jueves, 15 de diciembre de 2011

4 EL MODELO ATÓMICO DE THOMSON

El modelo de Thomson para el átomo de 1904 es el primero modelo en el cual los procesos físicos se apoderan del modo en que ha de investigarse al átomo, en este sentido, las relaciones de una especie química con otra no son tan relevantes como las propiedades internas del átomo. Y son esas propiedades internas las que empiezan a poder ser estudiadas mediante avances en la investigación de la electricidad. Uno de estos avances son los tubos de descarga (Sinclair, 2013).

Los tubos de descarga son tubos en los que se extrae el aire y se llenan con un gas, igualmente, el interior del tubo es acondicionado con un par de electrodos que permite realizar  la descarga eléctrica por medio de un circuito, el circuito se completa no por un cable sino por el semivacío que se obtiene al extraer el gas interno. Uno de los mayores retos es lograr que el material del tubo logre resistir la temperatura y también sea aislante con respecto al medio externo.

Estos tubos explotan el fenómeno de la Descarga Eléctrica en los Gases y operan mediante la ionización del gas cuando se aplica un voltaje lo suficientemente alto como para generar una conducción eléctrica mediante el fenómeno subyacente de la descarga de Townsend. El voltaje necesario para iniciar la descarga y mantenerla depende de la presión y la composición del gas, así como de la geometría del tubo. Los tubos de descarga son muy empleados como bombillas de luz a gas, sin embargo en el estudio del átomo sirvieron para señalar que estos no eran partículas indivisibles como planteaban Leucipo y Demócrito.

4.1 El tubo de Geissler

La condición más importante para adquirir la tecnología del tubo de descarga es el vacío, esta tecnología se adquirió en 1654 con la invención de la bomba de vacío por Otto von Guericke (1602-1686). En 1705  fue reportado que las chispas de un generador electrostático eran más estables en un ambiente de baja presión de aire (Kurzweil, Richter, & Schneider, 1990).

En 1838 Michael Faraday (1791-1867) logró pasar corriente eléctrica a través de un tubo de vidrio con baja presión de aire, notando simultáneamente la formación de un extraño arco de luz entre los extremos del cátodo “electrodo negativo” y el ánodo “electrodo positivo” (Faraday, 1838).

En los tubos de descarga se forma un circuito al interior del tubo gracias a la baja presión, los electrones fluyen desde el cátodo hacia el ánodo completando el circuito. En 1857 el fabricante de tubos de vidrio “y físico aficionado” germánico llamado Heinrich Geissler (1814-1879) inventó una bomba de vacío más potente con la cual pudo reducir la presión atmosférica mil veces (10E-3 atm).  


Al repetir los experimentos de Faraday en sus nuevos tubos de vacío Heinrich Geissler “imagen siguiente” encontró que en lugar de un arco, se formaba un brillo de iluminaba la totalidad del tubo. La electricidad necesaria se encontraba entre los 100 kilovoltios o más (Bussalo, 1993; Garritz, 2005).

Semejante a una lámpara de Neón el tubo de Geissler solo lograba generar un rayo que viajaba muy cortas distancias. La luz generada en los tubos de Geissler no presentaba propiedades diferentes a las de cualquier otro tipo de luz, es decir, no se trataba de rayos catódicos.

4.2 El tubo de Crookes

Los tubos de Crookes fueron diseñados a partir de los tubos de Geissler por parte de William Crookes “imagen de la derecha” (1832-1919). La diferencia primordial entre los dos era el mejoramiento de las bombas de vacío, mientras que los tubos de Geissler solo llegaban a una milésima de la atmósfera normal (10E-3 atm), los tubos de Crookes alcanzaban una presión de entre una millonésima y una cienmillonésima de la atmósfera normal (10E-6 y 10E-8 atm) (Dylla, 2006).

La nueva bomba de vacío había sido desarrollada por un colaborador de Crookes (Redhead, 1999) llamado Charles A. Gimingham. Una vez que se iniciaba la descarga eléctrica, la luz generada normalmente por un tipo de Geissler desaparecía en un área oscura denominada el Espacio Oscuro de Crookes (Aston, 1911). 

