descubrimiento del electron

EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON

Experimentos realizados por J.J.Thomson en 1897 llevan al descubrimiento de un trozo fundamental de la materia.

La primera partícula subatómica

Para explicar la conexión entre la electricidad y la materia, algunos científicos en el a fines del siglo diecinueve afirmaban que deberia ser una unidad fundamental de la electricidad. En 1891 el físico irlandés, George Stoney, llamó esta unidad el electrón.

En 1897 en Cambridge, J J Thomson experimentaba con rayos catódicos. En Gran Bretańa, los físicos debatian si estos rayos eran partículas, pero los físicos alemanes discreparon, ellos pensaban que eran un tipo de radiación electromágnetica. Thomson mostró que los rayos catodicos eran partículas con una carga eléctrica negativa y mucho más pequeńo que un atomo y pensaba que todos los átomos las poseian. Estas partículas más adelante fueron llamadas electrones.

Experimentos similares también fueron realizados por Emil Weichert y Walter Kaufman. Pero estaban menos seguros que Thomson ,en lo referente que las partículas que habían encontrado eran más pequeńas que un atomo.

Rayos Catodicos

Faraday realizó varios experimentos con electricidad, trató de enviar una descarga eléctrica a través del vacío,pero no pudo conseguir un vacío lo suficientemente perfecto para su propósito. En 1854, un soplador de vidrio alemán, Heinrich Geissler, inventó una bomba de vacío adecuada y fabricó un tubo de vidrio en cuyo interior iban electrodos de metal en un vacío de calidad sin precedentes hasta entonces. Cuando se logró producir descargas eléctricas en dicho tubo,se observo que en la pared opuesta al electrodo negativo aparecía un resplandor verde. El físico alemán Eugen Goldstein sugirió, en 1876, que tal resplandor verde se debía al impacto causado en el vidrio por algún tipo de radiación originada en el electrodo negativo, que Faraday había denominado "cátodo". Goldstein dio a la radiación el nombre de "rayos catódicos".

Para comprender la base de estos experimentos,que llevaron al descubrimento del electron,es necesario estudiar la conduccion en los gases.

Conduccion en los gases

A diferencia de un metal o un electrolito, un gas, libre de influencias exteriores, no contiene cargas libres que sirvan como portadoras en un campo electrico. Sin embargo, los gases pueden hacerse conductores por diversos medios, en todos los cuales algunas de las moleculas se ionizan por desprendimiento de uno o mas de sus electrones exteriores. Algunos de estes electrones pueden despues unirse a moleculas neutras formando iones negativos, de modo que en un gas ionizado hay presentes ordinariamente iones positivos y negativos y electrones libres.

Para ionizar una molecula, es necesario suministrarle energia de algun modo. Esto puede suceder como resultado de una colision con una molecula, ion o electron que se mueva rapidamente, o por la accion de un cuanto de radiacion (un foton). La expresion agente ionizante se aplica a los medios que producen la ionizacion. A continuacion se indican los agentes ionizantes mas corrientes.

Rayos cosmicos.En la superficie terrestre los rayos cosmicos son una mezcla de electrones rapidos positivos(positrones) y negatives, mesotrones, protones y fotones de elevada energia. Al nivel del mar los rayos cosmicos producen de 1 a 2 iones por centimetro cubico de aire y por segundo. Como los rayos cosmicos penetran muchos metros a traves de la materia, es imposible proteger un gas de ellos. Hay, por consiguiente, presentes en cualquier muestra de gas algunos iones y, por ello, el gas es siempre ligeramente conductor. Precisamente la investigacion de la causa de esta pequena conductividad residual fue lo que condujo al descubrimiento de la radiacion cosmica.

Radiactividad.Las sustancias radiactivas se encuentran presentes en cantidades minimas en todos los componentes de la corteza terrestre. Los rayos alfa,beta y gama emitidos por ellas ocasionan una pequena ionizacion de la atmosfera terrestre.

Emision fotoelectrica. La luz puede liberar electrones de los atomosde un gas, exactamente igual que se liberan de las superficies metalicas en el efecto fotoelectrico.

Rayos X. Los rayos X, como la luz, son fotones y ionizan un gas cuando pasan a traves de el. Ionizacion por choque.

Ionizacion por choque.La ionizacion por choque es el medio principal de producir iones en la mayor parte de los casos de conduccion gaseosa. Iones positivos, negativos y electrones son acelerados por el campo electrico existente en el gas y pueden adquirir energia suficiente para ionizar una molecula neutra cuando tiene lugar un choque. Todos los procesos anteriores,se traducen en la produccion de iones o electrones. Sin embargo, el numero de iones en un gas conductor no aumenta indefinidamente, porque desaparecen iones por recombinacion, por difusion a traves de las paredes, o bien son atraidos hacia los electrodos por el campo electrico. Al fin se alcanza un estado estacionario cuando la cantidad de iones formados por unidad de tiempo es igual a la de los que desaparecen en el mismo intervalo. Una corriente en un gas se denomina descarga. Estas descargas pueden clasificarse en autoentretenidas y no autoentretenidas. En el primer tipo la propia descarga proporciona un suministro continuo de iones; en el ultimo el suministro depende de algun manantial exterior.

