Eugen Goldstein fue un físico alemán al que se le atribuye el descubrimiento de los rayos anódicos o rayos canales, fruto de sus investigaciones de descargas en gases enrarecidos contenidos en tubos de Crookes. Sus hallazgos permitieron a J. J. Thomson postular su modelo atómico (el del “pudín de pasas”).
El tubo de Crookes
Un tubo de Crookes (o “de descarga”) se puede representar simplemente así:
Estos tubos tienen un ánodo (polo positivo) y un cátodo (polo negativo) metálicos. Cuando el espacio entre ánodo y cátodo se llena de un gas enrarecido (esto es, a baja presión), se observa que el gas emite luz fluorescente (cuyo color depende de la naturaleza gas). La explicación que se le dio es que del cátodo salían unas partículas que, al ser atraídas por el ánodo, impactaban contra los átomos del gas que encontraban en su camino. Esos átomos ganaban energía en el choque y después la perdían emitiendo luz.
Cuando se retiraba el gas del tubo (quiere decirse que se hacía todo el vacío que era posible hacer en la época con la tecnología entonces existente), seguían saliendo partículas del cátodo hacia el ánodo, lo que se demostraba por el hecho de que el cristal del tubo que quedaba en las proximidades del ánodo emitía fluorescencia. Lo puede ver en la siguiente imagen (la fluorescencia es de color verde en este caso):
O sea, que aquellas partículas que salían del cátodo (que fueron llamadas rayos catódicos y que después se demostró que eran electrones) eran capaces de provocar fluorescencia en el gas, si había gas, o en el vidrio que estaba frente al cátodo, detrás del ánodo, si había vacío.
Crookes supuso que lo que salía del cátodo eran “rayos”, es decir, que viajaban en línea recta. Para probarlo hizo un ánodo metálico en forma de cruz de malta, como se ve en la siguiente imagen:
En el vidrio tras el cátodo se formaba la sombra de la cruz, lo que corroboraba su hipótesis. Aquí puede ver una imagen más realista:
Después perforan el ánodo. Y aquí viene la pregunta. ¿Por qué? Bueno, es otra forma de demostrar la existencia de esos rayos. Con un ánodo perforado, los rayos catódicos deberían pasar por los agujeros e impactar en la parte posterior del ánodo, como se ve en esta imagen (en este caso el ánodo tiene un solo agujero):
La ventaja que tiene este experimento sobre el de la cruz de malta es que los rayos catódicos, al pasar por un agujero, se pueden observar realmente como rayos, y eso facilita que se pueda estudiar muy bien cómo le afectan los campos electromagnéticos. Estos campos curvan la trayectoria de los electrones de esta manera:
En el experimento de la cruz de malta sería difícil comprobar que las trayectorias de los rayos catódicos se curven porque estos rayos están todos “mezclados”. Sin embargo, los agujeros permiten que se agrupen en haces rectilíneos cuyas trazas son fácilmente observables.
El experimento de Goldstein
Ahora viene Goldstein. Este trabajó con tubos que contenían gas enrarecido. Para empezar, supuso que si desde el cátodo salían partículas que iban al ánodo (partículas que resultaron se los electrones, cuya carga es negativa), tendrían que ir también otras partículas en sentido contrario, desde el ánodo hasta el cátodo, ya que los desplazamientos de cargas tienen que compensarse. Lo que sucede, efectivamente, es que, al existir gas en el tubo, los electrones que van desde el cátodo hacia el ánodo arrancan electrones a dicho gas al chocar contra él. El gas queda cargado positivamente y es atraído hacia el cátodo. Por la inercia, los iones gaseosos positivos que van hacia el cátodo pueden “pasar de largo” cuando llegan a él (salvo que impacten directamente contra el cátodo, claro). Al llegar a la zona que está detrás del cátodo, chocan contra átomos o moléculas de gas que no han sufrido impactos electrónicos (ya que ese gas no está en el camino entre el cátodo y el ánodo). Pero ese gas, al recibir los choques de los iones gaseosos positivos, se excita electrónicamente. Después se relaja y emite luz por fluorescencia. Se ve en la siguiente imagen (fluorescencia violeta):
Hay que tener en cuenta que para que este efecto se observe, el cátodo no tiene por qué estar perforado. En la imagen anterior, el cátodo tiene el diámetro del tubo y forma una pared que en cierto modo separa el tubo en dos partes. Los iones positivos de gas solo podrían pasar por agujeros practicados en el cátodo. Pero si tiene menos diámetro, los iones gaseosos positivos pasarían igualmente por el espacio que el cátodo deja libre entre él y las paredes del tubo. Si se hacen los experimentos con cátodos perforados es sencillamente porque así se observan mejor “rayos” luminosos (los llamados rayos canales o anódicos) y se pueden comprobar bien las desviaciones de sus trayectorias por campos electromagnéticos, así como otras propiedades.