El área oscura se extendía eliminando el brillo totalmente excepto por la cubierta de vidrio en el extremo positivo “ánodo”. El vidrio del extremo positivo emite una fluorescencia verde-amarilla que puede ser amplificada mediante pintura fluorescente.

Hasta este punto hemos descrito el fenómeno del tubo de Crookes sin apelar al modelo que lo explica. En resumen se trata de tubos con menor presión con un gas que es estimulado por un campo eléctrico, lo cual genera una fluorescencia en el extremo positivo “ánodo”. 

4.3 Experimentos con los tubos de Crookes

Los tubos de Crookes fueron empleados en docenas de experimentos celebres para poder determinar la causa de la fluorescencia en el extremo positivo del circuito (Dahl, 1997). Se propusieron dos modelos, los científicos británicos Crookes y Cromwell Varley creían que se trataba de corpúsculos o materia radiante, es decir átomos eléctricamente cargados. 

Para su tiempo, los rayos de un tubo de Crookes eran un descubrimiento inesperado en las investigaciones sobre circuitos y electricidad, muchas modificaciones fueron realizadas al tubo de Crookes para determinar sus propiedades. Investigadores germánicos como Gustav Wiedemann, Heinrich Hertz, y Eugen Goldstein “imagen siguiente” opinaban que se trataba de vibraciones del “éter”, alguna forma nueva de radiación electromagnética y estaban separados de la causa que transportaba la corriente eléctrica a través del tubo (Dahl, 1997).

Estas hipótesis generaron una serie de experimentos por varios físicos, los cuales conllevarían a los trabajos de Jean Perrin y J. J. Thomson, en los cuales se determinaría que se trataba de corpúsculos con una masa y una carga negativa asociada. En la actualidad estas partículas causantes del brillo fluorescente en el extremo positivo del tubo de Crookes es denominado electrón.

4.3.1 El experimento de Lenard

Philipp Eduard Anton von Lenard (1862-1947) modificó el tubo de Crookes. Colocando una placa de aluminio justo en el punto donde los rayos catódicos impactaban en lugar de vidrio, esta placa es denominada la ventana de Lenard. 

Más allá de la ventana se ubicaba una superficie de revelado fotográfico que serviría como el detector. La cuestión era bien simple, analizar si las partículas de los rayos catódicos podían atravesar sobre láminas de materia, lo cual hicieron (Falconer, 1987; Schonland, 1923; Joseph John Thomson, 1897; Whiddington, 1914)

Lenard encontró que los rayos catódicos podían penetrar los materiales mucho más que cualquier sustancia hecha de átomos. Algunos emplearon este resultado para argumentar que los rayos catódicos eran ondas, pero posteriormente se determinó que se trataba de una de las propiedades consecuentes de la extrema pequeñez de los electrones.

4.3.2 El experimento de Plüker

Mejor conocido como el experimento de la cruz de Malta, fue realizado en 1869 por Julius Plücker (Arabatzis, 2009; Brok, 2005). El montaje se trataba de construir una figura cerca del extremo positivo del tubo “ánodo”, el cual contaba con una palanca que permitía plegarlo, por lo que el mismo tubo podía ser empleado como un tubo de Crookes estándar o como un tubo con la cruz de Malta “En la actualidad es imposible imaginar un tubo de Crookes sin una cruz de Malta”.

Dos son los resultados más representativos del experimento de la cruz de Malta:

1- Al encenderse el tubo de Crookes se generaba una sombra en el extremo con pintura fluorescente con la misma forma que la placa con la cruz de Malta. Esto implicaba necesariamente que se trataba de algo que viajaba desde el cátodo, parte de esa sustancia era capturada por la cruz de Malta, mientras que lo demás pasaba derecho. Debido a que la forma de la cruz de Malta no se hacía más grande o más pequeña se razonaba que se trataba de algo que viajaba en línea recta, es decir un rayo.

2- La fluorescencia es limitada, el vidrio o la pintura disminuía su capacidad para brillar después de algunos minutos, capacidad que podía ser recuperada después de algunos minutos. Con la cruz de Malta, si esta era retirada con el tubo encendido, la región previamente oscura brillará con una intensidad mayor que el resto de la placa.

