, el físico británico J.J. Thomson anunció su descubrimiento de que los átomos estaban formados por componentes más pequeños. Este hallazgo revolucionó la forma en que los científicos pensaban sobre el átomo y tuvo importantes ramificaciones para el campo de la física. Aunque Thompson se refirió a ellos como "corpúsculos", lo que encontró se conoce más comúnmente hoy en día como el electrón.

La humanidad ya había descubierto la corriente eléctrica y la había aprovechado con gran efecto, pero los científicos aún no habían observado la composición de los átomos. Thomson, un profesor muy respetado en Cambridge, determinó la existencia de electrones al estudiar los rayos catódicos. Llegó a la conclusión de que las partículas que componen los rayos eran 1.000 veces más ligeras que el átomo más ligero, lo que demuestra que existía algo más pequeño que los átomos. Thomson comparó la composición de los átomos con el pudín de ciruelas, con "corpúsculos" cargados negativamente salpicados a lo largo de un campo cargado positivamente.

La analogía del pudín de ciruela fue refutada por Ernest Rutherford, estudiante y colaborador de Thomson, en el laboratorio de Thomson en Cambridge en 1910. La conclusión de Rutherford de que la carga positiva de un átomo reside en su núcleo estableció el modelo del átomo tal como lo conocemos hoy. Además de ganar su propio Premio Nobel, Thomson empleó a seis asistentes de investigación que ganaron premios Nobel de física y dos, incluido Rutherford, que ganó premios Nobel de química. Su hijo, George Paget Thomson, también ganó un premio Nobel por su estudio de los electrones. Combinada con su propia investigación, la red de investigadores atómicos que cultivó Thomson le dio a la humanidad una comprensión nueva y detallada de los bloques de construcción más pequeños del universo.


Descubrimiento de electrones

Durante las décadas de 1880 y 90, los científicos buscaron en los rayos catódicos el portador de las propiedades eléctricas de la materia. Su trabajo culminó con el descubrimiento del físico inglés J.J. Thomson del electrón en 1897. La existencia del electrón mostró que la concepción del átomo como una partícula homogénea de hace 2.000 años era errónea y que, de hecho, el átomo tiene una estructura compleja.

Los estudios de rayos catódicos comenzaron en 1854 cuando Heinrich Geissler, soplador de vidrio y asistente técnico del físico alemán Julius Plücker, mejoró el tubo de vacío. Plücker descubrió los rayos catódicos en 1858 sellando dos electrodos dentro del tubo, evacuando el aire y forzando una corriente eléctrica entre los electrodos. Encontró un brillo verde en la pared de su tubo de vidrio y lo atribuyó a los rayos que emanaban del cátodo. En 1869, con mejores vacíos, el alumno de Plücker, Johann W. Hittorf, vio una sombra proyectada por un objeto colocado frente al cátodo. La sombra demostró que los rayos catódicos se originaron en el cátodo. El físico y químico inglés William Crookes investigó los rayos catódicos en 1879 y descubrió que estaban doblados por un campo magnético cuya dirección de desviación sugería que eran partículas cargadas negativamente. Como la luminiscencia no dependía de qué gas había estado en el vacío o de qué metal estaban hechos los electrodos, supuso que los rayos eran una propiedad de la propia corriente eléctrica. Como resultado del trabajo de Crookes, los rayos catódicos se estudiaron ampliamente y los tubos pasaron a llamarse tubos de Crookes.

Aunque Crookes creía que las partículas eran partículas cargadas electrificadas, su trabajo no resolvió el problema de si los rayos catódicos eran partículas o radiación similar a la luz. A finales de la década de 1880, la controversia sobre la naturaleza de los rayos catódicos había dividido a la comunidad de la física en dos campos. La mayoría de los físicos franceses y británicos, influenciados por Crookes, pensaban que los rayos catódicos eran partículas cargadas eléctricamente porque se veían afectadas por imanes. La mayoría de los físicos alemanes, por otro lado, creían que los rayos eran ondas porque viajaban en línea recta y no se veían afectados por la gravedad. Una prueba crucial de la naturaleza de los rayos catódicos fue cómo se verían afectados por los campos eléctricos. Heinrich Hertz, el físico alemán antes mencionado, informó que los rayos catódicos no se desviaron cuando pasaron entre dos placas con carga opuesta en un experimento de 1892. En Inglaterra J.J. Thomson pensó que el vacío de Hertz podría haber sido defectuoso y que el gas residual podría haber reducido el efecto del campo eléctrico en los rayos catódicos.

Thomson repitió el experimento de Hertz con un mejor vacío en 1897. Dirigió los rayos catódicos entre dos placas de aluminio paralelas al extremo de un tubo donde se observaron como luminiscencia en el vidrio. Cuando la placa de aluminio superior era negativa, los rayos se movían hacia abajo cuando la placa superior era positiva, los rayos se movían hacia arriba. La deflexión fue proporcional a la diferencia de potencial entre las placas. Con las deflexiones eléctricas y magnéticas observadas, quedó claro que los rayos catódicos eran partículas cargadas negativamente. El descubrimiento de Thomson estableció la naturaleza particulada de la electricidad. En consecuencia, llamó a sus partículas electrones.

