O fato
de ser o elétron uma partícula que possui cargas negativas e de ser encontrado
na constituição do átomo de qualquer substância, é amplamente divulgado nos dias atuais,
Entretanto , a descoberta do elétron é relativamente recente , tendo resultado
dos trabalhos desenvolvidos pelo físico inglês
J.J. Thomson na última década do século XIX, Estes trabalho tivera,
origem quando aquele cientista se interessou em pesquisar a natureza e as propriedades
de catódicas.
A DESCOBERTA DOS
RAIOS CATÓDICOS
No
século XIX, vários físicos desenvolveram experiências para estuda e a condução
de eletricidade através dos gases. Estas experiências eram geralmente
realizadas utilizando-se um tudo de vidro, na extremidade do qual eram
adaptadas duas placas metálicas. Umas alta voltagem era aplicada a essa placas,
sendo denominada cátodo a placa de potencia mais baixo e anodo
a placa de potencial mais elevado (
ligado ao pólo positivo). A corrente elétrica que passava através do gás existente
no tubo era indicada pelo amperímetro.
Procurando
estudar a passagem de corrente á medida que o gás no tubo ia sendo rarefeito, o
cientista verificou um fato inesperado; mesmo
quando um alto vácuo era alcançado, o amperímetro continuava a indicar a
passagem de corrente através do tubo ( apesar de praticamente não existir um
meio material entre o catodo e o anodo).
Willian
Crookes ( 1832 – 1919)
Físico e químico inglês, o notável
por seus trabalhos com os raios catódicos e pela descoberta do elemento tálio.
Tendo herdado uma grande fortuna de seus pais, montou seu próprio laboratório de
pesquisas, passando a se dedicar inteiramente á ciência. Em suas pesquisas com
raios catódicos Crookes inventou vários
dispositivos para estudar o comportamento desta radiações , mas sua teoria
sobre a natureza dos raios mostrou-se incorreta sob vários aspectos. Durante os
estudos que o levaram á descoberto do tálio, ele construiu o radiâmetro
de Crookes,
dispositivo capaz de converter a radiação luminosa em movimento rotatório, que
foi utilizado no desenvolvimento de aparelho de mediado de precisão.
Para
estudar este fenômenos, Sir W. Crookes construiu, em 1875, um tubo curvo.
Fazendo o vácuo no tubo e aplicando uma diferença de potencial entre o catodo e
o anodo, Crookes observou que a região do tubo oposta ao catodo,
apresentava uma luminescência esverdeada. Ele suspeitou que esta luminescência
fosse causada oir algum tipo de radiação que era emitida pelo catodo e,
deslocando-se em linha reta, atingia o vidro do tubo um R. Essas radiações, cuja natureza
Crooke não conseguiu determinar , foram denominadas raios catódicos ( em virtude de
serem emitidas pelo catodo).
PROPRIEDADES DOS RAIOS CATÓDICOS
Para
comprovar que os raios catódicos realmente se propagam em linha reta. Crookes
realizou uma experiência que se tornou muito conhecida. Colocando em obstáculo
com a forma de uma cruz em frente ao catodo, ele verificou que uma sombra desse
obstáculo se projetava na parede de vidro no meio da região luminescente. Como
este comportamento é muito semelhante ao das radiações luminosas quando formam
a sombra de um objeto, vários cientistas passara a suspeitar que os raios
catódicos fossem em tipo de onda invisível, porém da mesma natureza que que a
luz.
Entretendo,
outras experiências realizadas também
por Crookes mostraram que os raios catódicos são desviados por um campo
magnéticos . De fato, ao aproximar um imã de um tudo, ele verificou que a
sombra ( e luminescência ) se deslocava sobre a parede de vidro . Como as ondas luminosas não são desviadas por um
campo magnéticos , este resultado fez com que alguns cientistas levantassem
a hipótese de que os raios catódicos poderiam
ser constituídos de partículas eletrizadas ( estas, como já se sabia naquela
época , são desviadas pela ação de um campo magnéticos ). Observando o sentido
do desvio dos raios catódicos , o cientistas concluíram que tais partículas
eram eletrizadas negativamente.
AS EXPERIENCIAS DE
J.J. THOMSON
Durante cerca
de 25 anos, nada de novo surgiu que permitisse
decidir definitivamente entre as duas hipóteses: os raios catódicos seriam um
tipo de onda semelhante á luz ou um feixe de partículas eletrizadas
negativamente?
Somente
em 1897 as experiências realizadas por J.J Thomson esclareceram que os raios catódicos
eram realmente constituídos partículas que possuíam carga negativa. A principal
evidência a favor desta conclusão foi o fato de
Thomson ter conseguido verificou
que os raios catódicos eram também desviados pela ação de um campo elétrico.
Estas partículas foram mais tarde, denominadas elétrons.
