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Un tubo de Crookes (también conocido como tubo de Crookes-Hittorf) es un tubo de descarga eléctrica experimental temprano, con un vacío parcial, inventado por el físico inglés William Crookes y otros alrededor de 1869-1875, en el cual se descubrieron los rayos catódicos, corrientes de electrones.
Desarrollado a partir del tubo Geissler anterior, el tubo de Crookes consta de un bulbo de vidrio parcialmente evacuado de diversas formas, con dos electrodos metálicos, el cátodo y el ánodo, uno en cada extremo. Cuando se aplica un voltaje alto entre los electrodos, los rayos catódicos (electrones) son proyectados en líneas rectas desde el cátodo.
Fue utilizado por Crookes, Johann Hittorf, Julius Plücker, Eugen Goldstein, Heinrich Hertz, Philipp Lenard, Kristian Birkeland y otros para descubrir las propiedades de los rayos catódicos, culminando en la identificación de J.J. Thomson en 1897 de los rayos catódicos como partículas cargadas negativamente, que luego fueron llamadas electrones. Los tubos de Crookes se utilizan actualmente solo para demostrar los rayos catódicos.
Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X utilizando el tubo de Crookes en 1895. El término «tubo de Crookes» también se utiliza para los tubos de rayos X de primera generación, con cátodo frío, que evolucionaron a partir de los tubos de Crookes experimentales y se utilizaron hasta aproximadamente 1920.
Historia del tubo de Crookes
Los tubos de Crookes evolucionaron a partir de los tubos Geissler anteriores, inventados por el físico y soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler en 1857, tubos experimentales similares a las modernas luces de tubo de neón.
Los tubos Geissler tenían un vacío solo parcial, alrededor de 10-3 atmósferas (100 Pa), y los electrones en ellos solo podían recorrer una corta distancia antes de golpear una molécula de gas. Por lo tanto, la corriente de electrones se movía en un proceso de difusión lento, chocando constantemente con las moléculas de gas, sin ganar mucha energía.
Estos tubos no creaban haces de rayos catódicos, solo una descarga de resplandor colorido que llenaba el tubo a medida que los electrones golpeaban las moléculas de gas y las excitaban, produciendo luz.
Mejorando los tubos de vacío
Para la década de 1870, Crookes (junto con otros investigadores) logró evacuar sus tubos a una presión más baja, de 10-6 a 5×10-8 atmósferas, utilizando una bomba de vacío de mercurio mejorada inventada por su colega Charles A. Gimingham. Descubrió que al bombear más aire fuera de sus tubos, se formaba un área oscura en el gas brillante junto al cátodo.
A medida que la presión disminuía, el área oscura, ahora llamada espacio oscuro de Faraday o espacio oscuro de Crookes, se extendía por el tubo hasta que el interior del tubo estaba totalmente oscuro. Sin embargo, el envoltorio de vidrio del tubo comenzaba a brillar en el extremo del ánodo.
Lo que sucedía era que a medida que se bombeaba más aire fuera del tubo, había menos moléculas de gas que obstruían el movimiento de los electrones desde el cátodo, por lo que podían recorrer una distancia más larga, en promedio, antes de golpear una. Para el momento en que el interior del tubo se volvía oscuro, podían viajar en líneas rectas desde el cátodo hasta el ánodo, sin colisionar. Eran acelerados a una alta velocidad por el campo eléctrico entre los electrodos, tanto porque no perdían energía en colisiones como porque los tubos de Crookes se operaban a un voltaje más alto.
Para cuando alcanzaban el extremo del ánodo del tubo, iban tan rápido que muchos pasaban por el ánodo y golpeaban la pared de vidrio. Los electrones en sí mismos eran invisibles, pero cuando golpeaban las paredes de vidrio del tubo, excitaban los átomos en el vidrio, haciéndolos emitir luz o fluorescer, generalmente de color amarillo-verde. Experimentadores posteriores pintaron la pared posterior de los tubos de Crookes con pintura fluorescente para hacer que los haces fueran más visibles.