A partir de la magnitud de las deflexiones eléctricas y magnéticas, Thomson pudo calcular la relación entre la masa y la carga de los electrones. Esta relación se conocía para los átomos a partir de estudios electroquímicos. Midiéndolo y comparándolo con el número de un átomo, descubrió que la masa del electrón era muy pequeña, solo 1 / 1.836 la de un ion de hidrógeno. Cuando los científicos se dieron cuenta de que un electrón era virtualmente 1.000 veces más ligero que el átomo más pequeño, comprendieron cómo los rayos catódicos podían penetrar las láminas de metal y cómo la corriente eléctrica podía fluir a través de los cables de cobre. Al derivar la relación masa-carga, Thomson había calculado la velocidad del electrón. Era 1 /10 la velocidad de la luz, que asciende a aproximadamente 30.000 km (18.000 millas) por segundo. Thomson enfatizó que

tenemos en los rayos catódicos la materia en un nuevo estado, un estado en el que la subdivisión de la materia se lleva mucho más lejos que en el estado gaseoso ordinario, un estado en el que toda la materia, es decir, la materia derivada de diferentes fuentes como el hidrógeno, el oxígeno, etc., es del mismo tipo, siendo esta materia la sustancia a partir de la cual se forman todos los elementos químicos.

Por lo tanto, el electrón fue la primera partícula subatómica identificada, el trozo de materia más pequeño y más rápido conocido en ese momento.

En 1909, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan mejoró enormemente un método empleado por Thomson para medir directamente la carga de electrones. En el experimento de la gota de aceite de Millikan, produjo gotas de aceite microscópicas y las observó caer en el espacio entre dos placas cargadas eléctricamente. Algunas de las gotas se cargaron y podrían suspenderse mediante un delicado ajuste del campo eléctrico. Millikan conocía el peso de las gotas por su velocidad de caída cuando se apagaba el campo eléctrico. A partir del equilibrio de las fuerzas gravitacionales y eléctricas, pudo determinar la carga de las gotas. Todas las cargas medidas eran múltiplos enteros de una cantidad que en unidades contemporáneas es 1,602 × 10 -19 culombio. El experimento de carga de electrones de Millikan fue el primero en detectar y medir el efecto de una partícula subatómica individual. Además de confirmar la naturaleza particulada de la electricidad, su experimento también apoyó determinaciones previas del número de Avogadro. El número de Avogadro multiplicado por la unidad de carga da la constante de Faraday, la cantidad de carga requerida para electrolizar un mol de un ion químico.


30 de abril de 1897: J.J. Thomson anuncia el Electron. Algo así como

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Joseph John Thomson no nos dio el nombre ni la estructura ni la masa exacta, pero fue el primero en identificar una partícula subatómica. Reproducción de grabado en acero de El electricista, 1896

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1897: El físico J.J. Thomson le dice a una audiencia científica sorprendida que descubrió algo más pequeño que un átomo, una partícula con una masa minúscula y una carga negativa.

Algunos en la audiencia de la Royal Institution of Great Britain ese viernes por la noche le dijeron a Thomson que pensaban que estaba "tirando de sus piernas". Después de todo, se sabía que el átomo era indivisible. Eso es lo que significaba su nombre.

Como director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Thomson estaba investigando las corrientes eléctricas dentro de los tubos de rayos catódicos. Observó que los rayos son desviados por un campo eléctrico.

Los investigadores habían estado desconcertados por los rayos catódicos hasta que Thomson teorizó que los rayos eran de hecho corrientes de pequeñas partículas subatómicas, las primeras conocidas. Los llamó "corpúsculos", en latín que significa "cuerpos pequeños".

Thomson calculó que sus corpúsculos cargados negativamente representaban aproximadamente una milésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno (1/1836 o 1/1837 es la proporción aceptada hoy en día), junto con una carga positiva en otra parte del átomo. Thomson fue vago en 1897, pero luego teorizó que los electrones negativos pululaban en una `` quotsfera de electrificación positiva uniforme ''. (El establecimiento del modelo orbital nuclear del átomo recaería en Ernest Rutherford y Niels Bohr en décadas posteriores).

En un comentario sobre la versión publicada de la conferencia de Thomson, el físico irlandés George F. FitzGerald sugirió que los corpúsculos eran en realidad electrones libres.

Otros científicos habían propuesto que los rayos catódicos estaban compuestos de partículas y habían intentado establecer su masa y carga relativas. La gran contribución de Thomson fue estimar esa proporción y reconocer que la proporción era universal y no dependía de los materiales específicos. Eso lo llevó a postular que las partículas eran uno de los componentes básicos del átomo mismo, aunque no lo había demostrado completamente en el momento de su conferencia trascendental.

Thomson fue galardonado con el Premio Nobel de 1906 "en reconocimiento a los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de electricidad por gases". Fue nombrado caballero en 1908.

Su libro de 1907 se tituló La teoría corpuscular de la materia, y continuó llamando a su descubrimiento "corpúsculos" hasta 1913.


J.J. Thomson nació en 1856 en Cheetham Hill, Manchester en Inglaterra, de ascendencia escocesa. En 1870 estudió ingeniería en la Universidad de Manchester conocida como Owens College en ese momento, y se trasladó al Trinity College, Cambridge en 1876. En 1880, obtuvo su licenciatura en matemáticas (segundo premio Wrangler y segundo Smith) y maestría (con Adams Premio) en 1883. En 1884 se convirtió en Profesor de Física Cavendish. Uno de sus alumnos fue Ernest Rutherford, quien más tarde lo sucedería en el cargo. En 1890 se casó con Rose Elisabeth Paget, hija de Sir George Edward Paget, KCB, médico y luego profesor de Física Regius en Cambridge. Tuvo un hijo, George Paget Thomson, y una hija, Joan Paget Thomson, con ella. Una de las mayores contribuciones de Thomson a la ciencia moderna fue en su papel de maestro altamente talentoso, ya que siete de sus asistentes de investigación y su hijo antes mencionado ganaron premios Nobel de física. Su hijo ganó el Premio Nobel en 1937 por demostrar las propiedades ondulantes de los electrones.

