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.