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Colegio El Valle Sanchinarro

Dpto. Ciencias Asignatura: FyQ 3º ESO

Ficha teóricaModelo atómico de Thomson

Revisado:12/05/2023 Páginas: 1/6

Videos: http://www.youtube.com/watch?v=T2bWtQeTqL8

http://www.youtube.com/watch?v=0cUOrQcY1pg

Un concepto a recordarRecordemos que un sistema material es cualquier porción de espacio que se aísla para

realizar su estudio.Esta definición implica dos aspectos fundamentales:

1.- No se aísla por capricho, sino para reducir al máximo las interferencias externas. 2.- Debemos tener la mayor certeza posible sobre el contenido de la parte aislada. En el caso de un tubo con gas, analizaremos el contenido, o extraeremos todo lo que podamos su contenido, o bien le haremos pasar un gas conocido.

Con ello conseguimos que los resultados experimentales obtenidos se deban exclusivamente a lo contenido, y no afecten factores externos, y además nos resultará más sencillo controlar nuestro sistema.

Descargas en tubos de gases a baja presiónA medida se conoció mejor la estructura interna de la materia, los experimentos,

necesariamente hubieron de ser más finos, más ingeniosos, y en la mayor parte de los casos más complicados, tanto teórica y como técnicamente.

Al principio bastaba abrir una manzana y observarla, asombrarse con lo que contenía, pero una vez (aproximadamente) bien entendido lo que vemos a simple vista, nos seguimos haciendo preguntas.

Los estudios sobre descargas eléctricas en tubos de gases a baja presión fueron una verdadera revolución en el mundo científico de comienzos del siglo XIX; estimularon la curiosidad de la comunidad científica, realizándose muchos experimentos, lo cual propició un avance enorme en la teoría sobre la estructura del átomo, en definitiva de la materia.

Fundamento teórico del experimento en tubos de descarga

Los gases, debido a su poca densidad y a que las moléculas que los forman mantienen sus electrones fuertemente enlazados, son muy aislantes. Sin embargo, frente a voltajes elevados (aproximadamente de 10000 voltios en adelante) conducen la corriente eléctrica.

Descripción del tubo de descarga

Recipiente tubular de vidrio al que se le ha practicado el vacío y se le ha rellenado con muy poca cantidad (es decir, se encuentra a presión muy baja) de un gas conocido. Con esto conseguimos conocer el contenido de nuestro sistema material y reducir las interferencias del propio gas.Una placa circular donde se ha practicado un orificio, lo divide en dos compartimentos. Con ello obtendremos un haz de luz más pequeño y manejable para estudiarlo mejor.El tubo está conectado a una bomba de vacío.En cada extremo del tubo se coloca un borne, y los conectamos a sendos polos de un generador: llamamos cátodo al borne negativo, y ánodo al positivo. En el lado del ánodo o a lo largo del tubo, como en el caso del esquema mostrado, se coloca una pantalla fluorescente capaz de detectar radiación.





El tubo lleva colocadas a ambos lados, un par de placas conectadas a los polos de de un condensador que permiten disponer de dos polos eléctricos a diferente potencial o voltaje.También lleva un dispositivo que crea campos magnéticos.

SECUENCIA DEL EXPERIMENTO Y CONCLUSIONES A CADA PASOPor la descripción anterior, el tubo apagado tendría el siguiente aspecto:

ENCENDAMOS EL TUBO

La corriente doméstica tiene una diferencia de potencial (voltaje o diferencia de carga) de unos 220V, que no es suficiente para conseguir que un gas conduzca la corriente eléctrica, a no ser que el tubo tenga un diseño adecuado, como les ocurre a los tubos fluorescentes, como se comprueba en el sencillo experimento de cargar un globo y acercarlo al tubo fluorescente.

Una vez alcanzamos diferencias de potencial elevadas, aproximadamente a partir de 10000V, el gas comienza a conducir la corriente y observamos que se ilumina todo el tubo, entre ánodo y cátodo.

Esta luminiscencia presenta distinto colores según el gas empleado, con lo cual podría emplearse como técnica experimental para analizar gases. También se observa una tenue luminiscencia en la parte opuesta al cátodo, pero se ve mal debido a que la luz del tubo es más intensa.

Modificando el material (metal) del que construimos los electrodos se comprobó que no afectaba al resultado.

REDUCCIÓN PROGRESIVA DE LA PRESIÓNA medida que se reduce la cantidad de gas, (o que aumenta el vacío) la luminiscencia de todo el

tubo es cada vez menor. Cuando se alcanza un gran vacío (0,001·mmHg=1/1000·Hg, la presión atmosférica es 760mmHg), desaparece la luz, pero se mantiene iluminada la parte del tubo de vidrio contraria al cátodo con una luz muy tenue.

Debe existir una radiación invisible a nuestro ojo que al entrar en contacto con la pared del tubo provoca luminosidad, que no depende del gas contenido, pues la experiencia se realiza con diversos gases y el resultado en cuanto a la emisión es la misma. A esta emisión es a la que posteriormente se le llamó rayos catódicos.