Primeras respuestas gracias al tubo de Crookes
Esta fluorescencia accidental permitió a los investigadores darse cuenta de que los objetos en el tubo, como el ánodo, proyectaban una sombra con bordes nítidos en la pared del tubo. Johann Hittorf fue el primero en reconocer en 1869 que algo debía estar viajando en líneas rectas desde el cátodo para proyectar la sombra. En 1876, Eugen Goldstein demostró que provenían del cátodo y los llamó rayos catódicos (Kathodenstrahlen).
En ese momento, los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas y se creía que eran indivisibles; el electrón era desconocido y lo que transportaba las corrientes eléctricas era un misterio. Durante el último cuarto del siglo XIX, se inventaron muchos tipos ingeniosos de tubos de Crookes y se utilizaron en experimentos históricos para determinar qué eran los rayos catódicos (ver abajo). Existían dos teorías: Crookes creía que eran ‘materia radiante’, es decir, átomos cargados eléctricamente, mientras que los científicos alemanes Hertz y Goldstein creían que eran ‘vibraciones éter’; alguna nueva forma de ondas electromagnéticas.
El debate se resolvió en 1897 cuando J.J. Thomson midió la masa de los rayos catódicos, demostrando que estaban hechos de partículas, pero eran alrededor de 1800 veces más ligeras que el átomo más ligero, el hidrógeno. Por lo tanto, no eran átomos, sino una nueva partícula, la primera partícula subatómica descubierta, que luego se llamó electrón. Se dio cuenta rápidamente de que estas partículas también eran responsables de las corrientes eléctricas en los cables y llevaban la carga negativa en el átomo.
Los rayos X
Los coloridos tubos brillantes también eran populares en conferencias públicas para demostrar los misterios de la nueva ciencia de la electricidad. Se fabricaron tubos decorativos con minerales fluorescentes, o figuras de mariposas pintadas con pintura fluorescente, selladas en su interior. Cuando se aplicaba energía, los materiales fluorescentes se iluminaban con muchos colores brillantes.
En 1895, Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X que emanaban de los tubos de Crookes. Las muchas aplicaciones de los rayos X fueron inmediatamente evidentes, siendo la primera aplicación práctica para los tubos de Crookes. Los fabricantes médicos comenzaron a producir tubos de Crookes especializados para generar rayos X, los primeros tubos de rayos X.
Los tubos de Crookes eran poco confiables y temperamentales. Tanto la energía como la cantidad de rayos catódicos producidos dependían de la presión de gas residual en el tubo. Con el tiempo, el gas era absorbido por las paredes del tubo, reduciendo la presión. Esto reducía la cantidad de rayos catódicos producidos y aumentaba el voltaje a través del tubo, creando rayos catódicos más energéticos.
En los tubos de rayos X de Crookes, este fenómeno se llamaba «endurecimiento» porque el voltaje más alto producía rayos X «más duros» y penetrantes; un tubo con un vacío más alto se llamaba «duro», mientras que uno con un vacío más bajo era «blando». Eventualmente, la presión bajaba tanto que el tubo dejaba de funcionar por completo. Para evitar esto, en tubos muy utilizados como los de rayos X, se incorporaban varios dispositivos «suavizadores» que liberaban una pequeña cantidad de gas, restaurando la función del tubo.
Los tubos de vacío electrónicos inventados más tarde alrededor de 1904 superaron al tubo de Crookes. Estos operan a una presión aún más baja, alrededor de 10-9 atmósferas, donde hay tan pocas moléculas de gas que no conducen por ionización. En cambio, utilizan una fuente de electrones más confiable y controlable, un filamento calentado o cátodo caliente que libera electrones por emisión termoiónica. El método de ionización para crear rayos catódicos utilizado en los tubos de Crookes hoy solo se utiliza en algunos tubos de descarga de gas especializados, como los tiratrones.
La tecnología de manipulación de haces de electrones pionera en los tubos de Crookes se aplicó prácticamente en el diseño de tubos de vacío y, particularmente, en la invención del tubo de rayos catódicos por Ferdinand Braun en 1897 y ahora se utiliza en procesos sofisticados como la litografía por haz de electrones.
Experimentos con el tubo de Crookes
Durante el último cuarto del siglo XIX, los tubos de Crookes se utilizaron en docenas de experimentos históricos para tratar de averiguar qué eran los rayos catódicos. Había dos teorías: los científicos británicos Crookes y Cromwell Varley creían que eran partículas de ‘materia radiante’, es decir, átomos cargados eléctricamente.
