El misterio de los rayos catódicos

La Exposición Mundial, que conmocionó al mundo, se inauguró en París, Francia, en 1855.

Hay una exposición en la esquina de la exposición que la mayoría de los visitantes no le prestaron atención, pero despertó gran interés entre varios científicos. Se trata de una gran bobina envuelta con alambre esmaltado. Después de que se le suministran 6 voltios de corriente continua, el vibrador de la bobina vibra como una campana eléctrica. Al mismo tiempo, se emiten pequeños relámpagos de color púrpura entre las puntas de las dos agujas de hierro. conectado a la bobina. La descripción de la exposición dice: "Bobina de inducción: puede convertir un voltaje CC bajo en un voltaje alto de varios miles de voltios. Fue inventado por Rumkov, un técnico de la Fábrica de Equipos Eléctricos de París, en 1851".

En el pasado, para obtener alto voltaje de CC, era necesario conectar miles de baterías en serie, lo que no solo costaba mucho dinero, sino que también requería construir una casa grande para tantas baterías. Esta vez es genial, puedes conseguir alto voltaje con este "dispositivo" que se puede sostener con una mano. Los científicos que querían realizar experimentos con altos voltajes rodearon esta "bobina de inducción" y estaban todos listos para regresar e instalar dicho transformador de "bobina de inducción".

De esta forma se introdujeron en Alemania los transformadores de bobina de inducción de alta tensión.

En este año, el vidriero alemán Geisler inventó una bomba de vacío de mercurio utilizando el principio de vacío de Torricelli. Selló dos cables de platino en ambos extremos de un tubo de vidrio, luego usó su bomba para eliminar el aire del tubo y luego conectó los dos cables de platino con electricidad de alto voltaje de la bobina de inducción. El gas restante en el tubo emite un brillo rojo púrpura. Este es un tubo de descarga de gas de baja presión.

No subestimes este tubo de descarga. No solo es el antepasado de las luces de neón, las lámparas fluorescentes, los tubos de electrones y los tubos de imagen actuales, sino también del estudio de la descarga. fenómenos en los tubos de descarga, lo que permite a las personas hacer grandes descubrimientos inesperados.

Como fue fabricado por primera vez por Geisler, la gente suele llamarlo tubo Geisler.

Plueck, profesor de física de la Universidad de Bonn en Alemania, está muy interesado en los tubos Geissler. Investigó mucho junto con su alumno Hitov. Descubrieron que, además del gas que brillaba en el tubo, la pared de vidrio que daba al cátodo (electrodo negativo) también emitía débilmente una fluorescencia de color amarillo verdoso. Utilice un imán para balancearse fuera del tubo y la fluorescencia también se balanceará, como si el imán pudiera atraerla. ¿Por qué pasó esto? No lo entendieron en ese momento. En aquella época, Bunsen y Kirchhoff en Alemania inventaron el análisis espectral.

Plucker y Hitov también comenzaron a estudiar los espectros. Hicieron un tubo Geissler con extremos gruesos y un centro delgado, y llenaron el tubo con un poco de gas puro, como oxígeno puro o hidrógeno puro. Después de aplicar electricidad, diferentes gases emitían luz de diferentes colores. Cuando se examina con un espectroscopio, cada gas emite su propia línea brillante única. De esta forma, el tubo de descarga de gas se convirtió en una herramienta auxiliar para el análisis espectral de gases.

Más tarde, el científico británico Ramsay descubrió en el aire helio, neón, argón, criptón y xenón, todos ellos fruto de investigaciones utilizando tubos de descarga de gas. Diferentes gases emiten diferentes colores, por ejemplo, el neón emite luz roja, el xenón emite luz azul y el helio emite luz amarilla. Más tarde, la gente hizo largos tubos de descarga, los dobló en varios patrones, los llenó con diferentes gases y, cuando se les dio energía, mostraron patrones de luz coloridos. Esta es nuestra luz de neón común.