4.3.3 Los experimentos de Goldstein

Eugen Goldstein (1850-1930) fue un físico alemán que trabajó ávidamente con los tubos de descarga de Crookes, le dio su nombre a los rayos catódicos y sus opuestos los rayos anódicos –que él denominó rayos canales.

Los tubos de Crookes son literalmente aceleradores de partículas, ya sean electrones (Cátodo → Ánodo) o protones (Ánodo → Cátodo). Gracias a los canáles en el ánodo logró determinarse la existencia de una simetría, sin embargo al parecer estos rayos no fueron tomados en cuenta a la hora de la formulación del modelo del pastel con paces del átomo. Goldstein en 1876 (Raizer, Kisin, & Allen, 1991; Thomson, 1900)  encontró que los rayos del tubo de Crookes son disparados siempre en dirección perpendicular a la superficie del cátodo (8).  Si el cátodo era una placa plana, los rayos eran disparados en forma de líneas rectas perpendiculares al plano de la placa.

Esta era una evidencia de que se trataba de partículas, debido a que la radiación ondulatoria emite en todas las direcciones posibles. Debido a que estos rayos avanzaban desde el cátodo para impactar en el ánodo fueron denominados por Goldstein como los Rayos Catódicos. La superficie de la placa puede ser alterada y en consecuencia la dirección de los rayos de los tubos de Crookes manipulada. Una placa cóncava tiene el potencial de concentrar los rayos de toda la placa en un único punto, el cual puede transmitir grandes cantidades de energía en forma de calor.

Otro experimento de Goldstein bastante célebre fue realizado en 1886, en el cual el cátodo estaba hecho con canales huecos. Cuando el tubo fue activado pudo notarse la presencia de luminosidad detrás de cátodo. Posteriormente se determinó la existencia de  un rayo opuesto al catódico, es decir uno que provenía desde el ánodo y que al atravesar los canales de ánodo podían ser detectados. Debido a la necesidad de crear canales en el ánodo, estos rayos fueron denominados Rayos Canales (Freeman, 1987).

4.3.4 Los experimentos de Hertz, Schuster y Perrin

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) construyó un tubo con un segundo par de placas metálicas cuya función sería la de generar un campo magnético de forma paralela a la dirección del reyo catódico. Cuando fuese activado, una placa actuaría como el polo positivo y otra como el polo negativo (Dahl, 1997). En el siguiente modelo los platos (d) y (e) representan electrodos de un segundo circuito que genera un campo eléctrico.

Si el rayo catódico tuviera carga, el campo eléctrico sería capaz de desviarlo y la dirección de la desviación indicaría la carga. Hertz no encontró ninguna desviación, sin embargo experimentos posteriores mostraron que sus tubos de Crookes no tenían una presión lo bastante baja y además la carga eléctrica no era lo suficientemente alta.

Posteriormente el físico alemán Franz Arthur Friedrich Schuster (1851-1934) repitió el montaje de Hertz pero con un mayor voltaje. Los resultados fueron que el rayo era desviado efectivamente por el campo eléctrico, alejándose del polo negativo y siendo atraído por el polo positivo. Esto fue evidencia directa de que la carga de los rayos catódicos era negativa (Dahl, 1997). 

Hertz argumentaba que los rayos catódicos eran ondas, y otros físicos proponían que los rayos catódicos eran acompañados de los verdaderos portadores de la carga negativa. Perrin hacia 1895 modificó el tubo de Crookes para capturar los rayos catódicos y enviarlos a un electroscopio, este determinó la carga negativa de los rayos.

4.3.5 Los rayos catódicos, los experimentos de Crookes

Crookes realizó experimentos semejantes a los de un campo eléctrico generado por corriente eléctrica, pero en lugar de un circuito empleó imanes simples. La dirección de desviación era la misma, los rayos catódicos eran alejados por el polo negativo y atraídos por el polo positivo.