Fue galardonado con el Premio Nobel en 1906, "en reconocimiento a los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de la electricidad por los gases". Fue nombrado caballero en 1908 y nombrado miembro de la Orden del Mérito en 1912. En 1914 dio la Conferencia Romanes en Oxford sobre "La teoría atómica". En 1918 se convirtió en maestro del Trinity College de Cambridge, donde permaneció hasta su muerte. Murió el 30 de agosto de 1940 y fue enterrado en la Abadía de Westminster, cerca de Sir Isaac Newton.

Thomson fue elegido miembro de la Royal Society el 12 de junio de 1884 y posteriormente fue presidente de la Royal Society de 1915 a 1920.

Carrera profesional

Rayos catódicos

Thomson realizó una serie de experimentos con rayos catódicos y tubos de rayos catódicos que lo llevaron al descubrimiento de electrones y partículas subatómicas. Thomson utilizó el tubo de rayos catódicos en tres experimentos diferentes.

Primer experimento

En su primer experimento, investigó si la carga negativa podía separarse de los rayos catódicos mediante magnetismo. Construyó un tubo de rayos catódicos que termina en un par de cilindros con ranuras. Estas rendijas, a su vez, estaban conectadas a un electrómetro. Thomson descubrió que si los rayos se doblaban magnéticamente de modo que no pudieran entrar en la rendija, el electrómetro registraba poca carga. Thomson concluyó que la carga negativa era inseparable de los rayos.

Segundo experimento

En su segundo experimento, investigó si los rayos podrían ser desviados por un campo eléctrico (algo que es característico de las partículas cargadas). Los experimentadores anteriores no habían podido observar esto, pero Thomson creía que sus experimentos eran defectuosos porque contenían trazas de gas. Thomson construyó un tubo de rayos catódicos con un vacío prácticamente perfecto y cubrió un extremo con pintura fosforescente. Thomson descubrió que los rayos efectivamente se doblaban bajo la influencia de un campo eléctrico, en una dirección que indicaba una carga negativa.

Tercer experimento

En su tercer experimento, Thomson midió la relación carga-masa de los rayos catódicos midiendo cuánto eran desviados por un campo magnético y cuánta energía transportaban. Encontró que la relación de carga a masa era más de mil veces mayor que la de un ión de hidrógeno (H +), lo que sugiere que las partículas eran muy ligeras o muy cargadas.

Las conclusiones de Thomson fueron audaces: los rayos catódicos estaban hechos de partículas que él llamó "corpúsculos", y estos corpúsculos provenían del interior de los átomos de los electrodos, lo que significa que los átomos son de hecho divisibles. Los "corpúsculos" descubiertos por Thomson se identifican con los electrones propuestos por G. Johnstone Stoney.

Thomson imaginó que el átomo estaba formado por estos corpúsculos pululando en un mar de carga positiva. Este era su modelo de pudín de ciruela. Este modelo se demostró más tarde que era incorrecto cuando Ernest Rutherford demostró que la carga positiva se concentra en el núcleo.

El descubrimiento de Thomson se dio a conocer en 1897 y causó sensación en los círculos científicos, lo que finalmente le llevó a recibir el Premio Nobel de Física en 1906.

Isótopos y espectrometría de masas

En 1913, como parte de su exploración de la composición de los rayos del canal, Thomson canalizó una corriente de neón ionizado a través de un campo magnético y eléctrico y midió su deflexión colocando una placa fotográfica en su camino. Thomson observó dos parches de luz en la placa fotográfica (ver imagen a la derecha), lo que sugirió dos parábolas diferentes de deflexión. Thomson concluyó que el gas neón estaba compuesto por átomos de dos masas atómicas diferentes (neón-20 y neón-22).

Esta separación de isótopos de neón por su masa fue el primer ejemplo de espectrometría de masas, que posteriormente fue mejorada y desarrollada en un método general por el estudiante de Thomson F. W. Aston y por A. J. Dempster.

Otro trabajo

En 1906, Thomson demostró que el hidrógeno tenía un solo electrón por átomo. Las teorías anteriores permitían varios números de electrones.


Relación masa-carga

Thomson impulsó sus experimentos aún más para determinar la relación masa-carga de los electrones al desviar un haz de rayos catódicos mediante campos eléctricos y magnéticos. Esta información más precisa sobre los electrones y las propiedades # 8217 permitió a Thomson, en 1904, redactar un modelo del átomo conocido como el "modelo del pudín de ciruela". Describió una esfera de materia positiva que incrustaba los "corpúsculos" o electrones, distribuidos sobre un gran mar de carga positiva.


Joseph John Thomson

Joseph John Thomson, más conocido como J. J. Thomson, fue un físico británico que primero teorizó y ofreció evidencia experimental de que el átomo era una entidad divisible en lugar de la unidad básica de materia, como se creía ampliamente en ese momento.

