Naturaleza de los rayos catódicos
Actividades
En esta actividad vamos a tratar de responder a la pregunta ¿qué son los rayos catódicos? estudiando su comportamiento, formulando hipótesis sobre por qué se comportan como lo hacen, diseñando experiencias para contrastar esas hipótesis y sacando conclusiones. Además, nos acercaremos a la historia de la ciencia, tratando de encajar el comportamiento de los rayos catódicos en los conocimientos científicos de los últimos años del siglo XIX. Todas las cuestiones deberán ser convenientemente justificadas.
El trabajo experimental lo vamos a realizar utilizando un equipo moderno de rayos catódicos (si se dispone de él) o mediante simulaciones por ordenador; también podemos trabajar de las dos maneras y, en ese caso, las simulaciones serán un material de refuerzo.
A continuación, indicamos algunas simulaciones que pueden utilizarse directamente en el navegador o descargarlas al ordenador. En cualquier caso es necesario tener instalado JAVA (http://www.java.com/es/)
Experiencias y cuestiones con el equipo de rayos catódicos
1. Primera experiencia: tubo de la cruz de Malta
Con el tubo de la cruz de Malta describimos las características del montaje y del tubo (localización de los electrodos, conexiones, posibilidad de variar la diferencia de potencial entre los electrodos, luminiscencia de la pantalla, sombras de la cruz de Malta, etc.) y contestamos a las preguntas:
¿Cómo podemos explicar la conductividad eléctrica del tubo de rayos catódicos?
Antes de someter los rayos catódicos a un campo magnético variable (primero con un imán y después con dos), funcionando el tubo con el mismo potencial entre los electrodos, hacemos predicciones sobre lo que ocurrirá, justificando las hipótesis. A continuación, realizaremos las pruebas y sacaremos conclusiones. Reflexiona y da respuesta a las siguientes cuestiones, que se repetirán al terminar distintas pruebas de la experiencia, con la intención de que compares y modifiques tus conclusiones, si lo crees necesario, a medida que realizas nuevas pruebas.
Indica las analogías y diferencias entre la luz y los rayos catódicos.
Los rayos catódicos ¿luz o partículas?
Tras un debate sobre el diseño de la experiencia, necesario para apreciar la influencia del voltaje en la desviación de los rayos, hacemos dos ensayos o pruebas: ponemos el equipo en funcionamiento con una diferencia de potencial entre los electrodos del tubo (primero a 1000 V y después a 2000V), manteniendo el campo magnético externo. Previamente habremos hecho predicciones sobre lo que ocurrirá, justificando las hipótesis; a continuación, los realizaremos y sacaremos conclusiones.
Indica las analogías y diferencias entre la luz y los rayos catódicos.
Los rayos catódicos ¿luz o partículas?
Desconectamos la cruz de Malta y observamos la forma y el tamaño de la sombra.
Describe los fenómenos observados.
Después de describir los hechos hay que tratar de explicarlos ¿Por qué ocurren esos hechos? ¿Es necesaria la existencia de un modelo del átomo, de la luz y de la interacción electromagnética para poder explicar los fenómenos observados?
Indica la diferencia entre modelo/teoría y fenómeno. Pon ejemplos de situaciones diferentes a la estudiada aquí.
Nombra teorías que conozcas. Indica algún fenómeno que se pueda explicar por cada una de las teorías que has nombrado.
Nota: A varias de las cuestiones anteriores no se puede responder con las simulaciones recomendadas.
2. Segunda experiencia: tubo de deflexión
Con el tubo de deflexión del rayo describimos las características montaje y del tubo (localización de los electrodos, conexiones, posibilidades de variar la diferencia de potencial entre los electrodos, características de las placas paralelas, etc.) Hacemos predicciones sobre lo que ocurrirá, justificando las hipótesis, realizaremos las mismas pruebas que hicimos con los imanes y la cruz de malta y sacaremos conclusiones.
Indica las analogías y diferencias entre la luz y los rayos catódicos.
Los rayos catódicos ¿luz o partículas?
A continuación variamos la diferencia de potencial entre los electrodos el tubo (primero a 1000 V y después a 2000V) Hacemos predicciones sobre lo que ocurrirá, justificando las hipótesis, realizamos las experiencias.
¿Qué relación hay entre el voltaje de los electrodos del tubo, la velocidad de salida de los rayos catódicos y la desviación?
Con un imán intentamos contrarrestar la desviación de los rayos catódicos producida por el campo eléctrico en el tubo de deflexión. Hacemos hipótesis sobre la posición y las características del imán y realizamos las experiencias.
Describe y explica los hechos experimentales.
No es posible con el material escolar disponible realizar las experiencias necesarias para determinar la relación q/m, cálculo realizado por Thomson en 1897. Se puede recurrir a la segunda de las simulaciones citadas o bien a la explicación del profesor. También se puede explicar el experimento de Millikan (1913) sobre la determinación de la carga de los rayos catódicos.
3. Conclusiones finales
A la vista de los resultados.
Indica la naturaleza, constitución de los rayos catódicos y procedencia de los mismos.
Busca información sobre aparatos de la vida cotidiana en los que un tubo de rayos catódicos ha sido o es un elemento esencial.
Desde el punto de vista histórico, en la antigua Grecia (siglo VI a. C.) Tales de Mileto ya conocía la electricidad estática; posteriormente, a lo largo del siglo XVIII Franklin, Cavendish, y Coulomb entre otros avanzaron en el conocimiento de las interacciones entre cuerpos cargados; a comienzos del siglo XIX Volta consigue un flujo continuo de electricidad y en la primera mitad de ese siglo científicos como Oesterd, Faraday y Ampère estudian los efectos de la corriente eléctrica y su relación con el campo magnético creado por los imanes. También como consecuencia de los efectos de la corriente eléctrica se descubrieron y aislaron varios elementos químicos y en 1834 Faraday enunció las leyes de la electroquímica.
Dados los hechos históricos anteriores ¿cómo se puede explicar que no se conociera la naturaleza de la corriente eléctrica? En tu respuesta diferencia entre fenómeno y modelo.
En su momento, ¿qué repercusiones tuvo el estudio de los rayos catódicos en el modelo de constitución de la materia? En tu respuesta diferencia entre fenómeno y modelo.