EL ELECTRÓN by R. Chang

El electrón

En la década de 1890, muchos científicos estaban interesados en el estudio de la radiación, la emisión y transmisión de la energía a través del espacio en forma de ondas. La información obtenida por estas investigaciones contribuyó al conocimiento de la estructura atómica. Para investigar sobre este fenómeno se utilizó un tubo de rayos catódicos, precursor de los tubos utilizados en los televisores (figura 2.3). Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metálicas y se conectan a una fuente de alto voltaje, la placa con carga negativa, llamada cátodo, emite un rayo invisible. Este rayo catódico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada ánodo, que atraviesa por una perforación y continúa su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza el extremo, cubierto de una manera especial, produce una fuerte fluorescencia o luz brillante.

En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catódicos, dos placas cargadas eléctricamente y un electroimán (véase la figura 2.3). Cuando se conecta el campo magnético y el campo eléctrico permanece desconectado, los rayos catódicos alcanzan el punto A del tubo. Cuando está conectado solamente el campo eléctrico, los rayos llegan al punto C. Cuando tanto el campo magnético como el eléctrico están desconectados, o bien cuando ambos están conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teoría electromagnética, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imán y puede interactuar con los campos magnéticos y eléctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catódicos son atraídos por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partículas con carga negativa. Actualmente, estas partículas con carga negativa se conocen como electrones. En la figura 2.4 se muestra el efecto de un imán sobre los rayos catódicos.

El físico inglés J. J. Thomson,3 utilizó un tubo de rayos catódicos y su conocimiento de la teoría electromagnética para determinar la relación entre la carga eléctrica y la masa de un electrón. El número que obtuvo fue de -1.76 x 108 C/g, en donde C es la

FIGURA 2.3 Tubo de rayos catódicos con un campo eléctrico perpendicular a la dirección de los rayos catódicos y a un campo magnético externo.

Los símbolos N y S representan los polos norte y sur de un imán. Los rayos catódicos alcanzan el final del tubo en el punto A, en presencia de un campo magnético; en el punto C, en presencia de un campo eléctrico, y en el punto B, cuando no hay campos externos presentes o bien cuando los efectos del campo eléctrico y del campo magnético se cancelan mutuamente.

3Joseph John Thomson (1856-1940). Físico británico, recibió el Premio Nobell de física en 1906 por el descubrimiento del electrón.

FIGURA 2.4 a) Rayos catódicosproducidos en un tubo de descarga.Por si mismos, estos rayos soninvisibles; el color verde se debe a lafluorescencia que produce el sulfurode zinc, que recubre al tubo. b) Los rayos catódicos son desviados por la presencia de un imán.

unidad de carga eléctrica, en coulombs. Más tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan 4 llevó a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrón con gran precisión. Su trabajo demostró que la carga de cada electrón era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analizó el movimiento de minúsculas gotas de aceite que adquirían carga estática a partir de los iones del aire. Suspendía en el aire las gotas cargadas mediante la aplicación de un campo eléctrico y seguía su movimiento con un microscopio (figura 2.5). Al aplicar sus conocimientos sobre electrostática, Millikan encontró que la carga de un electrón es de -1.6022 x 10-19 C. A partir de estos datos calculó la masa de un electrón:

masa de un electrón = carga /(carga/masa) 

= -1.6022 x 10-19 / -1.76 x 108 C/g

= 9.10 x 10-28 g 

Que es un valor de masa extremadamente pequeño.

FIGURA 2.5 Diagrama esquemático del experimento de Millikan de la gota de aceite.

4 Robert Andrews Millikan (1868-1953). Físico norteamericano, galardonado con el Premio Nobel de fisica en 1923 por la determinación de la carga del electrón.