Rayo catódico

En 1838, Michael Faraday aplicó un alto voltaje entre dos electrodos metálicos en los extremos de un tubo de vidrio parcialmente vacío de aire y observó un extraño arco de luz que comenzaba en el cátodo (electrodo negativo) y terminaba en el ánodo (electrodo positivo). ^{[ 4 ]} En 1857, el físico y soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler extrajo aún más aire con una bomba mejorada, hasta una presión de alrededor de 10 ⁻³ atm y descubrió que, en lugar de un arco, un resplandor llenaba el tubo. El voltaje aplicado entre los dos electrodos de los tubos, generado por una bobina de inducción , era de entre unos pocos kilovoltios y 100 kV. Estos se denominaron tubos de Geissler , similares a los letreros de neón actuales .

La explicación de estos efectos radicaba en que el alto voltaje aceleraba los electrones libres y los átomos cargados eléctricamente ( iones ) presentes de forma natural en el aire del tubo. A baja presión, existía suficiente espacio entre los átomos de gas para que los electrones alcanzaran velocidades lo suficientemente altas como para que, al chocar con un átomo, le arrancaran electrones, creando así más iones positivos y electrones libres. Estos, a su vez, generaban más iones y electrones en una reacción en cadena conocida como descarga luminiscente . Los iones positivos eran atraídos por el cátodo y, al chocar con él, le arrancaban más electrones, que eran atraídos hacia el ánodo. De este modo, el aire ionizado se volvía conductor eléctricamente y fluía una corriente eléctrica a través del tubo.

Los tubos de Geissler contenían suficiente aire como para que los electrones solo recorrieran una distancia mínima antes de colisionar con un átomo. En estos tubos, los electrones se movían mediante un lento proceso de difusión , sin alcanzar mucha velocidad, por lo que no producían rayos catódicos. En cambio, generaban una descarga luminosa de colores (similar a la de una luz de neón moderna ), causada por el choque de los electrones con los átomos de gas, lo que excitaba sus electrones orbitales a niveles de energía superiores. Los electrones liberaban esta energía en forma de luz. Este proceso se denomina fluorescencia.

En la década de 1870, el físico británico William Crookes y otros lograron evacuar tubos a una presión menor, inferior a 10⁻⁶ ^atm . Estos tubos se denominaron tubos de Crookes . Faraday fue el primero en observar un espacio oscuro justo delante del cátodo, donde no había luminiscencia. Este espacio se conoció como el "espacio oscuro del cátodo", el "espacio oscuro de Faraday" o el "espacio oscuro de Crookes". Crookes descubrió que, al extraer más aire de los tubos, el espacio oscuro de Faraday se extendía a lo largo del tubo, desde el cátodo hacia el ánodo, hasta que el tubo quedaba completamente oscuro. Sin embargo, en el extremo del ánodo (positivo), el vidrio del tubo comenzaba a brillar.

Lo que sucedía era que, a medida que se bombeaba más aire del tubo, los electrones expulsados ​​del cátodo al chocar con iones positivos podían viajar, en promedio, más lejos antes de colisionar con un átomo de gas. Cuando el tubo se oscurecía, la mayoría de los electrones podían viajar en línea recta desde el cátodo hasta el ánodo sin colisionar. Sin obstáculos, estas partículas de baja masa eran aceleradas a altas velocidades por el voltaje entre los electrodos. Estos eran los rayos catódicos.

Al llegar al extremo del ánodo del tubo, viajaban tan rápido que, aunque se sentían atraídos por él, a menudo lo sobrepasaban y chocaban contra la pared posterior. Al impactar contra los átomos de la pared de vidrio, excitaban sus electrones orbitales a niveles de energía superiores . Cuando los electrones regresaban a su nivel de energía original, liberaban la energía en forma de luz, lo que provocaba que el vidrio fluoresciera , generalmente con un color verdoso o azulado. Posteriormente, algunos investigadores pintaron la pared posterior interna con sustancias químicas fluorescentes, como el sulfuro de zinc , para hacer el brillo más visible.

Los rayos catódicos en sí son invisibles, pero esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores observar que los objetos en el tubo frente al cátodo, como el ánodo, proyectaban sombras nítidas sobre la pared posterior brillante. En 1869, el físico alemán Johann Hittorf fue el primero en darse cuenta de que algo debía viajar en línea recta desde el cátodo para proyectar las sombras. Eugen Goldstein los denominó rayos catódicos (en alemán, Kathodenstrahlen ).