El descubrimiento del electrón emergió de estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Durante mucho tiempo se han utilizado distintos medios para realizar descargas electricas en gases,los tubos de descarga del tipo Crookes; a fines del siglo pasado, en Inglaterra, el interés sobre el fenómeno de los rayos catódicos fue popularizado por las espectaculares demostraciones de William Crookes. Aunque Crookes no haya contribuido profundamente al debate acerca de la naturaleza de los rayos catódicos, con sus prolíficas exhibiciones provocó el interés de muchas personas. Se pueden ver la siguiente pagina Crookes tubes,o como la siguiente tomada de un viejo grabado de principio de siglo,en algunos experimentos se observa la luz que emana del tubo,en otros los efectos mecanicos y termicos y aun como un iman modifica los mismos(vease el iman en uno de los dibujo).

Crookes diseñó versiones mejoradas del tubo de Geissler , con las cuales pudo demostrar que los rayos eran desviados por un imán. Esto significaba(hipoteticamente para los investigadores de ese tiempo) que dichos rayos estaban formados por partículas cargadas eléctricamente,a continuacion se estudiara algunos aspectos de la descarga en un gas,para poder comprender el fundamento de estos experimentos. Descarga en un gas.

La siguiente figura representa un tubo de vidrio con electrodos sodados en sus extremos y contiene gas a baja presion :

Supongamos que aumentamos gradualmente la diferencia de potencial entre los electrodos,partiendo de cero.A causa de algunos pocos iones formados por los rayos cosmicos o por otros medios,el gas sera muy ligeramente conductor aun a potenciales bajos.

Al principio la corriente electrica es muy baja,si conectaramos un microamperimetro(50 microamper de fondo de escala) en serie con el tubo no llegariamos a dectectar nada,para el estudio de estas corrientes se utilizan instrumentos mas sensibles denominados electrometros,a medida que aumentamos la tension se llega a un punto que se alcanza la tension critica,en ese momento la corriente aumenta muy rapidamente mientras que la tension diminuye(resistencia negativa).El gas del interior del tubo se hace luminoso,de donde deriva el termino descarga luminiscente.

Se observa una notable diferencia en los aspectos del gas junto al catodo y al anodo,una vez que la descarga comienza,la forma depende de la presion del gas dentro dl tubo y cambia a medida que la disminuimos. El siguiente dibujo,se presenta el fenomeno en forma esquematica:

La superficie del catodo se recubre de una capa delgada de gas luminoso llamada vaina catodica.Inmediatamente despues sigue una region relarivamente no luminosa llamada espacio oscuro de Crookes.Despues de este espacio hay uan Segunda region luminosa,azul si la descarga es el aire,llamada luz negativa.Siguiendo a esta hay otra region casi oscura llamada espacio oscuro de Faraday y despues la columna positiva o plasma que ocupa el resto del tubo.La columna positiva esta a veces dividida en partes alternativamente luminosas y no luminosas llamadas estratificaciones.

La descarga se hace autoentretenida a causa,principalmente,de los procesos que tienen lugar en el espacio oscuro de Crookes y en la superficie del catodo.

Los iones positivos formados en el espacio oscuro de Crookes por los electrones procedentes del catodo,son acelerados hacia el catodo y cuando gopean su superficie pueden quedar en libertad electrones secundarios.Si cada electron emitido produce suficientes iones positivos para liberar otro electron secundario produce un estado estacionario y la descarga es autoentretenida.

El descubrimiento del electrón

El electrón desempeńa un papel fundamental en cada ramificación de la ciencia pura y aplicada y el descubrimiento de Thomson marcó un avance importante en nuestra comprensión de la naturaleza. Lo que sigue es una descripcion de su trabajo y de los experimentos que condujeron al descubrimiento.

Bajo condiciones normales un gas es un pobre conductor de la electricidad. Sin embargo,como se vio el gas en un tubo de vidrio que está a una presión reducida y si una tension se aplica a través de dos electrodos dentro del mismo, una descarga ocurre y el gas conduce. Cuando las técnicas experimentales hicieron posible disminuir la presión del tubo a niveles de 0.01 a 0.001 mm Hg, aparece una corriente de rayos, conocida como rayos catódicos, se comprobó que en la pared opuesta al electrodo negativo aparecía una fluorescencia verde(el color depende del tipo de vidrio). A partir de la época de su descubrimiento por el físico alemán Plucker en 1858 había mucha controversia sobre la naturaleza de los rayos catódicos. El físico alemán Eugen Goldstein sugirió, en 1876, que tal resplandor verde se debía al impacto causado en el vidrio por algún tipo de radiación originada en el electrodo negativo, que Faraday había denominado "cátodo". Goldstein dio a la radiación el nombre de "rayos catódicos".