Plück murió en 1868. Su alumno Hitov continuó sus investigaciones sobre los tubos de descarga. Siguió pensando en la fluorescencia en la pared del tubo de vidrio.

Hizo un tubo de descarga esférico, instaló un obstáculo de metal en el medio de la bola y los dos electrodos se instalaron verticalmente. Después de conectar la energía, la pared de vidrio opuesta al cátodo no solo emite fluorescencia, sino que también tiene la sombra de un obstáculo, como si algún tipo de luz fuera emitida desde el cátodo.

Pero esto no es como la luz.

Hitov utilizó mica transparente para hacer obstáculos y los instaló en el tubo de descarga. Como resultado, también aparecieron sombras claras.

Utilizó un imán cerca del tubo de descarga para realizar la prueba y la sombra se movió, lo que indica que los rayos emitidos por el cátodo estaban doblados por la influencia del imán. Estos fenómenos son obviamente diferentes de la luz, porque la luz puede atravesar láminas de mica y no se desvía por los campos magnéticos.

Más tarde, un científico, Goodstein, también realizó un experimento similar y descubrió que los campos eléctricos también pueden desviar los rayos. A este maravilloso rayo emitido por el cátodo lo llamó "rayo catódico".

¿Qué son los rayos catódicos? El científico británico Crooks realizó un estudio muy detallado.

Crooks es profesor de química en la Universidad de Londres en el Reino Unido y un científico que es bueno realizando experimentos. Siempre que haya nuevos descubrimientos importantes en el mundo que él conozca, inmediatamente instalará instrumentos en su laboratorio para probarlos, continuar su investigación y, sobre todo, realizar nuevas creaciones y descubrimientos.

Después de que Bunsen y Kirchhoff en Alemania inventaron el análisis espectral, Crookes instaló inmediatamente un espectroscopio en el laboratorio y pronto se convirtió en el principal experto en análisis espectroscópico del Reino Unido.

En 1861, descubrió un nuevo elemento, el talio, mediante análisis espectroscópico.

En 1865, el alumno de Bunsen, Spren, inventó una bomba de mercurio que podía bombear alto vacío. Crooks instaló inmediatamente uno en su laboratorio. Conectó la bomba al tubo de descarga de gas y comenzó un nuevo experimento. Conectó el tubo de descarga de gas a alto voltaje y comenzó a aspirar. El gas se bombeaba cada vez menos y el gas del tubo empezó a brillar.

Mientras seguía fumando, apareció un fenómeno novedoso: apareció un área oscura que no emitía luz cerca del cátodo. La columna de luz continua original se desconectó y la sección de. La columna de luz que todavía emitía luz también desapareció, parpadeando como escamas de pescado. A medida que se continúa fumando, el área oscura se hace cada vez más larga, como si una corriente subterránea se extendiera desde el cátodo, comprimiendo el área luminosa cada vez más corta. Finalmente, el área oscura presiona el ánodo y toda la columna de luz desaparece.

En este momento, el tubo de descarga ha sido evacuado a un alto vacío y no hay gas brillante que emita luz, pero todo el tubo parece estar en un estado parpadeante. En la pared de vidrio opuesta al cátodo, la fluorescencia es muy clara.

En otras palabras, se emiten fuertes rayos catódicos desde el cátodo del tubo.

Crookes hizo un tubo de descarga de alto vacío: un tubo de rayos catódicos.

Posteriormente la gente usó esto. El tubo de descarga se llama un tubo de Crookes. Crookes estudió en detalle muchas de las maravillosas propiedades de los rayos catódicos.

El 22 de agosto de 1879, en Londres, la Asociación Británica de Ciencia y Tecnología realizó un informe científico.

Muchos científicos llegaron horas antes de la reunión, con la esperanza de conseguir un buen asiento en primera fila. Porque el famoso profesor Crooks estaba dando un informe ese día y también tuvo que realizar varios tubos de descarga frente al público. ¡Cómo podía ver claramente si llegaba tarde y estaba sentado atrás!

