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Física y Química 3.º ESO · Los primeros modelos atómicos: Dalton y Thomson

Los rayos catódicos y el descubrimiento del electrón

Objetivo: Al terminar, sabrás describir el tubo de rayos catódicos, interpretar sus observaciones y explicar cómo llevaron a Thomson a descubrir el electrón y a proponer su modelo atómico.

Explicación

El tubo de descarga

A finales del siglo XIX se estudiaba qué pasa cuando la electricidad atraviesa un gas. Se usaba un tubo de descarga (tubo de Crookes):

un tubo de vidrio cerrado con un gas a presión muy baja (casi vacío);
dos placas metálicas (electrodos) conectadas a una tensión muy alta (miles de voltios): el cátodo (−) y el ánodo (+).

Al conectar la tensión, del cátodo sale un haz invisible que hace brillar el vidrio del fondo del tubo. Como sale del cátodo, se llamó rayos catódicos.

Observaciones y conclusiones

Observación	Conclusión
Un objeto metálico en su camino proyecta una sombra nítida en el fondo del tubo.	Los rayos viajan en línea recta desde el cátodo.
Hacen girar un molinillo de paletas colocado en su camino.	Están formados por partículas con masa.
Entre dos placas cargadas se desvían hacia la placa positiva (y también se desvían con un imán).	Las partículas tienen carga negativa.
Son iguales sea cual sea el gas del tubo o el metal del cátodo.	Esas partículas forman parte de todos los átomos.

El descubrimiento del electrón (Thomson, 1897)

J. J. Thomson midió cuánto se desviaban los rayos y calculó el cociente carga/masa de sus partículas. Le salió unas 1800 veces mayor que el del átomo más ligero, el de hidrógeno (con carga). Conclusión: son partículas muchísimo más ligeras que cualquier átomo. Las llamó electrones.

El electrón es una partícula con carga negativa y masa muy pequeña, presente en todos los átomos.
Por tanto, el átomo es divisible (falla el primer postulado de Dalton).
Como el átomo es neutro, también tiene carga positiva → modelo de Thomson: esfera positiva con electrones incrustados.

¿Y la carga positiva?

En 1886, Goldstein usó un tubo con el cátodo agujereado y vio rayos que iban en sentido contrario, hacia el cátodo: los rayos canales, con carga positiva. Su masa dependía del gas; los más ligeros, los del hidrógeno, eran partículas positivas que más tarde se llamaron protones.

Hoy

Las televisiones y monitores antiguos «de tubo» eran tubos de rayos catódicos: un haz de electrones, guiado con imanes, iba dibujando la imagen sobre la pantalla. Los letreros luminosos de gas (como los de la Gran Vía) y los tubos fluorescentes también son tubos de descarga.

Puntos clave

Rayos catódicos: haz que sale del cátodo en un tubo con gas a muy baja presión y alta tensión.
Viajan en línea recta, tienen masa (mueven un molinillo) y carga negativa (se desvían hacia la placa positiva).
Son iguales con cualquier gas y cualquier cátodo: sus partículas, los electrones, están en todos los átomos.
Thomson (1897): el electrón es unas 1800 veces más ligero que el átomo de hidrógeno.
Consecuencia: el átomo es divisible y debe tener carga positiva que compense la de los electrones.

Errores frecuentes

ErrorPensar que los rayos catódicos son luz.
Cómo corregirloLo que se ve es el brillo del vidrio o del gas al chocar los rayos. Los rayos son partículas: tienen masa y carga, y la luz no se desvía hacia una placa cargada.
ErrorDecir que los rayos catódicos se desvían hacia la placa negativa «porque son negativos».
Cómo corregirloCargas de signo contrario se atraen: las partículas negativas van hacia la placa positiva.
ErrorConfundir rayos catódicos y rayos canales.
Cómo corregirloCatódicos: salen del cátodo, negativos, iguales con cualquier gas (electrones). Canales: van hacia el cátodo, positivos, dependen del gas.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. El tubo de rayos catódicos, paso a paso experimental (de la observación a la conclusión)
Describe el tubo de rayos catódicos y, para cada experiencia, di qué se observa y qué se concluye: a) se coloca una cruz metálica dentro del tubo; b) se coloca un molinillo de paletas ligero sobre unos raíles; c) se colocan dos placas cargadas a los lados del haz; d) se cambia el gas del tubo (aire, neón, hidrógeno) y el metal del cátodo.

