CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA: TUBO DE RAYOS
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CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA: TUBO DE RAYOS CATÓDICOS Sandy Vanesa Rodríguez Merchán Jessica Andrea Sánchez Velandia Universidad Pedagógica nacional Facultad de Ciencia y Tecnología Departamento de física Línea de Profundización: Enseñanza de las ciencias desde una perspectiva Cultural. 2014 1 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA: TUBO DE RAYOS CATÓDICOS Presentado como requisito para optar el título de Licenciado en Física Sandy Vanesa Rodríguez Merchán Jessica Andrea Sánchez Velandia Directores José Francisco Malagón Sánchez María Mercedes Ayala Manrique Universidad Pedagógica nacional Facultad de Ciencia y Tecnología Departamento de física Línea de Profundización: Enseñanza de las ciencias desde una perspectiva Cultural. 2014 2 3 Dedico este trabajo a: A todos aquellos que estuvieron ahí y a los que no lo hicieron, los primeros aportaron grandes consejos y momentos para la construcción de este trabajo y los segundos permitieron encontrar el verdadero camino y las verdaderas personas. A María Mercedes Ayala por guiarme en el instante preciso, a Francisco Malagón por su constante compañía, a mi compañera Vanesa Rodríguez quien llegó a este trabajo de manera especial. A mi familia, especialmente a mi abuela quien cuando quise dejar todo me alentó a continuar. Al que todo lo ve. Jessica Sánchez En un espacio oscuro, frio y a baja presión sobreviven partículas o pequeños universos que interactúan y generan luminiscencias. Cada destello es producto de la energía viva que libera cada partícula al interactuar con las otras. Gracias Alicia, Héctor, Diana y Gilenny por confiar en mi capacidad de brillar, generar intensas luminiscencias y reacciones en cadena en el transcurso de mi vida. Nuevamente gracias por apoyarme en los retos que inicié e iniciare. Más que un Hombre, es símbolo de lucha, constancia y fuerza. Ricardo Báez es gratificante volar a su lado, la vida nos doto de herramientas necesarias para emprender grandes travesías y sobrevolar. Sandy Vanesa Rodríguez 4 AGRADECIMIENTOS A José Francisco Malagón por recordarme que es mejor “Hacer” que” Hablar”. Gracias por confiar en mí, como persona, estudiante y profesional. Profe María Mercedes su tenacidad, lucidez y claridad la convierten en un faro en el calmado, gratificante y tormentoso camino de la academia. Agradecemos a Javier por sus dibujos y le recordamos su inmenso talento en el arte. 5 RESUMEN Los experimentos referentes a la conducción de electricidad en gases a baja presión realizados durante el siglo XIX dieron paso al tubo de rayos catódicos en un contexto en que la técnica, la tecnología y la cultura fueron cruciales en su desarrollo. A partir del análisis de las modificaciones realizadas en el tubo como el cambio de posición del ánodo y la densidad del gas se buscó caracterizar el comportamiento de los rayos desde dos perspectivas, una basada en un modelo corpuscular y la otra en el modelo ondulatorio; modelos desarrollados por J.J Thomson y Heinrich Hertz, respectivamente. En este caso, el trabajo de aula con el tubo de rayos catódicos posibilita que los estudiantes propongan explicaciones a dicho evento, a propósito de experiencias, situaciones y preguntas propuestas; explicaciones dotadas de significado gracias a un estudio histórico y fenomenológico del tubo. Con lo anterior se busca que los modelos corpuscular y ondulatorio soporten un trabajo investigativo dirigido a proponer una alternativa de enseñanza sobre el comportamiento de la materia desde la mirada de científicos como Hertz y Thomson, donde se evidencie la influencia de los procesos sociales, académicos y culturales en la estructuración de teorías y en general de las ciencias. Se espera con ello aportar elementos conceptuales y experimentales a las problemáticas de estudio en física acerca de la estructura de la materia y su relación con los sucesos macroscópicos. Palabras clave: Rayos catódicos, Análisis históricos- críticos, fenomenologías, corpúsculo, onda electromagnética, estructura de la materia, enseñanza de las ciencias. 6 Abstract Experiments concerning the conduction of electricity in gases at low pressure made during the nineteenth century gave way to cathode ray tube in a context in which the art, technology and culture were crucial in their development. From the analysis of the changes made in the tube as the change in position of the anode and the gas density sought to characterize the behavior of the rays from two perspectives , one based on a particle model and the other in the wave model ; models developed by JJ Thomson and Heinrich Hertz, respectively. In this case, the classroom work with cathode ray tube allows students to propose explanations for the event, about experiences, situations and questions proposed; explanations endowed with meaning through a historical and phenomenological study of the tube. With the foregoing is intended that the corpuscular and wave models support a research work aimed to propose an alternative learning about the behavior of matter from the perspective of scientists like Hertz and Thomson, where the influence of social processes are present , academics and cultural theories in structuring and general science. It is expected to provide conceptual and experimental study on the problems of physics about the structure of matter and its relationship to macroscopic events elements Keywords: Cathode Ray, historical-critical analysis, phenomenology, corpuscle, electromagnetic wave structure of matter, science education. 7 RESUMEN ANALÍTICO DE EDUCACIÓN (RAE) Tipo de documento 1. Información General Trabajo de Grado Acceso al documento Universidad Pedagógica Nacional. Biblioteca Central Titulo del documento Caracterización de la materia: Tubo de rayos catódicos Autor(es) Rodríguez Merchán, Sandy Vanesa; Sánchez Velandia, Jessica Andrea Director Malagón Sánchez, José Francisco ; Ayala Manrique, María Mercedes Publicación Bogotá. Universidad Pedagógica Nacional. 2014, 50p. Unidad Patrocinante Universidad Pedagógica Nacional Palabras Claves Rayos catódicos, Análisis históricos- críticos, fenomenologías, 2. Descripción Los experimentos referentes a la conducción de electricidad en gases a baja presión realizados durante el siglo XIX dieron paso al tubo de rayos catódicos en un contexto en que la técnica, la tecnología y la cultura fueron cruciales en su desarrollo. El siguiente trabajo, a partir del análisis de las modificaciones realizadas en el tubo como el cambio de posición del ánodo y la densidad del gas buscó caracterizar el comportamiento de los rayos desde dos perspectivas, una basada en un modelo corpuscular y la otra en el modelo ondulatorio; modelos desarrollados por J.J Thomson y Heinrich Hertz, respectivamente. En este caso, el trabajo de aula con el tubo de rayos catódicos posibilita que los estudiantes propongan explicaciones a dicho evento, a propósito de experiencias, situaciones y preguntas problema; explicaciones dotadas de significado gracias a un estudio histórico y fenomenológico del tubo. Con lo anterior, se busca que los modelos corpuscular y ondulatorio soporten un trabajo investigativo dirigido a proponer una alternativa de enseñanza sobre el comportamiento de la materia desde la mirada de científicos como Hertz y Thomson, donde se evidencie la influencia de los procesos sociales, académicos y culturales en la estructuración de teorías y en general de las ciencias. Se espera con ello aportar elementos conceptuales y experimentales a las problemáticas de estudio en física acerca de la estructura de la materia y su relación con los sucesos macroscópicos 3. Fuentes Ayala, M. M. 2006. Los análisis histórico-críticos y la re contextualización de saberes científicos, 8 Construyendo un nuevo espacio de posibilidades. Pro-Posições, 17(1), 19-37. Ayala, M. M., Romero, A., Malagón, J., Rodríguez, O., Aguilar, Y., & Garzón, M. 2008. Los procesos de formalización y el papel de la experiencia en la construcción del conocimiento sobre los fenómenos físicos. Bogotá: Kimpres. Hertz, H. 1896. Miscellaneous Papers. MacMillan and Co, Ltda. Hertz, H. 1894. Principles of mechanics. Kind, V. 2004. Más allá de las apariencias. Editorial Santillana. Luna, E., & Moya, N. 2008. Diálogo de saberes y proyectos de investigación en la escuela. Educere: Artículos arbitrados (42), 455-460. Thomson, J.J. 1903.Conduction of electricity through gases. MacMillan and Co, Ltda. Thomson, J.J. 1907.The corpuscular theory of matter. Charles scribner´s sons. 4. Contenidos La propuesta se desarrolla en dos momentos: El primero se remite al análisis histórico-critico de las fuentes primarias “Miscellaneous papers” y “The theory corpuscular of matter” escritos por Hertz y Thomson, respectivamente. El segundo hace referencia al proceso de planeación y ejecución de la propuesta de aula basada en tales textos originales. Estos momentos se presentan al lector en los siguientes capítulos: I Capitulo: Una interpretación continua de los rayos catódicos: los estudios teóricos experimentales. Se presenta la interpretación continua del efecto luminiscente observado en los tubos de vacío desarrollada por Heinrich Hertz, quien corrobora experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas para dedicarse al estudio de los rayos catódicos. En primera medida se exponen los supuestos teóricos que emplea para defender la naturaleza ondulatoria de los rayos y posteriormente definen sus montajes experimentales. Así mismo se hace énfasis en los factores técnicos, tecnológicos y académicos que influyeron en su visión continua de la naturaleza. II Capitulo: Caracterización discontinua de los rayos catódicos: La mirada de J.J Thomson. Referente los trabajos de Thomson quien desde la visión discreta de la materia o teoría atómica logra demostrar que los rayos están constituidos de corpúsculos, partículas que poseen propiedades físicas como carga y masa. Al igual que en el caso de Hertz se presenta al lector los supuestos teóricos que defendían la interpretación discreta de los rayos y cómo la actividad experimental se diseña para visibilizar o evidenciar la relación entre las ideas y los efectos sensibles. 9 III Capitulo: Propuesta de aula: caracterización de la materia- tubo de rayos catódicos. En el capítulo de implementación se menciona el marco disciplinar y metodológico que sustentó la ruta de trabajo, la recolección de datos y el análisis de resultados. Así se exponen aspectos relevantes de la re contextualización de saberes y los análisis histórico-críticos, además de señalar las fases de elaboración de la cartilla de trabajo. 5. Metodología La propuesta se basó en la re contextualización de saberes, metodología que busca cambiar los modos actuales de enseñanza donde el análisis de escritos originales permite identificar el origen de un concepto y sus condiciones de consolidación; condiciones que hacen referencia a las motivaciones y necesidades académicas que mediaron su cimentación. De esta forma se busca rescatar la historia y construcción del conocimiento científico para comprender que los contextos y las necesidades particulares están íntimamente ligados a la actividad científica. El reconocimiento de lo anterior extiende las posibilidades del maestro para proponer y ejecutar estrategias que mejoren la comprensión de una teoría. De aquí se concibe el conocimiento formal como una evolución compleja y extensa del conocimiento común donde el estudio de fenomenologías y su formalización son herramientas esenciales para dichos tratamientos. De esta manera los análisis histórico-críticos son recursos que motivan a conocer y trabajar en las ciencias posibilitando la constitución de una idea propia de la física y sus conceptos relevantes (Ayala et al, 2008). 6. Conclusiones Las conclusiones del trabajo se presentan en categorías que se remiten a un objetivo específico de la propuesta y los ejes centrales en su desarrollo. Sobre la importancia de los análisis histórico-críticos de Hertz y Thomson en el diseño de estrategias para la enseñanza de la teoría atómica. La enseñanza de la teoría atómica suele centrarse en las representaciones del átomo y sus propiedades físicas, utilizando como principales herramientas textos escolares que trazan rutas metodológicas soportadas en el aspecto teórico (Kind, 2004). En este punto el estudio de los originales Miscellaneous Papers y Teoría atómica de la materia escritos por Thomson y Hertz ofrecen elementos de carácter experimental que pueden fortalecer el trabajo de aula al proponer campos fenomenológicos que sustenten el atomismo. Dichos elementos se remiten al análisis de los efectos visibles de los rayos y su comportamiento ante modificaciones en los tubos que pretenden evidenciar las cualidades físicas de los corpúsculos o electrones (Carga, masa y 10 volumen). Con ello, es posible basar desde la experiencia los conceptos que constituyen la teoría atómica y flexibilizarlos para el estudiante. Influencia de factores considerados externos como la técnica y tecnología en el estudio de los rayos catódicos. Las ciencias no pueden considerarse procesos independientes de las dinámicas sociales al estar influenciadas por factores como la técnica, tecnología y formación académica del investigador. Aquí, la transformación conceptual que sufre Hertz (al pasar de una mirada discreta de la materia a una continua) gracias al diseño de experiencias que situaban los fenómenos eléctricos en el medio; señalan que un científico puede ubicarse en diversas visiones para estudiar la naturaleza, estableciendo una posible relación de complementariedad entre ellas. Además, las teorías que Hertz y Thomson consolidaron sobre los rayos catódicos fueron afectadas en cierta medida por algunos dispositivos que constituían sus montajes experimentales; dispositivos como las baterías que determinaban con su resistencia la continuidad de emisión de los rayos y las bombas de vacío que influían en la intensidad de la luminiscencia (al obtener un alto vacío no se apreciaba la trayectoria de los rayos). Lo anterior es un claro ejemplo del papel que desempeña la técnica en la actividad científica. Por otro lado, antes de hacer apertura al estudio de los rayos catódicos, tales científicos estudian los trabajos ya ejecutados por colegas del momento como Wiedemann, Hittorf, Goldstein, entre otros, recogiendo elementos para elaborar sus hipótesis y situarse en el debate que giraba alrededor de la composición y organización de la materia. Señalando de esta manera que el ejercicio de las ciencias es un proceso continuo donde participan investigadores de diferentes épocas y miradas. La relación de complementariedad entre experimento y teoría. El efecto luminiscente observado en los tubos de vacío fue estudiado por Thomson desde la mirada discontinuista. El consideraba al átomo como un ente real que determinaba las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de los cuerpos constituyentes de la materia, comportándose según la ley de Coulomb. Lo preliminar definió el diseño de montajes experimentales que procuraban demostrar la existencia de corpúsculos gracias al cálculo numérico de su carga y masa. Aquí, Thomson concebía las teorías como maneras de estructurar, significar y ordenar las observaciones derivadas del entorno físico, asimilándose a políticas que definen el comportamiento de la naturaleza. En este caso, el experimento refleja como Thomson asume y estudia la luminiscencia generada por los rayos. Por otro lado, Hertz gracias al trabajo experimental con circuitos abiertos logra demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas y caracterizarlas físicamente. Lo anterior en compañía de la teoría de campos constituye la base conceptual para afirmar que la luminiscencia observada en los tubos de vacío se debe a ondas lumínicas propagadas en el interior del tubo. Además, diseña una serie de experimentos que comprueban la naturaleza ondulatoria de los rayos al exhibir su supuesta indiferencia electrostática e imposibilidad de transportar carga eléctrica, demostrando que el experimento es la concreción de la teoría. Aquí, cabe mencionar que Hertz define tres pautas esenciales en la producción de hipótesis: (1) Las 11 construcciones teóricas no deben contradecir nuestras reglas de pensamiento cimentadas en las imágenes que elaboramos de los objetos que constituyen la realidad y sus mutuas relaciones. (2) Su validez empírica y (3) la pertinencia determinada según la relación de los elementos teóricos con la esencia del objeto, relaciones de carácter no superficial pero simple (simpleza característica de sus escritos). Finalmente para Hertz los conceptos son sistemas de eventos marcados por la lógica originada de nuestra experiencia donde existe la posibilidad que las imágenes de los objetos difieran por pequeños aspectos. Sobre la implementación La propuesta de aula se desarrolló en tres fases: La primera se remite a la planeación de actividades según la re contextualización de saberes donde se estudiaron originales referentes a los rayos catódicos, esto posibilitó organizar un campo sensible para sustentar los supuestos de la teoría atómica y ondulatoria. La segunda fase se remite a la ejecución de la propuesta, para ello se diseña una cartilla que propone una serie de actividades desde tres ejes, el primer eje pretende establecer una base fenomenológica de la inducción electromagnética y corriente, conceptos necesarios para abordar las teorías propuestas por Hertz y Thomson. Aquí, la construcción de la pila de volta y la observación de los efectos inductivos iniciaron discusiones sobre la relación entre electricidad magnetismo, además fueron soporte de explicaciones referentes al funcionamiento de las baterías actuales. Finalmente, en la tercera fase se analizaron cualitativamente los resultados con el fin de no probar ni evaluar la experiencia del estudiante y sus relativas maneras de concebir la realidad. En lugar de ello, se identificó las variables que influyen en sus abordajes sobre los fenómenos eléctricos y ondulatorios, señalando así, que la escuela desempeña un rol fundamental al dirigir dichas miradas. Elaborado por: Revisado por: Sandy Vanesa Rodríguez Merchán y Jessica Andrea Sánchez Velandia José Francisco Malagón Sánchez; María Mercedes Ayala Manrique Fecha de elaboración del Resumen: 5 Mayo 2014 12 TABLA DE CONTENIDO Agradecimientos……….