¡Crooks también estaba muy ocupado! Junto con su asistente, trasladó casi todo desde su laboratorio. Hay varias mesas colocadas en el podio y las mesas están llenas de varios tubos de descarga, bobinas de inducción de alto voltaje, baterías, etc.

En medio de cálidos aplausos, Crooks comenzó a dar su informe. Presentó en detalle los resultados de su año de investigación sobre rayos catódicos.

Crooks señaló: En el tubo Geisler, el gas a baja presión brilla independientemente de la forma que tenga el tubo, bajo la acción de la electricidad de alto voltaje, todo el tubo. está lleno de luz. Los gases a baja presión emiten un brillo brillante.

Sin embargo, en el tubo de descarga de alto vacío sólo hay rayos catódicos. Los rayos catódicos van en línea recta y son invisibles a simple vista. Los rayos catódicos golpean la fluorescencia causada por la pared del tubo de vidrio.

Su asistente trajo un tubo de descarga en forma de V con electrodos conectados en ambos extremos.

Después de que Crooks conectó la fuente de alimentación al tubo de descarga, se cerraron las cortinas de las ventanas de la sala de conferencias y se apagaron las luces de la sala.

En la oscuridad, todos vieron que la pared de la mitad derecha del tubo en forma de V emite una fluorescencia débil, la parte inferior del tubo emite una fluorescencia brillante y la Mitad izquierda del tubo pero completamente oscura. Crooks dijo que el cátodo estaba conectado al tubo de la derecha y el ánodo estaba conectado a la izquierda.

Luego, intercambió las posiciones de los electrodos. Como resultado, la mitad izquierda del tubo en forma de V se volvió fluorescente, mientras que la mitad derecha se volvió oscura.

Crooks dijo: Está claro que los rayos catódicos son emitidos por el cátodo y no se pueden doblar. Luego el asistente introdujo dos grandes tubos de descarga en forma de pera. Después de suministrar energía, se emite una fluorescencia verde en la pared de vidrio opuesta al cátodo.

Crooks colocó un tubo de descarga hacia arriba y hacia abajo. En este momento, se erigió una lámina de metal en forma de cruz en el tubo. Esta lámina de metal bloqueó los rayos catódicos. Una sombra negra con forma apareció en la pared de vidrio, muy clara.

Crooks dijo: Aunque los rayos catódicos pueden producir sombras como la luz, no son luz. Levantó el deflector del otro tubo de descarga y también apareció una sombra negra.

Dijo: Este deflector está hecho de mica transparente, la luz puede atravesarlo, lo que significa que no habrá sombra negra, pero los rayos catódicos no pueden atravesarlo, lo que resulta en una sombra oscura. .

Entonces, ¿qué son los rayos catódicos?

El asistente subió al escenario un largo tubo de descarga. Este tubo está hecho de manera muy inteligente. Hay dos varillas de vidrio colocadas en paralelo en el medio, como las vías de un tren. Después de que se enciende la electricidad, el pequeño molino de viento comienza a girar, saliendo del cátodo y corriendo hacia el ánodo.

Después de intercambiar los electrodos, el cátodo original se convierte en ánodo, el ánodo original se convierte en cátodo y el molino de viento gira hacia atrás.

Crookes les dijo a todos que los rayos emitidos por el cátodo son en realidad pequeños flujos de partículas. Cuando golpean las alas en un lado del pequeño molino de viento, harán que el molino gire. .

Crooks realizó una variedad de tubos de descarga, algunos de los cuales contenían placas de platino-iridio, que se calentaban y brillaban bajo rayos catódicos concentrados.

Algunos tienen un diamante en su interior y otros tienen varios minerales en su interior. Estos materiales emiten luces coloridas bajo la acción de rayos catódicos. Analizar el espectro de esta luz puede identificar la composición química de una sustancia, afirmó.