Uma vez
conhecida a natureza dos raios catódicos, Thomson procurou determinar algumas
propriedades das partículas que constituem estes raios, isto é , algumas
propriedades dos elétrons. Seria
importante medir, por exemplo, o valor da carga q e da massa m destas
partículas. Não foi possível, entretanto, obter experimentalmente os valores
destas grandezas. O que Thomson conseguiu foi medir a razão entre a carga e a massa,
isto é, o quociente q/m para elétron.
O que
foi usado por Thomson para efetuar esta medida. Não vamos nos preocupar em descrever a experiência que
ele realizou, porque atualmente existem montagem que nos permitem chegar ao
mesmo resultado com procedimentos muito mais simples. Analisaremos a seguir um
destes métodos mais modernos, que pode ser reproduzido até mesmo em
laboratórios de ensino de Física.
UMA EXPERIENCIA SIMPLES QUE PERMITE OBTER A RAZÃO CARGA
/MASSA DO ELÉTRON
O
esquema de uma montagem que nos permite medir facilmente a razão q/m para um feixe de elétrons emitidos por um
filamento aquecido. Os elétrons, emitidos pelo filamento em virtude do efeito termiônico,
são acelerado em direção a uma placa por uma voltagem aplicada entre esta placa e o filamento. Os
elétrons passam, então, através de um orifício da placa e penetram em uma região onde existe um campo magnético
uniforme β. Sob a ação deste campo , o
feixe de elétrons descreve uma semicircunferência .
O raio R
de este movimento circular pode ser facilmente determinado na experiência,
porque os elétrons, ao atingirem a placa, provocam uma luminescência no ponto
de impacto. Este conjunto é envolvido por um involucro de vidro, constituindo
uma válvula, que é colocada entre suas bobinas criando o campo magnético.
O raio R
da trajetória circula que uma partícula eletrizada descreve em um campo
magnético é, como sabemos, dado por
R
= mv/Bq donde q/m
= v/BR
Então ,
para determinar a razão q/m do elétron, devemos conhecer os valores
de v, B e R. O valor de R é medido
diretamente ao aparelho e o valor de B pode ser calculado se conhecemos a
corrente que passa nas bolinhas. Para determinar v, basta lembrar que o trabalho realizado
sobre o elétron , entre o filamento e a placa , é igual a qV. Graças a este trabalho, o, elétron adquire uma energia cinética
dada por (1/2) mv2.
Assim
1/2 mv2 =
qV donde
Substituindo este valor de v na expressão
de q/m, obtemos:
q/m = 2V / B2R2
Como
o valor de V pode ser obtido facilmente com o voltímetro, esta expressão nos
permite determinar a razão q/m para o elétron. Em uma experiência realizada com
este dispositivo, foram obtidos os seguintes valores:
V=
320 B=1,2 x 10-3 T R= 5,0 cm
Substituindo
estes valores na expressão de q/m ,
obtém-se
q/m = 1,76 x 1011 C/kg
O
ELÉTRON ESTA PRESENTE DO ÁTOMO DE QUALQUER SUBSTANCIA
Em
suas experiência, Thomson encontrou resultados muito próximo deste que é obtido
com montagem mas modernas. Repetindo a experiência com catodos feitos de
diferentes materiais, ele obteve sempre o mesmo valor para o quociente q/m, concluindo,
então, que todos os materiais emitem a mesma espécie de partículas, Em outras
palavras, Thomson chegou á conclusão de que todas as substancias possuem elétrons
em sua constituição. Tendo percebido que a massa de um elétron é muito pequena
( apesar de não ter conseguido obter o valor), ele lançou a hipótese de que o átomo
não seria indivisível, como se pensava até então. De acordo com sua hipótese ,
o átomo deveria ser constituído de partículas ainda menores , sendo o elétron
uma desta partículas.
Alguns
anos mais tarde, R. Millikan conseguiu determinas experimentalmente a carga do elétron
em suas famosa experiências com gotas de óleo. De posse deste valor (q = 1,6 x 10-19 C) e usando o
resultado obtido por Thomson ( q/m = 1,76 x 1011 C/kg), foi possível
e Millikam calcular o valor da massa do elétron. Sendo
q/m
= 1,76 x 1011 C/kg e
q= 1,6x10-19
C
ele
obteve
m=
1,6 x 10-19 C/ 1,76 x 1011 C/Kg
donde
m= 0,91 x 10-19 Kg
Ficaram
assim determinadas tanto a carga quanto a massa do elétron, uma as partículas
fundamentais de constituição da matéria.
As
experiências de J.J.Thomson, que o levaram a descobrir que os raios catódicos
são constituídos de partículas negativas – os elétrons – e lhe permitiram medir
a razão q/m destas partículas, foram de extrema importância para o
desenvolvimento da Física Moderna, Por este motivo, ele recebeu o Prémio Nobel
de Física em 1906.
Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares,
Física vol 3- São Paulo;Scpione,2006
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