Descubrimiento Del Electron

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN

Mientras se desarrollaba la Teoría atómico-molecular de la materia se fue conociendo un conjunto de hechos que ponen en cuestión una de sus principales hipótesis: la supuesta inmutabilidad e indivisibilidad de los átomos. Algunos de estos hechos son: 1) El comportamiento eléctrico de la materia, que mostró la posibilidad de extraer electrones de muchas sustancias diferentes. 2) El descubrimiento de la radioactividad, que mostró la emisión por parte de algunos minerales de radiaciones formadas por partículas subatómicas. 3) El enlace químico, que también sugería algún tipo de estructura interna de los átomos para justificar la formación de moléculas.

Entre todos estos hechos, el descubrimiento del electrón fue el que tuvo mayor relevancia en el cuestionamiento inicial del átomo indivisible.

La existencia del electrón había sido postulada inicialmente por Stoney (1826-1911) como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. Stoney estudiaba la estructura de la materia y realizó una primera evaluación del número de Avogadro. Estas investigaciones le condujeron a establecer la hipótesis de que la electricidad era creada por unos corpúsculos elementales a los que llamó inicialmente "electrinos" (en 1874) y, más adelante (en 1891), electrones.

Pero, el mérito principal del descubrimiento del electrón se concede a Thomson (1856-1940), que determinó su existencia y estableció la relación entre sus propiedades gravitacionales y eléctricas en una serie de experimentos destinados a resolver una controversia existente a finales del siglo XIX acerca de la naturaleza de los rayos catódicos. Se había descubierto que al aplicar una diferencia de potencial de varios miles de voltios entre dos electrodos de un tubo de descarga relleno de un gas enrarecido, se producen destellos luminosos, que se propagan a modo de rayos entre los electrodos del dispositivo. Se llamaron rayos catódicos porque viajan desde el electrodo negativo (cátodo) al positivo (ánodo).

Sobre este fenómeno se planteó una discrepancia entre las dos principales escuelas científicas: Por un lado los físicos británicos y franceses consideraban que los rayos catódicos eran un flujo de partículas electrificadas. En cambio, la escuela alemana planteaba que los rayos se producían en el éter (un hipotético medio que supuestamente propagaba la luz) y diferían, tanto de la luz ordinaria, como de los rayos X.

Intentando resolver esta discrepancia, Thomson realizó de forma consecutiva varios experimentos:

Thomson (1856 -1940)

Primero investigó si las cargas negativas se podían separar de los rayos catódicos por medio de magnetismo. Para ello, construyó un tubo de rayos catódicos terminado en un par de cilindros con ranuras, y conectó esas hendiduras a un electrómetro. Observó que si los rayos se desvían de forma que no entren en las ranuras, el electrómetro registra poca carga. De ello concluyó que la carga negativa era inseparable de los rayos.

Tras este hallazgo investigó la desviación de rayos por un campo eléctrico. Otros científicos no la habían observado, pero él creía que sus experimentos eran defectuosos porque contenían trazas de gas. Para demostrarlo construyó un tubo de rayos catódicos con un vacío casi perfecto y con uno de los extremos recubierto de pintura fosforescente. Con este dispositivo verificó que los rayos se desvían bajo la influencia del campo eléctrico y concluyó que se trataba de un flujo de corpúsculos dotados de carga eléctrica.

Finalmente, Thomson determinó la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos comprobando que era independiente de las condiciones en las que se produjeran los rayos y de la naturaleza del gas encerrado en el tubo. Comprobó que el valor de dicha relación era más de un millar de veces superior al del ión Hidrógeno (e/m = 1,758796 × 1011 C/kg), lo que indicaba que las partículas son muy livianas y/o muy cargadas. En el tema sobre electromagnetismo se puede consultar el fundamento del experimento de Thomson, que recibió en 1906 el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la conducción de la electricidad a través de los gases.

Una vez obtenida la relación carga-masa del electrón, se precisaba determinar el valor de una de estas magnitudes para conocer ambas. Tras varios intentos aproximativos de otros científicos, Millikan (1868-1953) lo logró en 1913 mediante un ingenioso experimento que se llamó de la gota de aceite.

Entre 1909 y 1913 Millikan había perfeccionado un complejo montaje experimental, que se representa de forma simplificada en el dibujo adjunto. Básicamente, se trata de aplicar un campo eléctrico entre las placas de un condensador modificando su valor hasta conseguir que se mantenga inmóvil y suspendida una gotita de aceite. En ese momento no actúa el rozamiento del aire con la gota de aceite y se equilibran la fuerza gravitatoria, Fg, y la fuerza electrostática, Fe que actúan sobre ella (la fuerza de empuje sobre la gota se puede despreciar porque la densidad del aceite, unos 800 kg/m3, es mucho mayor que la del aire, 1.29 kg/m3). Por tanto, al ser Fg = Fe , se verifica la relación, mg = qE, de la cual se puede obtener la carga de la gota, q, si se conoce su masa.