Lo más sorprendente es este tubo de descarga: el cátodo tiene forma de espejo cóncavo, por lo que los rayos catódicos emitidos se enfocan en un pequeño punto y se instalan en el tubo Se construye un molino de viento giratorio, con un deflector entre el molino de viento y el cátodo. Una vez que se enciende la electricidad, los rayos catódicos inciden en el deflector y el molino de viento permanece estacionario.

En ese momento, Crooks colgó un imán en el tubo de descarga. Bajo la acción del campo magnético, los rayos catódicos se desviaron hacia arriba y se dispararon a través de la parte superior del deflector. En las alas del molino de viento,

Así que el molino de viento giró rápidamente. Crooks giró el imán otros 180° y la dirección del campo magnético también cambió 180°. Los rayos catódicos se desviaron hacia abajo, atravesaron la parte inferior del deflector y golpearon las alas del molino, por lo que el molino giró en la dirección opuesta.

Crooks giraba el imán repetidamente y el molino de viento giraba hacia adelante y hacia atrás. Hay líneas espirales claras dibujadas en el molino de viento, por lo que la dirección de rotación del molino de viento se puede ver claramente si la línea espiral se expande o se contrae.

“¡Ah! ¡Qué maravilla!”, exclamaba la gente.

Crookes les dijo a todos que la luz no puede ser desviada por un campo magnético,

Pero los rayos catódicos pueden ser desviados por un campo magnético campo, que muestra que los rayos catódicos no son solo un flujo de partículas, sino también un flujo de partículas cargadas.

Se realizaron varios tubos de descarga y se abrieron las cortinas de las ventanas. Finalmente, Crookes resumió estos experimentos y señaló que: los rayos catódicos son un flujo de materia, un flujo de materia cargada que sale del cátodo a una velocidad muy alta. Esto se debe obviamente a la repulsión de materiales similares. electricidad negativa.

¿Qué tipo de sustancia es esta? Las tres formas de sustancias que solemos ver son sólida, líquida y gaseosa, y estos rayos catódicos son materia supergaseosa, el cuarto estado de la materia. Crooks finalizó su informe científico entre grandes aplausos.

Todos corrieron al escenario para observar más de cerca esos ingeniosos tubos de descarga. ¡Esta serie de maravillosos experimentos científicos sorprendió a todos! Los rayos catódicos son un flujo de partículas cargadas negativamente y una sustancia nueva y previamente desconocida. Muchos científicos instalaron tubos Crookes después de regresar a casa, con la esperanza de descubrir el misterio de los rayos catódicos.

Existe un Laboratorio Cavendish en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. Fue establecido en 1874 en memoria del famoso científico Cavendish que murió en 1810. El primer director del laboratorio fue el gran físico Maxwell, quien creó la teoría de los campos electromagnéticos y señaló que la luz es una onda electromagnética. El segundo director fue Rayleigh, quien junto con Ramsey descubrió los gases nobles en el aire. En 1884, Thomson se convirtió en el tercer director del laboratorio y comenzó a estudiar los rayos catódicos.

El Laboratorio Cavendish cuenta con una variedad de sofisticados instrumentos de física y una gloriosa tradición en el estudio del electromagnetismo. Después de estudiar el trabajo de Plucker, Hitov, Goodstein y Crooks, Thomson pensó: dado que los rayos catódicos son partículas cargadas y pueden ser desviados por campos magnéticos y eléctricos, esta característica se puede utilizar para determinar la velocidad, masa y carga de los rayos catódicos.

Thomson diseñó un tubo de rayos catódicos. Se instalaron un cátodo y un ánodo en un extremo del tubo, y se abrió una fina hendidura en el ánodo. Emite luz después de suministrar energía. Los rayos catódicos pasan a través de la ranura del ánodo y se convierten en un haz delgado que llega directamente al otro extremo del tubo de vidrio. La pared del tubo en este extremo se recubre con una sustancia fluorescente o se carga con una película fotográfica.

