04 – Se nos rompió el átomo de tanto usarlo

J.J. Thomson
#RelatosRadiactivos

Os traemos el cuarto de los #RelatosRadiactivos de #NuclearEspaña, una forma diferente de aproximarse a la ciencia y tecnología nuclear, por @gon_nuclear. Hoy contamos la historia de cómo se nos rompió el átomo de tanto usarlo

J.J. Thomson sentía una gran responsabilidad por su trabajo. No todos los días un humilde hijo de librero de Manchester dirigía uno de los laboratorios más importantes del mundo científico: el Cavendish, la joya de Cambridge. Sabía que había mucho esfuerzo tras ese nombramiento, y también una pizca de suerte. O quizá fuese premonición. Por algún extraño motivo, parecía que tenían una gran confianza depositada en él. Quizá su determinación a la hora de estudiar las teorías electromagnéticas de vanguardia podría haber ayudado.

Precisamente, los teóricos de la electricidad andaban muy confundidos con la propia naturaleza de esta: ¿eran ondas o se trataba de partículas cargadas? Los experimentos del venerado Prof. Gustav Hertz habían demostrado que los rayos catódicos no eran desviados por un campo eléctrico, por tanto, no podían ser partículas cargadas. Sin embargo, esas hipótesis no habían convencido a todo el mundo.

A J.J., por ejemplo, no le seducían las teorías ondulatorias de Hertz. Le parecía que la teoría corpuscular tenía más sentido. Pero tenía que demostrarlo, no era suficiente con creerlo. Por eso, comenzó a experimentar con tubos de rayos catódicos, situando dos placas que producían un campo eléctrico en el camino del haz hacia la pantalla. Quería demostrar que Hertz se había equivocado. Tras varios intentos fallidos en los que el haz de rayos catódicos insistía en no desviarse por el campo eléctrico, tuvo una intuición: el problema residía en las moléculas de gas que, pese al vacío, estaban aún en el tubo y producían interferencias con el campo eléctrico. Por tanto, si conseguía un mayor vacío (menos moléculas en el tubo), quizá ese efecto se minimizase.

J.J. se puso manos a la obra y en el laboratorio consiguieron realizar el mayor vacío en un tubo de rayos catódicos que jamás se hubiese registrado. Llegado a este punto, sabía que se movían por terreno desconocido. Eso es lo que hacía tan excitante lo que podría pasar, lo que podrían ver allí. Cuando su ayudante conectó el generador eléctrico, un intenso haz surgió instantáneamente del cátodo, atravesando el ánodo cilíndrico e impactando en la pantalla posterior. “Ahora viene lo más difícil –pensó J.J.– , hay que activar el campo eléctrico para intentar desviar el haz”. Inmediatamente, el haz se comenzó a desviar hacia la placa cargada positivamente. J.J. no pudo reprimir un grito: “¡Lo sabía! ¡El haz se desvía! ¡Sabía que eran partículas cargadas y no corrientes ondulatorias!”

Tras varias comprobaciones analíticas, J.J. consiguió hallar la relación entre la carga y la masa de las partículas a partir del ángulo de desviación. “A la fuerza estos corpúsculos tienen que ser minúsculos comparados con los átomos que conocemos y de una gran carga eléctrica. ¿Estaríamos confundidos al creer que todos los átomos eran más grandes? ¿O quizá sean éstos los átomos de electricidad que mencionan Maxwell y Helmholtz en sus trabajos?”. Tras muchas reflexiones, una idea le rondaba de forma pegajosa e impertinente: “Y si…pero no, no puede ser… no voy a ser yo quien contradiga ahora a Dalton, ¡y a los griegos! Pero sí, hay que ser objetivos, es la única teoría que encaja y los pequeños corpúsculos no son más que una prueba de ello: el átomo tiene que ser divisible”.

Ilustración 1. Joseph John «J.J.» Thomson. Ref: Wikipedia Commons

A finales del S. XIX había mucha controversia sobre la naturaleza de la electricidad. Es un hecho sorprendente para un tiempo en el cual ya existían los motores eléctricos y Maxwell había formulado las ecuaciones del electromagnetismo. Pero en 1897 el misterio seguía sin desvelarse.