Crookes también colocó turbinas muy ligeras en la dirección del rayo catódico, después de todo, si eran partículas que viajaban en línea recta, estas debían tener una masa asociada, y cualquier masa asociada acelerada a una velocidad suficiente almacena un momento cinético transferible a otra masa. En otras palabras, los rayos catódicos debían almacenar fuerza cinética semejante a las gotas de agua en un rio y deberían en teoría mover la turbina (Arabatzis, 2009).


En la actualidad no se considera que la turbina se mueva por la transmisión del momento cinético, sino por el calentamiento del gas próximo a la turbina, el cual al expandirse lo mueve, en otras palabras el experimento de las turbinas no sirve como argumento para determinar la naturaleza particulada de los rayos catódicos.


4.3.6 El experimento de Lenard

Philipp Eduard Anton von Lenard (1862-1947) modificó el tubo de Crookes. Colocando una placa de aluminio justo en el punto donde los rayos catódicos impactaban en lugar de vidrio, esta placa es denominada la ventana de Lenard.  Más allá de la ventana se ubicaba una superficie de revelado fotográfico que serviría como el detector. La cuestión era bien simple, analizar si las partículas de los rayos catódicos podían atravesar sobre láminas de materia, lo cual hicieron (Falconer, 1987; Schonland, 1923; Joseph John Thomson, 1897; Whiddington, 1914).

Lenard encontró que los rayos catódicos podían penetrar los materiales mucho más que cualquier sustancia hecha de átomos. Algunos emplearon este resultado para argumentar que los rayos catódicos eran ondas, pero posteriormente se determinó que se trataba de una de las propiedades consecuentes de la extrema pequeñez de los electrones.

4.4 Hacia el modelo atómico de Thomson

Desde los newtonianos se asumía que las partículas eran divisibles, y la idea ya empezaba a ser fuertemente fundamentada para finales del siglo XVIII por científicos como William Prout (1785-1850) y Joseph Norman Lockyer (1836-1920). Prout argumentaba que el único elemento verdaderamente indivisible debía ser el hidrógeno mediante un análisis de masas elementales (Prout & Thomson, 1816; Prout, 1816).

En este sentido, la idea de que los átomos de los elementos estaban formados por partículas aún más fundamentales ya se encontraba en el aire, y después de casi 40 años de jugar con los tubos de Crookes en 1897 Joseph John Thomson “imagen siguiente” (1856-1940) prosiguió los experimentos de Lenard y de Schuster para la relación tamaño, carga y masa de las partículas que componían el rayo catódico.

Thomson demostró que los rayos de Lenard podrían viajar en el aire por una distancia más allá de la esperada para una partícula del tamaño de un átomo (Raizer et al., 1991; Schonland, 1923; Thomson, 1897, 1900; Whiddington, 1914)

Thomson estimó la masa de las partículas del cátodo mediante el cálculo del calor generado cuando los rayos impactan y comparándolo con la deflexión magnética de los rayos. Sus experimentos sugirieron no solo que las partículas que componían los rayos catódicos no solo eran mil veces más pequeñas que el átomo de hidrógeno, sino que su masa era inespecífica para cualquier elemento. En otras palabras, los átomos de todos los elementos que podían emplearse en un tubo de Crookes lanzaban la misma partícula, con la misma masa y la misma carga.

Thomson  llamó originalmente a estas partículas como corpúsculos, pero otros científicos propusieron el nombre que ha sido aceptado para para la posteridad, el electrón. Fue George Johnstone Stoney (1826-1911) en 1891 quien bautizó los electrones antes de que Thmoson midiera su relación carga-masa de forma aproximada (Raizer et al., 1991; Schonland, 1923; Thomson, 1897, 1900; Whiddington, 1914).

En 1897, seis años después de haber sido bautizados, Thomson aún se encontraba atascado, pues los trabajos de Hertz sobre la carga del electrón habían dado negativo y aparentemente los resultados de Schuster aún no eran conocidos. Thomson también realizó el experimento de Hertz y al igual que Schuster encontró que la carga de los corpúsculos debía ser negativa.

