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

Por Lorenzo Hernández • 21 dic, 2016 • Sección: Hablar de Ciencia

Terminamos el post anterior con el valor de la unidad mínima de electricidad (1,6·10-19 C) calculada por Stoney, la cual bautizó como electrón. Pero en este cálculo había una objeción. Los datos de la electrólisis nos permiten hallar la cantidad de carga durante el transporte de un número enorme de átomos. Por eso se puede decir que en realidad sólo hallamos el valor medio de la carga del electrón. La existencia de una porción mínima de electricidad aún no había sido demostrada.

Stoney introdujo el término “electrón” sin indicación alguna de una masa o energía que pudiese estar relacionada con esta porción de electricidad. Aún no se hablaba de una partícula, sino de determinada porción o cantidad de carga, de lo que hoy llamaríamos cuanto de carga.

A pesar de estas dudas, el “descubrimiento” teórico del electrón ya se había realizado y comenzó a influir en el desarrollo de la física.

En realidad, la existencia del electrón como partícula física independiente fue demostrada en investigaciones de otra índole, relacionadas con el paso de corriente eléctrica a través de los gases.

Como suele pasar en la historia de la ciencia y la tecnología ambas se ayudan para avanzar. Al igual que la invención del telescopio y el microscopio fue un salto de gigante para avanzar en distintas ciencias, la invención, a mediados del siglo XIX, de la bomba de vacío (inventada en 1650 por Otto von Guericke), fue fundamental para el descubrimiento del electrón, ya que hizo posible la extracción de gases de tubos de vidrio y crear vacío.

guericke Las palabras de la ciencia (VIII): el electrón (segunda parte)

Imagen 1: Otto von Guericke

  • En 1869, el físico alemán J. Plücker descubrió que una corriente eléctrica pasaba libremente por un tubo de vidrio del cual se había extraído casi todo el aire. Dentro del tubo surgían rayos invisibles desconocidos anteriormente, los cuales hacían brillar la parte del vidrio  situada frente al electrodo de carga negativa (cátodo). Estos rayos fueron denominados rayos catódicos.
  • El físico inglés W. Crookes descubrió que los cuerpos que están en el camino de los rayos catódicos arrojan sombra. Esto permitió concluir que la propagación de estos rayos es rectilínea.

crookes maltese tube Las palabras de la ciencia (VIII): el electrón (segunda parte)

Imagen 2: Tubo de rayos catódicos. Experimento de Crookes.

  • En otro de los experimentos de Crookes, una pequeña rueda con paletas situada dentro de un tubo era obligada por la acción de los rayos catódicos a moverse por los rieles en los que ella descansaba. Según Crookes, esto se debía a que los rayos catódicos tenían cierta masa.
  • J.B. Perrin estableció que los rayos catódicos transportan carga negativa. Se descubrió que los rayos catódicos en el campo de un condensador eléctrico cargado y en un campo magnético sufrían cierta desviación.

tubo rayos Las palabras de la ciencia (VIII): el electrón (segunda parte)

Imagen 3: Desviación de rayos catódicos.

  • Todos estos datos experimentales juntos sugerían que los rayos catódicos eran un flujo de partículas de carga negativa que se movían a gran velocidad. Los experimentos hacían pensar en una partícula de materia con carga eléctrica negativa. En 1874, Crookes propuso la siguiente hipótesis:

“…hemos obtenido a nuestra disposición las partículas elementales más pequeñas, que con alta probabilidad se pueden considerar la base de la física del Universo”.

Pero para comprobar que eran partículas era necesario hallar experimentalmente la masa y el valor de la carga.

  • Fue J.J. Thomson el que realizó estos experimentos en 1897. Thomson investigó simultáneamente la desviación de los rayos catódicos en el campo eléctrico de un condensador y en un campo magnético.

Como mostraron los cálculos, el ángulo de desviación de los rayos en un campo eléctrico E es

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e = carga de la partícula.

E = intensidad del campo eléctrico.

m = masa de la partícula.

l = longitud del condesador

v = velocidad (desconocida) de la partícula.

Para un campo magnético el ángulo es:

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

B = intensidad del campo magnético.

En los experimentos, Thomson lograba que el ambos ángulos fueran aproximadamente iguales, por lo que, igualando ambas ecuaciones, se puede calcular la velocidad y, seguidamente, hallar el cociente e/m, la denominada carga específica del electrón. Los experimentos demostraron que la magnitud e/m es constante y no depende de la naturaleza del gas. Thomson halló que para los rayos catódicos el cociente e/m era aproximadamente mil veces mayor que el mismo cociente para el ion más ligero del hidrógeno, H+. De acuerdo con esto, Thomson llegó a la conclusión de que la masa de las partículas que forman los rayos catódicos es aproximadamente mil veces menor que la masa del ion de H+. Esta era la primera vez que se formulaba claramente la idea de existencia de una nueva partícula fundamental. En 1906 Sir J. J. Thomson recibió el Nobel de Física por su descubrimiento del electrón.

Referencias:

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

Spiridónov, O. (1986). Constantes físicas universalesMir.

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

Imagen 1: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/g/guericke.htm

Imagen 2: https://www.fayerwayer.com/2011/04/el-tubo-de-rayos-catodicos-viva-el-ingenio/

Imagen 3: http://rabfis15.uco.es/proyecto/Fund_teoricos/thomson.htm

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