Las palabras de la ciencia (VIII): el electrón (primera parte).

Por Lorenzo Hernández • 9 oct, 2016 • Sección: Hablar de Ciencia

Este post es la primera parte de dos artículos dedicados a la primera partícula subatómica descubierta. Trataré el origen de su nombre y quién se lo puso, así como contextualizaré de manera esquemática su descubrimiento. En una segunda parte, que publicaré más adelante, me centraré más en cómo se descubrió y porqué se le atribuye su descubrimiento a J.J. Thomson.

El descubrimiento del electrón se le atribuye a J.J. Thomson debido a que tras sus experimentos se formuló claramente la idea de existencia de una nueva partícula elemental. Pero no fue él quien le dio nombre ni el primero en postular que la electricidad estuviera compuesta por pequeñas partículas. Aunque en estos post no pretendo extenderme en la historia de la ciencia, sino en la etimología y el origen de sus palabras, resaltaré de modo esquemático algunos hitos relevantes sobre la electricidad antes de llegar al concepto de electrón.

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Imagen 1: J.J. Thomson.

  • Los fenómenos eléctricos se observan desde la antigüedad. En el siglo VI a.C. Tales de Mileto descubrió que si el ámbar se frotaba con un pedazo de lana, adquiría la propiedad de atraer los cuerpos ligeros (pluma, hilo). Durante más de dos milenios esta observación fue la única evidencia de este fenómeno físico.
  • El término “electricidad” apareció en 1600, en un libro de W.Gilbert, médico de la reina de Inglaterra. Según su definición,

“los cuerpos eléctricos son los que atraen como el ámbar”.

Gilbert descubrió que una varilla de vidrio se electrificaba si era frotada con un paño de seda.

Pronto hemos llegado al significado etimológico de electrón: ámbar en griego es elektron. Pero sigamos para describir la evolución del concepto y quién le dio nombre.

  • En 1729 el científico inglés S. Gray estableció la clasificación de los materiales conductores de electricidad y aislantes.
  • El físico francés Charles du Fay descubrió que el lacre frotado con una piel también se electrificaba, pero de una manera contraria como lo hacía una varilla de vidrio. Él fue el primero que demostró que los cuerpos electrizados de la misma manera se repelen, y los electrizados de modos diferentes se atraen. Du Fay introdujo dos conceptos para distinguir los dos tipos de electricidad: vítreo y resinoso.
  • El físico norteamericano Benjamín Franklin, en 1747, escribe el primer trabajo donde se intenta explicar teóricamente los fenómenos eléctricos. Para explicar la electrización, Franklin supuso la existencia de cierto “fluido eléctrico” presente en todo cuerpo material. Según él, los dos tipos de electricidad se deben a la existencia de dos tipos de fluidos, positivo y negativo. Franklin notó que si se frota el vidrio con seda, estos materiales se electrizan de maneras diferentes, y esto lo llevó a suponer que las cargas positivas y negativas aparecían simultáneamente y en cantidades iguales. La teoría de Franklin suponía la existencia simultánea de la materia y los dos fluidos eléctricos. Para Franklin la electricidad existía independientemente de la materia. Franklin fue el primero que supuso que la electricidad tenía naturaleza atómica, granulosa:

“la materia eléctrica se compone de partículas, las cuales deben ser extremadamente pequeñas”.

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Imagen 2: Benjamin Franklin.

En aquella época era imposible pensar que esta hipótesis se pudiera demostrar experimentalmente.

Los conceptos fundamentales en la ciencia de la electricidad fueron formulados sólo después de la aparición de las primeras investigaciones cuantitativas.

  • En 1785, el científico francés Charles Coulomb midió la fuerza de interacción de las cargas eléctricas y determinó su ley.

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Imagen 3: Ley de Coulomb.

  • Muy importante para el estudio de la electricidad fue la invención de una fuente adecuada de corriente eléctrica. Una fuente de este tipo, la primera pila eléctrica, fue inventada en 1800 por el italiano A. Volta. Esto dio inicio a las investigaciones de la circulación de la corriente a través de diferentes sustancias.

 Las palabras de la ciencia (VIII): el electrón (primera parte).

Imagen 3: Pila de Volta.