………………………………………………………….…….……..V Resumen……………………………………………………………………………………….VI Resumen Analítico en Educación (RAE)………………………………………………..…..VIII Introducción…………………………………………………………………………..….…….1 Objetivos Objetivo General……………………….……………………………………….…….……4 Objetivos Específicos……………………………………...……….……………….……...4 Contenido………………………………………………………….…………...…...….…..5 1. I CAPITULO: Una interpretación continúa de los rayos catódicos: Los estudios teórico experimentales de Heinrich Hertz…………………………….………………………...…..6 1.1 Los rayos catódicos y los trabajos de Hertz………………………………………..7 1.1.1 El problema de los rayos catódicos………………………………………….7 1.1.1.1 Preámbulo general al problema de la continuidad o discontinuidad de los rayos catódicos………………...………………………………….……..8 1.1.1.1.1 Naturaleza de la descarga generada por la batería Propuesta por Hertz………………………….………….……………….……9 1.1.1.1.2 Reproducción de los experimentos ejecutados por Warren de la Rue.......................................................................................12 1.1.1.2 ¿Cómo el tubo de rayos catódicos indica la trayectoria de la corriente y la luminiscencia?: Apertura al estudio de las propiedades electromagnética de los rayos …………………………………….……13 1.1.1.2.1 Otro aspecto sobre la disociación entre luminiscente descarga…………………………………………..….………17 1.2 Rayos catódicos puros: Análisis de sus propiedades electrostáticas……………..18 1.3 A modo de síntesis…………………………………...……………….………..….21 2. II CAPITULO: Caracterización discontinua de los rayos catódicos: La mirada de J.J Thomson…………………...................................................................................23 2.1 Otras fuentes de rayos catódicos……………………………………..……………23 2.2 Trabajo con los tubos de vacío…….…………...…………………………….…...24 13 2.2.1 Los rayos catódicos: Partículas cargados negativamente que se desvían ante la presencia de campos magnéticos……………………………….……....25 2.2.2 Rayos catódicos: Cuerpos con carga negativa………………………..…..25 2.2.3 Desviación de los rayos ante campos eléctricos…………………….…....26 2.2.4 Sobre las propiedades físicas de los corpúsculos…………….……………28 2.2.4.1 Relación carga/masa de los corpúsculos…………..….……..…...29 2.2.4.2 En busca del valor numérico de la carga de los corpúsculos gracias a la relación e/m……………..………………………………………31 2.3 A manera de síntesis……………………………………………………………...34 3. III CAPITULO: Propuesta de aula sobre los tubos de rayos catódicos y sus efectos visibles……………………………….……….………………………...……………….....36 3.1 Fase I: Planeación………………………………..…………………..…….………37 3.1.1 Sobre la metodología de trabajo: La re contextualización de saberes…………………………………………………...……………….38 3.2 Fase II: Ejecución de la propuesta………………..……………………………….38 3.2.1 Caracterización física de la corriente eléctrica: Trabajos de Volta y Oersted…………………………………..………………………40 3.2.2 Fenomenología asociada de los tubos de rayos catódicos…………..…….41 3.3 Fase III: Análisis de resultados……….……………………………..........……..41 3.3.1 Análisis cualitativo de los datos….……………………………..…...…...42 3.3.2 I Etapa: Síntesis de nociones previas…………………………...………….43 3.3.2.1 Sobre los trabajos de Volta…………………………………..………...43 3.3.2.2 Reproducción de los trabajos de Oersted…………………..……….…45 3.3.3 II Etapa: Trabajo con los tubos de rayos catódicos…………………..……45 3.3.3.1 Presentación de los trabajos de Hertz………………………...………..46 3.3.3.2 Sobre las prácticas experimentales de J.J Thomson…….………….…..47 3.4 A modo de síntesis…………….……………………………...…….……………48 3.5 Observaciones…………...………………………..……………………………...49 4. IV CAPITULO: Conclusiones………………………………………………….…...51 4.1 Sobre la importancia de los análisis histórico-critico de Hertz y Thomson en el diseño de estrategias para la enseñanza de la teoría atómica…...........................51 4.2 Influencia de factores considerados externos como la técnica y tecnología en el estudio de los rayos catódicos ……………………………..…………...……....51 4.3 La relación de complementariedad entre experimento teoría……...……….......52 4.4 Sobre la propuesta de trabajo……….………….…………...……………..……..53 Bibliografía…………………………………………………………………………………..…54 14 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Síntesis del proceso de planeación de la propuesta de aula………………………...37 Tabla 2. Síntesis del proceso de ejecución de la propuesta de aula…………………...……..39 Tabla 3. Síntesis del análisis de resultados de la propuesta de aula………………………….42 15 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Pila usada por Hertz en el desarrollo de sus experimentos (Hertz, 1896)……..…....10 Figura 2. Potenciómetro de Poggendorff…………………………………………………...…11 Figura 3. Estratificación en la luminiscencia de los rayos catódicos obtenida con espejos giratorios (Crookes, 1879)…………………………….……………..……...…11 Figura 4. Espejo giratorio insertado en el tubo de vacío. a) Espejo sin sincronizar. b) espejo sincronizado con la emisión de rayos catódicos y punto reflejado……..…12 Figura 5. Montaje experimental de Warren de la Rue que demuestra los efectos dinamométricos de la corriente propagada a través de los tubos de vacío………….12 Figura 6. Modificación del montaje experimental de Warren de la Rue al situar simultáneamente el galvanómetro y el dinamómetro dentro del tubo, la batería y la resistencia…………………………………………………………….......................13 Figura 7. Tubo revestido con papel aluminio para aislar del galvanómetro los efectos electrostáticos derivados de los electrodos……………………………………….....15 Figura 8. Tubo en forma de paralelepípedo empleado para identificar la trayectoria de la corriente y la luminiscencia (Hertz, 1896)………………………………………….16 Figura 9. Distribución de las líneas de corriente en distintas posiciones del ánodo (Hertz, 1896)…………………………………………………….………….…………...…..16 Figura 10. Configuración experimental destinada a la producción de rayos catódicos puros (Anderson, 1968)………………………………………………..……….………….19 Figura 11. a) Tubo diseñado para la detención y medición de la carga eléctrica transportada por el corpúsculo (Hertz, 1896) b) Montaje realizado por Perrín para demostrar que los rayos tienen carga (Anderson, 1968)………………............................................26 Figura 12. Tubo con placas metálicas que exponen a los rayos a fuerzas eléctricas (Thomson, 1907)………………………………………………………………………………...27 Figura 13. a) Representación de la dirección de desviación de los corpúsculos ante un campo magnético (Thomson, 1907) b) ante un campo eléctrico c) diagrama de Thomson para la dirección de la desviación de los rayos (Ibíd.)……………………......…...29 Figura 14. Aparato de Thomson para determinar la relación e/m (Thomson, 1907)……..…..31 16 Figura 15. Dispositivo para encontrar el valor numérico de la carga y dimensiones de los corpúsculos (Thomson, 1907)………………………………...…….……….…….32 Figura 16. Dispositivos diseñados por el grupo de trabajo. a) prototipo de paralelepípedo empleado por Hertz b) modelo funcional en el que es posible cambiar de posición el ánodo……………….……………………………………………………..…….37 Figura 17. Tubo de Hertz con distintas posiciones del ánodo…………………………….…..47 Figura 18. Tubo con lamina recubierta de material fosforescente……………………….…....48 17 INTRODUCCIÓN En la enseñanza de la teoría atómica y ondulatoria usualmente se da relevancia al estudio de entes abstractos como el átomo que requieren para su interpretación abandonar los supuestos de la experiencia común y apropiarse de nuevos conceptos. Por esta razón, los fenómenos naturales adquieren un carácter confuso para el estudiante donde las definiciones que consideraban claras, ahora constituyen un enigma para su mente. A esta problemática se suma la poca ejecución de experimentos que desempeñaron un papel fundamental en la consolidación del atomismo. En este contexto destacamos el experimento de los rayos catódicos dado que significó el cierre de importantes debates referentes a la naturaleza discreta o continúa de la materia, sugiriendo con sus efectos visibles la presencia de corpúsculos que poseen carga y masa. Esto llevó a modificar la imagen de átomo; la entidad más simple que conformaba la materia (hasta el momento) por un ente microscópico, extenso y complejo constituido de corpúsculos o electrones, convirtiéndose así, la estructura del átomo en objeto de investigación a comienzos del siglo XX. Conviene resaltar que después del descubrimiento del electrón gracias al estudio de los rayos catódicos se encontraron otras subpartículas como el protón y el neutrón que influenciaron en las imágenes modernas del átomo, imágenes consolidadas con el desarrollo de la física nuclear. En vista de lo anterior y con el fin de tener algún acercamiento a la dinámica de la actividad científica se consideró relevante estudiar la experiencia de los tubos de rayos catódicos. De esta manera se estableció una ruta metodológica que pretendió acercar la población estudiantil a las dinámicas de las ciencias y desarrollar un trabajo experimental que afecte la imagen de ciencia que suele circular en el ámbito escolar. La propuesta se basó en la re contextualización de saberes, propuesta que busca cambiar los modos actuales de enseñanza donde el análisis de escritos originales permite identificar el origen de un concepto y sus condiciones de consolidación; condiciones que hacen referencia a las motivaciones y necesidades académicas que mediaron su cimentación. El reconocimiento de lo anterior extiende las posibilidades del maestro para proponer y ejecutar estrategias que mejoren la comprensión de una teoría. De aquí se concibe el conocimiento formal como una evolución compleja y extensa del conocimiento común donde el estudio de fenomenologías y su formalización son herramientas esenciales para dichos tratamientos. 18 De esta manera los análisis histórico-críticos son recursos que motivan a conocer y trabajar en las ciencias posibilitando la constitución de una idea propia de la física y sus conceptos relevantes (Ayala et al., 2008). Esta metodología estableció dos momentos de trabajo: El primero se remitió al análisis histórico-crítico de los originales Miscellaneous Papers y The corpuscular theory of matter escritos por Heinrich Hertz y J.J Thomson respectivamente. En los originales se encuentra la descripción de los montajes experimentales que diseñaron estos científicos para caracterizar físicamente los rayos catódicos y como elaboraron sus teorías sobre el fenómeno, otorgando elementos vitales a nuestra construcción de criterio y argumentación al respecto. Aquí, es importante señalar que Thomson se sitúa en una visión discreta de la materia y Hertz en una mirada continua, posiciones contrarias para entender la naturaleza. Lo anterior constituyó el principal argumento para elegir dichos autores como referentes disciplinares, ya que evidencian las múltiples interpretaciones que pueden consolidarse alrededor de un evento físico. Además, son claros ejemplos de la influencia de factores considerados externos como la técnica, tecnología y formación académica del investigador en el progreso de las ciencias. En este marco es valioso promover un dialogo entre/con los científicos para identificar el origen de la idea de átomo, sus cualidades (carga, masa, volumen) y partículas constituyentes; fortaleciendo así, un significado propio de la teoría atómica. En este dialogo los conceptos, ideas e incluso imagen de ciencia que construimos en el transcurso de nuestra formación docente cambia, ya que pone en debate nuestros modos de observar e interpretar la naturaleza. En este aspecto la lectura de originales nos permite conocer las motivaciones, conflictos e incógnitas que influyen en el quehacer científico, aspectos que suelen omitirse en la enseñanza de las ciencias al considerarlos como variables que “desvirtúan” su labor. Por otro lado, la oportunidad de reproducir los experimentos de Hertz y Thomson sobre los rayos catódicos gracias a los tubos disponibles y el diseño de nuevos dispositivos por nuestro grupo de trabajo, nos posibilita contrastar lo que observamos con aquello que describen los científicos; finalmente situándonos en una mirada personal de los fenómenos naturales. 19 De esta manera se exponen algunos factores que orientan el presente trabajo y establecen el núcleo problema que se condensa en la siguiente pregunta: ¿Qué argumentos conceptuales de la visión discreta (Trabajos de J.J Thomson) y continua (Trabajos de Heinrich Hertz) de la materia pueden abstraerse a partir de una propuesta de enseñanza soportada en el análisis físico de los efectos visibles de los rayos catódicos? Con ello, es posible dar apertura al segundo momento de la propuesta: la planeación de la estrategia de trabajo en el aula. En este aspecto se diseña una cartilla que plantea una serie de actividades donde se integran experimentos y cuestionarios sobre los rayos catódicos, haciéndose énfasis en el análisis de los efectos visibles (luminiscencia). El objetivo de exaltar dichos efectos es mostrar la relación de complementariedad entre teoría y experimento, donde se evidencia que la observación es una actividad guiada por la forma de pensar y las concepciones del investigador. Aquí, los conceptos, dispositivos (aparatos) y arreglos experimentales se estructuran gracias a la observación de fenomenologías que involucran necesariamente las formas de organizar y pensar tales efectos, como se muestra con los trabajos realizados por Hertz y Thomson en torno a los rayos catódicos. En el desarrollo de las sesiones, los tubos de vacío con sus modificaciones experimentales permiten determinar las propiedades discretas de los rayos, iniciando con los estudiantes discusiones de corte conceptual. (Estas discusiones reúnen la socialización y debate de las ideas que sostienen los alumnos sobre el átomo y sus propiedades físicas. También, Qué pueden argumentar sobre lo que observan en los tubos y si existe una relación o alteración en su visión de la teoría atómica gracias a la ejecución de la propuesta). Las modificaciones experimentales que se mencionan en el apartado anterior se remiten a tubos de vacío construidos especialmente para demostrar la presencia de corpúsculos. Para este caso, se emplean específicamente dos tubos: El primero, alberga en su interior una lámina recubierta de material fosforescente para exaltar el efecto luminiscente de los rayos, además funciona como un sensor de desviación ante campos magnéticos y eléctricos. El segundo montaje es constituido por un tubo de vacío donde en la trayectoria de la luminiscencia se sitúa una rueda de aspas, el objetivo de introducir la rueda es señalar la cantidad de movimiento que transportan los corpúsculos. Se recalca que el análisis de los razonamientos recopilados en las sesiones se hizo desde lo epistémico, ya que permite entender el contexto cognitivo y el papel de las percepciones en la 20 construcción de saber. La sistematización de resultados fue de carácter cualitativo debido a la importancia de la experiencia que no tiene el objeto de ser medida ni probada; por el contrario se busca la generación de nuevas hipótesis, la apertura de rutas investigativas y la inclusión de los investigadores en el proceso de revisión. En este sentido la propuesta, también tiene la intencionalidad de abrir espacios para la discusión de un fenómeno determinado y no criticar las formas de acción en la escuela. OBJETIVOS Objetivo General Caracterizar la naturaleza de la materia a partir del estudio de efectos visibles de los rayos catódicos, constituyéndolo como un medio para ligar procesos de construcción de modelos y explicaciones. Objetivos Específicos - Comprender el contexto histórico y las corrientes de pensamiento subyacentes al comportamiento y naturaleza de los rayos catódicos, analizando las posturas de Heinrich Hertz y J.J Thomson. - Señalar al estudiante la influencia de factores externos como la técnica y tecnología en el desarrollo de la teoría atómica gracias a la experiencia del tubo de rayos catódicos y el análisis físico de sus efectos visibles (luminiscencia). - Implementar una propuesta investigativa que permita una re contextualización de saberes desde el análisis físico del funcionamiento del tubo de rayos catódicos. - Sistematizar los resultados del trabajo de aula a partir del análisis cualitativo de las posturas de los estudiantes sobre los efectos sensibles de los rayos catódicos. 