Questão
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 enunciado pede: “Descreva como o físico inglês J.J. Thomson, em 1897, ao utilizar o tubo de Crookes descobriu o elétron.”
Informações fornecidas no enunciado:
Informações fornecidas no enunciado:
- Há um tubo de Crookes com dois eletrodos (cátodo negativo e ânodo positivo) e gás em baixa pressão.
- Quando se aplica uma grande diferença de potencial aparece um feixe (os chamados raios catódicos) que sai do cátodo em direção ao ânodo.
O que é solicitado: explicar, passo a passo, os procedimentos experimentais e os argumentos que levaram Thomson a concluir que esses raios eram partículas carregadas (os elétrons), e como ele obteve a razão carga/masa () dessas partículas.
Passo 2
Descrição do aparato que Thomson usou (o que estava montado e observado).
- Montou um tubo como o descrito: vácuo parcial, cátodo e ânodo, e uma tela fosforescente que brilhava onde o feixe incidia.
- Colocou placas paralelas dentro do tubo de modo que fosse possível aplicar um campo elétrico perpendicular ao feixe, e também instalou ímãs externos para aplicar um campo magnético perpendicular ao feixe.
- Observação inicial: o feixe produz uma mancha brilhante na tela e projeta sombras de objetos colocados no caminho, indicando que os raios viajam em linha reta do cátodo para a anodo/tela.
Passo 3
Primeira conclusão importante: os raios catódicos são desviáveis por campos elétricos e magnéticos (e portanto não eram “onda luminosa comum” sem carga).
- Thomson notou que ao ligar um campo elétrico entre duas placas paralelas dentro do tubo, a mancha no ecrã deslocava-se lateralmente.
- Interpretação simples e didática: uma partícula carregada que entra num campo elétrico
sofre uma força . Se a mancha desloca-se para a placa positiva, a carga é negativa (pois cargas negativas são atraídas por potencial positivo). Assim, o feixe tem carga elétrica negativa.
Passo 4
Como Thomson determinou o sinal da carga (explique devagar).
- Se o feixe se desloca na direção da placa ligada ao potencial positivo, então a força sobre o feixe aponta nessa direção.
- A força elétrica é
. Para a força apontar para a placa positiva, o produto precisa apontar para lá. Com conhecido (direção da placa positiva), isso implica . - Conclusão: as partículas do feixe têm carga elétrica negativa. Thomson chamou-as de “corpuscles” (posteriormente chamados elétrons).
Passo 5
Medida da velocidade das partículas usando campos elétrico e magnético em equilíbrio (explicação com fórmulas e variáveis).
- Thomson usou uma combinação de campo elétrico
e campo magnético perpendiculares entre si e ambos perpendiculares à direção do feixe. - Quando as forças elétrica e magnética sobre a partícula se anulam, a partícula não é desviada. Força elétrica:
. Força magnética (para uma partícula com velocidade perpendicular a ): em módulo . - Em equilíbrio (sem deflexão):
. Cancelando e resolvendo para ,
- Explicando as variáveis:
é a velocidade das partículas; é a intensidade do campo elétrico aplicado entre as placas; é a intensidade do campo magnético aplicado pelos ímãs.
Passo 6
Medida da razão carga/masa
usando a curvatura do trajeto em campo magnético (detalhar a física e a álgebra).
- Quando apenas o campo magnético
atua perpendicularmente à velocidade , a força magnética faz a partícula descrever uma curva circular de raio . A força centrípeta necessária é , onde é a massa da partícula. - Igualando a força magnética à centrípeta:
- Reorganizando para obter a razão carga/masa:
- Substituindo
obtido no passo anterior ( ) dá:
- Interpretação prática: Thomson podia medir experimentalmente
(pela tensão e geometria das placas), (força dos ímãs), e (curvatura da mancha no ecrã), e assim calcular das partículas do feixe.
Passo 7
Como os valores medidos levam à identificação do elétron como partícula muito leve e universal.
- Thomson obteve um valor de
muito grande, da ordem de (valor moderno para o elétron: ). - Um
tão alto significa que, para uma dada carga unitária, a massa é muito pequena. Comparado com íons já conhecidos (por exemplo prótons ou átomos ionizados), a massa deduzida para essas partículas era centenas ou milhares de vezes menor que a massa do hidrogénio. - Além disso, Thomson verificou que esse mesmo tipo de partícula aparecia independentemente do metal utilizado como cátodo e do gás dentro do tubo — isso sugeria que a partícula não era um componente do gás específico nem uma emissão especial do metal, mas sim uma constituição geral da matéria.
Passo 8
Conclusão experimental e conceito: por que Thomson disse que descobriu uma nova partícula — o elétron.
- A combinação de evidências — desvio por campos elétricos (carga negativa), medida quantitativa de
via as fórmulas acima mostrando massa muito pequena, e a universalidade da emissão — levou Thomson a concluir (em 1897) que os raios catódicos eram feitos de partículas elementares negativas, presentes em toda matéria. - Ele propôs que essas “partículas” eram constituintes mais fundamentais da matéria: os elétrons. Foi a primeira evidência experimental convincente de que átomos tinham subestrutura (não eram indivisíveis).
Passo 9
Dicas de resposta para a prova — o que não pode faltar na sua explicação (resuma num checklist mental).
- Descrever o aparato: tubo de Crookes, tela fosforescente, placas para
, ímãs para . - Dizer que os raios eram desviados por campos elétricos e se dirigiam para o polo positivo → carga negativa.
- Explicar o equilíbrio
e deduzir . - Explicar a curvatura em
: e deduzir . - Mencionar que o valor obtido mostrou massa muito menor que átomos e que a partícula apareceu com diferentes metais e gases → conclusão: partícula elementar negativa — o elétron.
- Se puder, cite o valor aproximado obtido (ordem de grandeza
) para reforçar o argumento numérico.
Resposta
J.J. Thomson usou um tubo de Crookes com uma tela fosforescente e aplicou campos elétrico
e magnético
perpendiculares ao feixe (raios catódicos). Observou que o feixe desviava-se em direção à placa positiva, concluindo que as partículas tinham carga negativa. Equilibrando forças elétrica e magnética obteve
. Medindo a curvatura do feixe num campo magnético isolado e usando
, obteve
O valor medido de
foi muito grande (ordem de
), indicando uma massa muito menor que a dos átomos conhecidos; além disso essas partículas surgiam com diferentes cátodos e gases, mostrando que eram constituintes universais da matéria. Thomson concluiu que os raios catódicos eram partículas elementares carregadas negativamente — os elétrons.