Los Rayos catódicos y el experimento de J.J. Thomson

Como recordaran Thomson fue el descubridor del electrón, como en cada adelanto que se produjo en el conocimiento de la estructura electrónica del átomo hay un fenómeno físico que los científicos de la época estaban estudiando que esta relacionado, en este caso se trata de la descarga en gases. Si a un tubo se le hace el vacío y a dos electrodos en su interior se les da alta tensión en el ánodo (+) se produce una luminosidad azul verdosa. Muchas veces me he propuesto reproducir este fenómeno en casa, pero no es tan sencillo, el problema principal es hacer el vacío, se trata de de un vacío considerable de del orden de 10^-5 atmósferas que se puede conseguir con una bomba de difusión, eso obviamente no lo tengo ni en el laboratorio común de nuestros colegios hay. Asi es que como siempre hay que recurrir a materiales en desuso, buscar algo que ya tenga hecho ese vacío, pues muy simple, un tubo de TV o un tubo de monitor viejo son la solución, en mi caso tenía en el altillo de mi casa un viejo monitor monocromático de esos que ya no se usan mas, ni siquiera es VGA, utilizaba una placa llamada Hercules y es de la década del 80, el procedimiento que voy a mostrar puede usarse en algún TV monocromático que tengamos y estemos dispuestos a sacrificar en pos de la docencia, (Después puede volverse sin problemas al estado original).

Antes que nada debemos verificar que el monitor o tele que vamos a usar este funcionando, ya que vamos a usar el tubo y los componentes que hacen que el mismo funcione, la fuente de AT (Flayback) control de brillo y contraste, alimentación de filamentos, etc. Importante: Ojo porque adentro del tv hay muy alta tensión ver bien las fotos para no meter mas manos donde no debemos, además de tener sumo cuidado con los alumnos, no sea que alguno toque y quede duro.

La experiencia que vamos a hacer es la de mover el flujo de electrones del interior del tubo con un campo magnético, que fue lo que indujo a Thomson a concluir que esos rayos que provenían del cátodo no eran rayos X, sino otro tipo, conformados por partículas materiales que tenían carga negativa, recordar que los rayos X son ondas electromagnéticas que no modifican su trayectoria cuando pasan por un campo magnético o eléctrico, en cambio estos rayos catódicos si lo hacen.

Bueno a modificar el monitor, sacarle la cobertura plástica (verificar que se encuentre desconectado), identificar el TRC (tubo de rayos catódicos, ver fotos) es la pantalla, verán que tiene un cuello al final de este cuello hay un zócalo de donde salen un montón de cables.

Mas arriba, ese cuello tiene como un anillo plástico donde se ven arrolladas varias bobinas, se llama yugo, son las bobinas que hacen que el haz de electrones se abra y se vea en toda la pantalla, lo que vamos a hacer es sacar el zócalo de la punta con mucho cuidado, a veces suele estar pegado con un cemento plástico, despegarlo con cuidado sin dañar el tubo, una vez que sacamos el zócalo aflojamos un tornillo que tiene el yugo y con cuidado lo tiramos hacia atrás hasta sacarlo del cuello (también suele estar pegado con el cemento plástico), al yugo lo ponemos a un costado sin sacarle ni cortarle ningún cable. De esta manera vamos a encender el monitor y veremos que se produce en la pantalla solamente un punto central muy brillante, con el control de brillo bajarlo, porque si no puede dañarse la pantalla. Ahora solo nos queda conseguir un imán y verificar el desplazamiento del punto brillante según que polo acerquemos al cuello del TRC. Es un experimento sencillo pero bastante útil para mostrar que es un tubo de rayos catódicos, sus partes , la fuente de alta tensión y por sobre todo el efecto de los campos magnéticos y eléctricos sobre los rayos catódicos, si tienen además algún conocimiento de electrónica se podrá aplicar un campo eléctrico que dará resultados similares al magnético.

Precauciones: Para el profe que esta conduciendo el práctico, tener cuidado con el chupete de alta tensión que alimenta el ánodo del TRC, al imán acercarlo al tubo atravez de algún elemento aislante, no tocar nada cuando esté encendido el aparato. A los alumnos conviene colocarlos a todos frente a la pantalla una vez que se ha explicado y mostrado el tubo, fuente de alta tensión etc estando apagado, luego se los pasa frente a la pantalla para evitar que por accidente toquen algo del circuito que esta a la vista.

En el experimento de Thomson se veía sobre el ánodo la luminosidad, aca el ánodo esta encerrado en el tubo y no se ve, pero es un tejido metálico que permite que los electrones lo atraviesen e impacten sobre una pantalla química de fósforos que al impactar un electrón hace una chispa. Ver fotos.