Joseph John Thomson, más conocido como J. J. Thomson, fue un físico británico que primero teorizó y ofreció evidencia experimental de que el átomo es una entidad divisible en lugar de la unidad básica de materia, como se creía ampliamente en ese momento. Una serie de experimentos con rayos catódicos que llevó a cabo a finales del siglo XIX le llevaron al descubrimiento de la electrón, una partícula atómica cargada negativamente con muy poca masa. Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por su trabajo en la exploración de la conductividad eléctrica de varios gases.

Hijo de un librero, Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetham Hill, ubicado al norte de Manchester, Inglaterra. Entró en el Owens College cuando tenía 14 años, donde se interesó por la física experimental, aunque inicialmente tenía la intención de seguir una carrera en ingeniería. El padre de Thomson murió apenas unos años después de haber comenzado sus estudios universitarios, lo que dificulta financieramente que Thomson permanezca en la escuela. Sin embargo, gracias a los esfuerzos de su familia y las becas, continuó en el Owens College hasta 1876. Luego se trasladó al Trinity College de Cambridge con una beca de matemáticas. Permaneció asociado con la Universidad de Cambridge en diversas capacidades el resto de su vida. En 1880, Thomson recibió una licenciatura en matemáticas y se convirtió en segundo luchador, un título otorgado al segundo individuo con la puntuación más alta en los exámenes de matemáticas de Cambridge.

Después de graduarse, Thomson se convirtió en miembro del Trinity College y comenzó a trabajar en el Laboratorio Cavendish, que forma parte del Departamento de Física de Cambridge. En 1883, se convirtió en profesor en Cambridge y al año siguiente fue nombrado Profesor Cavendish de Física Experimental, convirtiéndose en el sucesor de Lord Rayleigh. También en 1884, la Royal Society de Londres eligió a Thomson como miembro. La recepción de honores tan considerables por parte de un científico tan joven fue muy inusual, pero fue en gran parte el resultado del importante trabajo inicial de Thomson que amplió las teorías del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. La cobertura de estos esfuerzos, que continuaron durante muchos años, apareció en el tratado de Thomson de 1892 Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo.

A principios de la década de 1890, gran parte de la investigación de Thomson se centró en la conducción eléctrica en gases. Durante una visita a los Estados Unidos en 1896, dio una serie de conferencias en las que discutió sus hallazgos. En 1897, las conferencias se publicaron como Descarga de electricidad a través de gases. Ese mismo año, cuando Thomson regresó a Cambridge, hizo su descubrimiento científico más significativo, el del electrón (al que inicialmente se refirió como el corpúsculo). El 30 de abril de 1897, Thomson hizo público su descubrimiento mientras daba una conferencia en la Royal Institution. La evidencia que produjo en apoyo de sus afirmaciones teóricas se seleccionó de una serie de experimentos innovadores con tubos de rayos catódicos. En un experimento, Thomson intentó usar el magnetismo para ver si la carga negativa podía separarse de los rayos catódicos, en otro intentó desviar los rayos con un campo eléctrico y en un tercero evaluó la relación carga-masa de los rayos. . Estos y otros estudios llevados a cabo por Thomson y otros llevaron rápidamente a una amplia aceptación del descubrimiento de Thomson.

Una vez que se aceptó la existencia del electrón, el siguiente paso fue considerar cómo se incorporaron las partículas al átomo. Thomson fue inicialmente un firme defensor de lo que comúnmente se llama el modelo atómico de pudín de ciruela o la Modelo atómico de Thomson, aunque sus contemporáneos sugirieron muchas otras representaciones del átomo. Según el punto de vista de Thomson, cada átomo era una esfera cargada positivamente con electrones esparcidos por todas partes (como trozos de fruta en un pudín de ciruelas). Mantuvo esta noción hasta que la investigación experimental y el trabajo teórico indicaron que el modelo atómico descrito en 1911 por Ernest Rutherford, un ex alumno de Thomson, era mucho más probable. El modelo atómico de Rutherford describió la estructura del átomo como un núcleo cargado positivamente alrededor del cual circulaban electrones cargados negativamente. La investigación desde ese momento ha resultado en el abandono del modelo de Rutherford en favor de otros modelos atómicos.

Durante la mayor parte de su vida, Thomson fue una figura científica destacada en Gran Bretaña. Ocupó diversos cargos administrativos y recibió muchos premios prestigiosos además del Premio Nobel. Thomson se desempeñó como presidente de la Royal Society desde 1915 hasta 1920, y la organización le otorgó varias medallas, incluida la Medalla Real (1894), la Medalla Hughes (1902) y su más alto honor, la Medalla Copley (1914). En 1908, la familia real honró a Thomson con el título de caballero, y al año siguiente fue elegido presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia. Sus contribuciones fueron además reconocidas con la Orden del Mérito (1912), la elección como maestro del Trinity College (1918) y títulos honoríficos de universidades de todo el mundo.

Thomson se casó en 1890. Su esposa era Rose Elisabeth Paget, hija de Sir George E. Paget, profesor regio de física en Cambridge. La pareja tuvo dos hijos. Su hijo, George Paget Thomson, siguió los pasos de su padre y ganó el Premio Nobel de Física por su trabajo con el electrón.