21 CONTENIDO I Capitulo: Una interpretación desde la estructura del continuo de los rayos catódicos: los estudios teóricos y experimentales. Se presenta la interpretación continua del efecto luminiscente observado en los tubos de vacío desarrollada por Heinrich Hertz, quien corrobora experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas para dedicarse al estudio de los rayos catódicos. En primera medida se exponen los supuestos teóricos que emplea para defender la naturaleza ondulatoria de los rayos y posteriormente definen sus montajes experimentales. Así mismo se hace énfasis en los factores técnicos, tecnológicos y académicos que influyeron en su visión continua de la naturaleza. II Capitulo: Caracterización desde lo discontinuo de los rayos catódicos: La mirada de J.J Thomson. Referente los trabajos de Thomson quien desde la visión discreta de la materia o teoría atómica logra demostrar que los rayos están constituidos de corpúsculos, partículas que poseen propiedades físicas como carga y masa. Al igual que en el caso de Hertz se presenta al lector los supuestos teóricos que defendían la interpretación discreta de los rayos y cómo la actividad experimental se diseña para visibilizar o evidenciar la relación entre las ideas y los efectos sensibles. III Capitulo: Propuesta de aula: caracterización de la materia- tubo de rayos catódicos. En el capítulo de implementación se menciona el marco disciplinar y metodológico que sustentó la ruta de trabajo, la recolección de datos y el análisis de resultados. Así se exponen aspectos relevantes de la re contextualización de saberes y los análisis histórico-críticos, además de señalar las fases de elaboración de la cartilla de trabajo. IV Capitulo: Conclusiones Según las relaciones establecidas en el presente trabajo entre ciencia y sociedad, las conclusiones del trabajo se organizan en categorías (Ver capitulo IV). 22 I CAPITULO Una interpretación desde la estructura del continuo de los rayos catódicos: los estudios teóricos y experimentales de Heinrich Hertz. Las investigaciones sobre la naturaleza de la electricidad dieron paso a inesperados descubrimientos relacionados con la conducción eléctrica en gases. Donde el trabajo experimental con los tubos de vacío en el siglo XIX estableció una línea de investigación dirigida a comprender la naturaleza y comportamiento de la luminiscencia observada, conocida posteriormente como el efecto visible de los rayos catódicos. Este efecto se estudió desde diversas perspectivas de formación en física: la inglesa cimentada en los trabajos de Maxwell y Faraday y la de tradición alemana desarrollada gracias a Ampere y Weber. Cada perspectiva caracterizaba los rayos según sus referentes teóricos, referentes que daban cuenta de la organización microscópica y macroscópica de la materia. El estudio de los rayos catódicos fue abordado por científicos de la época como Heinrich Hertz y J.J Thomson, quienes organizaron sus interpretaciones sobre la luminiscencia según sus modos de afrontar y concebir la realidad. Por tal motivo tales interpretaciones estaban ligadas a los continuos cambios técnicos y tecnológicos del momento, llevándolos progresivamente a conferir a los objetos que constituían su entorno de un simbolismo y dinámica distinta. Para Hertz el espacio adquiere un papel importante en el desarrollo de los fenómenos eléctricos, al considerarlo como sede y esencia de los mismos; un espacio donde se distribuyen fuerzas que según sus configuraciones espacio - temporales constituyen la materia. Lo anterior establece el principio físico de la teoría de campos y la base del modelo ondulatorio, modelo que adopta para estudiar el efecto visible (luminiscencia) de los rayos catódicos. Entre tanto, Thomson considera relevante en el análisis de los eventos eléctricos la interacción de cuerpos cargados, oponiéndose al modelo ondulatorio mediante argumentos experimentales que apoyaban la teoría corpuscular. Este proceso de controversia garantizó la evolución de múltiples esquemas teóricos que impregnaron a la comunidad científica de la necesidad de reformar continuamente el conocimiento. 23 1.1 LOS RAYOS CATÓDICOS Y LOS TRABAJOS DE HEINRICH HERTZ Los trabajos de Hertz con los tubos de vacío se remontan al periodo comprendido entre 1880 y 1889 motivado por las investigaciones de Wiedemann1 y Hittorf2. En ese intervalo de tiempo logra caracterizar experimentalmente las ondas electromagnéticas a través de una serie de experiencias que promovieron en Hertz un proceso de transformación conceptual donde la sede de los fenómenos eléctricos no era la interacción entre cargas puntuales, sino los estados del medio en el cual se dan o efectúan. De aquí que sus interpretaciones sobre los rayos catódicos y las acciones electromagnéticas se debaten entre elementos teóricos de la electrodinámica de Helmholtz3 y la teoría de campos de Maxwell. A diferencia de otros científicos Hertz mantuvo su mente abierta a nuevas teorías y tendencias, desarrollando un trabajo autentico que consolidó la idea de campo; idea que fomentó futuras revoluciones en la física como las teorías modernas. 1.1.1 El problema de los rayos catódicos. (En el presente apartado se expone los lineamientos que direccionan el trabajo experimental que Hertz desarrolla alrededor de los rayos catódicos y su intencionalidad de mostrar su naturaleza ondulatoria) El análisis desarrollado por Hertz sobre el comportamiento y naturaleza de los rayos catódicos se fragmenta en la discusión de tres aspectos: (1) la supuesta naturaleza disruptiva de los rayos4(2) la identificación de la trayectoria de la luminiscencia y la corriente y (3) sus propiedades electrostáticas y electromagnéticas. Es importante resaltar los términos que emplea para referirse a los principales rasgos del fenómeno, menciona “descarga” señalando la corriente y “rayos catódicos” la luminiscencia. Inicialmente pensó que los rayos eran una nueva interacción electromagnética, al igual que el efecto fotoeléctrico que describe en el Electric Waves5, exhibiendo su propensión a identificar fenómenos eléctricos desconocidos. En vista de lo anterior pretende demostrar que la luminiscencia es un tipo de onda, señalando así, 1 Wiedemann Gustav. (1826-1899). Físico alemán, investigó sobre conductividad térmica y fenómenos magnéticos, propuso al igual que Hertz a los rayos catódicos como una forma poco común de onda electromagnética. 2 Hittorf Johann Wilhelm. (1824- 1914). Físico alemán que trabajó en la electroquímica. Desarrolló un tubo antecesor al de Crookes con el que observó una sombra al colocar un objeto en la trayectoria de los rayos catódicos, con lo que algunos concluirían que viajaban en línea recta. 3 La electrodinámica de Helmholtz abarca los trabajos desarrollados por Coulomb, Weber y Ampere donde la corriente se concibe como el movimiento en sentido contrario de cuerpos cargados. 4 Afirmación basada en las observaciones obtenidas mediante espejos giratorios y los voltajes intermitentes suministrados por las bobinas de inducción. 5 Hertz, Heinrich. (1857).Untersuchungen. Castellà, seleccions. Electric Waves.Trabajo adelantado por Hertz en el que caracteriza lo que llamaría posteriormente ondas hertzianas o electromagnéticas. 24 la importancia del medio en la interpretación de cualquier evento natural y defendiendo con ello la teoría de campos (su teoría referente para entender el comportamiento y constitución de la materia). De allí las prácticas relacionadas con la descarga del cátodo adquieren relevancia al ofrecer posiblemente pruebas sólidas de la relación entre rayo catódico y onda. Los aspectos mencionados se verán con detalle a lo largo del capítulo. 1.1.1.1 Preámbulo general al problema de la continuidad o discontinuidad de los rayos catódicos. (La continuidad o discontinuidad de los rayos se remite a su posible naturaleza ondulatoria o corpuscular). Antes de embarcarse en el problema de los rayos, más exactamente en la luminiscencia como su efecto visible (producida por diferencias de potencial en tubos a baja presión), Hertz estudia las interpretaciones y métodos experimentales que ejecutan en sus laboratorios colegas del momento como Wiedemann, Plücker6, Hittorf y Goldstein7. Identifica que la gran mayoría apoya la idea que los rayos aparentemente continuos (trayectoria sin interrupciones) son constituidos por descargas individuales sucesivas en intervalos de tiempo cortos, esta afirmación iba en concordancia con los resultados de las experiencias llevadas a cabo por Gassiot con ayuda de espejos giratorios8.Lo anterior fue un argumento base para pensar que la materia al igual que los rayos está conformada de partes más pequeñas, manifestando de este modo su naturaleza discreta. El problema que Hertz encuentra en esta inferencia es la relevancia atribuida a estas partes más pequeñas y su interrelación, haciendo énfasis de nuevo en los cuerpos puntuales y dejando a un lado el papel del medio9. Ciertamente reconoce que el eje de los análisis discontinuos sobre los rayos catódicos reside en la labor experimental donde esta última es una herramienta principal para la estructuración de argumentos que apoyan una determinada postura. Para la visión discreta se establecieron montajes a conveniencia donde se empleaban baterías que arrojaban a los tubos corrientes intermitentes, de modo que la luminiscencia observada era disruptiva (descarga constituida de 6 Plücker, J. (1801-1868). Físico y matemático alemán. Estudió la relación entre la radiación electromagnética y la materia, particularmente en gases. (espectroscopia de gases). 7 Goldstein, E. (1850-1930). Físico alemán. Fue el primero en identificar el protón y el electrón. 8 Gassiot John Peter. (1797- 1877). Científico Inglés. Desarrolló una serie de experiencias con los tubos de rayos catódicos condensadas en su texto: Experimental InvestigationsontheStratifiedAppearance in ElectricalDischarges.En el que describe su observación de la estratificación de la descarga en franjas al reflejarla en el plano de un espejo que vibra o rota y que sustenta su argumento de descarga intermitente. 9 El medio recobra importancia para Hertz al considerarlo como el responsable de las propiedades físicas, conformación y cambios de la materia. 25 pulsos sucesivos). Ante estos resultados Hertz pretende responder desde su cosmovisión continua con observaciones que sostienen la semejanza de los rayos con las ondas electromagnéticas, centrando esta relación en la continuidad de emisión de los rayos, el comportamiento magnético y electrostático de la luminiscencia. 1.1.1.1.1 Naturaleza de la descarga generada por la batería propuesta por Heinrich Hertz. Como se mencionó, para Hertz los aspectos que definen el comportamiento y naturaleza de los rayos catódicos son su supuesta discontinuidad y lograr experimentalmente la producción de descargas continuas. Al rectificarse estos aspectos se reforzaría la visión de las ondas propagadas de forma continua y no la de una corriente de partículas10.Para ello Hertz construyó una batería constituida por 1000 pilas secundarias organizadas en paralelo para el proceso de carga, alcanzando de este modo diferencias de potencial capaces de generar el efecto luminiscente (Figura 1).El objetivo de construir una nueva batería reside en la posibilidad de manipular el valor de la resistencia ya que las únicas fuentes que producían iluminación eran las bobinas de inducción y los carretes de Ruhmkorff, baterías que debían su alta resistencia a la presencia de material conductor o alambrado11 10 Para los discontinuistas la descomposición de una descarga aparentemente continua en descargas parciales indicaba que la emisión de los rayos catódicos era disruptiva, donde cada descarga representaba un grupo de corpúsculos liberados al gas a baja presión. 11 El carrete de Ruhmkorff está conformado por dos bobinas: una bobina primaria situada alrededor de un núcleo de hierro y constituida por pocas espiras de alambre de cobre grueso. Este embobinado presenta una interrupción en el alambrado en donde se ubica un martillo y una puntilla metálica, cuando se conecta una batería se genera corriente que produce alrededor un campo magnético y que finalmente atrae la puntilla al núcleo de hierro, esto suspende la corriente y con ella la acción atractiva. De modo que la puntilla reposa de nuevo en el alambre y otra vez circula corriente por el conductor. Este ciclo garantiza la acción inductiva de la bobina primaria sobre la secundaria, constituida de gran cantidad de espiras de alambre delgado para que se generen voltajes considerables y con dos conexiones metálicas receptoras a circuitos externos (Figura A). Figura A. Montaje experimental de oscilaciones rápidas en conductores. a. Fuente de Descargas. b. Núcleo de hierro c. Bobina primaria. d. Dispositivo oscilante en la bobina primaria. e. Bobina secundaria. f. Descargador. g. Conexión metálica. h. Micrómetro de Riess. 26 Además, el funcionamiento de las mismas generaba un comportamiento intermitente en la descarga por su mecanismo oscilante, donde el martillete situado en la bobina primaria cambia de posición constantemente. Lo anterior lleva Hertz a pensar que una batería química lograría emitir rayos continuos y aludir el problema de la discontinuidad a la configuración de las máquinas (factores técnicos), aspectos ajenos a la naturaleza misma del fenómeno observado en los tubos. Pilas en paralelo Figura 1. Pila usada por Hertz para el desarrollo de sus experimentos (Hertz, 1896). Esta batería basada en el principio de Poggendorff12 separaba de la fuente de electricidad los efectos observados en los tubos de vacío, configurando con ello argumentos en contra de la teoría corpuscular (Figura 2). Posteriormente utilizó la batería en los tubos de Geissler para corroborar parte de sus hipótesis; tubos altamente empleados en la época. Para estudiar el efecto a mayor profundidad fue necesario refinar la técnica durante mucho tiempo para producir vacío, pues las bombas utilizadas para tal fin consistían en sistemas de empaquetaduras que en algún punto permitían fugas. Sería en 1855 que Geissler diseñaría una bomba que funcionaba usando como émbolo una columna de mercurio, con ella era posible obtener presiones menores que implicaban bastante trabajo físico pero le permitieron diseñar una amplia gama de experiencias y observaciones. Con esta mejora a la técnica, en los años siguientes se realizaron diversas modificaciones al tubo que arrojaron como resultado la definición de algunas características observables de los rayos: como su movimiento en líneas rectas, la fluorescencia que producen en el vidrio que los contiene, su emisión perpendicular a la superficie del cátodo y su independencia del material que compone los electrodos. 12 Principio de Poggendorff: Método de oposición para la medida indirecta de fuerzas electromotrices. Método de medida de la FEM de una pila de resistencia interna elevada y fácilmente polarizable debido a estas condiciones la FEM no podía medirse con un voltímetro ya que al consumir corriente no garantizaba que por la pila no circulara ninguna. Para lo que el método de oposición o de compensación, es bastante acertado donde se opone a la FEM otra igual que la equilibra y cuyo valor es conocido. 27 Galvanómetro Corriente Figura 2. Potenciómetro de Poggendorff: Si se disponen dos fuentes de fuerza electromotriz de la misma magnitud en sentido opuesto y en serie con el galvanómetro, la aguja de este no se moverá porque no fluirá corriente: una fuerza electromotriz anula la otra. Si una de las fuerzas tiene un valor conocido, se puede deducir inmediatamente el valor de la otra. Por otro lado, considera que las apreciaciones realizadas por Gassiot con ayuda de un espejo giratorio que rotaba rápidamente para la observación estroboscópica de lo que podía tratarse de un movimiento giratorio, oscilante o pulsante, respondía a la necesidad de encontrar afinidad con una visión discreta de los hechos (Figura 3)13. Aquí se situaba el reflector en el interior del tubo justamente cerca del ánodo y se calculaba el tiempo entre descargas para sincronizar los rayos y el espejo. De esta manera se congelaba el efecto en milésimas de segundos observándose un punto luminoso de corta duración en la superficie reflectora. Ahora, si por el contrario el espejo y la luminiscencia no estaban sincronizados el punto se hacía visible en algunos casos, se concluyó de esta observación que la descarga no era continua (Figura 4 (a) y (b)). Hertz al reproducir los trabajos de Gassiot observa los mismos efectos pero afirma que la continuidad o discontinuidad de la descarga depende de la resistencia de la batería, motivándolo a explorar métodos experimentales más convincentes que aportaran elementos confiables sobre la estabilidad de la luminiscencia. Dirigiéndose ahora, a la teoría de inducción donde las corrientes variables en conductores pueden ser análogas a las corrientes propagadas a través de los tubos de vacío. Figura 3. Estratificación en la luminiscencia de los rayos catódicos obtenida con espejos giratorios (Crookes, 1879). 13 Hertz menciona que en ciertas prácticas los rayos exhibían una supuesta discontinuidad gracias a la manipulación de parámetros externos como la presión de los gases o el manejo de las baterías, parámetros que influían en el proceso de emisión mas no daban cuenta del fenómeno mismo. 28 Espejo sincronizado Figura 4a y 4b. Espejo giratorio insertado en el tubo de vacío. a. Espejo sin sincronizar. b. Espejo sincronizado con la emisión de rayos catódicos y punto reflejado. En el texto Hertz se pregunta “¿Se puede establecer una descarga que es sin duda derivada del cátodo sin que presente señales de interrupción ni con los métodos más sensibles?” Claramente pretende demostrar la existencia de una descarga continua, para ello reproduce los trabajos de Warren de la Rue (quien había trabajado en esta línea) y los modifica posteriormente. Además, se constituye la primera fase del estudio de las propiedades electromagnéticas de los rayos; de allí la importancia de mencionar ciertos aspectos experimentales e inferencias sobre lo observado. 