Hay tubos de descarga o tubos de Crookes de distintas formas y materiales, pero para describir su funcionamiento imaginemos uno que tenga forma de tubo propiamente dicho (un cilindro) y que esté fabricado de vidrio. En el extremo izquierdo del tubo ponemos un cátodo (es decir, un electrodo negativo) y más o menos en el centro del tubo, un ánodo. Digamos que ambos electrodos son sendas plaquitas metálicas, pero la del ánodo tendrá forma de rosquilla (más abajo veremos por qué). En el tubo hacemos el vacío pero dejamos un poco de gas (por otra parte, es imposible hacer el vacío absoluto; antes se rompería el tubo o se volatilizarían en parte los electrodos y otros materiales, ocupando el gas generado ese vacío y, por tanto, rompiendo el vacío).
En todo gas existe una pequeñísima fracción de iones positivos libres y de electrones igualmente libres (estas especies cargadas se crean por procesos naturales como la radiactividad). Al establecerse una (fuerte) diferencia de potencial entre ánodo y cátodo, estas cargas se aceleran, dirigiéndose los electrones hacia donde se encuentra el ánodo (es decir, el electrodo positivo) y los iones positivos hacia el cátodo (electrodo negativo).
En su camino, los electrones colisionan con moléculas de gas, y si el choque es adecuado (geométrica y energéticamente), pueden arrancar electrones de la capa electrónica de las moléculas gaseosas, formándose el correspondiente ion positivo gaseoso. En otros casos los choques no arrancan electrones a la molécula de gas, pero sí la “excitan”. Esto quiere decir que la molécula gana energía, energía que le cede el electrón que ha chocado contra ella (estos electrones tienen una energía cinética espectacular; con una diferencia de potencial de 10.000 voltios pueden alcanzar en torno a los 60.000 kilómetros por segundo, es decir, 1/5 de la velocidad de la luz).
Esa energía que absorbido la molécula se invierte en aumentar la energía de alguno de sus electrones. Enseguida, el electrón devuelve la energía recibida porque su tendencia es volver a su estado natural. Y la devuelve en forma de calor o de radiación electromagnética; es decir, emitiendo un “fotón”. Algunos de los fotones emitidos tienen la energía correspondiente a la región electromagnética visible. Por eso, vemos luz de determinado color dentro del tubo. Este efecto de emisión de luz se llama fluorescencia.
Algunos de los iones positivos que se han formado se recombinan con los electrones, y vuelta a empezar. Pero otros se dirigen hacia el cátodo, chocando violentamente contra él. En el choque arrancan un buen chorro de electrones al material del que está formado el cátodo. Ese chorro que sale del cátodo es lo que los primeros investigadores, que aún no conocían la existencia de los electrones, denominaron “rayos catódicos”.
Los electrones que salen del cátodo se dirigen hacia el ánodo por tener este carga positiva. En su camino, algunos chocan contra moléculas de gas, las ionizan o las excitan provocando su fluorescencia. Pero otros electrones consiguen alcanzar el lugar donde se encuentra el ánodo porque en su camino no encuentran ninguna molécula de gas contra la que chocar (recordemos que se ha hecho un vacío considerable dentro del tubo).
Algunos de esos electrones chocan contra el ánodo; otros pasan a través del agujero que tiene este en el centro y, por la inercia, siguen viajando a gran velocidad hasta que impactan contra el vidrio que está en el extremo derecho del tubo. Allí excitan a las moléculas del vidrio y provocan la fluorescencia de estas (normalmente, de color verde o amarillo-verdoso, dependiendo el color en todo caso de la composición química del vidrio).
Esta fluorescencia en el extremo del tubo (que suele ser de distinto color al de la fluorescencia del gas) es lo que más llamó la atención de los primeros investigadores. Ellos no sabían nada de la existencia de los electrones. Ellos solo entendían que parecía que unos “rayos” iban del cátodo al ánodo, y por eso los llamaron rayos catódicos. Llegaron a poner dentro del tubo, entre el ánodo y la pared de la derecha, una plaquita de zinc en forma de cruz y vieron que en el vidrio se formaba la sombra de esa cruz, interpretando este fenómeno (correctamente) como que los rayos catódicos (ahora sabemos que son los electrones) chocaban contra la plaquita en forma de cruz y no llegaban al vidrio, por lo cual en este quedaba una zona, con forma igual a la de plaquita, en la que no se producía fluorescencia,
Bien, sólo queda explicar qué pasa con los electrones libres que han impactado contra el vidrio. Sencillamente se sienten atraídos por al ánodo y a través de él y la fuente de alimentación vuelven al cátodo donde les esperan los iones positivos que habían chocado contra este produciendo los rayos catódicos. Circuito cerrado.
Que exista una pequeña cantidad de gas en el tubo es bueno para iniciar el proceso. De hecho, estos tubos dejan de funcionar si demasiadas moléculas de gas quedan adsorbidas, con el tiempo, en las paredes del tubo. Si hay mucho gas, este emite fluorescencia, pero los electrones tienen poca probabilidad de llegar a la pared de la derecha (por chocar contra el gas) y no se observarán experimentalmente los rayos catódicos propiamente dichos. Después del tubo de Crookes se inventó otro sistema en el que aún se hace más vacío, pero los rayos catódicos se observan mejor que en el tubo de Crookes porque se actúa de manera que el mismo cátodo produzca un buen chorro de electrones. Para ello, el cátodo se calienta (el efecto se llama emisión termoiónica).
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Fuente de la imagen: Ampola de Crookes.gif. (2022, July 19). Wikimedia Commons, the free media repository. 15:12, March 2, 2023. commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Ampola_de_Crookes.gif&oldid=675894470