El descubrimiento del electrón tomó décadas y varios científicos

En esta entrega sobre la historia de la teoría del átomo, el profesor de física (y mi padre) Dean Zollman analiza el descubrimiento del electrón. Aunque un científico talentoso obtuvo el crédito, tuvo ayuda. & # 8211 Kim

Por Dean Zollman
En la última década del siglo XIX, los descubrimientos iniciaron nuevas direcciones en nuestro pensamiento sobre la composición de la materia. Dos de estos descubrimientos, la radiactividad y los rayos X, fueron algo accidentales. Veremos cada uno de ellos en publicaciones futuras. Otro & # 8212 la identificación del electrón como un componente de la materia - fue el resultado de una cuidadosa investigación y el desarrollo de tecnologías mejoradas. En esta publicación, discutiré el electrón, cómo se descubrió y algunas de las opiniones recientes sobre si esta investigación fue realmente un descubrimiento.

El año generalmente aceptado para el & # 8220descubrimiento & # 8221 del electrón es 1897. Sin embargo, este descubrimiento tuvo sus raíces en la investigación y el desarrollo que datan de la primera mitad del siglo XIX. Debido a que una investigación como esta siempre se basa en trabajos anteriores, me cuesta saber cuánto tiempo atrás hay que remontar. Elegí comenzar la historia con Heinrich Geissler (1814-1879).

Geissler fue un fabricante de instrumentos que, en 1857, creó tubos de descarga eléctrica. Estos tubos eran cilindros de vidrio largos y sellados y tenían electrodos metálicos en cada extremo. Geissler conectó un alto voltaje a través de los dos electrodos y usó otro de sus inventos, la bomba de vacío, para disminuir la presión dentro del tubo. Descubrió que el gas dentro del tubo brillaría, y el color dependería del gas atrapado en el interior. La siguiente imagen muestra un dibujo, publicado en 1869, de varios tubos Geissler diferentes. Estos instrumentos pueden recordarle las luces de neón y deberían hacerlo. Los tubos utilizados en las luces de neón son variaciones modernas de los tubos Geissler.

Por M. Rapine (dominio público)

Geissler realizó una investigación para mejorar los tubos. Proporcionó muchos tubos a otros investigadores y los vendió a no científicos con fines decorativos y de entretenimiento.

El rayo catódico

Sir William Crookes dibujado por Sir Leslie Ward en 1902 (dominio público)

Uno de los investigadores fue William Crookes (1832-1919). Crookes mejoró el tubo y realizó muchos experimentos. Una de sus conclusiones fue que algo se estaba emitiendo desde el electrodo negativo y se movía en línea recta hacia el extremo positivo del tubo. Todo lo que se movía parecía comportarse como rayos de luz. El extremo negativo de un dispositivo eléctrico se llamaba cátodo, por lo que estos & # 8220things & # 8221 se conocieron como rayos catódicos y los vasos se llamaron tubos de rayos catódicos. (Si desea ver varias fotografías de los tubos de Geissler y Crookes, debe visitar el sitio de tubos de rayos catódicos).

Al igual que la luz, los rayos catódicos pueden proyectar una sombra. En un experimento famoso. Crookes insertó una cruz de Malta en un tubo. Vio que una sombra de la cruz se proyectaba en el extremo del tubo. Sin embargo, los rayos catódicos de alguna manera actuaron de manera diferente a la luz. Por ejemplo, podrían ser desviados por un campo magnético.

Por D-Kuru, utilizado bajo los términos de la licencia Creative Commons BY-SA 2.0

Se desarrollaron dos vistas diferentes de los rayos catódicos. La mayoría de los físicos británicos concluyeron que los experimentos indicaban que los "rayos" eran algún tipo de partícula. Crookes propuso que eran moléculas cargadas negativamente. En el continente europeo, principalmente en Alemania, el comportamiento similar a la luz llevó a los físicos a la conclusión de que los rayos eran perturbaciones en el éter.

Cada lado tenía alguna evidencia experimental para apoyar su punto de vista. En ese momento, se "sabía" que la luz era una onda que atravesaba el éter, y se suponía que todas las ondas y otras perturbaciones en el éter viajaban a la misma velocidad que la luz. Sin embargo, los rayos catódicos se movían a velocidades mucho más lentas. Así que este hecho fue una indicación de que los rayos no eran perturbaciones en el éter sino partículas. Además, en el lado de las partículas, los rayos fueron desviados por un campo magnético, lo que indica que tenían una carga eléctrica.

Los átomos tienen "corpúsculos"

Muchos de los científicos destacados que participaron en este debate también realizaron trabajos relacionados con el modelo del átomo como vórtice en el éter que discutimos el mes pasado. Uno fue John Joseph Thomson (1856-1940). El mes pasado, mencioné que había escrito un artículo teórico sobre los vórtices en el éter. En 1884, se convirtió en el Profesor Cavendish de Física en la Universidad de Cambridge, donde realizó muchos estudios experimentales. En 1895, se descubrió que los rayos X provenían de un tubo de Crookes (más sobre ese descubrimiento la próxima vez). Este resultado despertó el interés de Thomson en los rayos catódicos. Se dispuso a medir la relación entre la masa de un rayo catódico y su carga eléctrica. A continuación se muestra un dibujo y una imagen de su aparato.