1.1.1.1.2. Reproducción de los experimentos ejecutados por Warren De la Rue De la Rue14 procura indicar la naturaleza disruptiva de la descarga valiéndose al igual que Hertz del principio de inducción. Para empezar conecta en serie varias bobinas inductoras y les suministra la corriente que se propaga a través del tubo, si la corriente es variable debe generarse un campo magnético notable (Figura 5). Dinamómetro Bobinas de inducción Figura 5. Montaje experimental de Warren de la Rue que demuestra los efectos dinamométricos de la corriente propagada a través de los tubos de vacío. Los efectos encontrados por Hertz fueron contrarios a los de La Rue, sus observaciones lo condujeron siempre a un comportamiento continuo de la luminiscencia. Como primer aspecto estudia los alcances dinamométricos de las corrientes que se propagan en cada bobina15, 14 De la Rue Warren. (1815-1889). Químico y astrónomo británico, trabajó en fotografía astronómica, la construcción de un foto heliógrafo entre otros dispositivos. 15 Los alcances dinamométricos hacen mención a los efectos observables de fuerzas eléctricas y magnéticas en el dinamómetro. 29 alcances que aumentan con la alternancia de la corriente inductora principal. Para ello, la corriente de la batería no sólo pasaba a través del gas contenido en el interior del tubo, sino por varias pequeñas bobinas de inducción16, cerrando la bobina libre con un dinamómetro o galvanómetro que le permitiera detectar una corriente de inducción producto de la intermitencia. Si estas interrupciones eran múltiples el efecto inductivo debía exhibirse en los dispositivos de medida, pero no se apreció deformaciones notables. Como segunda fase de estos experimentos, además del tubo y los aparatos mencionados Hertz introduce una resistencia y toma una nueva lectura, obteniendo una deflexión en la aguja del dinamómetro, rectificando así el papel de la resistencia en las baterías. (Figura 6). Dinamómetro Resistencia Figura 6. Modificación del montaje experimental de la Rue al situar simultáneamente el galvanómetro y el dinamómetro dentro del tubo, la batería y la resistencia. Hertz se basa en los trabajos de Oersted para estudiarlos resultados experimentales, identificando la presencia de una corriente a partir de la intensidad y dirección del campo magnético acompañante. En los experimenta de Oersted el “conflicto eléctrico” o corriente propagada a través de un conductor tiene la capacidad de modificar el medio y generar efectos a distancia. De manera que reconoce la importancia del espacio físico en los fenómenos eléctricos contribuyendo así, en la consolidación de la idea de campo. Hertz más allá de emplear los trabajos de Oersted como un método de análisis de resultados, se identifica con su visión y distingue su papel en el desarrollo de las teorías continuistas. 1.1.1.2. ¿Cómo el tubo de rayos catódicos indica la trayectoria de la corriente y la luminiscencia?: Apertura al estudio de las propiedades electromagnéticas de los rayos. Hertz antes de ejecutar sus experimentos relacionados con los rayos catódicos, analiza estos últimos gracias a trabajos preliminares. De allí destaca ciertas características principales como su propagación en líneas rectas y perpendiculares al cátodo, su visibilidad en el tubo 16 Recordando que las bobinas de inducción están constituidas de dos cilindros de alambre. 30 dependiendo de la densidad del gas y su desviación curvilínea ante la presencia de un imán. Además se refiere de modo puntual a la explicación que hasta el momento se había elaborado del fenómeno, donde los rayos manifiestan la trayectoria de la corriente y la luminiscencia es resultado de la interacción de las partículas del gas con la corriente. Esta afirmación entra en contradicción con la visión que Hertz sostiene de los rayos en dos aspectos: primero, se refiere a ellos como un efecto secundario dependiente de la interacción de otros entes físicos específicamente el gas y la descarga, posicionando a esta última como el fenómeno central de las observaciones relacionadas con los tubos de vacío. Además, el modelo de partículas constituyentes del gas no se adapta con su mirada continua de la naturaleza que sitúa sus movimientos y transformaciones en las dinámicas del entorno. Como segundo aspecto se presenta la equivalencia entre corriente y rayos, situación que Hertz resuelve al mostrar que dichos entes no siguen necesariamente la misma trayectoria. De allí concluye que es necesario estudiar a mayor profundidad la relación entre los rayos catódicos y el real proceso de descarga, percibiéndose claramente que concibe la luminiscencia como un suceso independiente de la corriente. Lo anterior define la estructura de sus montajes experimentales dirigidos a demostrar esta desconexión y la similitud del efecto con el comportamiento de las ondas. Además, de encontrar un método que le permitiera saber si la corriente viajaba a lo largo de los rayos antes de llegar al ánodo, (lo que implicaría utilizar un medio que permitiera observar la trayectoria), ó identificar qué camino tomarían en un espacio de múltiples opciones. Al Intentar responder lo anterior emplea un espacio que contiene cierto gas (tubo de vacío) y es atravesado por una descarga eléctrica donde es posible determinar si la corriente es desviada gracias a un imán colocado en su vecindad. Esta situación pretende contradecir la hipótesis que sostiene que los rayos, más exactamente la luminiscencia sigue el camino de la corriente. Por lo tanto, decide demostrar con el diseño de algunos montajes y dispositivos que tal efecto no ocurre. Inicialmente se preocupa por identificar las propiedades electromagnéticas de los rayos, posibilitando la visualización de sus efectos inductivos al evitar la manifestación magnética de la corriente en un galvanómetro. Para ello construye un tubo con el cátodo atravesado en la parte central por un capilar (es decir por un estrecho tubo de vidrio) y un alambre que se extiende hasta el ánodo, el objetivo es otorgarle 31 a la corriente una dirección concreta y lograr que las curvas magnéticas se cierren, disminuyendo su campo de acción y capacidad de generar efectos externos. Después de omitir las acciones electromagnéticas producidas por el alambre, evade las electrostáticas (inducción entre la aguja imantada y los cátodos) forrando el tubo con papel aluminio y conectándolo a tierra (Figura 7). Papel aluminio Galvanómetro Figura 7.Tubo revestido con papel aluminio para aislar del galvanómetro los efectos electrostáticos derivados de los electrodos y fuerzas externas. Cuando acerca el galvanómetro paralela, tangencial y radialmente al tubo sin papel aluminio, las desviaciones en el galvanómetro eran visibles debido a la inducción eléctrica de los electrodos, pero cuando el papel rodeaba el tubo y estaba conectado a tierra todo efecto generado por el cátodo y ánodo era anulado. Por tal motivo no se apreciaba desviación alguna en el galvanómetro. Los resultados mencionados respaldaban la disociación entre los rasgos observados en el tubo (rayos – corriente), ya que si estaban íntimamente ligados como se afirmaba, la luminiscencia debía estar en capacidad de generar acciones inductivas. Este aspecto es influyente para no relacionar los rayos catódicos con el movimiento de partículas o corrientes conductoras, asimilándose aún más con la naturaleza ondulatoria. El siguiente punto que Hertz aborda está relacionado con la trayectoria de la corriente y los rayos. Aquí, ambos efectos deben presentar caminos diferentes. Para este caso pretende identificar la corriente por su campo magnético acompañante (gracias a la desviación de agujas imantadas) y los rayos por la luminiscencia que generan. El tubo empleado para estas observaciones no era cilíndrico, al contrario se asemejaba a un paralelepípedo con 12 cm en los lados y 1 cm de espesor, esta configuración geométrica permitía la ubicación de varios ánodos en posiciones distintas; por ende los caminos abiertos a la corriente eran múltiples (Figura 8). 32 Espacio para cambiar de posición el ánodo Figura 8. Tubo en forma de paralelepípedo empleado para identificar la trayectoria de la corriente y la luminiscencia. La configuración permite cambiar de posición el ánodo (Hertz, 1896). Con la posibilidad de cambiar de lugar los ánodos, Hertz establece dos aspectos relevantes: En el primero se concibe la corriente propagada dentro del tubo análoga a la corriente que circula por un alambre (esta tiene una trayectoria definida). Dos, bajo estas condiciones es posible separar los caminos de la luminiscencia y la corriente. Para la representación gráfica, Hertz emplea las líneas de fuerza magnética (visibles en el galvanómetro) para situar las líneas de corriente al considerarlas paralelas y sobrepuestas entre sí. Esta relación entre líneas se debe a los trabajos de Oersted ya conocidos por Hertz. Así, el camino de la corriente se podía seguir con su campo magnético circundante, donde la intensidad de este último se medía observando la amplitud de las oscilaciones de la aguja en varios puntos de la escala numérica del galvanómetro. Por otro lado sigue la trayectoria de los rayos gracias a su efecto luminiscente, una luminosidad de color azulado que al acercarse al ánodo adquiere una tonalidad purpura. Según la equivalencia entre el camino de la corriente y la fuerza magnética, se obtienen tres gráficos que se diferencian por el valor de la presión y la intensidad del efecto luminiscente (Figura 9). Luminiscencia Cátodo Líneas de corriente Figura 9. Distribución de las líneas de corriente en distintas posiciones del cátodo y representación del camino de la corriente. Tomado del artículo “Descarga del cátodo del compendio Miscellaneous Papers” escrito por Heinrich Hertz. 33 Las representaciones muestran cierta simetría gracias a la incertidumbre de las medidas, recordando que la posición de los segmentos se obtuvo indirectamente. Aunque Hertz no especifica el método numérico para encontrar el margen de error de cada línea, muchas fueron dibujadas de manera que la incertidumbre entre curvas fuera la misma. Además, supone que los puntos finales de las líneas de corriente terminan en los electrodos, fijando una simetría en los gráficos que no corresponde al comportamiento real de los tubos. Finalmente de los experimentos concluye que: “Las figuras muestran sin ninguna duda que la dirección de los catódicos no coinciden con la dirección de la corriente representadas por las líneas equipotenciales de las figuras. En algunos lugares las líneas de corriente son casi perpendiculares a la dirección de los rayos catódicos. Algunos lugares del tubo se encienden por aquello que es emitido del cátodo, pero la corriente es muy pequeña. Aquí la corriente se comporta en el tubo como un viaje de corriente por un alambre conductor” (Hertz, 1896, p.245) Llega a esta deducción según las observaciones que obtiene con el galvanómetro y su habilidad de representación gráfica. Es evidente como el análisis de la información obtenida por la experiencia contribuye en la consolidación de una teoría. Hertz piensa en modificar el tubo según los supuestos y la visión que tiene sobre la naturaleza de los rayos, asumiendo estos últimos como ondas electromagnéticas. Al separar el camino de la luminiscencia con el de la corriente, logra independizar los rayos catódicos de los movimientos eléctricos en alambres. Experimentalmente ratifica lo anterior al situar el galvanómetro en distintos puntos del camino luminiscente donde la corriente era casi nula, constituyendo el principal argumento para defender su naturaleza continua u ondulatoria. Antes de los trabajos de Thomson que resuelven desde la existencia de las partículas el efecto casi nulo de la corriente, el experimento de la doble rendija había devuelto a la luz su carácter ondulatorio, situando las teorías corpusculares como alternativas. 1.1.1.2.1 Otro aspecto sobre la disociación entre luminiscencia y descarga A estos resultados se suma otro aspecto desarrollado por Hertz: la velocidad de reacción de los rayos catódicos ante los campos magnéticos. Cuando se ubica un imán cerca de una corriente que circula por un alambre, esta reacciona ante el campo en un tiempo finito. En comparación, 34 los rayos son afectados inmediatamente yendo en contra de la suposición que la acción electromagnética se hace evidente en descargas gaseosas a cierta velocidad e intervalos de tiempo. Hertz concluye que el efecto magnético no actúa directamente en la corriente sino en el medio, donde los rayos se propagan de manera distinta en un espacio magnetizado y sin magnetizar17. De modo que la analogía planteada por Hertz con un alambre no tiene cabida, comparándose ahora con la rotación del plano de polarización de la luz. Este plano muestra como su alteración es proporcional a la intensidad del campo magnético presente, concluyendo que la luz y el magnetismo tienen relación. En la parte inicial del capítulo se menciona que Hertz para defender la visión continua de los rayos catódicos estudia sus propiedades electromagnéticas y electrostáticas. En el siguiente apartado se discute dichas características eléctricas gracias a un análisis exhaustivo de sus montajes experimentales e hipótesis. 1.2 RAYOS CATÓDICOS PUROS: ANÁLISIS DE SUS PROPIEDADES ELECTROSTÁTICAS Después de demostrar que los rayos se desvían debido a la polarización del medio, Hertz se dirige a identificar sus propiedades electrostáticas, para ello se remite a dos preguntas ¿Los rayos poseen carga? ¿Son sensibles a campos eléctricos? Los interrogantes procuran arremeter la teoría corpuscular en ciertos aspectos: Si son partículas cargadas deben exhibir su carga en el electrómetro o en otro instrumento de medida y segundo deben desviarse ante campos eléctricos, similar a la reacción de las cargas puntuales. Antes de responder a las cuestiones preliminares pretende producir “rayos catódicos puros”, idea que surge de la independencia de la trayectoria de la corriente con el camino de la luminiscencia. Según lo anterior construye un tubo constituido de tres partes: la primera, una región que ocupa el cátodo, el ánodo y una malla metálica, el objetivo de esta última es retener la corriente y permitir el paso de los rayos. En la segunda sección está el área restante del tubo, libre de electrodos y de cuerpos conductores. En él se extiende un alambre de gaza que indica a partir de su sombra las posibles desviaciones de la luminiscencia ante campos eléctricos. Finalmente se tiene un casco metálico 17 Al estar el medio magnetizado o en términos actuales polarizado la trayectoria de la luminiscencia cambia. 35 que abarca todo el sistema y está conectado a tierra, garantizando que las acciones electrostáticas externas no afecten el montaje experimental (Figura 10). Cátodo Ánodo Rejilla Cilindro aislado de la cubierta Cátodo Electrómetro Figura 10. Configuración experimental destinada a la producción de rayos catódicos puros (Anderson, 1968). Con la obtención de “rayos catódicos puros” y con la intención de corroborar si poseen carga, introduce la primera sección o cátodo en un cuadrante metálico conectado a un electrómetro, aquí observa pequeñas desviaciones. Luego, reemplaza el tubo por una varilla metálica conectada a una diferencia de potencial, en este caso aprecia deformaciones de dos a tres mil unidades de escala. El objetivo de intercambiar el tubo por el alambre18 es establecer un referente de medida en el electrómetro que permita estimar los efectos de la luminiscencia en el instrumento (ya que si los rayos están constituidos de partículas en movimiento similares a la corriente, los resultados deben ser análogos, concluyendo así que las desviaciones se deben al cátodo). Sobre el comportamiento del sistema identifica desviaciones en el electrómetro generadas por la segunda sección o región donde se propagan los “rayos puros”, indicando la presencia de carga negativa. Hertz atribuye a estos resultados la filtración de electricidad a través del alambre de gaza, concibiéndolo como una complicación en el experimento y desechando la posibilidad de que la luminiscencia por si misma transportara carga. Lo anterior señala que las interpretaciones alrededor de un hecho experimental son múltiples y dependientes de los esquemas de organización de la naturaleza que haya elaborado cada investigador. Por otra parte, surgieron argumentos a favor del modelo ondulatorio del que Hertz era partidario; uno se refería a la posibilidad de los rayos para atravesar sólidos como sucedía con 18 Para Hertz una varilla metálica y un alambre conductor son análogos. 