  • Al poco tiempo, en 1801, se demostró que cuando la corriente eléctrica circula en una solución salina en los electrodos se libera cierta sustancia. Este fenómeno se denominó electrólisis y fue la primera indicación de que la materia y la electricidad estaban relacionadas mutuamente.
  • Faraday (1791-1867) realizó importantes investigaciones cualitativas de la electrólisis, y halló que la masa de sustancia liberada en el electrodo durante el paso de la corriente eléctrica es proporcional a la intensidad de la corriente y al tiempo (ley de electrólisis de Faraday). Partiendo se esto, demostró que para que en los electrodos se libere una masa de sustancia igual a M/n (M es la masa molar de la sustancia y n, su valencia) se debe hacer pasar a través del electrolito una carga F estrictamente definida. De este modo, surgió otra constante física universal muy importante, F, la cual, como mostraron mediciones, tiene el valor F= 96484 C/mol. Posteriormente fue denominada constante de Faraday. El análisis de la electrólisis condujo a Faraday a la idea de que los portadores de las fuerzas eléctricas no son los fluidos eléctricos, sino más bien de los átomos, las partículas de la materia:

“Los átomos de la materia-afirmó- están de alguna manera dotados de fuerzas eléctricas”.

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Imagen 4: Michael faraday, 1861.

Faraday descubrió la influencia del medio en la interacción de las cargas eléctricas y halló una forma más precisa de la ley de Coulomb. Basándose en estas investigaciones, Faraday rechazó la acción de las cargas eléctricas a distancia (es decir, sin un medio entre ellas), e introdujo en la física la entonces nueva e importante idea de que el portador y transmisor de la acción eléctrica era el campo eléctrico.

  • En 1820 el físico Danés H. Orsted descubrió experimentalmente la interacción electromagnética. Esta fue la primera vez que estos dos fenómenos, al parece completamente diferentes, fueron relacionados cuno con el otro.

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Imagen 5: esquema del experimento de Oersted

  • Ampere determinó que la relación entre la electricidad y el magnetismo se observa sólo en el caso de la corriente eléctrica (electricidad en movimiento) y no para electricidad estática.
  • J. Maxwell (1831-1879) halló las ecuaciones que relacionan conjuntamente las características eléctricas y magnéticas del campo. Maxwell predijo las ondas electromagnéticas y calculó el valor numérico del coeficiente de proporcionalidad c que figuraba en ellas: c = 300000 Km/s. Resultó numéricamente igual a la velocidad de la luz.
  • Posteriormente, Hertz produjo y detecto dichas ondas electromagnéticas.

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    Imagen 6: James Clerk Maxwell

Todos estos acontecimientos que he comentado nos contextualizan el descubrimiento del electrón pero aún queda en el aire el interrogante de cuál era la naturaleza de la electricidad. Una de las barreras que se encontraban los científicos era que aún la idea del átomo era puesta en duda. Hay que tener en cuenta que hasta 1865 no obtuvo el físico alemán J. Loschmidt el primer valor aceptable del número de Avogadro.

  • Científicos como H. von Helmholtz, en 1881,  expresaron que si se suponía la existencia del átomo la electricidad, tanto positiva como negativa, se podría dividir en determinadas cantidades elementales.
  • El cálculo de esta “determinada cantidad elemental” fue realizado por el físico irlandés G. Stoney (1826-1911). Este calculo sería el siguiente:

Para la liberación de un mol de un elemento monovalente durante el proceso de electrólisis, se adquiere una carga igual a 96484,5 C. En un mol hay 6,022·1023 átomos. Si dividimos la constante de Faraday entre el número de Avogadro (Na), obtenemos la cantidad de electricidad necesaria para la liberación de un átomo de sustancia. Por lo que la porción mínima de electricidad es:

e = F/Na = 1,6·10-19 C

  • En 1891 Stoney propuso darle el nombre de electrón a esta porción mínima de electricidad.

Esto fue aceptado por todos. No obstante, aún había mucho por hacer para aclarar el sentido de este concepto. Es lo que contaré en el siguiente post dedicado al electrón.

Fuentes:

Gamow, G. (1971). Biografía de la Física. Salvat.

Spiridónov, O. (1986). Constantes físicas universales. Mir.

Alemañ Berenguer, R. (2013). CONSTANTES. El enigma de los números mágicos que rigen el Universo. ALMUZARA.

Imagen 1: Fuente: http://astrojem.com/

Imagen 2, 3, 4: wikipedia.

Imagen 5: http://elfisicoloco.blogspot.com.es/

Imagen 6: www.astronoo.com

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