Em 1850 foi criada a ampola de Crookes, também chamada de tubo de raios catódicos: um tubo de vidro contendo dois eletrodos, isto é, um polo negativo (cátodo) e um positivo (ânodo), ligados a um gerador. Quando o tubo era preenchido por gases à baixa pressão e esse sistema era submetido a uma diferença de potencial (ddp) muito elevada, observava-se um feixe de luz que saía do cátodo e ia para o ânodo. Descreva como o físico inglês J.J Thomson, em 1897, ao utilizar o tubo de Crookes descobriu o elétron.
Passo 1
O que o enunciado pede: descrever como J.J. Thomson, em 1897, usando o tubo de Crookes, descobriu o elétron.
Informações relevantes fornecidas (pegas do enunciado): o tubo de Crookes tem dois eletrodos (cátodo negativo e ânodo positivo), é parcialmente evacuado (gases à baixa pressão) e, ao aplicar uma grande diferença de potencial, surge um feixe (raios catódicos) que vai do cátodo ao ânodo.
O objetivo da resposta: explicar, passo a passo e de forma didática, os argumentos e medidas de Thomson que mostraram que esses raios eram partículas carregadas muito leves (o que levou à descoberta do elétron).
Informações relevantes fornecidas (pegas do enunciado): o tubo de Crookes tem dois eletrodos (cátodo negativo e ânodo positivo), é parcialmente evacuado (gases à baixa pressão) e, ao aplicar uma grande diferença de potencial, surge um feixe (raios catódicos) que vai do cátodo ao ânodo.
O objetivo da resposta: explicar, passo a passo e de forma didática, os argumentos e medidas de Thomson que mostraram que esses raios eram partículas carregadas muito leves (o que levou à descoberta do elétron).
Passo 2
Primeiras observações e dúvida científica que Thomson enfrentou.
- Antes de Thomson havia duas interpretações possíveis para os raios catódicos: eram ondas/raios (fenômeno eletromagnético) ou eram partículas (corpusculares) emitidas pelo cátodo.
- Evidências visuais já existentes: os raios produziam sombras e moviam pequenas pás em alguns tubos (mostrando transporte de momento), mas isso não decidiu a questão. Thomson decidiu testar diretamente se os raios eram carregados e, se sim, medir quão carregadas/leve eram as “partículas” responsáveis.
- Plano experimental geral de Thomson: mostrar que a direção do feixe pode ser desviada por campos elétricos e magnéticos (o que indica carga) e então obter a razão carga/masseira
dessas partículas a partir das deflexões medidas.
Passo 3
Força sobre uma partícula carregada em campos elétrico e magnético — a ideia física básica.
- Campo elétrico: se uma partícula de carga
está num campo elétrico uniforme (direção perpendicular à velocidade), a força elétrica é
Isso produz uma aceleração perpendicular à velocidade original, desviando a trajetória.
- Campo magnético: se a partícula se move com velocidade
perpendicular a um campo magnético , a força magnética tem módulo
A direção é perpendicular tanto a
quanto a
(regra da mão direita), e essa força também desvia a partícula.
- Conclusão qualitativa: se os raios são desviados por
ou , então carregam carga elétrica.
Passo 4
Experimento de Thomson: como ele usou campos combinados para medir a velocidade das partículas.
- Thomson aplicou, na região onde o feixe passa, um campo elétrico conhecido
(usando placas defletoras) e um campo magnético conhecido (usando ímãs). - Ele ajustou
até que a deflexão causada pelo campo magnético anulasse a deflexão causada pelo campo elétrico — isto é, o feixe seguia em linha reta na tela. Nesse equilíbrio as duas forças transversais se cancelam:
- Cancelando
obtém-se a expressão para a velocidade das partículas:
Esse passo é muito prático: medindo
e
no equilíbrio Thomson obtinha diretamente
sem precisar conhecer
ou
.
Passo 5
Medida da razão carga/masseira
usando a deflexão em campo elétrico conhecido.
- Geometria simplificada do aparelho: as partículas entram com velocidade horizontal
numa região entre placas paralelas de comprimento que criam um campo elétrico vertical . Após sair das placas, percorrem uma distância até a tela onde se observa uma deflexão vertical . - Dentro das placas a aceleração vertical é
O tempo que a partícula passa entre as placas é
- A velocidade vertical adquirida ao sair das placas é
- No trecho depois das placas (distância
) a componente vertical do movimento causa a deflexão observada na tela; o tempo nesse trecho é , então a deflexão total observada é
- Substituindo
(obtido no equilíbrio campo elétrico/magnético) obtemos
- Isolando
,
- Interpretação prática: Thomson media a deflexão
para campos conhecidos e e para dimensões conhecidas e ; com a fórmula acima calculava .
Passo 6
Resultados experimentais de Thomson e suas consequências físicas.
- Thomson obteve um valor de
muito grande (ordem de magnitude ), muito maior do que a razão carga/masa conhecida para íons mais pesados. Isso significa que, para uma dada carga elétrica, a massa das partículas que compunham os raios era extremamente pequena. - Duas observações cruciais complementaram o resultado:
- A razão
era praticamente a mesma independentemente do metal usado no cátodo ou das condições do tubo. Ou seja, a partícula era universal — não dependia do material do eletrodo. - Como
era tão grande, se a carga fosse comparável às cargas elétricas conhecidas, então a massa devia ser muito menor que a de um átomo de hidrogênio.
- A razão
- Conclusão de Thomson: os raios catódicos não eram ondas neutras nem “átomos inteiros” sendo deslocados; eram partículas elementares muito pequenas e com carga negativa. Thomson chamou esses “corpúsculos” de elétrons (ou corpuscles). Ele havia, portanto, descoberto uma partícula subatômica universal, componente fundamental dos átomos.
Passo 7
Nota histórica curta e ligação com medidas posteriores.
- Thomson mediu
(a razão carga/masseira). Separar a carga da massa exigiu medidas independentes posteriores (por exemplo o experimento de Millikan para medir ), que então permitiram calcular a massa do elétron. - O importante: o trabalho de Thomson estabeleceu experimentalmente que existiam partículas carregadas negativamente muito menores que o átomo — o primeiro indício forte de subestrutura da matéria.
Resposta
J.J. Thomson mostrou experimentalmente que os raios catódicos do tubo de Crookes eram partículas carregadas negativamente ao desviar o feixe com campos elétricos e magnéticos, mediu a velocidade ajustando os campos (
) e, medindo a deflexão, calculou a razão carga/masseira
, obtendo um valor muito grande que implicava massas muito menores que a do átomo; como
era praticamente a mesma para diferentes metais do cátodo, concluiu que havia uma partícula universal e muito leve — o elétron.