36 las ondas de luz. Para estudiar el aspecto anterior utilizó una lámina de vidrio con algunos compuestos de Uranio para detectar los rayos (ya que emitían una fluorescencia muy fuerte). También recubrió una parte de la lámina con una capa delgada de hojas de oro y mica. Al poner la lámina dentro del tubo de rayos catódicos con la cubierta de oro frente al cátodo, observó que el vidrio emitía fluorescencia a pesar de la presencia de la placa; lo que significó que atravesaban la lámina de oro. Esperando que este resultado fuera inútil19, dedujo que los rayos no regresarían por los supuestos orificios donde habían pasado, rectificó lo anterior con otro tipo de aleaciones como platino, cobre, aluminio, zinc, estaño y oro observando resultados similares. Para ese entonces se desconocían las dimensiones de los átomos pero se estimaba que eran las divisiones más pequeñas de la materia. A pesar de lo anterior dichas partículas no tenían la posibilidad de penetrar las láminas, disminuyendo la probabilidad de constituir los rayos. Ahora, orienta su experiencia a resolver la segunda cuestión: ¿Los rayos son afectados por campos eléctricos? Estima para este interrogante resultados negativos. Para ello emplea el montaje del caso anterior y utiliza como detector de desviaciones la sombra del alambre de gaza en la pantalla fosforescente. Inicialmente prueba el mecanismo de medida con un campo magnético y al observar las respectivas deformaciones (cambios de posición de la luminosidad debida a la presencia de un imán) deduce que el sistema está preparado para exponerse a campos eléctricos. Lo anterior lleva a introducir el tubo en un par de placas paralelas conectadas a una batería constituida por un conjunto de pilas Daniell, aquí la sombra no experimentó cambios en su posición por ende dedujo que el campo eléctrico no tenía efecto en los rayos. Ante los resultados negativos de la configuración anterior situó dentro del tubo las placas metálicas, descartando así la posibilidad que fuerzas electrostáticas internas equilibraran las fuerzas externas. En efecto, gracias al elevado potencial los rayos derivados del cátodo se convirtieron en una descarga de arco20, impidiendo el estudio del comportamiento de la luminiscencia desde esta disposición. Para evitar este efecto Hertz introdujo una resistencia en 19 Aquí, hace referencia a los argumentos sustentados en las observaciones de los rayos y su posibilidad de atravesar superficies metálicas. 20 Descarga luminosa similar a una chispa que se produce entre dos electrodos separados por los cuales circula una corriente intensa. 37 la conexión placas- batería disminuyendo la intensidad del campo eléctrico a tal punto que no observó una modificación notable en la sombra. De las experiencias preliminares concluye que los rayos catódicos no poseen propiedades electrostáticas o son muy débiles, lo que implica que no pueden estar constituidos de cuerpos puntuales con carga negativa, asemejándose aún más al fenómeno de la luz. 1.3 A MODO DE SÍNTESIS Hertz para defender su visión continua de los hechos y relacionar los rayos catódicos con las ondas electromagnéticas establece cuatro pilares de estudio experimental: El primero se refiere a la discontinuidad de la descarga, en este aspecto afirma que existe la posibilidad de obtener una descarga continua empleando una batería con una resistencia casi nula, transfiriendo el problema de la discontinuidad de la luminiscencia a factores técnicos. Por otro lado señala la independencia de los rayos catódicos con la corriente propagada a través del tubo de vacío, arremetiendo la afirmación que atribuye a la luminiscencia una composición corpuscular. En el punto anterior se menciona la independencia entre descarga y rayo, experimentalmente Hertz demuestra esta disociación utilizando un galvanómetro de Thomson que exhibe la presencia de una corriente gracias a su campo magnético acompañante. De este modo logra situar las líneas de corriente en el tubo y define la trayectoria de los rayos gracias a la luminiscencia, apreciando que en sitios de resplandor la corriente es casi nula. Por consiguiente afirma que los rayos no exhiben el camino de la descarga y su naturaleza difiere de esta última. Para demostrar las propiedades electromagnéticas de los rayos anula los efectos inductivos de la corriente al forrar el tubo con papel aluminio. Al observar que en el galvanómetro no se observa ninguna desviación en diversas posiciones, concluye que los rayos no tienen la capacidad de generar campos magnéticos similares a los de la descarga, asimilándose aún más con el comportamiento de las ondas. Para explicar la desviación de los rayos ante la presencia de un imán se vale de los planos de polarización de la luz. Los discontinuistas afirmaban que los rayos estaban constituidos de partículas cargadas y en movimiento. Hertz responde a esta idea demostrando experimentalmente que los 38 rayos no poseen carga ni responden a campos eléctricos. Para ello utiliza como instrumento detector de electricidad un electrómetro y para identificar las desviaciones de la luminiscencia ante campos eléctricos el cambio de posición de la sombra de un alambre conductor sostenido desde el cátodo. Al observar que los rayos no producen efectos notables en el electrómetro ni en la sombra, concluye que los rayos no poseen propiedades electrostáticas. Lo anterior permite mostrar como Hertz desde su cosmovisión logra construir una comprensión del fenómeno y para ello adquiere una habilidad experimental que sirve de sustento a sus hipótesis. Esto evidencia que no existe una sola forma de ver y entender el mundo donde siempre cabe la posibilidad de estar equivocados. En el capítulo que sigue se mostrará el trabajo de Thomson con la intención de poner en diálogo dos formas de pensamiento divergentes que permitieron la construcción de modelos y teorías. 39 II CAPITULO Caracterización desde lo discontinuo de los rayos catódicos: La mirada de J.J Thomson “La teoría no es lo último, su objetivo es físico y no metafísico” (Thomson, 1907, p.1) El efecto luminiscente observado en los tubos de vacío fue estudiado por J.J Thomson desde la mirada discontinuista, al dudar del modelo ondulatorio por la curvatura que los rayos catódicos exhibían ante la presencia de campos magnéticos. Thomson quien ya conocía los trabajos adelantados por Hertz y Lenard propone una nueva forma de entender los efectos visibles: el modelo de la partícula cargada, considerando al átomo como un ente real que determinaba las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de los cuerpos constituyentes de la materia. En ese entonces el término “átomo” constaba de dos significados: uno, relacionado con la organización microscópica de cargas eléctricas que experimentaban entre ellas fuerzas de atracción y repulsión; el otro se remitía al movimiento en espiral de fuerzas (se remite a los vórtices del éter)21. Esta última definición es cobijada por la teoría de campos donde la diferencia entre cuerpos no reside en la organización de sus partes más pequeñas, sino por la distribución de fuerzas vitales. Thomson ante dos significados de “átomo” y visiones contrarias de la naturaleza se vale de la experiencia para direccionar sus investigaciones y adoptar una postura referente a la constitución de los cuerpos físicos. Allí el trabajo con los tubos de vacío fue primordial para el sustento de su visión atomista, además de ofrecer elementos teóricos que cimentaron las teorías nucleares. 2.1 OTRAS FUENTES DE RAYOS CATÓDICOS Antes de dirigirse al estudio de los corpúsculos encontrados por los atomistas en los tubos de vacío es relevante mencionar que Thomson y sus contemporáneos identificaron otras fuentes capaces de producir rayos catódicos, fuentes naturales que no requerían tecnología ni condiciones físicas especiales para generarlos. Entre ellas se encuentran los metales que al calentarse hasta el rojo o exponerse a la luz liberaban grandes cantidades de partículas, partículas detectadas por materiales sensibles como el rubidio, la aleación de sodio y la 21 Vórtices del éter: Espirales donde la disociación y asociación de los átomos serian combinaciones de los vértices del éter. 40 aleación de potasio. Se consideraba que eran rayos catódicos lo que emitían dichas fuentes ya que exhibían un comportamiento similar al de la luminiscencia ante campos magnéticos y eléctricos. En el caso de los metales se demostró su capacidad de emitir rayos gracias al efecto fotoeléctrico. Por otro lado, se encuentran las sustancias radioactivas como el uranio y el radio que al calentarse emiten corpúsculos, independientemente de la fuente los corpúsculos conservan su relación e/m. Thomson afirma: “El corpúsculo aparece para formar una parte de todo tipo de materia, materia bajo las más diversas condiciones, parece natural, por lo tanto, considerarlo como uno de los ladrillos que la edifican” (Thomson, 1907, p.4) 2.2 TRABAJO CON LOS TUBOS DE VACÍO El trabajo desarrollado por Thomson con los tubos de vacío se basó en caracterizar físicamente los corpúsculos22, posteriormente considerados partes del átomo por su tamaño (conocidos actualmente como electrones). Para el desarrollo de sus experimentos identificó que observaciones preliminares23 permitieron otorgarle a los rayos catódicos una naturaleza discreta, encaminándose a la detención de sus rasgos característicos como masa, carga y volumen (tamaño). Aquí estudia la teoría de campos, visión contraria a la teoría atomista que ofrecía una explicación de la luminiscencia observada en los tubos desde las modificaciones del medio y organización del mismo. El estudio lo desarrolla con el fin de comprender los argumentos a favor del carácter ondulatorio de los rayos y posteriormente para establecer argumentos en contra de la mirada continua. El primer argumento que Thomson aborda es la desviación de los rayos ante campos magnéticos donde la visión ondulatoria explica el cambio de trayectoria de la luminiscencia desde la polarización del medio. Para ofrecer una explicación desde su postura discreta condiciona prácticas experimentales que finalmente arrojaban resultados convenientes para la teoría atómica. Tales analogías y experimentos se describen a continuación: 22 “Con el modelo de partículas cargadas Thomson afirmó tener en los rayos catódicos materia en un nuevo estado; un estado en que la subdivisión de la materia se lleva mucho más allá que en el estado gaseoso ordinario; un estado en el cual toda la materia, es decir la materia de diferentes fuentes, tales como el hidrogeno, el oxígeno, etc., es de la misma clase, esta materia es la sustancia de la que están hechos todos los elementos químicos”. J.J Thomson 23 Como la caracterización eléctrica del aire mediante las experiencias adelantas por Coulomb, y la presión del gas como variable en los efectos sensibles obtenidos en las descargas eléctricas en gases encontrado por Matteucci. 41 2.2.1 Los rayos catódicos: Partículas cargadas negativamente que se desvían ante la presencia de campos magnéticos. Según Thomson los rayos catódicos al igual que los cuerpos puntuales con carga negativa se desvían ante la presencia de imanes donde la posición del campo magnético define la trayectoria de la luminiscencia estableciendo uno de los principales argumentos para afirmar que los rayos estaban constituidos de corpúsculos. Allí si la trayectoria del haz es horizontal y se ubica el imán de manera que el campo magnético actúe perpendicularmente, la desviación será vertical hacia arriba o abajo dependiendo de la polaridad, si el campo es paralelo a la trayectoria de la luminiscencia esta no sufrirá desviación alguna. En tal afirmación el estado del medio no es relevante, más bien la relación entre partícula e imán es inmediata y a distancia, acomodándose a los supuestos de la ley de Coulomb. 2.2.2 Rayos catódicos: Cuerpos con carga negativa. Al demostrar que los rayos se comportan como cuerpos puntuales pretende ahora corroborar por medios más directos la carga negativa de los corpúsculos. Para ello reproduce los experimentos de Jean Perrín quien emplea una caja metálica en donde inciden los rayos y gracias a un electrómetro muestran su carga negativa. El montaje empleado por Thomson consta de tres áreas: En la primera se sitúan los electrodos donde el ánodo se compone de dos placas metálicas de modo que funciona como un filtro. La segunda área es una bombona libre de obstáculos en donde se observa el efecto luminiscente de los rayos y finalmente la tercera sección es una caja metálica conectada a un electroscopio donde tienen la posibilidad de incidir gracias a la desviación generada por un imán cercano (Figura 11a y 11b). El movimiento de las hojas de oro del electroscopio dan cuenta de la presencia de carga en los rayos, el signo de la carga se define gracias a la repulsión o atracción de tales hojas ante un imán, confirmando la carga negativa de los corpúsculos. 42 Cátodo Caja metálica conectada al electroscopio Al electrómetro Luminiscencia Ánodo constituido de dos placas metálicas Figura 11. A) Tubo diseñado para la detección y medición de la carga eléctrica transportada por el corpúsculo (Thomson, 1907). B) montaje realizado por Perrín para mostrar que los rayos catódicos tienen carga negativa. C es el cátodo, B el ánodo sostenido por una barra aisladora D; F es el colector en el interior del ánodo sin campo (Anderson, 1968). Thomson (1907) de esta manera relaciona los efectos lumínicos y eléctricos, concluyendo que: “Estos experimentos muestran que los rayos llevan carga negativa, resultando que la electrificación sigue exactamente el mismo curso que los rayos produciendo la fosforescencia en el cristal, convirtiendo el gas por el que pasan en conductor de electricidad”. Al demostrar la naturaleza eléctrica de los rayos, Thomson establece el primer argumento para defender la teoría corpuscular ya que desde la visión ondulatoria no es posible la carga de la caja metálica debido a la incidencia de ondas lumínicas. Aunque los continuistas atribuían al movimiento en el electroscopio una influencia a larga distancia de los electrodos, la experiencia demostró que las hojas se ponían en movimiento al situar un aislante entre el medidor de carga y el ánodo, señalando claramente la independencia entre electrodos y electroscopio. 2.2.3 Desviación de los rayos ante campos eléctricos En el capítulo dos “Una interpretación desde la estructura del continuo de los rayos catódicos: Los estudios teóricos y experimentales de Heinrich Hertz” se concluyó que la luminiscencia no se desviaba ante campos eléctricos donde al insertar un par de placas metálicas conectadas a una batería, la trayectoria de los rayos no era afectada. Thomson al estudiar el montaje experimental de Hertz encontró deficiencias que le impidieron observar tal desviación. La primera se remite a que la mayoría de la carga se quedaba en la resistencia situada entre la batería y las placas, generándose campos eléctricos débiles e incapaces de afectar la luminiscencia. De este modo justificó con inconvenientes técnicos, los resultados negativos que Hertz dedujo sobre las propiedades eléctricas de los rayos. 43 Por otro lado al retirar la resistencia el efecto observado en el tubo era una descarga de arco 24. Para evitar descargas entre placas encerró en el tubo la cantidad mínima de gas y bajo estas condiciones logró la deflexión de los rayos catódicos ante campos eléctricos. En este punto es claro como las falencias experimentales de Hertz influenciaron en el diseño de tubos de vacío, tubos encaminados a descubrir nuevas características de los corpúsculos y finalmente contribuir en la clausura del debate sobre la naturaleza de la luminiscencia. De los inconvenientes técnicos en los dispositivos de Hertz, Thomson diseña un tubo que constaba de dos áreas: En la primera se situaron los electrodos y las placas metálicas conectadas a una batería. La segunda sección albergaba un gran porcentaje de gas y estaba libre de obstáculos donde la pared frontal estaba recubierta de material fosforescente para amplificar el fenómeno luminiscente (Figura 12). Al conectar los electrodos a una diferencia de potencial Thomson afirmó que se liberaban del cátodo corpúsculos que pasaban por el colimador y posteriormente eran desviados por el campo eléctrico entre las placas, siendo la luminiscencia resultado de la interacción de tales corpúsculos con las partículas constituyentes del gas. Ánodo Cátodo Placas paralelas donde se genera campos eléctricos Figura 12.Tubo con placas metálicas que al conectarse a una diferencia de potencial exponen a los rayos a fuerzas eléctricas (Thomson, 1907). El montaje anterior le permitió estudiar las propiedades electrostáticas de los rayos, para ello cargó negativamente una de las placas metálicas. Al encender el sistema el haz originado del cátodo era deflectado en las regiones cercanas a la placa, deflexión producto de la repulsión entre los corpúsculos y la lámina. Con los experimentos preliminares Thomson demuestra las propiedades eléctricas de los rayos catódicos y les atribuye una naturaleza discreta. Con esto se establecía que los rayos responden a campos eléctricos y magnéticos debido a la carga negativa que transportan. Desde este punto las explicaciones ondulatorias carecen de 24 Las descargas de arco se producen por la ionización del aire, convirtiéndolo finalmente en conductor. Esto permite observar luminiscencias similares a la de los truenos. 44 argumentos experimentales y teóricos que se acomoden a los efectos observados en los tubos de vacío con placas metálicas. Posteriormente Hertz continúa con la controversia al observar que los rayos tienen la capacidad de atravesar superficies metálicas, cuestionando las dimensiones y masa del átomo adoptado en esa época por los atomistas. Esto último desencadenó una serie de experiencias que pretendieron especificar las propiedades físicas de dichos corpúsculos y sugirieron una nueva organización de la materia; tales experiencias ejecutadas por Thomson son descritas posteriormente. 