Resolución
Montaje: tubo de vidrio con gas a muy baja presión y dos electrodos con alta tensión; del cátodo (−) sale un haz que hace brillar el fondo del tubo.

a) Aparece la sombra de la cruz, con bordes nítidos, en el fondo del tubo → los rayos van en línea recta desde el cátodo.

b) El molinillo gira y avanza alejándose del cátodo → los rayos son partículas con masa que empujan las paletas al chocar.

c) El haz se curva hacia la placa positiva → las partículas tienen carga negativa.

d) Los rayos son siempre iguales (se desvían lo mismo) → las partículas no son de un gas concreto: están en todos los átomos. Son los electrones.
Ejemplo 2. Hacia dónde se curva el haz razonamiento con un esquema
Un haz de rayos catódicos avanza horizontalmente de izquierda a derecha y pasa entre dos placas metálicas horizontales: la de arriba tiene carga positiva y la de abajo, negativa. a) ¿Hacia dónde se desvía el haz? b) ¿Qué pasaría si invertimos la carga de las placas? c) ¿Y si por el mismo sitio pasara un haz de partículas sin carga?

Resolución
a) Las partículas son negativas: la placa de arriba (+) las atrae y la de abajo (−) las repele → el haz se curva hacia arriba.

b) Ahora la placa positiva está abajo → el haz se curva hacia abajo.

c) Partículas sin carga no notan las placas → siguen en línea recta.

Así se puede saber el signo de la carga de cualquier haz de partículas.
Ejemplo 3. ¿Cuánto más ligero es el electrón? numérico (notación científica)
Hoy sabemos que el electrón tiene una carga de $1{,}602 \cdot 10^{-19}$ C y una masa de $9{,}109 \cdot 10^{-31}$ kg. a) Calcula su cociente carga/masa. b) El cociente carga/masa del ion hidrógeno (un protón) es $9{,}58 \cdot 10^{7}$ C/kg. ¿Cuántas veces mayor es el del electrón? c) Si los dos tienen la misma carga (en valor), ¿qué conclusión sacó Thomson?

Resolución
a) $\frac{q}{m} = \frac{1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \text{C}}{9{,}109 \cdot 10^{-31}\ \text{kg}} = 1{,}76 \cdot 10^{11}\ \text{C/kg}$

b) $\frac{1{,}76 \cdot 10^{11}}{9{,}58 \cdot 10^{7}} \approx 1840$ Es unas 1800 veces mayor.

c) Si la carga es la misma, el cociente es mayor porque la masa es menor: el electrón es unas 1800 veces más ligero que el átomo de hidrógeno, el más ligero de todos. Es una partícula más pequeña que el átomo.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Relaciona cada observación del tubo de rayos catódicos con su conclusión. Observaciones: 1) hacen girar un molinillo; 2) se desvían hacia la placa positiva; 3) un objeto en su camino da una sombra nítida; 4) son iguales con cualquier gas. Conclusiones: A) tienen carga negativa; B) viajan en línea recta; C) están en todos los átomos; D) son partículas con masa.
Ver solución
1-D, 2-A, 3-B, 4-C.
1. Para mover el molinillo tienen que chocar con él y empujarlo → partículas con masa (D).
2. Van hacia la placa positiva porque se atraen cargas opuestas → negativas (A).
3. La sombra nítida indica trayectorias rectas (B).
4. Si no dependen del gas, no son de una sustancia concreta: están en todos los átomos (C).
2. Fácil
a) ¿Por qué se llaman rayos «catódicos»? ¿Qué signo tiene el cátodo? b) ¿Por qué el gas del tubo tiene que estar a presión muy baja? c) ¿Por qué se ve un brillo en el fondo del tubo si los rayos son invisibles?

Ver solución
a) Porque salen del cátodo, que es el electrodo negativo. b) Para que las partículas recorran el tubo sin chocar con el gas. c) Porque el vidrio brilla al recibir el choque de los rayos.
a) Salen del cátodo, el electrodo negativo (el ánodo es el positivo). b) Si hubiera mucho gas, las partículas chocarían enseguida con las moléculas del gas y no llegarían al fondo; con muy poco gas recorren el tubo casi sin obstáculos. c) Los rayos no se ven; lo que vemos es el vidrio (o una sustancia que lo recubre) que emite luz cuando lo golpean.
3. Media
Un haz de rayos catódicos pasa entre dos placas verticales: la de la izquierda es negativa y la de la derecha, positiva. a) ¿Hacia qué lado se desvía? b) Si se hace pasar entre las mismas placas un haz de rayos canales, ¿hacia dónde se desviaría? Justifica las dos respuestas.

Ver solución
a) Hacia la derecha (placa positiva). b) Hacia la izquierda (placa negativa).
a) Los rayos catódicos son electrones, negativos: los atrae la placa positiva (derecha) y los repele la negativa → se desvían a la derecha. b) Los rayos canales son positivos: los atrae la placa negativa → se desvían a la izquierda.
4. Media
Thomson comprobó que los rayos catódicos eran iguales al cambiar el gas del tubo y el metal del cátodo. a) ¿Qué concluyó? b) ¿Por qué esa conclusión obliga a corregir a Dalton? c) ¿Por qué obliga a pensar que en el átomo hay también carga positiva?