La mayoría de los físicos alemanes pensaron eran una cierta forma de radiación, mientras que los físicos británicos pensaron que eran partículas cargadas negativamente. En 1897 Thomson realizo una serie de experimentos que demostraron concluyente que la segunda visión era la correcta.

Una observación dominante hecha por Thomson era que los rayos catódicos son desviados por un campo eléctrico. Hertz lo había intentado y no había podido observar tal desviación, que le dio una visión de que los rayos catódicos no son partículas eléctricas. Thomson penso que la razón del experimento fallido de Hertz era que el gas en el tubo no estaba a una presión suficientemente baja. Por lo tanto, los iones positivos y negativos en el gas neutralizaron el campo eléctrico que Hertz aplicaba. Thomson redujo la presión y observó una desviación.

Las características básicas de los aparatos de Thomson se muestran en el siguiente dibujo:

El cátodo C está a un potencial negativo de vario cientos voltios respecto del ánodo S1. Los rayos catódicos viajan hacia el ánodo y pasan a través de una abertura en ella. Continúan a través de una segunda abertura en S2, viajando en línea recta (mostrado en negro en el dibujo)hasta el extremo del tubo en O, donde golpean contra la pared y producen una mancha fosforescente bien definida y estrecha. P1 y P2 son un par de las placas paralelas de metal a través de las cuales una diferencia potencial puede ser aplicada. Esto da lugar a un campo eléctrico en el espacio entre ellas a lo largo de cuál viajan los rayos catódicos. Si la placa P1 es positiva los rayos catódicos se desvían hacia arriba. Siguen el camino mostrado en rojo y producen una mancha fosforescente en A. Una escala se pega en el exterior del tubo para medir desviación.

En vez de un campo eléctrico, un campo magnético se puede utilizar para desviar las partículas. Esto se realiza colocando dos bobinas (no mostradas en el dibujo) de cada lado del tubo de descarga en la región de P1 y de P2. Cuando una corriente atraviesa las bobinas, un campo magnético perpendicular se produce al campo eléctrico anterior y a la dirección de los rayos catódicos. Esta dirección es tal que los rayos catódicos son desviados hacia abajo y siguen el camino azul en el diagrama.

Thomson determinó la velocidad de los rayos catódicos aplicando los campos eléctricos y magnéticos simultáneamente y ajustando sus magnitudes relativas de modo que las desviaciones que produjeron fueran iguales y contrarias,no se produce ninguna desviacion de la mancha luminosa en O. La fuerza en una carga e en un campo eléctrico E es Ee mientras que la fuerza debido a un campo magnético B cuando la carga se está moviendo con la velocidad v es Bev Los campos eléctricos y magnéticos fueron aplicados para actuar en la misma longitud de camino d de los rayos. Puesto que las dos desviaciones son iguales(no hay desviacion), las dos fuerzas son iguales, es decir Ee = Bev y la velocidad de las partículas esta dada por la relación simple v = E/b, Thomson entonces midió la desviación producida por el campo eléctrico solamente. Esto, combinado con los valores de E, v y d dio el valor de la relación de la carga e a la masa m de las partículas.

Se dice que Thomson descubrio el electrón ,porque se basa en dos observaciones importantes. Primero, encontró que el valor de e/m estaba en el orden 1000 veces mayor que el valor para la partícula más ligera entonces conocida, que era el ion de hidrógeno en electrólisis. En la asunción que la carga era igual para ambas partículas, esto significó que la masa de la nueva partícula era del orden 1000 veces menor que el del átomo de hidrógeno (ahora sabemos que es 1837 veces menor). En segundo lugar, él repitio las medidas para diversos gases y para diversos materiales de los electrodos y encontró que el valor de e/m era independiente de la naturaleza del gas y del material del electrodo. En otras palabras la partícula que él había descubierto era un componente universal de la materia. Resumió sus conclusiones en el Philosophical Magazine de octubre de 1897:

" tenemos en los rayos catódicos, materia en un nuevo estado, un estado en el cual la subdivisión de la materia se lleva mucho más lejos que en el estado gaseoso ordinario; un estado en el cual toda la materia es de una y de la misma clase; esta materia es la sustancia de la cual se componen todos los elementos químicos."

Thomson hizo el primer aviso de la existencia del electrón o del corpúsculo como él lo llamó en una reunión de la institución real el 30 de abril de 1897. La palabra electrón acuńado originalmente por Johnstone Stoney en 1891 y usado en otro contexto, fue aplicado casi inmediatamente por otros científicos al corpúsculo de Thomson, pero Thomson mismo no adoptó el uso universal hasta casi veinte ańos más tarde.

Eduardo Ghershman,21.5.2001. enlace a CIENCIA