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Negli anni settanta dell'Ottocento, furono messi a punto alcuni tubi di vetro che contenevano gas molto rarefatti. Applicando una corrente elettrica, questi tubi emettevano luce. Al fenomeno fu dato il nome di raggi catodici, ma non era del tutto chiara la loro natura: si trattava di onde oppure di particelle cariche? La ricerca era in pieno fermento, tra tante ipotesi e anche risultati inattesi.
Infatti, proprio conducendo esperimenti su tubi a vuoto, nel 1895 il fisico tedesco Wilhelm Röntgen scoprirà i raggi X, da subito applicati nella diagnostica medica. La risposta definitiva sui raggi catodici arrivò dal laboratorio Cavendish di Cambridge, in Inghilterra. Qui, Joseph J. Thomson e il suo gruppo di ricerca, misero a punto una serie di apparati sperimentali basati sui tubi a vuoto e svelarono la natura dei raggi catodici e di tutta la materia.
Vediamo una ricostruzione semplificata di uno dei suoi esperimenti del 1897. L'apparato è formato da un tubo di vetro riempito con un gas; è collegato a una pompa a vuoto. Azionando la pompa, viene estratto il gas, che rimane in piccolissime quantità. La creazione del vuoto è fondamentale per l'esito dell'esperimento; fu anche grazie alla capacità di creare un vuoto spinto che Thomson riuscì dove altri ricercatori avevano fallito.
A un'estremità del tubo si trovano delle piastre metalliche, collegate a un generatore elettrico e chiamate perciò elettrodi. In particolare, la placca negativa è il catodo, quella positiva, che presenta una fenditura al centro, è l'anodo. Vicino all'anodo è presente una seconda fenditura. All'estremità opposta, il vetro è rivestito da un materiale che emette fluorescenza quando colpito dai raggi catodici.
Collegando il catodo e l'anodo al generatore di corrente elettrica, tra di essi si forma un fascio di raggi catodici. Qui li vediamo in giallo, ma non sarebbero in realtà visibili se non con l'aggiunta di un altro schermo. I raggi emessi dal catodo negativo sono diretti all'anodo positivo, che attraversano le due piastre in corrispondenza delle fenditure. Quando il fascio di raggi catodici colpisce il fondo, si ha emissione di fluorescenza.
Se all'interno del tubo si aggiungono due piastre metalliche parallele e si collegano a un altro generatore, il punto fluorescente sullo schermo si sposta in basso. Grazie a una scala graduata, è possibile misurare lo spostamento. Invertendo la polarità di queste piastre, la fluorescenza si sposta in alto. Cosa si può concludere da questa osservazione? I raggi catodici subiscono una deviazione, cioè vengono deflessi dall'applicazione di un campo elettrico; essi sono attratti dalla piastra positiva, qualunque sia la sua posizione. In questo modo, si dimostra che i raggi catodici sono carichi negativamente. Lo stesso effetto si ottiene applicando un campo magnetico: i raggi catodici vengono deviati verso il basso o verso l'alto, a seconda dell'orientamento del campo magnetico.
Thomson, quindi, dimostrò che i raggi catodici sono formati da particelle cariche, perché rispondono al campo magnetico come farebbe una qualunque particella carica, e che la natura di questa carica è negativa. Ma grazie agli esperimenti del tipo che abbiamo appena visto, Thomson calcolò anche il rapporto tra carica e massa di queste particelle, che poi furono chiamate elettroni. Il valore era di circa 2000 volte inferiore a quello della più piccola particella carica conosciuta, lo ione idrogeno. Inoltre, il rapporto carica/massa era costante cambiando il tipo di gas o il metallo delle piastre.
Quali furono dunque le conclusioni di Thomson? Primo: gli atomi non sono indivisibili, ma esiste una particella subatomica, l'elettrone. Secondo: l'elettrone ha le stesse caratteristiche in tutti gli atomi. Terzo: deve esistere anche una particella con carica positiva, visto che in genere l'atomo è elettricamente neutro. Quarto: la carica positiva è distribuita nell'atomo nel modo più probabile dal punto di vista matematico, e cioè in modo uniforme; gli elettroni sono sparsi in mezzo ad essa. Questo modello di atomo a "panettone" verrà presto confutato da un suo studente, ma la portata delle scoperte valse a Thomson il Nobel per la fisica nel 1906. [Musica]