Mediante la comparación de la desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico y otro magnético Thomson calculó un estimado de la relación carga-masa. Sin embargo, esta estimación fue corregida en 1909 mediante el experimento de Millikan, también conocido como el experimento de la gota de aceite cuyos resultados fueron publicados en 1913 (Millikan, 1913), el mismo año en que se publicaba el modelo atómico cuántico de Bohr.

4.5 El modelo culinario del átomo

Ahora solo restaba construir un modelo del átomo que pudiera dar una representación pictórica para los datos que habían sido obtenidos mediante los experimentos con los tubos de Crookes. En primera instancia, los gases de los elementos empleados no eran afectados por campos magnéticos, por lo que su carga neta debía ser neutral. En segunda instancia, cuando estos eran estimulados por un fuerte campo eléctrico emitían los electrones, los cuales eran partículas muy pequeñas, de carga negativa.

Por más culinario que pueda parecer, el modelo de Thomson expandía el antiguo modelo del átomo esférico con partículas en su interior, estas eran estimuladas por el campo eléctrico formando los rayos catódicos. Con los datos recolectados Thomson concluyó que los electrones emergían del interior del átomo –en consecuencia, dividiéndolo –y mediante un razonamiento inverso razonó que en un gas sin estimular, los electrones debían estar al interior del átomo.

Para explicar la carga neutra neta del gas sin estimular Thomson asumió que el átomo como tal debía estar compuesto por una masa dispersa de carga positiva. Esta es la esencia del modelo de Thomson para el átomo o modelo del pastel con pasas propuesto para 1904. A pesar de su representación estacionaria, los electrones debían moverse en el interior del átomo estimulados por la repulsión de la masa positiva y de los demás electrones en su interior (Arabatzis, 2009; Dahl, 1997; Thomson, 1897).


4.6 Explicación para el rayo catódico, la ionización de un gas

Un rayo catódico se genera por la acumulación de energía en los electrones de un gas. El gas se ioniza emitiendo el electrón, el cual viaja al polo positivo más cercano. Normalmente, los gases se encuentran a demasiada presión como para que los electrones viajen demasiada distancia sin impactar con otro átomo (Arabatzis, 2009; Brok, 2005; Raizer, Kisin, & Allen, 1991). En los tubos de Geissler esto era lo que pasaba, cuando el electrón golpea el gas la energía se transfiere al segundo átomo y este la emite no como otro electrón excitado, sino como un fotón de luz, causando la luminiscencia. 


Los rayos catódicos no emiten fotones sino cuando impactan con otros materiales, por esta razón no se ven sino hasta que golpean con el vidrio o la pintura fluorescente.


Debido a la limitación de la presión, los rayos catódicos solo se hicieron posibles hasta que la tecnología de las bombas de descompresión se hizo lo bastante efectiva como para descomprimir el interior de un tubo de vidrio lo suficiente como para que quedasen pocos átomos del gas dispersos.


4.7 Consecuencias del modelo atómico de Thomson

El modelo atómico de Thomson no tuvo mayores repercusiones como tal ya que no podía explicar otros aspectos de la investigación de los elementos como las líneas de los espectros electromagnéticos o la configuración periódica de los elementos. En lo que si fue importante fue en el de popularizar la idea de que los átomos estaban constituidos por una estructura interna no trivial que posiblemente podría condicionar las relaciones de estos elementos durante las reacciones químicas.

Desde este punto para la siguiente década 1910-1920, los nuevos modelos del átomo deberían poder explicar: los electrones como parte de la estructura atómica, los espectros de emisión de un elemento y la configuración periódica de los elementos. No menos importante fue el impacto de las ideas de Thomson en sus alumnos, especialmente en la del joven Ernest Rutherford (1871-1937), quien llevaría la historia del átomo al siguiente nivel.

Finalmente, el modelo de Thomson representa la primera culminación de estudios del átomo hechos desde la perspectiva de la física, los experimentos con los tubos de Crookes daban los mismos resultados sin importar la naturaleza elemental del gas implicado, en consecuencia el concepto de reacción química no era empleado para estudiar el átomo. En resumen, con el modelo de Thomson abandonamos la química de átomo y nos adentramos en la física del átomo.


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