2.2.4 Sobre las propiedades físicas de los corpúsculos. La posibilidad de los rayos catódicos de atravesar láminas interpuestas en su trayectoria promovió el estudio de algunas de sus propiedades físicas como masa y carga. Ante esta situación, los atomistas debieron cuestionar lo que consideraban como átomo y dirigirse a determinar el radio de tales partículas. Según las experiencias con los tubos de vacío los cuerpos generadores de la luminiscencia debían tener dimensiones mucho menores que el átomo de hidrogeno, considerado en ese entonces la última división de la materia. Esto encaminó a Thomson establecer y calcular variables físicas que le permitieran determinar el valor numérico de carga y masa de los corpúsculos. Cada variable representaba un rasgo físico que intervenía en el fenómeno de luminiscencia, rasgos como el campo magnético y eléctrico. De lo anterior se derivó el siguiente planteamiento mencionado en su texto25: Si la partícula liberada del cátodo con carga e y velocidad v viaja en trayectoria perpendicular a las líneas de campo magnético B se deduce que la fuerza total ejercida sobre la partícula es Bev, formando un ángulo recto con el camino del corpúsculo y las líneas de campo (Figura 13). Por otro lado, la fuerza es la responsable del movimiento hacia arriba o hacia abajo de la luminiscencia. Ahora, si la fuerza producida por el campo eléctrico sobre la partícula es X26e existe la posibilidad de encontrar el valor de la velocidad v (de las partículas) si se igualan ambas fuerzas. Thomson llegó a esta conclusión observando que al aplicar un campo magnético y eléctrico al mismo tiempo se generan deflexiones que pueden compensarse. Así el cociente entre ambos valores arrojaría la velocidad de los rayos catódicos (Expresión 1). 25 26 Thomson, J.J. 1907. The corpuscular theory of matter. Charles scribner´s sons. X representa el campo eléctrico simbolizado actualmente como E. 45 Fuerza V H a. b. c. Figura 13. a). Representación de la dirección de desviación de los corpúsculos ante la presencia de un campo magnético (Thomson, 1907). b) Ante un campo eléctrico. c) Diagrama de Thomson para la dirección de la desviación de los rayos (Ibíd.) Expresión 1. Equivalencia entre la Fuerza eléctrica y la fuerza magnética para encontrar la velocidad de un corpúsculo. El desarrollo preliminar da validez al argumento: “los rayos están constituidos de corpúsculos” ya que según Thomson demuestra el carácter real de las partículas y por tal motivo merecen un tratamiento experimental y teórico semejante al de un cuerpo macroscópico. 2.2.4.1 Relación carga/masa de los corpúsculos. Con el supuesto -las partículas que constituyen los rayos catódicos pueden ser más pequeñas que las moléculas e incluso los átomos-, Thomson (1907) sugirió que los rayos estaban compuestos de partículas subatómicas presentes en los átomos de todos los elementos. En este punto, hallar un valor numérico para dicha relación (e/m) daría mayor validez a los argumentos dados por los atomistas quienes tenían un ferviente interés en cuantificar los efectos visibles de los catódicos y completar con un tratamiento matemático su teoría discreta sobre la naturaleza de la luminiscencia. Por tal motivo se presenta el trabajo que desarrolla Thomson para encontrar la relación e/m de las partículas. 46 Desarrollo de la relación e/m Para encontrar la relación e/m Thomson retiró la fuerza magnética y expuso los corpúsculos a la fuerza eléctrica producida por las placas metálicas, estableciendo una comparación entre el efecto de la fuerza gravitatoria en un proyectil con los rayos catódicos 27. En este punto, emplea la expresión de fuerza gravitatoria porque requiere de un método tangible para encontrar las propiedades de los corpúsculos (cuando se menciona método tangible hace referencia a una expresión o procedimiento que permita predecir el comportamiento de un cuerpo). Por otro lado, considera que las dimensiones microscópicas- macroscópicas guardan similitud ya que las leyes naturales aplican de igual forma. Según lo anterior se plantea la expresión 2 que representa la posición de la partícula (debida a la fuerza eléctrica). Expresión 2. Efecto de la fuerza gravitatoria sobre una partícula. Así, g representa la fuerza que actúa sobre el corpúsculo y lo desvía hacia abajo, introduciendo el campo eléctrico (X), la carga y la masa e/m en el planteamiento matemático. El tiempo que emplea para el caso de los rayos catódicos es l/v donde l es la trayectoria horizontal de la partícula y v la velocidad con la cual viaja dentro del tubo. Entonces la distancia entre el punto de equilibrio de la fosforescencia al punto de de translación debido a la presencia del campo eléctrico se define gracias a la expresión 3 (Figura 14). Expresión 3. Posición de traslación de la partícula ante fuerzas eléctricas. 27 Thomson concebía los corpúsculos como cuerpos que respondían a fuerzas externas como la eléctrica y la magnética. 47 Punto de equilibrio Punto de translación Figura 14. Aparato de Thomson para determinar la relación e/m usando campos eléctricos y la medida entre el punto de equilibrio y de translación en la trayectoria de los rayos (Thomson, 1907). De la expresión 3, el valor numérico del campo eléctrico X, la velocidad v y la trayectoria l se encuentra la relación e/m del corpúsculo (Expresión 4). Expresión 4. Relación carga/ masa. Al modificar la trayectoria de la partícula gracias al cambio de forma y tamaño del tubo, además de la intensidad del campo eléctrico, Thomson encontró un mismo valor de e/m para todos los casos, incluso al variar la presión, el material de los electrodos y el tipo de gas. El valor de carga masa es 1.7 x 107unidades electrostáticas (coulombios/kilogramo). En ese entonces el valor más alto de carga era del átomo de hidrogeno con un orden de 10 4, valor hallado gracias al proceso de electrolisis en líquidos. Si el valor de la relación e/m para el corpúsculo es de 107 significa que la carga de los corpúsculos es mayor o la masa de las partículas es menor que la masa del átomo de hidrogeno. Experimentos ejecutados por Thomson presentan que la carga conserva el mismo valor para los corpúsculos y el hidrogeno, así que la masa de las partículas debe ser 1/1700 menor a cualquier otra masa encontrada en ese entonces. Claramente el átomo dejaba de ser la división más pequeña de la materia, ahora el corpúsculo ocupaba ese lugar. Esto llevó a investigar sobre otro tipo de partículas que posiblemente constituían el átomo y posteriormente su representación. 2.2.4.2 En busca del valor numérico de la carga de los corpúsculos gracias a la relación e/m. Para determinar la carga de los corpúsculos, Thomson emplea un mecanismo propuesto por C.T.K Wilson donde las partículas se comportan como núcleos de polvo que forman gotas de agua gracias a la humedad, similar al fenómeno de niebla y lluvia terrestre. Para tal fin asegura 48 que los tubos no contengan polvo y las partículas cargadas sean el centro de la gota, allí emplea un tubo constituido de dos partes centrales: La primera un recipiente cilíndrico que tiene contacto con agua y al estar a temperatura ambiente produce humedad, este recipiente se denomina sección A. La segunda parte o sección B es un cilindro que contiene un pistón con la posibilidad de desplazarse hacia arriba y hacia abajo, estableciendo así las condiciones necesarias para generar sobresaturación de humedad (Figura 15). Cuando el pistón asciende dentro del segundo cilindro o sección B se comprime el aire húmedo contenido en la sección A. Posteriormente al soltarse el pistón el aire traslada rápidamente el émbolo hacia abajo expandiéndose nuevamente, generando una sobresaturación debida a una disminución en la temperatura del mismo. Sección A Pistón Sección B Figura 15. Dispositivo diseñado para encontrar el valor numérico de la carga y dimensiones de los corpúsculos (Thomson, 1907). Se requiere de varios desplazamientos del pistón a distancias máximas hacia arriba dentro del cilindro B para producir niebla conformada por múltiples gotas de agua que tienen como núcleo un corpúsculo. Por otro lado, también es necesario para visibilizar la nube atraer las partículas con un imán, acumulando las gotas en una zona determinada. Posteriormente Thomson pretende demostrar que la niebla observada dentro del cilindro A posee propiedades eléctricas, por ende está constituida de corpúsculos y no de polvo. Para ello inserta dentro del tubo A un par de placas metálicas que al conectarse a una diferencia de potencial atrae las partículas y desvanece la nube ya que las gotas pierden su eje o núcleo. Al confirmar la naturaleza eléctrica de la niebla se dirige a encontrar la carga de los corpúsculos, para ello parte de unos parámetros base. El primer parámetro es dado por la 49 distancia de desplazamiento del pistón, distancia que determina el grado de sobresaturación de humedad en el aire del cilindro A. De allí es posible encontrar la cantidad aproximada de agua que constituye la nube y por ende su volumen. Si se sabe tal volumen es posible determinar el número de gotas al dividir el volumen de la niebla por el volumen de la gota, resultado que arrojaría también la cantidad de corpúsculos dentro del tubo. Con la velocidad de caída es posible encontrar el tamaño y el radio de las gotas. Debido a la fricción del aire y la viscosidad del agua la velocidad de caída no puede considerarse constante pero después de un intervalo de tiempo una gota puede adquirir un movimiento uniforme dependiendo de su tamaño. Allí las gotas más pequeñas y lentas alcanzan tal velocidad invariable. Thomson emplea el valor de la velocidad de caída de las gotas de lluvia calculada por Stokes gracias a la expresión 5, para hallar la carga de los corpúsculos, donde g es la gravedad, a el radio y μ la viscosidad del aire. Expresión 5. Velocidad de una partícula según Stokes Para este caso CTK Wilson afirmaba que las partículas, núcleos de las gotas poseían una carga negativa de tal manera que era fácil condensarlas y retenerlas, con lo anterior el valor del radio era conocido. Para el caso del peso tomó el supuesto de Wilson y aplicó a la nube del cilindro A una fuerza eléctrica positiva de manera que las gotas se suspendían si el valor de la fuerza era igual a su peso, expresando este equilibrio con la expresión 6. Donde X es la fuerza eléctrica, e la carga y w el peso de la gota. Expresión 6. Peso de una gota. Finalmente gracias a los cálculos preliminares Thomson encuentra que la carga de los corpúsculos es igual a 3.1 x 10-10 unidades electrostáticas o 10-20 unidades electromagnéticas, el mismo valor de la carga llevada por un átomo de hidrogeno. Ya encontrada la carga es posible encontrar la masa donde la partícula liberada en los rayos catódicos tiene una masa de 1.7 X . Este valor en términos de la masa de hidrogeno es igual a M= 1700 m, allí M es la 50 masa de Hidrogeno. Claramente de esta relación encontramos que el corpúsculo se considera como la división más pequeña de la materia y pasa a ser un constituyente del átomo. El encontrar el valor numérico de la masa y la carga de los corpúsculos cambia el modelo de organización de la materia planteado por los atomistas, ya que la imagen de átomo se modifica. Este deja de ser la última división de la materia para estar constituido de partes más pequeñas, partes que se conciben como cuerpos puntuales que tienen la posibilidad de aislarse bajo montajes especializados como el efecto fotoeléctrico, la difracción de electrones y los rayos catódicos. Los trabajos de J.J Thomson con los tubos de vacío situó la visión discreta de la materia como la principal mirada para abordar los fenómenos de la naturaleza, al lograr una formalización matemática y posteriormente una representación del átomo. 2.3 A MANERA DE SÍNTESIS Los rasgos observables de los rayos catódicos generaron controversia entre científicos de la época, arrojando como resultado dos formas de comprender el fenómeno: la alemana con Heinrich Hertz (capítulo I) y la inglesa con J.J Thomson. Este último al igual que Hertz adopta una postura propia ante lo que parecía un modelo contundente, dudando de la mirada ondulatoria de los rayos (ondas electromagnéticas) por las desviaciones que producían los campos eléctricos. En contraposición y lejos de considerarlos continuos, Thomson los considera capaces de describir las trayectorias de partículas cargadas negativamente (corpúsculos). Thomson concebía los corpúsculos y al átomo en general como entes reales que requerían caracterizarse físicamente. Para ello, desarrolla un tratamiento cuantitativo de los efectos visibles de los rayos; efectos como su desviación ante campos eléctricos, magnéticos y la medición de cualidades como la velocidad, carga y masa. Para la caracterización del comportamiento y naturaleza de los rayos Thomson se vale de fallas experimentales que encuentra en los montajes de Hertz, realizando modificaciones en los tubos de vacío como situar un electrómetro en el sistema y pensar en variables físicas como la presión para evitar las descargas de arco. Con ello demuestra como el trabajo experimental se adaptó a la teoría atómica y finalmente la posicionó como eje de desarrollo en la física, evidenciando la importancia de otras formas de pensamiento con criterio y significado propios. 51 Los resultados encontrados por Thomson y descritos en el presente capítulo; permitieron que para el siglo XIX el electrón estuviera bien establecido como constituyente de los átomos. Con esto propuso un modelo atómico de la materia que situaba los electrones en un área de carga positiva. Dichos electrones estarían distribuidos uniformemente debido a la repulsión mutua que sufrían entre ellos, modelo conocido como el budín de pasas. Si bien en la enseñanza de las ciencias los modelos atómicos son referentes fundamentales, en la mayoría de los casos su tratamiento ha sido vago y poco profundo, subestimando los procesos que fueron necesarios para su consolidación. Por esto, el análisis de fuentes primarias sobre el trabajo adelantado por Thomson otorgó elementos para sustentar su manera de ver y entender el mundo. 52 III CAPITULO Propuesta de aula sobre los tubos de rayos catódicos y sus efectos visibles Apreciación inicial En el presente capítulo se desarrolla un estudio y descripción de los resultados arrojados por la propuesta de aula, donde la cartilla desempeña un papel importante (Anexo 1). Las apreciaciones que se exponen en el escrito se basan en nuestra experiencia como docentes y formación académica. El trabajo experimental y el análisis físico de múltiples fenómenos naturales han consolidado teorías que son influenciadas por las perspectivas del investigador. En este marco las construcciones teóricas hacen parte de las representaciones simbólicas de la sociedad, al adquirir un significado y posición en la escuela. Es allí donde se sitúa el objetivo de la propuesta “Caracterización de la materia: tubo de rayos catódicos” al hacer énfasis en las interpretaciones continuas y discontinuas del efecto luminiscente observado en los tubos de vacío, estableciendo un debate en la comunidad científica que trastocó la cotidianidad y los modos de pensar del hombre en ese entonces y en la actualidad. Otro aspecto relevante se remite al estudio de los efectos visibles de los rayos donde lo fenomenológico va ligado a la elaboración de hipótesis que pretenden ofrecer una explicación y organización de la materia. Modelos que adquieren fuerza gracias a la aprobación de la actividad experimental, actividad que define sus límites con la técnica y tecnología del momento. De esta manera el rol que juega la experimentación se remite a una relación de complementariedad entre teoría y experimento, al ser este último la concreción del primero. Lo anterior facilita la visualización de las ciencias como una actividad humana, de manera que el estudiante puede ser partícipe en dicha labor y aportar desde su cosmovisión en la investigación educativa. Bajo este panorama la propuesta se desarrolló en tres fases: La fase de planeación donde se exponen los elementos teóricos y metodológicos que se tuvieron en cuenta para la elaboración e implementación de la cartilla de trabajo. La fase de ejecución que menciona aspectos relevantes en el desarrollo de las actividades propuestas en la cartilla, señalando las nociones previas de los estudiantes referentes a la teoría atómica y ondulatoria cuyo equivalente son las 53 cosmovisiones de los científicos estudiados. Finalmente se presenta la fase de análisis de resultados, donde se exponen las respuestas de los alumnos ante las experiencias y preguntas discutidas en las sesiones, lo que significa hacer un seguimiento de sus nociones después de la implementación del módulo. 