Quizás no sepas qué son los rayos catódicos, pero seguro que estás rodeado de aparatos que funcionan gracias a ellos: televisores y monitores antiguos que están siendo sustituidos en la actualidad por otras tecnologías que permiten la fabricación de pantallas planas y mucho más ligeras; osciloscopios que permiten medir señales de todo tipo y que podemos encontrar en sitios tan distintos como hospitales, talleres mecánicos o estudios de grabación… En esta lección de unPROFESOR te explicamos qué son los rayos catódicos y sus características, qué propiedades tienen y cuáles son sus principales aplicaciones.
Qué son los rayos catódicos - Definición fácil
Los rayos catódicos son corrientes de electrones que son emitidos por el cátodo (electrodo negativo) en un tubo de vacío.
Un tubo de vacío es un tubo cerrado por válvulas al que se ha extraído casi todo el gas que contenía creando, por tanto, un espacio prácticamente carente de átomos. Los electrodos están conectados a una fuente externa de alto voltaje que establece una elevada diferencia de potencial entre los dos electrodos del tubo.
La diferencia de potencial provoca la salida de electrones (partículas subatómicas de carga negativa) del cátodo (electrodo negativo) para crear una corriente que se dirige hacia el ánodo (electrodo positivo). Esta corriente de electrones así generada se hace visible en la forma de un resplandor verde pálido, que se origina en el cátodo y se dirige hacia el ánodo.
Descubrimiento de los rayos catódicos
Los rayos catódicos fueron descubiertos gracias a los experimentos realizados por William Crookes. Este científico británico del siglo XIX, ideó tubos de vacío de diferentes diseños a los que se habían incorporado electrodos.
Los experimentos realizados por Crookes desembocaron en el descubrimiento de los rayos catódicos permitieron deducir sus principales propiedades y, más adelante, en el descubrimiento del electrón. Además el tubo de Crookes se convirtió en un instrumento de investigación científica que aun hoy día está presente en muchos laboratorios de investigación científica.
¿Cuáles son las características de los rayos catódicos?
Los estudios de los rayos catódicos mediante este tipo de tubos luminosos permiten definir las siguientes características de esta corriente de electrones:
- Los rayos catódicos viajan en línea recta, igual que la luz; en ausencia de campos eléctricos o magnéticos.
- Son detenidos por barreras físicas lo suficientemente gruesas (como una placa metálica de unos cuantos milímetros) y producen sombras del mismo modo que lo hace la luz cuando incide sobre materiales opacos.
- La velocidad de los electrones de los rayos catódicos aumenta. Y al incrementar el vacío en el tubo de rayos catódicos. Cuanto mayor es el vacío mayor es la intensidad de los rayos catódicos generados. Esto es debido a que la presencia de átomos en concentraciones elevadas impide la circulación de los electrones y, por tanto la emisión de rayos catódicos. Cuanto mayor es la diferencia de potencial entre los dos electrodos del tubo de rayos catódicos.
- Los rayos catódicos (corrientes de electrones con carga negativa) se desvían cuando son sometidos a un campo magnético o a un campo eléctrico. Esta es una propiedad que no se da en el caso de la luz.
- Los rayos catódicos liberan energía en forma de calor, ya que transforman su energía cinética (energía asociada al movimiento) en energía térmica (calor).
- Los rayos catódicos son capaces de provocar algunas reacciones químicas similares a las que provoca la luz, como la impresión de una placa fotográfica.
- Los rayos catódicos ionizan los gases que están contenidos, en pequeñas cantidades, en el tubo vacío.
La fluorescencia
Otra de las características de los rayos catódicos más importantes es que provocan fenómenos de fluorescencia en determinados materiales como el vidrio o el sulfuro de zinc.
La fluorescencia es la capacidad de algunos materiales de emitir luz. Este fenómeno se produce cuando los electrones de los rayos catódicos chocan con el material y transmiten, a los átomos de éste, su energía cinética.
Esta energía absorbida por los átomos genera la excitación de sus electrones, que saltan a niveles energéticos superiores. Los electrones excitados vuelven rápidamente a su posición inicial en un nivel de energía más bajo. La energía desprendida en el salto de vuelta al estado energético inicial, tiene una longitud de onda que es visible (la fluorescencia).
¿Dónde se utilizan los rayos catódicos? Las aplicaciones más importantes
Los rayos catódicos fueron descubiertos gracias a los experimentos realizados por William Crookes. Este científico británico del siglo XIX, ideó tubos de vacío de diferentes diseños a los que se habían incorporado electrodos. Los experimentos realizados por Crookes desembocaron en el descubrimiento de los rayos catódicos y permitieron deducir sus principales propiedades. Además el tubo de Crookes se convirtió en un instrumento de investigación científica que aun hoy día está presente en muchos laboratorios de investigación científica.
Tecnología CTR (Catodic Tube Rays)
La tecnología de tubos de rayos catódicos (CTR, por sus siglas en inglés) actual se basa en el tubo de vacio diseñado por Crookes, pero ha incorporado algunos elementos que permiten su utilización en diversas aplicaciones.
Características de los tubos de rayos catódicos actuales
En la actualidad los CTRs son tubos de vacío que incorporan tres elementos fundamentales:
- Incorporación de campos magnéticos que permiten desviar la dirección de los rayos catódicos permitiendo su manipulación. La incorporación de campos magnéticos para desviar el flujo de electrones se debe a las investigaciones llevadas a cabo por J.Thomson con el tubo de vacío de Crookes.
- Recubrimientos del tubo con material fluorescente que produce una respuesta lumínica mucho más intensa debido a que, gracias al fenómeno de la fluorescencia, una parte importante de los rayos catódicos que no son visibles, se transforman en luz. Este recubrimiento se debe a los experimentos de F.Braun, que experimentó con los tubos de W.Crookes los fenómenos de fluorescencia.
- Incorporación de cátodos calientes. El tubo de Crookes no depende de la temperatura para su funcionamiento. Sin embargo, la observación de T.Edison de que el calor provoca la emisión de iones en algunos materiales, se aplicó a los tubos de vacío. Se incorporaron los llamados cátodos calientes que eran capaces de emitir iones cuando se calentaban. De esta manera el funcionamiento del tubo de vacío deja de depender de la presencia de aire residual en su interior.
Principales aplicaciones
- Medición de la velocidad y la masa de los electrones: estas propiedades pueden medirse en un CTR al que se incorpora un campo eléctrico y uno magnético que se anulan entre sí y permiten medir la velocidad de los electrones y su masa.
- El osciloscopio: Este aparato consiste en un CTR al que se incorpora un campo magnético variable que provoca un barrido horizontal de los rayos catódicos, en la pantalla de proyección al final del tubo. Cuando este aparato se conecta a un instrumento que mida cualquier parámetro físico y sea capaz de traducirlo en señales eléctricas, éstas se reproducen en el osciloscopio como oscilaciones verticales del haz de luz. Se trata de unos instrumentos de medición más versátiles que existen y se utiliza en multitud de mediciones como: el ritmo cardiaco, la presión, los niveles de sonido, de vibración etc.
- Pantallas de televisión y monitores: Actualmente la tecnología CTR está desapareciendo en favor de otras más avanzadas, como las pantallas planas de cristal líquido (LCD) o las de diodos emisores de (LED), que permiten reducir el tamaño y el peso de las pantallas de forma drástica además de tener una vida útil mayor. Sin embargo, esta tecnología era la utilizada en pantallas de TV y monitores hasta hace pocos años desde los años 50 del siglo pasado.
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Steven Weinberg (1985).Partículas subatómicas. Barcelona: Prensa científica S.A