En aquella época, los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas y se creía que eran indivisibles. El origen de las corrientes eléctricas era un misterio. Durante el último cuarto del siglo XIX, se realizaron numerosos experimentos históricos con tubos de Crookes para determinar qué eran los rayos catódicos. Existían dos teorías. Crookes y Arthur Schuster creían que eran partículas de "materia radiante", es decir, átomos con carga eléctrica. Los científicos alemanes Eilhard Wiedemann, Heinrich Hertz y Goldstein creían que eran "ondas de éter", una nueva forma de radiación electromagnética , y que eran independientes de lo que transportaba la corriente eléctrica a través del tubo.

El debate se resolvió en 1897 cuando JJ Thomson midió la masa de los rayos catódicos, demostrando que estaban compuestos de partículas, pero que eran aproximadamente 1800 veces más ligeros que el átomo más ligero, el hidrógeno . Por lo tanto, no eran átomos, sino una nueva partícula, la primera partícula subatómica descubierta, a la que originalmente llamó " corpúsculo ", pero que más tarde recibió el nombre de electrón , en referencia a las partículas postuladas por George Johnstone Stoney en 1874. También demostró que eran idénticas a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. ^{[ 5 ]} Pronto se reconoció que son las partículas que transportan corrientes eléctricas en los cables metálicos y que portan la carga eléctrica negativa del átomo.

Thomson recibió el Premio Nobel de Física de 1906 por este trabajo. Philipp Lenard también contribuyó enormemente a la teoría de los rayos catódicos, ganando el Premio Nobel en 1905 por su investigación sobre los rayos catódicos y sus propiedades.

El método de ionización de gas (o cátodo frío ) para producir rayos catódicos, utilizado en los tubos de Crookes, no era fiable, ya que dependía de la presión del aire residual en el tubo. Con el tiempo, el aire era absorbido por las paredes del tubo y este dejaba de funcionar.

Hittorf y Goldstein investigaron un método más fiable y controlable para producir rayos catódicos, ^{[ 6 ]} redescubierto por Thomas Edison en 1880. Un cátodo hecho de un filamento de alambre calentado al rojo vivo por una corriente independiente que lo atravesaba liberaba electrones en el tubo mediante un proceso llamado emisión termoiónica . Los primeros tubos de vacío electrónicos verdaderos, inventados en 1904 por John Ambrose Fleming , utilizaban esta técnica de cátodo caliente y reemplazaron a los tubos de Crookes. Estos tubos no necesitaban gas para funcionar, por lo que se evacuaban a una presión más baja, alrededor de 10⁻⁹ ^atm (10⁻⁴ ^Pa ). El método de ionización para crear rayos catódicos utilizado en los tubos de Crookes se utiliza hoy en día solo en unos pocos tubos de descarga de gas especializados , como los krytrones .

En 1906, Lee De Forest descubrió que una pequeña tensión aplicada a una rejilla de cables metálicos entre el cátodo y el ánodo podía controlar la corriente de un haz de rayos catódicos que atravesaba un tubo de vacío. Su invento, llamado triodo , fue el primer dispositivo capaz de amplificar señales eléctricas y revolucionó la tecnología eléctrica, dando origen al campo de la electrónica . Los tubos de vacío hicieron posible la radiodifusión y la televisión , así como el radar , el cine sonoro, la grabación de audio y el servicio telefónico de larga distancia, y fueron la base de los dispositivos electrónicos de consumo hasta la década de 1960, cuando el transistor puso fin a la era de los tubos de vacío.

Actualmente, los rayos catódicos se denominan haces de electrones. La tecnología de manipulación de haces de electrones, desarrollada inicialmente en estos primeros tubos, se aplicó en la práctica al diseño de tubos de vacío, especialmente en la invención del tubo de rayos catódicos (TRC) por Ferdinand Braun en 1897, que se utilizó en televisores y osciloscopios . Hoy en día, los haces de electrones se emplean en dispositivos sofisticados como microscopios electrónicos, litografía por haz de electrones y aceleradores de partículas .

En 1858/59, Julius Plücker construyó un tubo con un ánodo en forma de cruz de Malta orientado hacia el cátodo. Estaba articulado, de modo que podía plegarse contra el fondo del tubo. Al encender el tubo, los rayos catódicos proyectaban una sombra nítida en forma de cruz sobre la fluorescencia en la cara posterior del tubo, lo que demostraba que los rayos se movían en línea recta. ^{[ 8 ] : 79} Esta fluorescencia se utilizó como argumento para afirmar que los rayos catódicos eran ondas electromagnéticas, ya que en aquel entonces lo único que se sabía que causaba fluorescencia era la luz ultravioleta . Después de un tiempo, la fluorescencia se "cansaba" y el brillo disminuía. ^{[ 9 ] : 143} Si la cruz se plegaba fuera del camino de los rayos, dejaba de proyectar sombra, y la zona previamente sombreada fluorescía con mayor intensidad que la zona circundante.

