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).

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 \dfrac{e}{m} 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 \,e está num campo elétrico uniforme \,E (direção perpendicular à velocidade), a força elétrica é
F_E = eE.
Isso produz uma aceleração perpendicular à velocidade original, desviando a trajetória.
  • Campo magnético: se a partícula se move com velocidade \,v perpendicular a um campo magnético \,B, a força magnética tem módulo
F_B = e v B.
A direção é perpendicular tanto a \,v quanto a \,B (regra da mão direita), e essa força também desvia a partícula.
  • Conclusão qualitativa: se os raios são desviados por \,E ou \,B, 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 \,E (usando placas defletoras) e um campo magnético conhecido \,B (usando ímãs).
  • Ele ajustou \,B 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:
eE = e v B.
  • Cancelando e obtém-se a expressão para a velocidade das partículas:
v = \frac{E}{B}.
Esse passo é muito prático: medindo \,E e \,B no equilíbrio Thomson obtinha diretamente \,v sem precisar conhecer e ou m.

Passo 5

Medida da razão carga/masseira \dfrac{e}{m} usando a deflexão em campo elétrico conhecido.
  • Geometria simplificada do aparelho: as partículas entram com velocidade horizontal v numa região entre placas paralelas de comprimento l que criam um campo elétrico vertical E. Após sair das placas, percorrem uma distância L até a tela onde se observa uma deflexão vertical y.
  • Dentro das placas a aceleração vertical é
a = \frac{eE}{m}.
O tempo que a partícula passa entre as placas é
t = \frac{l}{v}.
  • A velocidade vertical adquirida ao sair das placas é
v_y = a t = \frac{eE}{m}\cdot\frac{l}{v}.
  • No trecho depois das placas (distância L) a componente vertical do movimento causa a deflexão observada na tela; o tempo nesse trecho é \dfrac{L}{v}, então a deflexão total observada é
y = v_y\cdot\frac{L}{v} = \frac{eE}{m}\cdot\frac{l}{v}\cdot\frac{L}{v} = \frac{eE}{m}\cdot\frac{lL}{v^2}.
  • Substituindo \,v = \dfrac{E}{B} (obtido no equilíbrio campo elétrico/magnético) obtemos
y = \frac{eE}{m}\cdot\frac{lL}{(E/B)^2} = \frac{e}{m}\cdot\frac{lL B^2}{E}.
  • Isolando \dfrac{e}{m},
\frac{e}{m} = \frac{y E}{l L B^2}.
  • Interpretação prática: Thomson media a deflexão y para campos conhecidos E e B e para dimensões conhecidas l e L; com a fórmula acima calculava \dfrac{e}{m}.

Passo 6

Resultados experimentais de Thomson e suas consequências físicas.
  • Thomson obteve um valor de \dfrac{e}{m} muito grande (ordem de magnitude \sim 10^{11}\\ \text{C/kg}), 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:
    1. A razão \dfrac{e}{m} 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.
    2. Como \dfrac{e}{m} 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.
  • 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 \dfrac{e}{m} (a razão carga/masseira). Separar a carga e da massa m exigiu medidas independentes posteriores (por exemplo o experimento de Millikan para medir e), 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 ( v=E/B) e, medindo a deflexão, calculou a razão carga/masseira \dfrac{e}{m}, obtendo um valor muito grande que implicava massas muito menores que a do átomo; como \dfrac{e}{m} era praticamente a mesma para diferentes metais do cátodo, concluiu que havia uma partícula universal e muito leve — o elétron.

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