3.1 FASE I: PLANEACIÓN Para la elaboración de la cartilla se tuvieron en cuenta ciertos aspectos teóricos relacionados con la consolidación de la idea de átomo y electrón. Allí se hizo un análisis histórico crítico dela fuente primaria “Miscellaneous Papers” de Heinrich Hertz quien presenta una interpretación de los rayos catódicos desde la teoría de campos o mirada continua de la naturaleza, por otro lado se estudiaron “Conducción eléctrica en gases” y “Teoría atómica de la materia” escritos por J.J Thomson quien a partir de diversas modificaciones en los tubos, logra demostrar el carácter discreto de los corpúsculos (luminiscencia) al evidenciar algunas de sus características físicas como masa, carga y volumen. En la figura 16 se muestran los tubos de rayos catódicos diseñados para mejorar la comprensión sobre los trabajos adelantados por Heinrich Hertz. a) b) Figura 16. Dispositivos diseñados: a). Prototipo del paralelepípedo de Hertz. b). Modelo funcional en el que es posible cambiar de posición el ánodo. En el estudio de tales fuentes primarias se tuvo en cuenta la relación entre ciencia y sociedad resaltando la influencia de factores técnicos y tecnológicos. Además, cómo los modos de entender la realidad influyen en los procesos de construcción de teorías y desarrollo del trabajo experimental (Figura 17). RECURSOS DESARROLLO Se hizo lectura del presente original con el fin de identificar los elementos experimentales que apoyaron la mirada ondulatoria de los rayos 54 catódicos. Además, reconocer como la técnica influenció en las observaciones ejecutadas por Hertz alrededor de los tubos de vacío y posteriormente en la estructuración de su teoría continua. En la lectura de los originales de Thomson se pretendió recoger los montajes experimentales que diseño para demostrar la existencia de corpúsculos Lectura fuentes primarias “Conducción gracias a la evidencia de sus propiedades físicas eléctrica en gases” y “Teoría atómica de la como carga y masa. materia” El estudio de tales originales permitió establecer un dialogo entre autores y diferenciar sus posturas. Se retomaron los trabajos de Oersted y Volta para acercar al estudiante desde el experimento al de corriente e inducción Elección de experiencias previas al trabajo con concepto electromagnética. Conceptos que posteriormente los rayos catódicos soportan los mecanismos de medida empleados por Hertz y Thomson en el trabajo con los tubos de vacío. Elección de materiales para el diseño de la pila química, adquisición de brújulas y bobinas. Para esta fase fue necesario diseñar dos tubos de rayos Dispositivos a utilizar catódicos que permitieran mostrar los trabajos de Hertz. Tabla 1. Síntesis del proceso de planeación de la propuesta de aula. Lectura fuente primaria “Miscellaneous Papers” 3.1.1 Sobre la metodología de trabajo: La re contextualización de saberes. En lo que respecta al discurso orientador de la propuesta, la re contextualización de saberes establece una relación entre los análisis histórico-críticos de textos originales y las imágenes de ciencia que construyen los docentes al abrir espacios de discusión sobre aspectos que sustentan el andamiaje de las teorías físicas. De esta forma se busca rescatar la historia y construcción del conocimiento científico para comprender que los contextos y las necesidades particulares están íntimamente ligados a la actividad científica. Por otro lado, al generarse una relación íntima entre los procesos de construcción científica y sus productos se promueve un cambio en la imagen de las ciencias al presentarla como una actividad social donde estudiantes y profesores contribuyen con sus visiones propias de la naturaleza. 55 3.2 FASE II: EJECUCIÓN DE LA PROPUESTA Los aspectos relevantes que orientaron el desarrollo de las actividades fueron el estudio de los efectos sensibles de los rayos catódicos, el recorrido por el contexto y la discusión de las miradas del fenómeno puestas en juego. La re contextualización de saberes se desarrolla por fases donde el análisis histórico-critico constituye la primera etapa (Figura 18). RECURSOS DESARROLLO Caracterización física de la corriente eléctrica. Montaje experimental. Trabajos de Volta Luego de la lectura del texto, se estudian los Lectura de “El campo eléctrico: De Oersted a efectos inductivos gracias al trabajo experimental con alambres conectados a baterías, esto evidencia Faraday”. Experiencias la relación entre corriente y campo magnético. Análisis del funcionamiento del carrete de Ruhmkorff, las bobinas de inducción, y Estudio fenomenológico de los rayos catódicos descripción de los elementos constituyentes del tubo (ánodo, cátodo, conexiones, gas, pantalla I fosforescente). Se determinó como la naturaleza y cantidad de gas influyen en la intensidad de la luminiscencia, Análisis de aspectos influyentes en la señalando la importancia de su presencia en el luminiscencia interior del tubo para estudiar los rayos catódicos. Observaciones al encender el tubo, confirmación Estudio fenomenológico de los rayos catódicos de desviaciones por imanes, seguimiento de la trayectoria de la corriente mediante brújulas. II Caracterización física de la luminiscencia Estudio fenomenológico de los rayos catódicos observada en los tubos de vacío y su diferenciación con los rayos laser. III La lectura del texto “Honorabilísimo consejero privado” sitúa al estudiante en el contexto y visión Presentación de los trabajos de Heinrich Hertz que Hertz sostiene de la naturaleza. Posteriormente se discute alrededor de sus observaciones y argumentos sobre los rayos catódicos. La lectura del primer capítulo del texto conducción eléctrica en gases sitúa al estudiante en el contexto y visión que Thomson sostiene de la naturaleza. Presentación de los trabajos de J.J Thomson Posteriormente se discute alrededor de sus observaciones y argumentos sobre los rayos catódicos. Diferenciación entre las formas de pensamiento abordadas (Hertz- Thomson), recolección de Discusiones finales material escrito, conclusiones, observaciones generales de docentes y estudiantes. Tabla 2. Síntesis del proceso de ejecución de la propuesta de aula. 56 Como se mencionó en la fase de planeación, el estudio de los originales de Hertz y Thomson referentes al fenómeno de luminiscencia observado en los tubos de vacío estableció núcleos de trabajo que se plantean en la cartilla de la siguiente manera: 3.2.1 Caracterización física de la corriente eléctrica: Trabajos de Volta y Oersted En la caracterización física de los rayos catódicos, Hertz y Thomson emplearon dispositivos que requerían entender la relación entre electricidad y magnetismo. El análisis de las fuentes primarias menciona conceptos físicos que constituyen la base de las explicaciones continuas y discretas del efecto luminiscente, conceptos como corriente, campo eléctrico, magnético y corpúsculo. Para establecer una base fenomenológica que sustente el trabajo con los tubos de vacío se ejecuta una línea experimental inspirada en algunas prácticas desarrolladas por Volta y Oersted, personajes que introdujeron el término de corriente e inducción en el campo de la física gracias a su trabajo experimental. Para el estudio de los experimentos preliminares se emplearon preguntas cualitativas y la descripción verbal con el objeto de identificar las ideas previas del estudiante y su modificación en el transcurso de las sesiones. El interés en las ideas previas reside en definir un referente conceptual que permita determinar el impacto de la propuesta en la población estudiantil. Además, si las imágenes de ciencia, los conceptos que constituyen la teoría atómica y ondulatoria se profundizan o modifican al desarrollar las actividades de la cartilla del presente proyecto. Se siguió estas posibles modificaciones gracias a los análisis y montajes experimentales propuestos por los estudiantes. Como aspecto complementario los diferentes enfoques de las experiencias enfatizaron en la producción de conocimiento científico y la intervención del contexto en las ciencias. Allí, la elaboración de modelos basados en los efectos visibles de la corriente ofrece múltiples significados a lo abordado en la sesión de trabajo, además de incentivar el uso de habilidades necesarias para la investigación (describir, comparar, sistematizar resultados, etc.). El trabajo inicial consiste en construir una pila química (monedas de niquel y cobre, intercaladas con papel impregnado en solucion salina (agua con sal)). Lo anterior posibilita al estudiante una visualización de la idea de corriente, reproduciendo algunos experimentos de 57 Volta quien organiza las observaciones de Galvani. Los montajes experimentales propuestos son sencillos y dan explicación al funcionamiento de las baterías químicas. Tambien se presentan los trabajos de Oersted como continuación al estudio de las corrientes producidas por las pilas de volta, logrando encontrar la relación entre electricidad y magnetismo, relación que se hace evidente a nivel experimental. En la reproducción de los “Experimenta” de Oersted se recrea la experiencia de acercar una brújula a la vecindad de una corriente eléctrica que circula por un alambre. Estas experiencias sitúan al estudiante en contexto y sirven de soporte para la explicación del funcionamiento de instrumentos como los amperímetros que aplican este principio. 3.2.2 Fenomenológica asociada a los rayos catódicos De los efectos visibles de la corriente y de la inducción electromagnética se analiza el montaje experimental implementado por Hertz y Thomson para demostrar la naturaleza corpuscular y ondulatoria de los rayos. En este aspecto se presenta al estudiante la visión de los investigadores y los elementos técnicos y tecnológicos que influyeron en sus modos de pensar. La última categoria nos lleva al estudio fenomenológico28 de los tubos de rayos catódicos teniendo como base las actividades preliminares que aproximan al estudiante a sus efectos visibles. A continuación se discuten los efectos centrales en los tubos de vacío, siendo estos la luminiscencia y la corriente, efectos que se obtienen al encender el tubo y se hacen notorios mediante mecanismos de deteccion como imanes y brujulas. A la par se caracteriza la luminiscencia y se indaga sobre su comportamiento al compararla con otro tipo de rayos (láser).En última instancia se presentan a los autores (Hertz y Thomson), su contexto y su cosmovisión. 3.3 FASE III: ANALISIS DE RESULTADOS La interpretación de los fenómenos físicos suele complejizarse debido a la falta de argumentos conceptuales y experimentales, que en la mayoría de casos son necesarios para comprender el comportamiento y naturaleza de lo que nos rodea. Allí, el sentido común y el análisis de efectos sensibles han sido relegados por otras técnicas, en donde la experiencia a partir de 28 Entendido como el estudio de cualidades de un cuerpo de la naturaleza que caracterizan su comportamiento y constitución. Estas cualidades sustentan los efectos sensibles a los que se refiere el texto. 58 nuestros sentidos se ha perdido. Las razones para remitirse al estudio de textos originales por parte de los investigadores, se remite a la necesidad de construir de manera individual un criterio sustentado en la experiencia. Los resultados obtenidos en el proyecto “caracterización de la materia: tubo de rayos catódicos” se estudiaron de forma cualitativa y en dos etapas: La primera se remite a la síntesis de nociones previas sobre la teoría corpuscular de la materia como la constitución del gas por partículas, la explicación de diferentes estados de la materia, entre otras. Por otro lado la segunda etapa expone modificaciones en tales nociones gracias a las sesiones de discusión y desarrollo de la cartilla (Figura 19). RECURSOS DESARROLLO Las preguntas que se encuentran en el módulo anexo, se desarrollaron con la intención de promover el pensamiento crítico. Por otro lado la Recoleccion de datos variación en los montajes experimentales permitió exponer que los efectos visibles de un ente fisico recibe diferentes interpretaciones. De manera cualitativa se estudia la pertinencia de las experiencias llevadas al aula, las opiniones al respecto, los argumentos recopilados en el Análisis de los datos desarrollo de los experimentos y discusiones. En el último capítulo del escrito se encuentran algunas sugerencias para optimizar la propuesta, Sugerencias y conclusiones además de las conclusiones referentes a los objetivos y pregunta problema. Tabla 3. Síntesis del análisis de resultados de la propuesta de aula 3.3.1. Análisis cualitativo de los datos La elección de un método cualitativo de análisis de datos está soportada en las relaciones que permite establecer con el material obtenido. Allí, es posible comparar los resultados y evidenciar si hay un núcleo común que los orienta. En este caso los estudiantes se expresaban de maneras diversas siendo la finalidad de su discurso la misma. En segunda instancia, las teorías físicas analizadas y los argumentos propuestos por los alumnos se sitúan en un mismo nivel donde los efectos sensibles estudiados permiten reconocer que el tipo de metodología facilita la conexión entre los modos de entender y con los contextos puestos en juego. 59 3.3.2 I Etapa: Síntesis de nociones previas En el estudio físico de los efectos visibles de los rayos catódicos se estableció una base conceptual que pretendía fortalecer en el estudiante ideas sobre la naturaleza eléctrica y magnética de la materia; ideas necesarias para comprender y cuestionar el trabajo experimental ejecutado por Hertz y Thomson. En este marco se sitúan las prácticas referentes a los adelantos de Volta y Oersted sobre la construcción de pilas y la “visualización” de la inducción electromagnética. 3.3.2.1 Sobre los trabajos de Volta En la práctica de Volta se establecen ejes de discusión que pretenden incluir a la población estudiantil en la labor investigativa, ejes que enfatizan en la influencia del contexto en la consolidación de hipótesis, fabricación de equipos científicos y optimización de la técnica. Inicialmente se abordaron fragmentos del texto “órgano eléctrico” escrito por Volta quien desde los sentidos demuestra la existencia de la corriente eléctrica, efecto originado por el contacto de metales diferentes y propagado por soluciones salinas. Aquí los efectos sensibles y la experiencia común hacen parte de las ciencias al considerarse su génesis y aspecto relevante en su desarrollo, además exalta la importancia del lenguaje en la difusión de la actividad científica. En este punto se discutieron las siguientes cuestiones referentes a la relación cienciasociedad: - ¿El contexto influye en la consolidación de las teorías físicas? - ¿Cuál es el papel del experimento? A las preguntas preliminares se dieron las respuestas: - “Si, el contexto define los limitantes de desarrollo de las ciencias, por ejemplo Galileo Galilei no pudo dar a conocer sus trabajos por los prejuicios de la iglesia quien lo llamo posteriormente hereje” - “Nosotros entendemos la naturaleza según los que nos enseña la escuela, la cultura y nuestras familias” Ahora para el segundo interrogante: - “El papel del experimento es sustentar y comprobar lo que afirman las teorías” 60 - “De los experimentos se derivan teorías ya que muestran al hombre nuevos efectos visibles” Según las citas, los estudiantes reconocen el papel del contexto en la estructuración de las ciencias señalando la influencia del aspecto técnico en dichas actividades. Se deduce que no se distinguen a sí mismos como participantes en los procesos investigativos al no identificar las habilidades cognitivas que poseen y pueden desarrollar en el ciclo académico. Respecto al experimento se muestra la faceta que usualmente se expone en las aulas y se remite al papel de juez en la aprobación de una teoría. Allí el trabajo experimental no fija una relación continua con la elaboración de hipótesis, tomándose como asuntos que trabajan paralelamente y se encuentran en la etapa final. En la revisión de los escritos de Volta se discutieron otros aspectos referentes a la comprensión del concepto de corriente eléctrica donde se estableció el siguiente interrogante: - ¿Cómo se genera una corriente eléctrica y cómo puedo detectarla con los sentidos? A la cuestión anterior los estudiantes argumentaron: - “La conclusión de cómo funciona una pila según Volta es juntar varios materiales conductores con el fin de generar voltaje. En primer lugar Volta toma una placa de zinc y una de cobre sobre ellos coloco un pedazo de cartón humedecido con agua y así repitió esta secuencia varias veces y vio su resultado reflejado en una corriente eléctrica” - “ Cuando tuve contacto con la batería se sintió la descarga, no tuvo ningún sabor y fue cómico el corrientazo” Según la descripción, se concibe como única fuente generadora de corriente eléctrica el contacto entre metales, aquí la corriente es un ente continuo similar a un fluido que se propaga a través de conductores. Enfoque rectificado por los sentidos al percibir un efecto prolongado de vibraciones cuando se tiene conexión con los terminales de una pila eléctrica. De aquí se deduce que la corriente se entiende como un fluido gracias a la relevancia de la experiencia en la apropiación de conceptos físicos y el modelo de corriente constituida de partículas eléctricas solo se emplea para situaciones específicas de las ciencias que usualmente propone la escuela. Lo anterior no permite entablar una relación entre el funcionamiento de la pila y su 61 construcción, pues las ideas de los estudiantes sobre la corriente en ese aspecto están bastante arraigadas y se sugiere ampliar este proceso con otro tipo de prácticas. 