MIllikan, unidad de la carga eléctrica

MILLIKAN

- UNIDAD DE LA CARGA ELÉCTRICA -

Si usted lector, se ha leído el capítulo sobre Millikan en el libro de Arquímedes a Einstein, al principio de este, el genial autor menciona hipótesis sobre que es la electricidad y sale  la hipótesis de Symmer, la cual dice que la electricidad admite dos fluidos muy tenues, uno positivo (o vítreo) y otro negativo (o resinoso), de propiedades antagonistas,que al combinarse se neutralizan. Ahora, si usted es inexperto sobre la física y la química se dirá ¿qué es lo que acabo de leer?

Para responder a esta cuestión, se ha de tener un mínimo conocimiento de la electrostática. Esta, es una rama de la física que estudia los efectos que se dan en un cuerpo dependiendo de su carga eléctrica. Esta carga, puede ser positiva (a lo que se refiere con vítreo) o negativa (o resinoso). Como en los imanes con los que uno jugaba de pequeño, al acercar dos, ocurrían dos cosas:

• Que se repelieran, que ocurre al intentar unir dos polos con la misma carga.

• Que se uniesen más o menos fuertemente (esto ocurre porque se une un polo positivo con uno negativo. El positivo, a diferencia del negativo, tiene menos electrones en los átomos que los forman y ocurre lo contrario con el negativo, que tienen más electrones (y por ello carga negativa). Así, los átomos ceden electrones (los positivos) y los negativos los asimilan, y en definitiva, se neutralizan (si un ión, tiene 2 electrones más y otro dos menos, al unirse hay el número exacto de electrones si ambos iones fuesen átomos, es decir, se neutralizan. Esta unión entre iones positivos y negativos crean una fuerza de atracción entre las dos masas magnéticas en algunos casos muy fuertes y otras tan débiles que con la mano se puede separar.

Si aún el lector sigue sin saber que ocurre, frote un globo hinchado contra su pelo fuertemente. Tras unos minutos al retirar el globo, el pelo se queda pegado. Este video se aprecia muy bien el fenómeno que esxplica la hipótesis: https://youtu.be/JFv31DpjFIE

Estos experimentos y las nuevas aportaciones a la electrostática que hubo, apoyaron la hipótesis de Symmen, así que al haber una carga positiva (en este caso el pelo o un ión o polo positivo llamado catión) y otra negativa (el globo o ión negativo también conocido como anión), al combinarse se neutralizan (no hay más carga positiva que negativa ni viceversa) y eso causa su unión temporal. Podemos relacionarla con la energía estática de los cuerpos.

En este capítulo el autor se centra bastante en un instrumento que fue esencial para el avance del conocimiento de la física respecto a los átomos y que englobó la participación de diversos profesionales de este campo, como Millikan. Este instrumento es el tubo de descarga. Del propio capítulo podemos extraer que se trata de un tubo, normalmente de vidrio, que se utilizaba para la observación de lo que ocurre durante una descarga eléctrica de gases en función de la presión y del tipo de gas. En los extremos interiores del tubo se colocan dos placas metálicas conectadas externamente a potentes baterías. A la placa metálica cargada negativamente (ver imagen adjunta) se le llama cátodo y a la positiva se le llama ánodo. Cuando se calienta el cátodo (-) este emite un número de electrones, en forma de rayos (rayos catódicos), que se dirigen hacia el ánodo (+) determinando así que los primeros tienen un carácter negativo, pues estos rayos huyen del polo negativo y son atraídos por el polo positivo. Si las paredes internas de vidrio están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Este fenómeno no se lo explicaban los físicos de hace más de 150 años, quienes aparentemente sólo comprendían la dirección de los rayos catódicos. Surgieron diversas hipótesis al respecto y finalmente se descubrió que la varianza de colores y otros fenómenos que se daban en el tubo dependían del gas que este contenía y de su enrarecimiento. Pero ¿de qué forma puede influir el gas en las propiedades físicas que se han de dar dentro del tubo? Nos podemos imaginar que los electrones que conforman los rayos catódicos se van a transmitir de una forma diferente dependiendo de este gas, por lo tanto, esta capacidad de transmisión de energía, a la que llamamos conductividad, va a depender del gas. Con el paso del tiempo, se comprendió que la conductividad aumenta a medida que disminuye la presión del gas y se manifiesta precisamente en estos fenómenos de luces anteriormente citados. Por ejemplo, cuando la presión baja hasta décimas de mmHg, aparecen franjas azuladas. Si seguimos bajando la presión a 0,001 mmHg, aparece una luz verdosa. Podríamos seguir bajando la presión hasta una situación cercana al vacío, pero no decimos hasta conseguir el vacío, porque es imposible que no haya una mínima cantidad de materia en el tubo. Pues bien, hubo un científico inglés, llamado Joseph John Thomson, que se empeñó en intentar extraer la máxima cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos hasta la fecha. Alcanzó un punto en que los rayos catódicos se desviaron a causa de los campos eléctrico y magnético. A continuación, se representa un esquema de un tubo en el que se someten los rayos a fuerzas magnéticas y eléctricas y, como consecuencia, se desvían.