Eugen Goldstein descubrió en 1876 que los rayos catódicos siempre se emitían perpendicularmente a la superficie del cátodo. ^{[ 9 ] : 138 [ 10 ]} Si el cátodo era una placa plana, los rayos salían en líneas rectas perpendiculares al plano de la placa. Esto era evidencia de que eran partículas, porque un objeto luminoso, como una placa de metal al rojo vivo, emite luz en todas direcciones, mientras que una partícula cargada será repelida por el cátodo en dirección perpendicular. Los rayos catódicos calientan la materia que impactan. ^{[ 9 ] : 145} Si el electrodo se hacía en forma de plato esférico cóncavo, los rayos catódicos se enfocarían en un punto frente al plato. ^{[ 7 ]} Esto podría usarse para calentar muestras a alta temperatura.

La trayectoria de los rayos catódicos puede desviarse mediante un campo eléctrico . Heinrich Hertz construyó un tubo con un segundo par de placas metálicas a cada lado del haz de rayos catódicos, un tubo de rayos catódicos rudimentario. Si los rayos catódicos fueran partículas cargadas , su trayectoria debería curvarse por el campo eléctrico creado al aplicar un voltaje a las placas, provocando que el punto de luz donde inciden los rayos se desplace lateralmente. No observó ninguna curvatura, pero posteriormente se determinó que su tubo no estaba suficientemente evacuado, lo que causó acumulaciones de carga superficial que enmascararon el campo eléctrico. Más tarde, Arthur Schuster repitió el experimento con un mayor vacío. Descubrió que los rayos eran atraídos hacia una placa cargada positivamente y repelidos por una cargada negativamente, curvando el haz. Esto demostró que tenían carga negativa y, por lo tanto, no eran ondas electromagnéticas.

La trayectoria de los rayos puede desviarse mediante un campo magnético . Crookes colocó un imán a través del cuello del tubo, de modo que el polo norte quedara a un lado del haz y el polo sur al otro, y el haz viajara a través del campo magnético entre ellos. El haz se desvió hacia abajo, perpendicular al campo magnético. ^{[ 9 ] : 150–151} Para revelar la trayectoria del haz, Crookes inventó un tubo (ver imágenes) con una pantalla de cartón con un recubrimiento de fósforo a lo largo del tubo, en un ligero ángulo para que los electrones chocaran con el fósforo a lo largo de su longitud, creando una línea brillante en la pantalla. Se podía observar que la línea se curvaba hacia arriba o hacia abajo en un campo magnético transversal. Este efecto (ahora llamado fuerza de Lorentz ) era similar al comportamiento de las corrientes eléctricas en un motor eléctrico y demostró que los rayos catódicos obedecían la ley de inducción de Faraday como las corrientes en los cables. Tanto la desviación eléctrica como la magnética fueron evidencia a favor de la teoría de partículas, ya que los campos eléctricos y magnéticos no tienen efecto sobre un haz de ondas de luz en el vacío.

Crookes colocó una pequeña turbina de paletas o rueda de paletas en la trayectoria de los rayos catódicos y descubrió que giraba cuando los rayos la alcanzaban. ^{[ 9 ] : 146–149} La rueda de paletas giraba en dirección opuesta al lado del cátodo del tubo, lo que sugería que la fuerza de los rayos catódicos al impactar las paletas era la causante de la rotación. Crookes concluyó en ese momento que esto demostraba que los rayos catódicos tenían momento , por lo que probablemente eran partículas de materia . Sin embargo, más tarde se concluyó que la rueda de paletas giraba no debido al momento de las partículas (o electrones) que impactaban la rueda de paletas, sino debido al efecto radiométrico . ^{[ 7 ]} Cuando los rayos impactaban la superficie de la paleta, la calentaban, y el calor provocaba que el gas adyacente se expandiera, empujando la paleta. Esto fue demostrado en 1903 por JJ Thomson, quien calculó que el momento de los electrones que impactaban la rueda de paletas solo sería suficiente para hacerla girar una revolución por minuto. ^{[ 7 ]} Todo lo que este experimento demostró realmente fue que los rayos catódicos eran capaces de calentar superficies.

Jean-Baptiste Perrin quería determinar si los rayos catódicos realmente transportaban carga negativa , o si simplemente acompañaban a los portadores de carga, como creían los alemanes. En 1895 construyó un tubo con un «captador», un cilindro de aluminio cerrado con un pequeño orificio en el extremo que daba al cátodo, para recoger los rayos catódicos. ^{[ 9 ] : 161–165} El captador se conectó a un electroscopio para medir su carga. El electroscopio mostró una carga negativa, lo que demostró que los rayos catódicos realmente transportan electricidad negativa.