Los investigadores alemanes E. Wiedemann, Heinrich Hertz y Eugen Goldstein creían que eran ‘vibraciones éter’, alguna nueva forma de ondas electromagnéticas, y eran distintas de lo que llevaba la corriente a través del tubo.
El debate continuó hasta que J.J. Thomson midió su masa, demostrando que eran partículas cargadas negativamente previamente desconocidas, la primera partícula subatómica, a la que llamó ‘corpúsculo’ pero que más tarde se renombró como el ‘electrón’.
La cruz de Malta
En 1869, Julius Plücker construyó un tubo con un ánodo con forma de cruz de Malta frente al cátodo. Estaba articulado, por lo que podía plegarse contra el fondo del tubo. Cuando se encendía el tubo, los rayos catódicos proyectaban una nítida sombra en forma de cruz en la fluorescencia en la cara posterior del tubo, mostrando que los rayos se movían en líneas rectas.
Esta fluorescencia se utilizó como argumento de que los rayos catódicos eran ondas electromagnéticas, ya que lo único conocido por causar fluorescencia en ese momento era la luz ultravioleta. Después de un tiempo, la fluorescencia se «cansaba» y el resplandor disminuía. Si la cruz se plegaba fuera del camino de los rayos, ya no proyectaba una sombra, y el área previamente sombreada fluorescía más intensamente que el área circundante.
Emisión perpendicular
Eugen Goldstein, en 1876, descubrió que los rayos catódicos siempre se emitían perpendicularmente a la superficie del cátodo. Si el cátodo era una placa plana, los rayos se disparaban 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 una dirección perpendicular. Si el electrodo se fabricaba en forma de un plato esférico cóncavo, los rayos catódicos se enfocaban en un punto frente al plato. Esto podía utilizarse para calentar muestras a una temperatura elevada.
Deflexión mediante campos eléctricos
Heinrich Hertz construyó un tubo con un segundo par de placas metálicas a cada lado del haz de rayos catódicos, una versión primitiva de un tubo de rayos catódicos (CRT). Si los rayos catódicos fueran partículas cargadas, su trayectoria debería doblarse por el campo eléctrico creado cuando se aplicaba un voltaje a las placas, lo que provocaría que el punto de luz donde los rayos golpeaban se moviera lateralmente.
No encontró ninguna desviación, pero posteriormente se determinó que su tubo estaba insuficientemente evacuado, lo que causaba acumulaciones de carga en la superficie que enmascaraban el campo eléctrico. Más tarde, Arthur Shuster repitió el experimento con un vacío más alto. Descubrió que los rayos eran atraídos hacia una placa cargada positivamente y repelidos por una negativa, doblando el haz. Esto fue evidencia de que estaban cargados negativamente y, por lo tanto, no eran ondas electromagnéticas.
Desviación por campos magnéticos
Crookes colocó un imán a través del cuello del tubo, de modo que el polo norte estuviera 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 doblaba hacia abajo, perpendicular al campo magnético. Para revelar la trayectoria del haz, Crookes inventó un tubo con una pantalla de cartón con un revestimiento de fósforo a lo largo del tubo, ligeramente inclinado para que los electrones golpearan el fósforo a lo largo de su longitud, creando una línea luminosa en la pantalla.
Se podía ver que la línea se doblaba 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 mostraba que los rayos catódicos obedecían la ley de inducción de Faraday al igual que las corrientes en los cables. Tanto la desviación eléctrica como la magnética eran evidencia de la teoría de partículas, porque los campos eléctricos y magnéticos no tienen efecto sobre un haz de ondas de luz.
Paleta de Crookes
Crookes colocó una pequeña turbina de paletas en el camino de los rayos catódicos y descubrió que giraba cuando los rayos la golpeaban. La paleta giraba en dirección opuesta al lado del cátodo del tubo, lo que sugería que la fuerza de los rayos catódicos al golpear las paletas estaba causando la rotación.
En ese momento, Crookes concluyó que esto demostraba que los rayos catódicos tenían momento, por lo que los rayos eran probablemente partículas de materia. Sin embargo, más tarde se concluyó que la paleta giraba no debido al momento de las partículas (o electrones) que golpeaban la paleta, sino debido al efecto radiométrico.