Por tanto, en los experimentos de tubos de descarga en gases a baja presión se habla de tres radiaciones diferentes: la que emite el gas, la que emite el vidrio y la que emite el cátodo. A esta última, a la emitida por el cátodo, se la llamó rayos catódicos, que resultó ser un haz o chorro de electrones.

Tanto la radiación luminosa (o luminiscencia) debida al gas, como la radiación luminosa, menos intensa, debida al vidrio, se deben a la interacción de los rayos catódicos (ahora sabemos que eran electrones) con el gas y con el vidrio.

Ambas emisiones de luz visible, la del gas y la del vidrio, siempre están presentes cuando las presiones son relativamente elevadas, pero la reflejada por el vidrio no se ve bien hasta que, al reducir la presión, desaparece la luz emitida por el gas, que es mucho más intensa.

EL DESARROLLO DE LA PANTALLA FLUORESCENTE EN LOS TUBOS





La luminosidad en la pared contraria al cátodo se interpretó como que la radiación generada en el cátodo interaccionaba con la pared de vidrio. Se realizaron experimentos con el mismo gas, la misma presión y la misma diferencia de potencial, pero variando la composición del vidrio de los tubos.

Se observaron colores diferentes e intensidades diferentes. Como consecuencia de ello, se identificaron sustancias que facilitaban la observación de los rayos catódicos, tanto por la intensidad emitida como por los colores.

Esto hizo pensar en la posibilidad de impregnar la parte de vidrio contraria al cátodo con sustancias distintas. A estas sustancias que emiten radiación cuando una radiación interacciona con ellas se las llama fluorescentes1, por ejemplo sulfuro de cinc, ZnS.

De este modo, con una pantalla fluorescente colocada entre ánodo y cátodo se podía hacer visible la trayectoria de esta radiación invisible. La pantalla se puede colocar a lo largo de todo el tubo, de modo que nos indique la trayectoria que siguen los rayos (dibujo de la izquierda), o bien en la parte contraria al cátodo, donde marcará con un punto iluminado el lugar alcanzado por los rayos (dibujo de la derecha).

En ambos se ha colocado una rendija, es decir, una placa con una ranura (alargada o puntual) para filtrar el haz de rayos que salen del cátodo y controlarlo más fácilmente. La rendija también nos puede servir de ánodo, como vemos en la figura de la derecha.

MODIFICACIONES EN EL TUBO PARA ESTUDIAR Y CONOCER LOS RAYOS CATÓDICOS

Para conocer a una persona le invitas a cenar y observas; atiendes cómo se comporta en el juego, haces un viaje con ella, visitas su casa y observas, le pides que te lea un pasaje de un libro,... es decir, la pones a prueba. Para conocer un caballo, un coche, móvil... los pones a prueba. Con el comportamiento deduces cómo es el ser o la cosa en cuestión.

Para entender la naturaleza o el carácter de los rayos catódicos también se les sometió a pruebas, que por supuesto no fueron sacarlos de paseo o invitarlos a cenar. Se idearon modificaciones en el tubo de descarga, para luego observar cómo respondían los rayos a los cambios.

Interponiendo un objeto metálico opaco (una rendija, una cruz) en el camino de los rayos se pudo averiguar de dónde salían. Los rayos proyectan una sombra en la pared opuesta al cátodo, por lo que se trataba de partículas o radiaciones que surgían del cátodo. Por ello se les llamó radiación o rayos catódicos. Las sombras que proyectan son nítidas, con lo cual se pensó que podía tratarse de partículas, y también sugería que los rayos se desplazaban en línea recta. Esto también se deducía al observar que los rayos alcanzaban con nitidez la zona correspondiente al orificio de las rendijas. Otro experimento también lo corroboraba: colocar el ánodo sin enfrentarlo al cátodo, (en la parte media del tubo). Se observaba que la radiación se obtenía justo frente al cátodo, como se observa en la figura siguiente.

1 Una sustancia fluorescente es aquella que aparte de reflejar la luz que le llega, como nuestro propio cuerpo, o los objetos cotidianos, modifican su estructura debido a esa luz, y el resultado es la emisión de otra radiación visible para el ojo humano, con lo cual emiten más intensidad de luz. Estas sustancias son las que se incluyen en las tintas de los subrayadores, en las pinturas de las señales de tráfico, en los chalecos y las bandas de los pantalones de la ropa de profesionales que necesitan ser vistos con facilidad por motivos de seguridad.





Aplicando un C magnético se observa que el haz de RC se desvía como si transportase carga negativa.

Cuando activamos el campo eléctrico lateral nos encontramos con lo siguiente:

En la imagen de la izquierda vemos la trayectoria y en la de la derecha(los RC aparecen en amarillo tenue, pero realmente no se verían) observamos el cambio en la posición del punto de luz.