Goldstein descubrió en 1886 que si el cátodo se fabrica con pequeños orificios, se observarán corrientes de un tenue resplandor luminoso que emanan de los orificios en la parte posterior del cátodo, en dirección opuesta al ánodo. ^{[ 11 ] [ 9 ] : 158–159} Se descubrió que en un campo eléctrico estos rayos anódicos se curvan en dirección opuesta a los rayos catódicos, hacia una placa cargada negativamente, lo que indica que llevan una carga positiva. Estos eran los iones positivos que eran atraídos por el cátodo y creaban los rayos catódicos. Goldstein los denominó rayos de canal ( Kanalstrahlen ). ^{[ 12 ]}

Eugen Goldstein creyó haber descubierto un método para medir la velocidad de los rayos catódicos. Si la descarga luminiscente observada en el gas de los tubos de Crookes era producida por el movimiento de los rayos catódicos, la luz que irradiaban en la dirección de su movimiento, a lo largo del tubo, se desplazaría en frecuencia debido al efecto Doppler . ^{[ 7 ]} Esto podía detectarse con un espectroscopio , ya que el espectro de la línea de emisión se desplazaría. Construyó un tubo en forma de "L", con un espectroscopio apuntando a través del vidrio del codo hacia uno de los brazos. Midió el espectro de la luminiscencia cuando el espectroscopio apuntaba hacia el extremo del cátodo, luego cambió las conexiones de la fuente de alimentación para que el cátodo se convirtiera en el ánodo y los electrones se movieran en la dirección opuesta, y volvió a observar el espectro buscando un desplazamiento. No encontró ninguno, lo que, según sus cálculos, significaba que los rayos viajaban muy lentamente. Posteriormente se reconoció que la luminiscencia en los tubos de Crookes es emitida por los átomos de gas impactados por los electrones, no por los electrones mismos. Dado que los átomos son miles de veces más masivos que los electrones, se mueven mucho más despacio, lo que explica la ausencia del efecto Doppler.

Philipp Lenard quería comprobar si los rayos catódicos podían salir del tubo de Crookes hacia el aire. Véase el diagrama. Construyó un tubo con una "ventana" (W) en la envoltura de vidrio hecha de papel de aluminio con el grosor justo para impedir el paso de la presión atmosférica (más tarde llamada "ventana de Lenard"), orientada hacia el cátodo (C) para que los rayos catódicos incidieran sobre él. ^{[ 9 ] : 182–188} Descubrió que algo sí pasaba. Al sostener una pantalla fluorescente frente a la ventana, esta fluorescía, aunque no le llegaba luz. Una placa fotográfica sostenida frente a ella se oscurecía, aunque no estuviera expuesta a la luz. El efecto tenía un alcance muy corto, de unos 2,5 centímetros (0,98 pulgadas) . Midió la capacidad de los rayos catódicos para penetrar láminas de material y descubrió que podían penetrar mucho más lejos que los átomos en movimiento. Dado que los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas en ese momento, esto se tomó inicialmente como evidencia de que los rayos catódicos eran ondas. Posteriormente se descubrió que los electrones eran mucho más pequeños que los átomos, lo que explicaba su mayor capacidad de penetración. Lenard recibió el Premio Nobel de Física en 1905 por su trabajo. 

Wilhelm Röntgen repitió los experimentos de Lenard y, en la noche del 8 de noviembre de 1895, al caer la noche, descubrió la emisión de rayos X desde la pared de vidrio de su tubo al reducir aún más la presión del gas residual y aumentar el alto voltaje. Observó que, en condiciones óptimas, la emisión iba acompañada de un resplandor amarillento en la pared alcanzada por los rayos catódicos. Geissler ya había observado un resplandor amarillento similar 35 años antes sin percatarse de la presencia de rayos X. Röntgen recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901.

Louis de Broglie sugirió posteriormente (1924) en su tesis doctoral que los electrones son como fotones y pueden comportarse como ondas . El comportamiento ondulatorio de los rayos catódicos fue demostrado directamente más tarde mediante la reflexión en una superficie de níquel por Davisson y Germer [ ^{13 ]} y la transmisión a través de películas delgadas de celuloide y, posteriormente, de películas metálicas por George Paget Thomson y Alexander Reid ^{[ 14 ] en 1927. (Alexander Reid, quien fue estudiante de posgrado de Thomson, realizó los primeros experimentos ,} pero falleció poco después en un accidente de motocicleta ^{[ 15 ]} y rara vez se le menciona).