Por J.J. Thomson (Revista filosófica, 44, 293 (1897, dominio público)

Foto de Science Museum London / Science and Society Picture Library (utilizada bajo los términos de la licencia Creative Commons BY-SA 2)

En el dibujo, el cátodo está etiquetado como C. Ahí es donde se emiten los rayos catódicos. El elemento marcado con A es el electrodo positivo (ánodo), por lo que los rayos catódicos son atraídos hacia él. Pero hay una hendidura en el ánodo, por lo que algunos de los rayos catódicos atraviesan la hendidura y continúan su viaje. El objeto B estrecha el haz de rayos que pasan a la siguiente región. D y E son placas de metal que se pueden conectar a una batería. No se muestran en el dibujo pero sí en la imagen son dos bobinas de alambre que se pueden usar para crear un campo magnético. Con todo este equipo, Thomson y sus asistentes podían desviar los rayos catódicos hacia arriba o hacia abajo. Conecte el lado positivo de la batería a D y el negativo a E y los rayos se mueven hacia arriba. Inviértalo y se mueven hacia abajo. El campo magnético es un poco más complejo, pero el movimiento hacia arriba y hacia abajo puede ser creado por la dirección de la corriente eléctrica en las bobinas.

El plan de Thomson era equilibrar las fuerzas eléctricas y magnéticas para que los rayos catódicos atraviesen su aparato a pesar de estar sujetos a fuerzas eléctricas y magnéticas. A partir de voltajes y corrientes, pudo determinar la magnitud de estas fuerzas. Luego, haciendo algo de álgebra con ecuaciones que se habían desarrollado durante el siglo XIX, pudo llegar a un valor para la relación entre la masa de un rayo catódico y su carga. No pudo determinar ni la carga por sí misma ni la masa por sí misma. Sus mediciones permitieron solo una determinación de la proporción.

Sin embargo, esa proporción fue suficiente para indicar que los rayos catódicos eran algo bastante diferente de cualquier objeto conocido. Primero, eran partículas. Una perturbación en el éter no podría haberse desviado de esta manera. En segundo lugar, la proporción que midió Thomson fue aproximadamente 1000 veces diferente de lo que hubiera esperado si los rayos catódicos fueran átomos. Sin embargo, no pudo con el experimento determinar cuál era diferente. La masa podría haber sido 1.000 veces menor o la carga eléctrica podría haber sido 1.000 veces mayor. (Las mediciones de Thomson no fueron tan buenas. Hoy sabemos que el electrón es aproximadamente 1.800 veces menos masivo que el núcleo de hidrógeno. Pero nunca se había medido nada cercano a este pequeño, por lo que estar fuera de lugar en una gran cantidad no importaba).

Thomson apostó a que la masa sea menor. El 30 de abril de 1897, en una conferencia pública, anunció el descubrimiento de "corpúsculos", que dijo eran componentes muy pequeños de todos los átomos. Durante los siguientes años, completó varios otros experimentos, incluido uno que le permitió determinar la masa de los corpúsculos. Finalmente, construyó un modelo del átomo que incluía los corpúsculos. Pero lo guardaré para una publicación posterior.

En una publicación anterior, mencioné a George Stoney (1826-1911) quien acuñó la palabra electrón en 1891. Otros comenzaron a usar esa etiqueta para los corpúsculos de rayos catódicos, pero Thomson no lo hizo. En su discurso de aceptación del Premio Nobel (1906), Thomson se refirió a & # 8220 portadores de electricidad negativa & # 8221 como & # 8220corpúsculos & # 8221. Sin embargo, finalmente & # 8220electron & # 8221 se convirtió en el nombre comúnmente aceptado.

Entonces, ¿quién se merece el crédito?

Los historiadores y filósofos de la ciencia tienen mucha discusión sobre el descubrimiento del electrón. Muchos experimentos llevaron a Thomson & # 8217s. Y otros estaban haciendo experimentos similares casi al mismo tiempo. Entonces, ¿debería Thomson merecer crédito por el & # 8220discovery & # 8221 cuando fue solo un paso en un proceso de muchos pasos? Además, el impacto del anuncio de Thomson & # 8217 no fue inmediato. Me tomó un tiempo asimilarlo.

Algunos filósofos usarán este ejemplo para debatir qué significa descubrir algo nuevo. No quiero ir allí. Claramente, el trabajo de Thomson fue un paso importante en nuestra comprensión de la estructura de la materia. Se basó en el trabajo de otras personas y otros se basaron en él. Algunas personas estaban haciendo un trabajo similar al mismo tiempo. Así es como ocurre la ciencia.

La próxima vez veremos algo que fue claramente un descubrimiento: los rayos X.

Publicar guiones

  • Además de ser un científico excelente, Thomson también fue un mentor talentoso. Siete de sus asistentes de investigación y su hijo recibieron Premios Nobles.
  • El tubo de rayos catódicos puede parecer un dispositivo esotérico. Sin embargo, hasta hace muy poco, casi todos teníamos al menos uno en nuestros hogares. Antes de los televisores de pantalla plana, el tubo de imagen de nuestros televisores era una versión avanzada de un tubo de rayos catódicos. En la parte de atrás había un dispositivo que aceleraba los electrones. Era bastante similar a las partes A y C en el diagrama de Thomson & # 8217s. Luego, bobinas magnéticas similares a las bobinas de alambre en el aparato Thomson & # 8217s aplicaron fuerzas para dirigir los electrones a varios lugares en la parte frontal de la pantalla. Por supuesto, hacer esto es de tal manera que vimos que una imagen requería alguna tecnología que no estaba disponible hasta el siglo XX. Pero los principios básicos son muy parecidos a los de J.J. Thomson identified cathode rays as corpuscles that eventually came to be called electrons.
  • You can try a virtual version of Thomson’s experiment. This one shows a drawing of modern equipment such as students would use today. In this simulation, changing the current changes the magnetic force while changing the voltage changes the electric force. Another has the same experiment, but it is set in apparatus similar to that of Thomson. For this one, E is the electric field, and B is the magnetic field.