Millikan comprobó que los valores de las cargas q de todas las gotas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón, e (e = 1,602 × 10-19 C). Conocida la carga del electrón, se deduce también inmediatamente el valor de su masa, me (me = 9,1 × 10-31 Kg)

En 1923, Millikan recibió el premio Nobel de Física por este trabajo y también por sus investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico.

FOTONES

La teoría electromagnética de Maxwell logró integrar las teorías anteriores sobre la electricidad, el magnetismo y la óptica, e, inicialmente, pareció que podía terminar el debate histórico sobre la naturaleza de la luz. Pero no hubo que esperar mucho para que se reabriera este debate, porque ocurrió curiosamente que en el curso del experimento en el que Hertz produjo y recibió por primera vez ondas electromagnéticas, se observó un fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, para cuya explicación necesitó Einstein (1879-1955), poco después volver a plantear un modelo corpuscular de la luz.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar su experimento en 1887 y dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia. Un año más tarde Hallwachs (1859-1922) y sus colaboradores lo comprobaron iluminando con luz ultravioleta una lámina metálica conectada a un electroscopio cargado negativamente. Poco tiempo después fue interpretado por Lenard (1862-1947), que fue quien dio nombre al fenómeno y lo estudió con mayor detalle. Por sus investigaciones sobre los "rayos catódicos" (haces de electrones emitidos por el efecto fotoeléctrico desde un cátodo metálico) Lenard obtuvo el premio Nobel de física en 1908.

El efecto fotoeléctrico es uno entre varios fenómenos sobre procesos de interacción entre la luz y la materia que no tienen explicación si se aplica a la luz un modelo ondulatorio. En el año 1900, tratando de explicar uno de estos hechos (la llamada radiación del cuerpo negro), Planck (1858-1947) formuló la hipótesis de que la energía que puede absorber o emitir la materia en forma de radiación electromagnética es siempre múltiplo de una cantidad a la que llamó "quantum" o "cuanto de energía". Operativamente, la ley de Planck dice que la energía de un "quantum" es E = h•n, siendo n la frecuencia de la radiación luminosa y h una constante universal llamada constante de Planck (h = 6.63•10-34 J•s).

En 1905 (el mismo año en el que publicó el artículo principal de relatividad especial), Einstein dio un paso más en la hipótesis de Planck y planteó que los "cuantos" de energía no se han de considerar sólo cuando un cuerpo absorbe o emite radiación electromagnética, sino que constituyen la propia radiación (es decir, la luz) cuando ésta se propaga. Con esta hipótesis explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Fue por el esclarecimiento del efecto fotoeléctrico (no por la teoría de la relatividad) por lo que Einstein obtuvo el premio Nobel de física en 1921.Según la hipótesis de Einstein-Planck, la energía que transporta la luz no está uniformemente distribuida en el espacio (como correspondería a una onda), sino concentrada en cuantos de energía sub-microcópicos a los que más tarde se llamó fotones. La fórmula de Planck establece que la energía de un fotón es E = h•n y la energía de una cierta cantidad de luz, con independencia de que esa luz esté viajando, siendo absorbida o emitida, es:

E = N•h•n (siendo N el número de fotones)

Es decir, cada fotón tiene una energía proporcional a la frecuencia de vibración del campo electromagnético y la energía total de la radiación es la resultante de sumar las energías individuales de los fotones que la componen. En 1916 Millikan (1868-1953), más conocido por el "experimento de la gota de aceite", en el que midió la carga del electrón, realizó experimentos destinados a determinar la constante de Planck. En esos experimentos midió la frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados en el efecto fotoeléctrico. Los resultados mostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con la dada por la fórmula de Einstein-Plank. Millikan fue galardonado con el premio Nobel de física en 1923 por sus trabajos para determinar el valor de carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

Para hacer una estimación del orden de magnitud del fotón, vamos a considerar la luz procedente del Sol. Se le puede atribuir una longitud de onda media, l, de 550nm (550•10-9 m) y, por tanto, una frecuencia media de 1.83•10-15 s-1 (n = c/l siendo c la velocidad de la luz, 3•108m/s). Esto significa que la energía de un fotón de luz solar medio es E = 1.17•10-48J. La luz solar que llega a la Tierra tiene una intensidad aproximada de 1800W/m2. Por lo tanto, la radiación solar trae aproximadamente nada menos que 1.54•051 fotones por metro cuadrado y por segundo.

Después formularse la hipótesis de Planck-Einstein, el listado de fenómenos sobre procesos de interacción entre la luz y la materia que no se pueden explicar utilizando el modelo ondulatorio de luz y, en cambio, son fácilmente interpretables usando dicha hipótesis aumentó de forma apreciable. Entre ellos, mencionamos el ya comentado efecto fotoeléctrico, la radiación del cuerpo negro, el efecto Compton, la producción de rayos X (animación adjunta), los espectros discontinuos de absorción y emisión de los átomos, los procesos de aniquilación de partículas produciendo fotones, etc.

En el documento vinculado se exponen algunos de estos hechos y su interpretación en base al nuevo modelo corpuscular de la luz.

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