Ver solución
a) Que los electrones están en todos los átomos. b) Porque el átomo deja de ser indivisible. c) Porque la materia es neutra.
a) Si salen los mismos rayos de cualquier sustancia, sus partículas (electrones) forman parte de todos los átomos. b) Dalton decía que el átomo es indivisible; si de él salen electrones, tiene partes: es divisible. c) Los átomos son neutros; si contienen electrones (negativos), tiene que haber una carga positiva igual que la compense. Thomson la imaginó repartida por una esfera (modelo del pudin de pasas).
5. Difícil
Con los datos de Thomson redondeados, $q = 1{,}60 \cdot 10^{-19}$ C y $m = 9{,}11 \cdot 10^{-31}$ kg: a) calcula el cociente carga/masa del electrón; b) compáralo con el de los rayos canales del hidrógeno, $9{,}58 \cdot 10^{7}$ C/kg. ¿Cuántas veces mayor es?

Ver solución
a) $1{,}76 \cdot 10^{11}$ C/kg. b) Unas 1830 veces (≈ 1800).
a) $\dfrac{1{,}60 \cdot 10^{-19}}{9{,}11 \cdot 10^{-31}} = 0{,}176 \cdot 10^{12} = 1{,}76 \cdot 10^{11}$ C/kg. b) $\dfrac{1{,}76 \cdot 10^{11}}{9{,}58 \cdot 10^{7}} \approx 1{,}83 \cdot 10^{3} \approx 1830$ . Como las cargas son iguales en valor, el electrón es unas 1800 veces más ligero que el átomo de hidrógeno.

Para practicar más

1. Fácil
Completa: «En un tubo de descarga hay un gas a presión muy ______ y dos electrodos; del ______ (electrodo negativo) salen unos rayos que viajan en línea ______. Se desvían hacia la placa ______, por lo que tienen carga ______. Thomson llamó ______ a sus partículas».

Ver solución
baja; cátodo; recta; positiva; negativa; electrones.
Gas a presión muy baja; salen del cátodo; viajan en línea recta; se desvían hacia la placa positiva, luego tienen carga negativa; sus partículas son los electrones.
2. Media
Si los rayos catódicos fueran un tipo de luz, ¿giraría el molinillo de paletas? ¿Se desviarían entre dos placas cargadas? ¿Qué demuestran entonces esas dos experiencias?

Ver solución
No giraría (apenas) y no se desviaría. Demuestran que son partículas con masa y con carga.
La luz no tiene carga, así que no se desviaría entre las placas; y no tiene masa, así que no podría empujar el molinillo como lo hacen los rayos. Que el molinillo gire demuestra que los rayos son partículas con masa; que se desvíen hacia la placa positiva demuestra que tienen carga negativa.
3. Media
Las televisiones antiguas eran tubos de rayos catódicos: un haz de electrones salía de la parte de atrás y se dirigía hacia la pantalla, que brillaba donde chocaba. Si acercabas un imán potente a la pantalla, la imagen se deformaba. ¿Qué propiedad de los rayos catódicos explica eso?

Ver solución
Que tienen carga y se desvían con imanes (y con placas cargadas).
Los rayos catódicos son partículas con carga eléctrica en movimiento; un imán las desvía, igual que hacían los científicos en el tubo de Crookes. Al desviarse el haz, los electrones chocan en otros puntos de la pantalla y la imagen se deforma. (¡No lo hagas con una pantalla de verdad: puede quedar dañada!)
4. Media
Goldstein usó un tubo con el cátodo agujereado y observó, detrás del cátodo, unos rayos que iban en sentido contrario a los catódicos: los rayos canales. a) ¿Qué carga tienen? Razónalo. b) Su masa cambia según el gas del tubo, y la de los rayos catódicos no. ¿Qué indica esa diferencia?

Ver solución
a) Positiva. b) Que son restos de los átomos del gas (distintos para cada gas), mientras que los electrones son iguales en todos.
a) Se mueven hacia el cátodo (negativo), es decir, son atraídos por él → carga positiva. b) Si su masa depende del gas, las partículas son distintas para cada elemento: son lo que queda de los átomos del gas al perder electrones. Los electrones, en cambio, son iguales en todos los átomos. Los rayos canales más ligeros (del hidrógeno) llevaron a la idea de protón.
5. Difícil
La masa de un electrón es $9{,}109 \cdot 10^{-31}$ kg. ¿Cuántos electrones harían falta para reunir 1 g de masa? Expresa el resultado en notación científica.

Ver solución
Unos $1{,}1 \cdot 10^{27}$ electrones.
$1\ \text{g} = 10^{-3}$ kg. Número de electrones $= \dfrac{10^{-3}\ \text{kg}}{9{,}109 \cdot 10^{-31}\ \text{kg}} = 0{,}1098 \cdot 10^{28} \approx 1{,}1 \cdot 10^{27}$ electrones.