Radiactividad en el aula

 

Pruebas con materiales radioactivos

 

Cuando nos toca enseñar en química la radioactividad, el átomo de Rutherford, etc, se nos complica encontrar un trabajo práctico adecuado. Mas, si uno piensa como yo hasta hace poco tiempo, que los materiales radioactivos solo están en oscuros laboratorios tipo bunquers con paredes de plomo y bajo llave, que solo tiene el jefe del pentágono.  La cuestión es, que no es tan así, resulta bastante fácil conseguir sustancias radioactivas inofensivas para la salud, pero que nos pueden servir para hacer algún trabajito sencillo.

Lo primero que tenemos que hacer es conseguir el material, en mi país es fácil conseguir las mechas de faroles tipo sol de noche, estas mechas en algunos lugares (no en Europa) se fabrican con oxido de torio, el Th es un material radioactivo que nos puede servir para alguna prueba. Otro elemento que nos puede ser de utilidad (con este se pueden hacer algunas pruebas mas que con las mechas) esta en los detectores de humo, estos tienen una plaquita de americio, que es un gran emisor de partículas alfa.

También podemos conseguir minerales en estado bruto que tienen las propiedades, por ejemplo la pechblenda, la tabernita, uraninnita, autunita, carnotita.

Además de estos hay muchos otros minerales que tienen elementos radioactivos, si uno tiene la posibilidad de comprar un contador Geiger (Hoy en día son muy accesibles, he comprado en e-Bay, uno de origen ruso a  U$A 55, el de las fotos) entonces es mas fácil detectar estos minerales.

Otro elemento que nos puede resultar útil es algún viejo reloj que tenga la abuela, antes la pintura fosforescente estaba hecha con radio, entonces la aguja y el cuadrante del reloj de la abuela pueden tener, ver imagen en sección fotos (pruebas con elementos radioactivos) yo tengo el cuadrante de un instrumento del panel de un avión de la década del 50 que tiene la pintura con el bromuro de radio. 

Bueno, que podemos hacer con los elementos, no es mucho, lo más simple es repetir la experiencia de Becquerel, haciendo la historia aquella de que por casualidad dejo el producto (pechblenda) cerca de unas placas fotográficas y quedaron veladas. Se puede conseguir fácilmente un trozo de papel fotográfico, se lo coloca en un sobre oscuro y sobre el mismo se asienta el material que hayamos conseguido. Se deja un par de días y se revela. Ver fotos. Algo simple y bastante didáctico resulta ver la penetración de las distintas radiaciones , recordar que las radiaciones alfa son poco penetrantes y pueden se detenidas con una hoja de papel, las beta son mas penetrante van a pasar fácilmente el papel, pero no pueden pasar una hoja fina de aluminio y las gama solo son detenidas por una lámina de plomo. Entonces si al material que conseguimos lo apoyamos directamente sobre el papel fotográfico imprimimos las tres radiaciones, si al papel lo ponemos en un sobre y apoyamos el material arriba, tendremos las beta y las gama, y si al papel fotográfico lo envolvemos con papel aluminio solo pasaran las gama. Ojo que no todos los elementos radioactivos tienen la misma cantidad de radiaciones alfa beta y gama

Hay un lindo experimento que no voy a describir, pero daré el link para que si consiguen el americio lo realicen, es la construcción del espintaroscopio (Suena raro no?) ver en el siguiente link.

www.cientificosaficionados.com/TBO/espintaroscopio/espintaroscopio.htm

 

 

Espectros discontinuos

Espectros discontinuos

 

Algo de teoría…

 

Como se recordará durante la época en que Bohr hacía sus experiencias, la comunidad científica estaba entretenida con la difracción de la luz en el prisma, descubierta por Newton, Bohr experimenta con los colores de llama que aparecían cuando se vaporizaba un elemento sobre el fuego, el concluyó que los electrones están en órbitas estables donde no consumen ni seden energía, cuando se les aplica energía exterior (llama) estos electrones saltan a una órbita superior mas alejada del núcleo y cuando cesa esa energía externa los mismos vuelven a su orbita original liberando la energía en forma de luz (fotones). Si se hace atravesar esa luz liberada por un prisma, aparece ya no un espectro continuo donde los colores van cambiando gradualmente (ver fotos), sino una serie de líneas de colores parecidas a un código de barras de los que usan los supermercados, eso se llama espectro discontinuo, cada átomo tiene uno particular, como una huella digital. Bueno el sencillo experimento que hoy describo es para ver esos espectros discontinuos.