Images via Wikimedia Commons.

Dean Zollman is university distinguished professor of physics at Kansas State University where he has been a faculty member for more than 40 years. During his career he has received four major awards — the American Association of Physics Teachers’ Oersted Medal (2014), the National Science Foundation Director’s Award for Distinguished Teacher Scholars (2004), the Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching Doctoral University Professor of the Year (1996), and AAPT’s Robert A. Millikan Medal (1995). His present research concentrates on the teaching and learning of physics and on science teacher preparation.


Discovery of the Electron

Thomson continued to investigate the cathode rays, and he calculated the velocity of the rays by balancing the opposing deflection caused by magnet and electric fields in a cathode ray tube. By knowing the velocity of the cathode rays and using a deflection from one of the fields, he was able to determine the ratio of electric charge (e) to the mass (m) of the cathode rays. He continued this line of experimentation and introduced various gases into the cathode tube and found that the ratio of the charge to mass (e/m) didn’t depend on the type of gas in the tube or the type of metal used in the cathode. He also determined that the cathode rays were about a thousand times lighter than the value already obtained for hydrogen ions. In further investigations, he measured the charge of electricity carried by various negative ions and found it to be the same in gaseous discharge as in electrolysis.

From his work with the cathode tube and comparison with results derived from electrolysis, he was able to conclude that cathode rays were negatively charged particles, fundamental to matter, and much smaller than the smallest known atom. He called these particles 𠇌orpuscles.” It would be a few years later before the name 𠇎lectron” would come into common usage.

Thomson first announced his idea that cathode rays were corpuscles at a Friday evening meeting of the Royal Institution in late April 1897. The suggestion put forth by Thomson that the corpuscles were about one thousand times smaller than the size of the then smallest particle known, the hydrogen atom, caused a stir in the scientific community. Also, the idea that all matter was made up of these small corpuscles was a real change in the view of the inner workings of the atom. The notion of the electron, or the smallest unit of negative charge, was not new however, Thomson’s assumption that the corpuscle was a fundamental building block of the atom was radical indeed. He is credited with the discovery of the electron since he provided experimental evidence of the existence of this very small fundamental particle—of which all matter consists. His work would not go unnoticed by the world, and in 1906 he was awarded the Nobel Prize in physics "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases." Two years later, he was knighted.

Thomson&aposs Plum Pudding model of the atom.


Impact

J. J. Thomson's identification of the electron in 1897 focused new attention on questions of atomic structure. Thomson conjectured that the electron was a fundamental building block of matter or atoms, and along with his colleagues at Cambridge attempted to build upon his discovery in order to model atomic structure with theoretical speculations and extensive experimental investigations, particularly scattering experiments. They struggled to explain many observations, such as the nature of positive charge, the relation between number of electrons and atomic weight, and the mechanical stability and chemical properties of atoms. While the Cambridge scientists and others working within the framework they had established came up with models of the atom that successfully accounted for many of these phenomena, the behavior of atoms came to be explained much more effectively as physicists adopted the ideas of quantum science beginning about 1912.

Other investigations also built upon Thomson's discovery. Further research by Thomson, as well as work by Henri Becquerel (1852-1908), Lenard, Ernst Rutherford (1871-1937), and others, helped to show that the electron identified by Thomson was the same as the negatively charged particles observed in phenomena such as radioactivity and the photoelectric effect. American scientist Robert Millikan (1868-1953) improved upon Thomson's measurement of the charge on the electron by observing the motion of charged oil drops. By the 1920s, scientists were studying electrons within the framework of quantum physics, and began to explore the theory that electrons behaved not only as particles but also as waves. Several Nobel Prizes were given for early research related to the discovery and study of the electron, including one to Thomson in 1906 and to Millikan in 1923. As testimony to Thomson's influence as a teacher, seven of his research assistants also went on to win Nobel Prizes for physical research.

The impact of the discovery of the electron extended far beyond science. Throughout the nineteenth century, research into electrical phenomena had been intertwined with efforts to advance practical uses of electricity such as the telegraph and electrical power. The investigations of Thomson's era helped bring about the rapid invention and development of "wireless telegraphy," or radio, and led to the invention of television and later the development of microwave technologies such as radar. Radio arose in part from investigations into the nature of the electromagnetic "ether" or atmosphere, a subject that Thomson also addressed in his research. The invention of television is more directly indebted to the discovery of the electron, as electronic television is based on cathode ray tubes in which a beam of electrons is aimed at a screen. While Thomson's experiments and theories did not result directly in any of these inventions, his contributions advanced understanding of the nature and behavior of electrical processes and atomic structure, making such technological developments easier and faster.


Problem #5: Describe the Atom [Solved]

Describe the atom, giving a brief historical background development that led to the present description.

As said in the previous problem, an atom is the smallest part of an element that can exist chemically. But the atom is not the ultimate particle of matter it is itself made of smaller particles called sub-atomic particles and it has a structure.