Hay dos placas de electrodos instaladas en el medio del tubo de rayos. Cuando se aplica un voltaje, se genera un campo eléctrico. Cuanto más fuerte es el campo eléctrico, mayor es la desviación de los rayos catódicos después de atravesar el campo eléctrico. Se pueden medir tanto la intensidad del campo eléctrico como el grado de desviación. En este momento, se agrega un campo magnético fuera del tubo de rayos, que puede desviar los rayos catódicos en la dirección opuesta. Ajustar la intensidad del campo eléctrico y el campo magnético puede hacer que sus efectos sobre los rayos catódicos se cancelen entre sí, de modo que los rayos catódicos no se desvíen.

Thomson midió la fuerza de los campos eléctrico y magnético en esta situación y utilizó las leyes de la física para calcular la velocidad de los rayos catódicos. Esta velocidad es muy rápida, unos 30.000 kilómetros por segundo (equivalente a 1/10 de la velocidad de la luz).

Luego midió la relación entre carga y masa de las partículas cargadas que forman los rayos catódicos, y descubrió que la masa de esta partícula cargada era muy pequeña, alrededor de 1/ 1 de la masa de un átomo de hidrógeno 2000.

Thomson realizó muchos experimentos. Usó oro, plata, cobre, níquel y otros metales como cátodos. Midió las partículas cargadas emitidas por diferentes cátodos y descubrió que las proporciones de sus cargas y masas eran las mismas. Luego llenó el tubo con diferentes gases: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno... y la relación entre carga y masa de las partículas cargadas emitidas por el cátodo seguía siendo la misma.

Esto ilustra un punto muy importante: no importa dónde se generen los rayos catódicos, ya sea por el electrodo o por el gas en el tubo, el resultado es el mismo. En otras palabras, en diversas sustancias hay una partícula cargada negativamente con una masa de aproximadamente 1/2000 de la masa de un átomo de hidrógeno.

Este experimento se completó en octubre de 1897.

El 30 de abril de 1897, Thomson pronunció un discurso en la Royal Society durante En su conferencia señaló: "Los rayos catódicos no son átomos cargados, y las partículas de los rayos catódicos deberían ser mucho más pequeñas que los átomos, confirmó su conclusión medio año después".

Respecto a la electricidad, muchos científicos la vienen estudiando desde el siglo XVIII.

Creían que la electricidad también tiene una partícula más pequeña, y la llamaron electrón. Ahora, Thomson ha descubierto realmente esta pequeña partícula de electricidad: el electrón. Los rayos catódicos son en realidad corrientes de electrones de alta velocidad. Más tarde, se descubrió que los filamentos eléctricos al rojo vivo también emiten electrones, y la luz que incide sobre determinadas sustancias también emite electrones. Los electrones se encuentran en diversas sustancias y son componentes de los átomos. La masa del electrón se ha medido con mayor precisión y es 1/1837 de la masa del átomo de hidrógeno.

En la actualidad es generalmente aceptado que Thomson descubrió oficialmente el electrón en 1897. Este fue uno de los mayores descubrimientos de finales del siglo XIX. El siglo XX es la era electrónica, la era atómica. El descubrimiento de los electrones abrió la puerta a esta nueva era para la humanidad.

Ya sabes, el dispositivo experimental de Thomson fue en realidad el predecesor del tubo de imagen de televisión. Aunque los tubos de imagen de televisión son complejos, los principios básicos son los mismos. Hoy en día, puedes hacer el experimento de Thomson al mostrar la televisión. Simplemente coloca un imán al lado del tubo de imagen y verás que la imagen de la televisión cambia de forma. Esto se debe a que el campo magnético actúa sobre el flujo de electrones en el tubo de imagen.