El aparato es el espectroscopio, que vamos a fabricar con un disco compacto en desuso, se corta un trozo como muestra la imagen con una tijera de cocina, además vamos a conseguir una cajita, la que yo use tiene 13,5cm x11,5cm x 7 cm. puede usarse otra, con otras medidas. En el frente se practica una abertura de unos 2 cm x 2 cm, a unos 2 cm de la base allí pondremos el colimador, que es una rendija muy angostita por donde va a entrar la luz, cuanto mas angosta mas nítido el espectro, pero también mas débil, este colimador se puede hacer con papel de aluminio como se ve en la imagen todo se asegura bien con cinta. En el piso de la caja se va a fijar también con cinta el trozo de compacto, cuidando de no despegar la parte espejada, la distancia a la que se fijará va a tener que ser ajustada para que desde la ventana por donde se van a observar los espectros pueda verse éste, completo.

Trataré de fotografiar algunos espectros discontinuos del cobre, sodio y los podré en mi blog.

En el siguiente archivo hay un documento tomado de http://www.cielodeguadaira.org/ donde hay una plantilla para armar la caja picar aqui

 

 

Instrumento casero para medir vacio (Vacuómetro)

Este sencillo instrumento esta  basado en la ley de Boyle y Mariotte  P.V=P´V´ Donde P es presión y V volumen.  Trabaja asi: se coloca un tubito de volumen conocido, preferentemente graduado, en mi caso usé un viejo hematocrito de Wintrobe marcado de 0 a 100 (ver fotos) este tubo se pone con la parte abierta sumergida en aceite, vaselina líquida o mercurio, a presión atmosférica quedara completamente lleno de aire, luego se introduce en la cámara de vacío y se acciona la bomba, comienzan a salir burbujas, cuando ya no salen más, se corta la bomba y se le da ingreso de aire de a poco, el líquido va a subir hasta cierto punto y quedara una burbuja de aire, aplicando la formula de la ley de gases P=P´.V´/V, donde P´ es la presión atmosférica, V´ es el volumen de la burbuja y V es el volumen inicial, en mi caso 5 mm la burbuja y como el tubo completo no entraba en la cámara lo corté y me quedó de 86 mm de volumen inicial .

Por lo tanto mi bomba depresora conseguirá un vacío de:

 P= 1 atm x 5 mm / 86 mm = 0,058 atm o lo que es lo mismo 58 milibares

 

 Modificacion interesante

En el laboratorio no falta material de vidrio que ha quedado en desuso, asi encontré las viejas pipetas de Thoma, son pipetas que se usaban y en algunos laboratorios se usan todavia, por lo que son bastante fáciles de conseguir. Hay de dos tipos, la de glóbulos blancos, que tiene una capacidad total de 11 y diviciones de 0.1 por lo que es posible medir vacios de hasta  0.0090 atm. y la otra la que tiene la perlita roja adentro , se usa para contar glóbulos rojos y tiene un volumen total de 101 con diviciones de 0.1 por lo que pueden medirse vacios de hasta 0,00099 atm. En la foto se puede ver tambien una pipeta de blacos a la que se le ha hecho una "cirugia" y esta lista para poner en el frasquito con vaselina liquida, esa cirugia es cortarla justo donde tiene la marca 11. En el extremo que debe estar cerrada se coloco un émbolo de una jeringuita tuberculina.

 

 

Cámara de vacio con filtro de combustible

Estaba en un desguase buscando los materiales para armar una campana de vacio que figura en el siguiente link: http://www.cientificosaficionados.com/TBO/camara%20de%20vacio/campanas%20para%20vacio.htm y me encontre con algo que podía servir sin necesidad de ninguna modificación, una vieja trampa de combustible de mas o menos medio litro de capacidad, tiene una base de aluminio con la entrada y salida a la que se puede ver, le adapté una canilla de bronce a un lado para cerrar y como posible entrada de gases y la otra  va a la bomba de vacio. tambien abajo hay un tornillo que puede usarse como tercera entrada. En la parte superior de la campana de vidrio que por cierto es bien grueso lleva una junta de goma y al medio sa adapta un caño rosacado que esta sellado con un tornillo con un o-ring. Todo el conjunto se arma con una varilla roscada que va al medio. yo la saqué ya que el mismo vacio hace que se peguen la base con la campana, que ajustan sobre una junta de goma, de esa manera puedo usar como electrodos la parte superior y la base. Se puede ver en las fotos.

En cuanto haga algunas pruebas las pondé aca.

 

Diez experimentos con el Van Der Graaff

 Diez experimentos con el GVG

 

1. Efecto de carga de pequeños cuerpos y posterior repulsión de los mismos.

  Se cortan pequeños trozos de papel de aluminio los que son colocados cobre la esfera del generador, luego se le da marcha y se produce un efecto como de erupción de un volcán

Otra forma es colocando moldecitos de aluminio para tarteletas apilados, a medida que se van cargando de a uno se van despidiendo.

  Otro experimento sencillo y que causa impacto en los alumnos consiste en colocar un trozo de papel higiénico cortado en flecos pegado con unas cintas adhesivas.

  Una variante del experimento anterior consiste en cortar un mechón de pelos de unos 20 cm de largo, en el medio sujetarlo con un alambre rígido el es puesto en contacto con la esfera y pegado a la misma con cinta.

