Explique o funcionamento dos tubos de Crookes e como os experimentos com raios catódicos contribuíram para a descoberta do elétron. Que propriedades da matéria foram reveladas por esse experimento?

Passo 1

O enunciado nos pede para entender como funciona um tubo de Crookes (ou tubo de raios catódicos) e de que forma os experimentos com esses raios levaram à identificação do elétron. O conteúdo envolve conceitos de descarga em baixo vácuo, emissão de elétrons, comportamento em campos elétricos e magnéticos e determinação da relação carga-massa. Para resolver, vamos recorrer ao esquema experimental dos tubos de Crookes, à observação dos efeitos dos raios catódicos e às medições feitas por J. J. Thomson.

Passo 2

No tubo de Crookes temos um gás rarefeito dentro de um bulbo de vidro, com dois eletrodos metálicos: o cátodo (negativo) e o ânodo (positivo). Ao aplicar uma alta diferença de potencial, elétrons são arrancados do cátodo e acelerados em direção ao ânodo. Como o gás está muito rarefeito, a maioria dessas partículas atinge o vidro ou atravessa o ânodo, produzindo um brilho fluorescente na parede interna do tubo.

Passo 3

Observa-se que esses “raios” saem do cátodo em linha reta, formam sombras quando há um obstáculo e deslocam a manivela de uma pequena hélice metálica colocada dentro do tubo (mostrando que carregam momento). Isso indica que são partículas materiais e não simples radiações eletromagnéticas.

Passo 4

Thomson aplicou campo elétrico e magnético perpendiculares à direção dos raios e ajustou ambos até que as deflexões se cancelassem. Medindo a voltagem V e a intensidade do campo magnético B necessários, ele calculou a razão carga-massa da partícula:
em
O valor obtido era muito maior que o de qualquer ião conhecido, indicando que se tratava de partículas muito leves, com carga elétrica negativa.

Passo 5

A conclusão foi que os raios catódicos eram formados por partículas fundamentais — que Thomson chamou de “corpúsculos” e hoje chamamos de elétrons. Esse experimento provou que o átomo não era indivisível, mas tinha subestrutura, com componentes carregados negativamente.

Passo 6

Dos tubos de Crookes e dos raios catódicos ficou claro que:
Os átomos contêm partículas negativas (elétrons).
Essas partículas têm massa muito menor que a massa de um átomo.
Elétrons transportam carga elétrica elementar (carga negativa).
Elétrons são universais a todos os materiais metálicos e gases (mesma e/m em qualquer tubo).

Resposta

Os tubos de Crookes operam acelerando elétrons num gás rarefeito entre um cátodo e um ânodo, gerando raios catódicos que produzem fluorescência e podem ser defletidos por campos. Os experimentos de deflexão por campos elétricos e magnéticos permitiram a J. J. Thomson medir a razão carga-massa tfracem dessas partículas e concluir que eram muito mais leves que quaisquer íons conhecidos, levando à descoberta do elétron. Esse trabalho revelou que o átomo possui subestrutura, contendo partículas de carga negativa, universais a todos os materiais, e caracterizadas por uma massa muito reduzida e uma carga elétrica elementar.

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