3.3.2.2 Reproducción de los trabajos de Oersted Para caracterizar los efectos sensibles de la inducción electromagnética se reprodujeron los trabajos de Oersted donde utiliza como dispositivos de detección de campo magnético agujas imantadas y como generadores del campo alambres de cobre conectados a una diferencia de potencial variable. Al encender la batería se observó desviaciones en la aguja cuando se situaba en áreas cercanas al alambre, de tal efecto se derivó el siguiente interrogante: - ¿Por qué se observa cambios de posición en la aguja imantada? Los estudiantes respondieron a esta cuestión con las siguientes ideas: - “ Cuando se enciende la batería circula una corriente que está rodeada por una fuerza magnética, esta fuerza afecta la brújula” - “Al prenderse la pila el alambre genera campos magnéticos que se hacen evidentes con la brújula, un efecto similar cuando acerco un imán a una aguja imantada”” Es claro que se establece una relación entre electricidad y magnetismo donde es necesario la presencia de una corriente para producir un fenómeno magnético. En los argumentos no se estipula que la corriente debe ser variable para considerarse un efecto inductivo, atribuyéndole indirectamente a las corrientes continuas e intermitentes las mismas propiedades físicas. Según Faraday solo se considera como inducción electromagnética los efectos que generan corrientes variables que se propagan a través de alambres, en el caso de Oersted lo que se propaga son corrientes continuas, por ende los efectos son distintos. Por otro lado el medio no es relevante en las explicaciones elaboradas por los alumnos, se concibe una acción a distancia entre imán y alambre exhibiendo una apropiación vaga de la teoría corpuscular. 3.3.3 II Etapa: Trabajo con los tubos de rayos catódicos Al abordar inicialmente los adelantos de Volta y Oersted se trabajaron aspectos necesarios para comprender los efectos visibles de los rayos desde la perspectiva continua y discreta de la 62 materia. En este punto la población estudiantil se preocupó por el funcionamiento de los equipos, de manera que se expuso como Hertz y Thomson construían los tubos y posteriormente estudiaban el fenómeno luminiscente. 3.3.3.1 Presentación de los trabajos de Heinrich Hertz En el primer momento se hizo lectura y análisis del artículo “Honorabilísimo consejero privado” escrito por Vanesa Rodríguez, el objetivo de la actividad residía en familiarizar al estudiante con la visión que Hertz sostenía de los fenómenos eléctricos, la organización y constitución de la materia. También identificar los rasgos generales de la teoría de campos, marco conceptual donde se sitúa para desarrollar sus investigaciones en física. Aquí el trabajo que adelanta para caracterizar físicamente las ondas hertzianas es relevante ya que expone al experimento como un modo de concretar, rectificar y alimentar una postura teórica. Después del preámbulo la propuesta se dirigió a la comprensión de la disposición teórica y práctica que Hertz elabora para explicar la luminiscencia observada en los tubos de vacío, exaltando los métodos que empleaba para demostrar que tal efecto era un tipo de onda electromagnética. En las sesiones dedicadas a Hertz se plantean dos interrogantes centrales: - ¿Cómo puedo establecer una luminiscencia continua? - ¿Cómo demostrar la naturaleza ondulatoria de la luminiscencia? Según el trabajo ejecutado en las sesiones anteriores sobre la influencia del contexto, la caracterización física de la corriente, de la inducción electromagnética y conocimiento de la teoría de campos los estudiantes respondieron: - “Para poder establecer la luminiscencia continua podemos echar talco en el aire e iluminar con el láser y así poder observar la trayectoria y observar la continuidad” - “No se comportan como ondas sino son unas líneas rectas de luminiscencia, los efectos sensibles son con el imán cuando se acerca da un cambio de dirección la luminiscencia por el campo magnético” Es evidente la influencia de la visión y formación académica del investigador en el diseño de experimentos y constitución de hipótesis, así se reconoce como el funcionamiento de los equipos condicionan las observaciones derivadas de una configuración experimental. Por otro 63 lado las características propias de las ondas son conocidas por los estudiantes, características como su propagación en línea recta, su desviación ante campos eléctricos y magnéticos (Figura 17). Aunque la propuesta mostró al estudiante las diversas interpretaciones que se despiertan alrededor de los efectos visibles de los rayos catódicos la visión discreta tuvo mayor aceptación por su familiaridad ya que desde sexto grado se trabajan temáticas relacionadas con la estructura del átomo y la acción a distancia. Aunque lo anterior no implica que los aportes adelantados por Hertz sean irrelevantes, significa que los estudiantes en la escuela no conocen las corrientes o perspectivas donde se desarrollan las ciencias, optándose por una física unidireccional e invariante. Figura 17. Tubo de Hertz con distintas posiciones del ánodo que modifican la trayectoria de los rayos.29 En este punto gracias a la construcción del tubo fue posible evidenciar al estudiante las diversas trayectorias. Allí se debate sobre la correspondencia entre corriente y luminiscencia y con ayuda de un imán y una brújula se construye el camino de la corriente. 3.3.3.2 Sobre las prácticas experimentales de J.J Thomson Se mostró al estudiante la postura discreta de Thomson y como la escuela inglesa influenció en el abordaje teórico y experimental de múltiples problemas físicos. En este punto el trabajo con los tubos de rayos catódicos adquiere importancia al considerarse como el comprobante de la existencia de corpúsculos y del átomo. Además, posibilitó encontrar el valor numérico de la carga, masa y volumen del electrón (Figura 18). En este marco se indagaron sobre cuestiones como: - ¿Qué observaciones en los tubos de vacío corroboran la naturaleza corpuscular de los rayos? Ante el interrogante preliminar se dieron las siguientes respuestas: 29 Fue necesario el diseño de un modelo que representara el dispositivo del paralelepípedo descrito en el capítulo II. En este era posible de igual manera cambiar la ubicación de los ánodos. 64 - “La visión en línea recta de la trayectoria” - “Hay desviación provocado por el campo magnético que produce el tubo de rayos catódicos y esto también produce una desviación en la aguja de la brújula por el campo magnético” Con el movimiento de las aspas del rodete insertado en el interior del tubo, la desviación de la luminiscencia ante la presencia de campos electromagnéticos y el cálculo de la relación cargamasa los estudiantes dieron por hecho la existencia de los corpúsculos. Figura18. Tubo con lámina recubierta de material fosforescente que señala la trayectoria en línea recta de los rayos. En este momento se debate sobre si se trata de una corriente de partículas que son afectadas por un campo magnético, o si este modifica al medio de tal manera que los rayos se presenten de manera distinta ante su presencia o ausencia. 3.4 A MODO DE SÍNTESIS La resolución de preguntas, el análisis de fuentes primarias y la reproducción de prácticas experimentales pueden establecer un camino viable para la enseñanza de las ciencias al desarrollar algunas habilidades de investigación como la descripción y observación de fenómenos. Aquí, el análisis físico de los efectos visibles de los rayos catódicos, constituye una experiencia eficiente al momento de presentar las cosmovisiones que Hertz y Thomson sostienen sobre la naturaleza. En este aspecto el estudiante puede ser partícipe en la actividad experimental y optar posturas frente al debate de continuidad- discontinuidad de la materia. Debido a la presentación de la teoría atómica desde los primeros grados de secundaria, el estudiante desconoce y se le dificulta comprender otras visiones sobre la constitución y organización de la materia. La interpretación continua de los rayos presentó dificultades gracias a los siguientes aspectos: 65 - Concebir la corriente eléctrica como modificaciones en el medio que se propagan en efecto dominó es confuso para el estudiante, ya que está familiarizado desde la escuela con el modelo de partículas puntuales. - El conocimiento vago de los fenómenos ondulatorios hace de las teorías continuas visiones sin significado y complejas. De manera que es necesario establecer analogías con las ondas propagadas en agua o en cuerdas. - Usualmente en la enseñanza de la física no se hace distinción entre las diversas perspectivas de la naturaleza, encaminando algunos conceptos, teorías y experimentos a visiones distorsionadas y poco definidas. 3.5 OBSERVACIONES En la fase de ejecución se establece inicialmente un campo fenomenológico que le permite comprender al estudiante los argumentos que Hertz y Thomson desarrollaron para sustentar sus interpretaciones sobre los rayos. En este punto, el estudio del efecto Volta es de relevancia ya que es posible trabajar el concepto de corriente y diferencia de potencial desde la experiencia. Para ello se construyen pilas con diferentes metales y soluciones salinas que constituyen el principio físico de la baterías actuales. Por otro lado, en el estudio de la inducción electromagnética es primordial desarrollar actividades anexas que señalen la diferencia entre corrientes continuas y alternas. Debido a que en la escuela no se poseen fuentes que permitan establecer esta diferenciación el módulo aplicado realizó en este aspecto un trabajo con bobinas de inducción y con fuentes de voltaje, lo que permitió establecer comparaciones entre los efectos observados en el tubo al hacer uso de una u otra fuente. Sin embargo, es necesario que el estudiante conozca con anterioridad las cualidades de una corriente alterna y de una continua, sus implicaciones en el ámbito científico y las aplicaciones de estas en la vida cotidiana. Las observaciones anteriores pueden optimizarse en el tiempo, para ello se recomienda que este tipo de caracterización de fenómenos se realice en un tiempo mucho más prolongado y de 66 manera constante. Si bien, el desarrollo de la propuesta tuvo un mes para su aplicación, es claro que la posibilidad de trabajar de manera más extensa y con mayor profundidad cada una de las sesiones permitiría resultados más eficaces en la comprensión y apropiación de los conceptos abordados. 67 CAPÍTULO IV Conclusiones generales Las conclusiones de la propuesta se exponen en las siguientes categorías: 4.1 SOBRE LA IMPORTANCIA DE LOS ANÁLISIS HISTÓRICO-CRÍTICOS DE HERTZ Y THOMSON EN EL DISEÑO DE ESTRATEGIAS PARA LA ENSEÑANZA DE LA TEORÍA ATÓMICA. La enseñanza de la teoría atómica suele centrarse en las representaciones del átomo y sus propiedades físicas, utilizando como principales herramientas textos escolares que trazan rutas metodológicas soportadas en el aspecto teórico (Kind, 2004). En este punto el estudio de los originales Miscellaneous Papers y Teoría atómica de la materia escritos por Thomson y Hertz ofrecen elementos de carácter experimental que pueden fortalecer el trabajo de aula al proponer campos fenomenológicos que sustenten el atomismo. Dichos elementos se remiten al análisis de los efectos visibles de los rayos y su comportamiento ante modificaciones en los tubos que pretenden evidenciar las cualidades físicas de los corpúsculos o electrones (Carga, masa y volumen). Con ello, es posible basar desde la experiencia los conceptos que constituyen la teoría atómica y flexibilizarlos para el estudiante. 4.2 INFLUENCIA DE FACTORES CONSIDERADOS EXTERNOS COMO LA TÉCNICA Y TECNOLOGÍA EN EL ESTUDIO DE LOS RAYOS CATÓDICOS. Las ciencias no pueden considerarse procesos independientes de las dinámicas sociales al estar influenciadas por factores como la técnica, tecnología y formación académica del investigador. Aquí, la transformación conceptual que sufre Hertz (al pasar de una mirada discreta de la materia a una continua) gracias al diseño de experiencias que situaban los fenómenos eléctricos en el medio; señalan que un científico puede ubicarse en diversas visiones para estudiar la naturaleza, estableciendo una posible relación de complementariedad entre ellas. Además, las teorías que Hertz y Thomson consolidaron sobre los rayos catódicos fueron afectadas en cierta medida por algunos dispositivos que constituían sus montajes experimentales; dispositivos como las baterías que determinaban con su resistencia la continuidad de emisión de los rayos y las bombas de vacío que influían en la intensidad de la 68 luminiscencia (al obtener un alto vacío no se apreciaba la trayectoria de los rayos). Lo anterior es un claro ejemplo del papel que desempeña la técnica en la actividad científica. Por otro lado, antes de hacer apertura al estudio de los rayos catódicos, tales científicos estudian los trabajos ya ejecutados por colegas del momento como Wiedemann, Hittorf, Goldstein, entre otros, recogiendo elementos para elaborar sus hipótesis y situarse en el debate que giraba alrededor de la composición y organización de la materia. Señalando de esta manera que el ejercicio de las ciencias es un proceso continuo donde participan investigadores de diferentes épocas y miradas. 4.3 LA RELACIÓN DE COMPLEMENTARIEDAD ENTRE EXPERIMENTO Y TEORÍA. El efecto luminiscente observado en los tubos de vacío fue estudiado por Thomson desde la mirada discontinuista. El consideraba al átomo como un ente real que determinaba las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de los cuerpos constituyentes de la materia, comportándose según la ley de Coulomb. Lo preliminar definió el diseño de montajes experimentales que procuraban demostrar la existencia de corpúsculos gracias al cálculo numérico de su carga y masa. Aquí, Thomson concebía las teorías como maneras de estructurar, significar y ordenar las observaciones derivadas del entorno físico, asimilándose a políticas que definen el comportamiento de la naturaleza. En este caso, el experimento refleja como Thomson asume y estudia la luminiscencia generada por los rayos. Por otro lado, Hertz gracias al trabajo experimental con circuitos abiertos, logra demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas y caracterizarlas físicamente. Lo anterior en compañía de la teoría de campos constituye la base conceptual para afirmar que la luminiscencia observada en los tubos de vacío se debe a ondas lumínicas propagadas en el interior del tubo. Además, diseña una serie de experimentos que comprueban la naturaleza ondulatoria de los rayos al exhibir su supuesta indiferencia electrostática e imposibilidad de transportar carga eléctrica, demostrando que el experimento es la concreción de la teoría. Cabe mencionar que Hertz define tres pautas esenciales en la producción de hipótesis: (1) Las construcciones teóricas no deben contradecir nuestras reglas de pensamiento cimentadas en las imágenes que elaboramos de los objetos que constituyen la realidad y sus mutuas relaciones. (2) Su validez empírica y (3) la pertinencia determinada según la relación de los elementos 69 teóricos con la esencia del objeto, relaciones de carácter no superficial pero simple (simpleza característica de sus escritos). Finalmente para Hertz los conceptos son sistemas de eventos marcados por la lógica originada de nuestra experiencia donde existe la posibilidad que las imágenes de los objetos difieran por pequeños aspectos. 4.4 SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN La propuesta de aula se desarrolló en tres fases: La primera se remite a la planeación de actividades según la re contextualización de saberes donde se estudiaron originales referentes a los rayos catódicos, esto posibilitó organizar un campo sensible para sustentar los supuestos de la teoría atómica y ondulatoria. La segunda fase se remite a la ejecución de la propuesta, para ello se diseña una cartilla que propone una serie de actividades desde tres ejes, el primer eje pretende establecer una base fenomenológica de la inducción electromagnética y corriente, conceptos necesarios para abordar las teorías propuestas por Hertz y Thomson. Aquí, la construcción de la pila de volta y la observación de los efectos inductivos iniciaron discusiones sobre la relación entre electricidad - magnetismo, además fueron soporte de explicaciones referentes al funcionamiento de las baterías actuales. Finalmente, en la tercera fase se analizaron cualitativamente los resultados con el fin de no probar ni evaluar la experiencia del estudiante y sus relativas maneras de concebir la realidad. En lugar de ello, se identificó las variables que influyen en sus abordajes sobre los fenómenos eléctricos y ondulatorios, señalando así, que la escuela desempeña un rol fundamental al dirigir dichas miradas. 70 BIBLIOGRAFÍA Anderson, D. (1968). El descubrimiento del electrón. México: Reverté. Ayala, M. M. (2006). Los análisis histórico-críticos y la re contextualización de saberes científicos, Construyendo un nuevo espacio de posibilidades. Bogotá: Pro-Posições. Ayala, M. M., Romero, A., Malagón, J., Rodríguez, O., Aguilar, Y., & Garzón, M. (2008). Los procesos de formalización y el papel de la experiencia en la construcción del conocimiento sobre los fenómenos físicos. Bogotá: Kimpres. Hertz, H. (1896). Miscellaneous Papers. Karlsruhe: MacMillan and Co, Ltda. Hertz, H. (1894). Principles of mechanics. Karlsruhe: MacMillan and Co, Ltda Kind, V. (2004). Más allá de las apariencias. España: Santillana. Quiroga, A., & Cabrera, P. (2009). Representaciones atómicas: Un análisis interpretativo del átomo. Bogotá: Monografías Universidad Pedagógica Nacional. Sánchez, J et al. (2011). El experimento para la enseñanza de la radiación térmica y la dualidad onda partícula en el grado undécimo en la escuela normal María Montessori. Bogotá: Archivo Departamento de física. Thomson, J.J. (1903).Conduction of electricity through gases. Londres: MacMillan and Co, Ltda. Thomson, J.J. (1907). The corpuscular theory of matter. Londres: Charles scribner´s sons. 71