  2. Carga de condensadores de alta tensión

  El experimento es interesante pero debe ser realizado solo por el profesor y no permitir que los alumnos lo hagan, los condensadores por inofensivos que parezcan se cargan con gran cantidad de corriente (amperes) y si uno toca las dos placas puede provocarle hasta una fibrilación cardiaca, como anécdota, accidentalmente toque un condensador (el mismo de las fotos) y la descarga me dejo atontado por un rato,  hay cierto tipo de armas de defensa personal que se basan en esto.

Se acerca el condensador a la esfera  hasta hacer contacto con la misma luego con un cable se muestra la chispa de descarga entre las dos placas. También se puede acercar a un electroscopio que marcara la presencia de carga eléctrica.

3. Viento iónico

  Hay una forma muy sencilla de comprobar este fenómeno, se pega con cinta una aguja metálica a la esfera y se acerca una vela encendida, se verá el desplazamiento de la llama, Este experimento puede provocar la ionización de todo el ambiente y si una persona esta aislada cercano a la punta  se carga eléctricamente y si toca a otra le provocara una pequeña descarga (inofensiva) es propicia para amenizar la clase. También si se esta en un lugar oscuro puede hacer parpadear los tobos fluorescentes por ionización del gas.

4. Motor iónico

  Es un experimento sencillo que causa impacto, es una aplicación del experimento anterior, se corta un huso de aluminio en el centro se coloca algún soporte para que pueda girar libremente y se doblan las puntas una hacia arriba y la otra hacia abajo. Luego se afirma una aguja en forma vertical sobre la esfera y en el extremo se coloca la hélice, se da marcha al generador e inmediatamente de produce el movimiento.  

5. Descarga de chispas (rayos)

  Este fenómeno conviene realizarlo en un ambiente algo oscuro ya que se visualizara además el plasma electrónico. Se toma con una pinza un objeto de bastante masa algo esférico, yo utilizo una manija de bronce antigua. Dependiendo de la diferencia de potencial (voltaje) que alcance el GVG al acercarlo podemos obtener chispas de 10 a 20 cm de largo, también hay que tener en cuenta que la humedad del ambiente influye, la pinza debe sujetarse fuertemente para no sentir algún cosquilleo

  También se pueden logar chispas largas acercando un tubo fluorescente esto también ionizara el gas del tubo.

  6. Carga de una persona

  Este experimento es el que mas impacto causa entre los alumnos, para tener éxito en esto debemos “afilar” muy bien el generador. Debemos buscar una persona de poca masa muscular cabello largo fino y limpio. Lo hacemos subir a una plancha de telgopor medio gruesa y le hacemos tocar la esfera con el gvg apagado y descargado luego lo ponemos en marcha y OHHHHHH!!!!!!!

Pelos de punta

7. Inducción y campo eléctrico

  El campo eléctrico es muy simple de verificar paseando por las cercanías de la esfera un electroscopio, se verán las plaquitas mas o menos separadas de acuerdo a la intensidad. La inducción la podemos verificar tocando un cuerpo aislado con la esfera y luego acercarlo al electroscopio. Podemos aislar nuestro cuerpo subiendo a placa de telgopor tocar la esfera con la pinza y la manija de bronce del experimento 5 luego levantamos la manija y sin bajar del aislante tocamos el electroscopio, o algún alumno puede acercar el electroscopio a nuestro cuerpo verificando el campo

8. Jaula de Faraday

  Se construye con tejido mosquitero metálico una especie de jaula en cuyo interior se coloca un electroscopio, luego se acerca el conjunto al GVG y se constata que el electroscopio no acusa carga, luego se hace el mismo experimento sin la jaula y se comprueba que las plaquitas se distancian.

9. Campanas de Franklin

  Se fabrica un dispositivo con dos latas de gaseosa una lapicera plástica y un péndulo hecho con un cabello y uno de los anillitos de apertura de las latas (ver figura) a una de las latas se la conecta con un cable a la esfera y a la otra con un cable a tierra, es hecha a andar el generador provocando un golpeteo del péndulo contra ambas latas varias veces por segundo.

  Aqui una variante un poco menos rústica

     

 

     10.  Fotos Kirlian

  Esto es algo mas taquillero que aplicación pero puede hacerse sin problemas, en un cuarto oscuro con una tenue luz (foco de 15W recubierto de papel celofan rojo) se hace un sanwich con una hoja de vegetal verde recién cortada atado a su pedúnculo un cable a tierra, luego papel fotográfico blanco y negro con el lado sensible hacia la hoja verde y por último un soporte de acrílico o algún aislante largo que podamos acercar al GVG, ponemos en marcha el generador y acercamos el paquete , veremos una corona eléctrica alrededor de la hoja, revelamos y listo