Algunos científicos opinaban que la corriente eléctrica –llamada así por la palabra griega “élektron”, que significa «ámbar» en castellano– era un fenómeno ondulatorio, como la luz. Por otro lado, científicos como Crookes, Lord Kelvin y Stockes defendían una teoría corpuscular en la que la corriente eléctrica estaba formada por átomos o moléculas electrizadas. Y para confundir más aún, figuras de la talla de Maxwell, Helmholtz o Stoney afirmaban que debería existir una unidad de carga eléctrica, un “átomo de electricidad”. Las posturas eran complicadas de reconciliar.

La experimentación con los rayos catódicos arrojaba esperanzas. En primer lugar, los experimentos del mítico Prof. Gustav Hertz habían demostrado que los rayos catódicos no podían desviarse por campos eléctricos, aunque sí magnéticos. La conclusión de Hertz fue que los rayos no podían ser más que ondas de algún tipo, nada de partículas cargadas. Unos años después, el físico Jean Perrin demostró que los rayos depositaban carga eléctrica, introduciendo un cilindro cerrado solo abierto por un orificio en el tubo de vacío y comprobando que se cargaba eléctricamente al introducirse los rayos en él. Este hecho alimentaba las teorías corpusculares. La polémica estaba más abierta que nunca.

J.J. Thomson llevaba mucho tiempo trabajando en las teorías sobre la naturaleza de la electricidad cuando decidió explorar experimentalmente las propiedades de los misteriosos rayos catódicos que tanto interés habían suscitado en los físicos de todo el mundo, incluyendo Röntgen, descubridor de los rayos X. Para ello, consiguió construir un tubo con una configuración muy peculiar: situó unas placas deflectoras entre el ánodo y el final del tubo con un potencial eléctrico con intención de poder de desviar el haz. Tal intento había sido infructuoso en el pasado por otros científicos, pero la diferencia estribaba en el alto vacío que Thomson fue capaz de alcanzar, lo que hizo que el gas que llenaba la cámara apenas interfiriera con el haz y el campo eléctrico consiguiera desviarlo.

Ilustración 2. Esquema del experimento realizado por J.J. Thompson. Ref: Museo Virtual del CSIC

Con ese hecho experimental, J.J. Thomson demostró que aquellos misteriosos rayos catódicos no podían ser otra cosa que partículas materiales con carga negativa (posteriormente denominados electrones) que se veían atraídos hacia la placa cargada positivamente. Esta demostración reforzó la posición de los científicos que apoyaban una teoría materialista de los rayos catódicos (y, por ende, de la electricidad), en contraposición a la teoría de otros muchos científicos europeos que afirmaban categóricamente que los rayos catódicos eran de naturaleza ondulatoria y no corpuscular.

Pero J.J. fue más allá de las teorías materialistas tímidamente esbozadas por sus contemporáneos. Se atrevió a afirmar que aquellos corpúsculos cargados negativamente procedían de la ruptura del átomo, por tanto, mostraban que el átomo ya no era la última frontera de la estructura de la materia. A partir de este hecho, Thomson propuso un modelo atómico en el que el átomo estaba constituido por materia positiva con los electrones incrustados en ella como un pudín de pasas. El científico británico fue galardonado en 1906 con el primer premio Nobel de Física.

Este primer avance en descifrar la estructura de la materia fue posible por los asequibles voltajes que permitían arrancar electrones. No obstante, las energías que harían posible continuar el viaje hacia el interior del átomo estaban muy lejos del alcance de la época. Todo se hubiese estancado aquí si en París en esa misma época tres personajes ilustres (Henri, Marie y Pierre) no hubiesen estado jugueteando con el uranio. Los materiales con radiactividad natural emitían espontáneamente partículas de mucha más energía que los electrones. Pero faltan aún varias piezas clave del puzle que llevaría a modelos más avanzados del átomo y tendremos que viajar a Berlín para descubrir las incómodas hipótesis del siguiente protagonista: Max Planck.

Bibliografía para saber más:

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Reactores HTR