Cuando los rayos golpeaban la superficie de la paleta, la calentaban, y el calor hacía que el gas junto a ella se expandiera, empujando la paleta. Esto fue demostrado en 1903 por J. J. Thomson, quien calculó que el momento de los electrones que golpeaban la paleta solo sería suficiente para hacer girar la paleta una revolución por minuto. Todo este experimento realmente mostró que los rayos catódicos podían calentar superficies.
Carga
Jean-Baptiste Perrin quería determinar si los rayos catódicos realmente llevaban carga negativa o si simplemente acompañaban a los portadores de carga, como pensaban los alemanes.
En 1895, construyó un tubo con un «captador», un cilindro cerrado de aluminio con un pequeño agujero en el extremo frente al cátodo, para recoger los rayos catódicos. El captador estaba conectado a un electróscopo para medir su carga. El electróscopo mostró una carga negativa, demostrando que los rayos catódicos realmente llevan electricidad negativa.
Rayos anódicos
Goldstein descubrió en 1886 que, si el cátodo se fabrica con pequeños agujeros en él, se verán chorros de un resplandor luminoso tenue que emanan de los agujeros en el lado posterior del cátodo, mirando hacia el ánodo.
Se descubrió que en un campo eléctrico estos rayos ánodo se doblan en la dirección opuesta a los rayos catódicos, hacia una placa cargada negativamente, indicando que llevan una carga positiva. Estos eran los iones positivos que eran atraídos al cátodo y creaban los rayos catódicos. Fueron llamados rayos canal (Kanalstrahlen) por Goldstein.
Desplazamiento Doppler
Eugen Goldstein pensó que había ideado un método para medir la velocidad de los rayos catódicos. Si la descarga luminosa vista en el gas de los tubos de Crookes era producida por los rayos catódicos en movimiento, la luz radiada por ellos en la dirección en que se movían, hacia abajo del tubo, se desplazaría en frecuencia debido al efecto Doppler. Esto podría detectarse con un espectroscopio porque el espectro de líneas de emisión se desplazaría.
Construyó un tubo con forma de «L», con un espectroscopio apuntando a través del vidrio del codo hacia abajo por uno de los brazos. Midió el espectro del resplandor cuando el espectroscopio apuntaba hacia el extremo del cátodo, luego invirtió las conexiones de la fuente de alimentación para que el cátodo se convirtiera en el ánodo y los electrones se movieran en la otra dirección, y observó nuevamente el espectro en busca de un desplazamiento.
No encontró ninguno, lo que calculó significaba que los rayos estaban viajando muy lentamente. Más tarde se reconoció que el resplandor en los tubos de Crookes se emite a partir de átomos de gas golpeados por los electrones, no de los electrones mismos. Dado que los átomos son miles de veces más masivos que los electrones, se mueven mucho más lentamente, lo que explica la falta de desplazamiento Doppler.
Ventana de Lenard
Philipp Lenard quería ver si los rayos catódicos podían salir del tubo de Crookes hacia el aire. Vea el diagrama. Construyó un tubo con una «ventana» en el sobre de vidrio hecha de papel de aluminio lo suficientemente grueso como para mantener la presión atmosférica afuera (más tarde llamada «ventana de Lenard») frente al cátodo (C) para que los rayos catódicos lo golpearan.
Descubrió que algo sí atravesaba. Al sostener una pantalla fluorescente frente a la ventana, esta comenzaba a fluorescer, aunque no llegara luz a ella. Una placa fotográfica sostenida frente a ella se oscurecería, aunque no estuviera expuesta a la luz. El efecto tenía un alcance muy corto de alrededor de 2.5 centímetros (0.98 pulgadas).
Midió la capacidad de los rayos catódicos para penetrar hojas de material y descubrió que podían penetrar mucho más que los átomos en movimiento. Dado que los átomos eran las partículas más pequeñas conocidas en ese momento, esto se interpretó inicialmente como evidencia de que los rayos catódicos eran ondas.
Más tarde se comprendió 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.
Para más información Crookes’ tube
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Vancouver: . Tubo de Crookes. [Internet]. 2024-04-29 [citado 2024-11-21]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/tubo-de-crookes/.
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