The atom has been an object of discussions and studies since antiquity. Greek Philosophers asked the question: What are the ultimate constituents of matter? Among the ideas proposed at that time is Democritus’s suggestion that matter discontinuous, i.e. matter is composed of atoms (in Greek, atomos means indivisible).

But it is at the beginning of 19 th Century that real scientific research about the nature and structure of the atom started. From that time up to now, many atomic models have been proposed:

I. Dalton’s Atomic Model

In 1803, the British chemist and physicist advanced a first scientific proposition of an atomic model or atomic theory. In his theory:

  1. Elements consist of indivisible small particles called “atoms”
  2. All atoms of the element are identical. Different elements have different types of atoms
  3. An atom can neither be created nor destroyed
  4. Compounds are formed when atoms of different elements join in simple ratios to form molecules
Source: Analist Chemistry Blog

Although this model constituted the cornerstone in the study of matter, it was discovered later on that some of the statements were right (4), others half-truth (2), others wrong (1, 3).

II. Thomson’s Atomic Model


Figure 1a: Cathode Ray Experiment
Source: Study.com


Figure 1b: JJ Thomson Atomic Model (Plum pudding atomic model)
Source: classnotes.org.in

III. Rutherford’s Atomic Model

In 1911, Ernest Rutherford, New Zealand-born British physicist, a former student of J.J. Thomson, after his gold foil experiment (Fig.2), proposed a new atomic model.

Figure 2: Gold Foil Experiment
Source: padakshep.org

In that model, almost the total mass of the atom is concentrated in the nucleus, surrounded by an empty space occupied by the tiny electrons revolving around the nucleus.


Figure 3: Rutherford's Atomic Model (Planetary Atomic Model)
Source: sutori.com

But this model couldn’t explain why the electrons, negatively charged, wouldn’t be attracted by the positively charged nucleus and spiral into the nucleus. According to James C. Maxwell, “An electron that is accelerating radiates energy. As it loses energy, it spirals in to the nucleus”. Hence the atom proposed by Rutherford couldn’t be stable!

IV. Bohr’s Atomic Model

In 1913, in order to solve the problem raised by Rutherford’s atomic model, Niels Bohr introduced the concept of quantization of atomic energy levels.

Only if an electron receives the appropriate energy corresponding to the difference between two energy levels, ΔE = En2 – En1= hν, then it can jump (excited state) from n1 level to n2level. But since the excited state is not stable, the electron will return back to the non-excited state or ground state by emitting the absorbed energy.


Formation of the Absorption and Emission Spectra of Hydrogen
Source: intl.siyavula.com

You have certainly observed the emission phenomenon when you drop willingly or accidentally some crystals of salt (NaCl) in a blue flame: a very brilliant yellow flame is observed, which is the emission flame of Sodium atom.

Emission Flame of Sodium
Source: thoughtco.com


Flame Test
Source: dornsife.usc.edu

Although Bohr’s atomic model helped in explaining some phenomena and behaviors of the atom, it has its own weaknesses:

  • This model applies well for Hydrogen atom, the simplest atom of the chemical elements, made of 1 proton and 1 electron it couldn’t apply for multi-electron (more than 1 electron) species
  • It is against the Heisenberg’s Uncertainty Principle, since in this model, the electron can be localized at any point of the orbit. The uncertainty principle states that it is not possible to know with high accuracy both the position and momentum of a moving particle.

V. Quantum Mechanical Model of the Atom

This model was introduced by Erwin Schrodinger in 1926. Schrodinger’s model considers that an electron cannot be localized precisely on an orbit or point due to Heisenberg’s Uncertainty Principle. But only the probability of finding an electron in a certain region can be estimated.

In this model, an electron in an orbital is described by 4 quantum numbers:

  1. los principal quantum number: n = 1, 2, 3, 4. gives the main or principal energy level. Traditionally those energy levels have been named by letters: K, L, M, N .
  2. los orbital quantum number, l: with values: (n – 1), (n – 2) . 1, 0. It shows the angular moment of the electron. It gives the shape of the orbital. Traditionally the orbital quantum numbers have been given specific letters to identify them: s(l = 0), p(l = 1), d(l = 2), f(l = 3), etc.
  3. los magnetic quantum number, (ml): ml = + l, +(l – 1), . 1 , 0, -1, . –(l -1), -l, which governs the energies of electrons in external magnetic fields. It gives the orientation of the orbital.
  4. los spin of electron: an electron can spin around its axis, clock or anti-clockwise that quantum number, represented by the symbol s, indicates the spinning movement of the electron it can take two values: s = +1/2, -1/2, sometime represented by the signs ↑, ↓.

The first 3 quantum numbers describe an orbital in terms of the principal quantum number, its shape and its orientation.


s, p, and d Orbitals
Source: chemsite.lsrhs.net

VI. Chadwick

In May 1932, James Chadwick announced that the atomic nucleus contains a new uncharged particle, which he named the ‘neutron”. This discovery helped to explain the existence of Isotopes.

This discovery concluded more than 1 1/3 century of research on the composition and the structure of the atom, made of:

  • Nucleus: the center of the atoms where Protons(p) positively charged and Neutrons (n) with no charge are found.
  • Electrons(e), negatively charged that surround and move around the nucleus.
  • In an atom, the number of protons is equal to the number of electrons that is why an atom is neutral.

Representation of an atom:

X = Chemical symbol of the element

A = Mass number, equal to number of protons + number of neutrons

Z = Number of protons o número atómico, equal to the number of electrons