Se trata de radiaciones muy energéticas2

Interponiendo una barra de mica en su camino son capaces de ponerla al rojo vivo. Teniendo en cuenta que la mica solo funde a 1145 - 1400°C, se necesitará muchísima energía en forma de calor para poner al rojo vivo la mica, con lo cual deducimos que los rayos catódicos son una radiación muy energética, bien porque las partículas iban a gran velocidad (pues los RC transportan partículas), bien porque la radiación transportaba mucha energía, o por ambas cosas a la vez.

EL TRABAJO EXPERIMENTAL DEL EQUIPO DE THOMSONLa forma en que se trabajaba en los laboratorios Cavendish (Inglaterra) a finales del siglo XIX,

cuando estaba dirigida por Thomson, daba una credibilidad prácticamente total a todos los datos y conclusiones que de ellos partían. Consistía en repetir absolutamente todos los experimentos del resto de la comunidad científica y además diseñar los suyos propios, con lo cual todos los resultados y conclusiones a las que llegaban estaban cimentadas en trabajo experimental muy sólido.

Así, el equipo de Thomson realizó la práctica totalidad de los experimentos para confirmar los trabajos anteriores. La formación matemática y física de Thomson le permitió diseñar experimentos

2 Una radiación puede transportar partículas o no. La energía de una radiación va en la propia radiación en sí y en la velocidad de las partículas en el caso de que las transporte o bien en ambos aspectos.





con los que era capaz de calcular valores numéricos complejos de los rayos catódicos, como por ejemplo la relación carga/masa. El tubo que diseñó para tal fin era parecido al siguiente:

También dedujeron que cuanto mayor es la diferencia de potencial aplicada, mayores eran las velocidades alcanzadas por las partículas que constituían los rayos catódicos, o lo que es lo mismo, con mayor velocidad partían los electrones que eran arrancados del cátodo.

El modelo atómico de J.J.ThomsonSir Joseph John Thomson (1856-1940), matemático y físico inglés. Premio Nóbel de

física en 1906.El modelo que propuso Thomson entre 1898 y 1904, lo realizó apoyándose en los siguientes hechos observados en los tubos de descarga:1.- Los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas negativamente. Estas partículas eran idénticas, independientemente del gas del tubo. Se les llamó electrones.2.- Los electrones, las partículas negativas, pueden extraerse de los átomos , por tanto los átomos son divisibles, es decir, la materia es discontinua, no es maciza, como decía Dalton, sino que hay huecos vacíos en ella. El modelo de Dalton para el átomo no justificaba la existencia de la electricidad.3.- Hasta entonces no había experimentos que indicasen que las cargas positivas se podían extraer.4.- La partícula con menor masa conocida hasta la fecha era el átomo de hidrógeno, que poseía una relación masa/carga mucho mayor que la calculada para el electrón, por tanto la masa del electrón era mínima comparada con la del átomo. 5.- La materia es eléctricamente neutra, por lo que si existen partículas negativas, el resto del átomo debe corresponder a la carga positiva.

Argumentos, razonamientos para la transición del modelo atómico de Dalton al de Thomson.Con todas estas evidencias, y el fenómeno de la electricidad como argumento de mayor peso, había que modificar el modelo atómico de Dalton, ¡pues era imposible explicar la electricidad (o demostrar la existencia de la electricidad), con un modelo que afirmaba que el átomo era indivisible! Si la materia es neutra, y y por otro lado el átomo es la partícula más pequeña de materia, entonces el átomo es neutro. Si un átomo es neutro y no se puede fragmentar o dividir… ¿Cómo vamos a explicar que existen partículas cargadas? Es imposible, por tanto había que proponer que el átomo se podía dividir. Y tal y cómo se había experimentado, las partículas que se podían extraer poseían carga negativa, por lo que se propuso un átomo con una estructura fija positiva donde se encontraban “incrustadas” las partículas negativas que en ciertas condiciones se podían extraer.

Bases de la teoría o modelo de Thomson

El átomo es divisible.

La estructura del átomo consiste en una esfera uniforme, compacta, maciza, de carga positiva, una especie de nube positiva, donde se encuentran distribuidos uniformemente los electrones con su carga negativa en número tal que las cargas se compensan.





Los electrones están en reposo. (Modelo estático)

La mayor parte de la masa del átomo corresponde a la parte que sustenta la carga positiva.

Se trata del modelo conocido informalmente como el pudín de ciruelas, según el cual los electrones eran como 'ciruelas' negativas incrustadas en un 'pudín' de materia positiva.

Fuentes: Univ. nacional nordeste.Constantino Perez Vega.http://tplaboratorioquimico.blogspot.com.es/2010/01/el-descubrimiento-de-los-electrones.htmlMICHAEL FARADAY: UN GENIO DE LA FÍSICA EXPERIMENTAL, Fondo de cultura económica de México.Anales de la real sociedad española de química.Y otros muchos archivos más con sus fotografías.Para observar los experimentos con rayos catódicos, entre otros, podemos visitar:

http://tplaboratorioquimico.blogspot.com.es/2010/01/el-descubrimiento-de-los-electrones.html

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