Rayos catódicos

Qué son los rayos catódicos

Un tubo de rayos catódicos es un recipiente de vidrio sellado del que se ha extraído la mayor parte del aire, con dos electrodos metálicos en sus extremos conectados a una fuente de alto voltaje. Al aplicar la corriente, del cátodo, el electrodo negativo, parte un haz que viaja en línea recta hacia el ánodo, el electrodo positivo, y hace brillar de un tono verde pálido la pared de vidrio que impacta. Ese haz es lo que hoy se sabe que es una corriente de electrones acelerados.

El nombre procede del griego, a través del neologismo que Michael Faraday introdujo en 1834 para el electrodo negativo: κάθοδος (kathodos), "camino hacia abajo". No fue Faraday quien acuñó "rayos catódicos" en sentido estricto, sino el físico alemán Eugen Goldstein, que empleó el término alemán Kathodenstrahlen para describir el fenómeno que él y otros investigaban en los tubos de descarga.

El descubrimiento del fenómeno

En 1858, el matemático y físico alemán Julius Plücker observó que el resplandor de un tubo de descarga se desviaba al acercar un imán, un indicio de que algo cargado eléctricamente salía del cátodo. Johann Wilhelm Hittorf, alumno de Plücker, comprobó poco después que ese algo viajaba en línea recta: al interponer un objeto entre el cátodo y la pared del tubo, aparecía una sombra nítida sobre el resplandor. William Crookes perfeccionó el vacío de los tubos a partir de 1875 y demostró, con una pequeña rueda de paletas colocada en el trayecto del haz, que los rayos catódicos también transportaban masa. Convencido de que había hallado algo radicalmente nuevo, Crookes llegó a describirlos como un cuarto estado de la materia.

J. J. Thomson y el electrón

La naturaleza exacta de los rayos catódicos siguió siendo objeto de debate durante casi cuarenta años: la escuela alemana los consideraba una vibración del éter, la británica, partículas cargadas. Joseph John Thomson, director del laboratorio Cavendish de Cambridge, zanjó la discusión en 1897. Sometiendo el haz a campos eléctricos y magnéticos combinados, midió la relación entre la carga y la masa de sus componentes y obtuvo siempre el mismo valor, con independencia del metal del que estuviera hecho el cátodo o del gas residual del tubo. La masa resultante era casi dos mil veces menor que la del átomo de hidrógeno, el más ligero conocido.

Thomson presentó sus resultados el 30 de abril de 1897 en la Royal Institution de Londres y llamó a la nueva partícula "corpúsculo". El nombre "electrón", propuesto ya en 1891 por el físico irlandés George Johnstone Stoney para la unidad elemental de carga eléctrica, acabaría imponiéndose. El hallazgo, por el que Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906, fue la primera identificación de una partícula subatómica y abrió la puerta a un átomo divisible, en contra de lo que se había asumido desde Dalton.

De los tubos de Crookes a los rayos X

Uno de los episodios más fecundos de esta historia fue accidental. En noviembre de 1895, Wilhelm Conrad Röntgen experimentaba en Wurzburgo con un tubo de rayos catódicos cubierto de cartón opaco cuando advirtió que una pantalla fluorescente situada a cierta distancia se iluminaba igualmente. Había descubierto una radiación distinta, capaz de atravesar materiales que detenían la luz, a la que llamó rayos X. El fenómeno resultó ser un subproducto habitual de los tubos de vacío de alto voltaje, generado cuando los electrones acelerados chocan contra un blanco metálico, y sentó la base del tubo de rayos X que se emplea hoy en radiología.

Los propios tubos de rayos catódicos, mejorados por Karl Ferdinand Braun en 1897 con una pantalla fosforescente capaz de trazar imágenes, se convirtieron en el fundamento de la televisión y el osciloscopio analógicos durante buena parte del siglo XX. Esa aplicación quedó obsoleta con la llegada de las pantallas de cristal líquido y LED, aunque el fenómeno físico que la sostuvo sigue presente en instrumentos como el microscopio electrónico, que emplea el mismo principio de un haz de electrones acelerado en el vacío.

Preguntas frecuentes

¿Son lo mismo los rayos catódicos y los rayos X?

No. Los rayos catódicos son electrones, partículas con masa y carga eléctrica. Los rayos X son radiación electromagnética, sin masa. Ambos están relacionados históricamente: los segundos se descubrieron estudiando los primeros.

¿Se siguen usando hoy los tubos de rayos catódicos?

Prácticamente no. Las pantallas de televisión y monitor que los empleaban han sido sustituidas por tecnologías de estado sólido. Quedan en algunos instrumentos científicos e industriales de gama especializada.

¿Por qué costó tanto identificar la naturaleza de estos rayos?

Porque, a diferencia de la luz, se propagaban en el vacío sin necesidad de un medio, y su comportamiento ante campos eléctricos y magnéticos solo pudo medirse con precisión cuando se dispuso de bombas de vacío capaces de eliminar el gas residual que enmascaraba el efecto.

¿Qué son exactamente los electrones que forman el haz?

Partículas subatómicas de carga negativa, componentes de todo átomo, con una masa de aproximadamente 1/1836 la del protón. Son responsables de casi todos los fenómenos eléctricos y químicos de la materia ordinaria.

Referencias

1. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Museo Virtual de la Ciencia. William Crookes. Breve historia de la radiactividad.
2. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Museo Virtual de la Ciencia. J. J. Thomson. Breve historia de la radiactividad.
3. Wikipedia. Tubo de rayos catódicos.
4. Cuaderno de Cultura Científica. Las partículas de los rayos catódicos.