Las conclusiones que obtuvo fueron absolutamente espectaculares y más espectacular fue aún su primer modelo de la estructura de átomos, por el que justifica que el átomo no es indivisible, ya que al aplicar un fuerte voltaje a los átomos de un elemento en estado gaseoso, éstos emiten partículas con carga negativa. Este modelo atómico fue datado en 1904 y fue el primero en incorporar los electrones. Según el propio Thomson, los átomos eran unas minúsculas bolitas de la textura de una esponja de carga eléctrica positiva. En lo que serían los poros de la esponja se encontraban los electrones distribuidos uniformemente en una cantidad tal que la carga eléctrica negativa de todos ellos compensaba exactamente la carga positiva de la esponja.

El siguiente vídeo nos lleva a una explicación quizás más visual del tubo de rayos catódicos y el modelo atómico de Thomson.

https://www.youtube.com/watch?v=p59iyE1aVoo

• Poner desde el minuto 3´ 20´´ (correspondiente a Thomson)

Sin embargo, Rutherford (físico y químico) descubrió que este modelo no era viable porque el átomo realmente se estructuraba en un núcleo atómico con carga positiva que atrae electrones que le orbitan por el exterior y le dan estabilidad. Podemos profundizar más en el vídeo a partir del minuto 4’ 20´´.

4.  En el capítulo, se nombra a Albert Abraham Michelson, que fue un físico y químico que consiguió recibir un premio Nobel de la física en 1907 por su trabajo general en la interferometría, que es una técnica utilizada en astronomía que consiste en combinar la luz proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución, que luego conlleva a que el metro se sustituya por un concepto no físico (es decir una vara en un sótano). Para comprender  el experimento realizado por Michelson y su colaborador Edward Williams Morley hay que entender el fundamento de un interferómetro. Este es un aparato que utiliza las franjas de interferencias para medir distancias con gran precisión.

La luz procedente de una fuente incide sobre un espejo semitransparente A, que en parte se refleja y en parte se transmite. El haz reflejado llega hasta el espejo M2 y vuelve hasta el punto de observación O donde miramos con nuestro ojo. El haz transmitido viaja hacia el espejo M1 pasando a través de una placa de vidrio B y vuelve de nuevo hacia el espejo semitransparente y más tarde al ojo situado en O.La placa B que tiene el mismo espesor que espejo semitransparente es para garantizar que los dos haces 1 y 2 atraviesen el mismo espesor de vidrio. Cuando los dos haces se junten en O formarán un diagrama de interferencias.

Michelson utilizó su interferómetro para medir la variación de la velocidad de la luz en diferentes épocas del año para ver si aumenta o disminuye porque creían que, al igual que el sonido se propaga por un medio gaseoso, acuoso o sólido, la luz se propagaba por un medio: el éter. El éter era una hipotética sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todos los espacios como un fluido, y que podría ralentizar o hacer más rápida la velocidad de la luz, como si la luz fuera un barco y el éter, un río.

Durante el experimento llevado a cabo en julio de 1887 el interferómetro giraba lentamente mientras Morley anotaba las lecturas de las franjas de interferencia. Nunca encontraron cambios en las franjas de interferencias. A pesar de las muchas medidas cambiando la orientación del interferómetro, para distintas horas, días y meses no se observó desplazamiento en la franjas de las interferencias.

Para cualquier orientación del interferómetro las franjas de interferencias permanecían, sin desplazarse, en la misma posición, descartando la posible existencia de este fluído. Hoy en día no se cree más en este gracias a Michelson, aunque se sortea la posibilidad de la existencia de materia y energía oscura que ocupa los espacios ‘vacíos’ del universo.

También, se habla del importantisimo Niels Bohr, físico danés, realizó contribuciones imprescindibles para la comprensión de la estructura del átomo y de la mecánica cuántica. Además ganó el Premio Nobel de la física en 1922. Este propuso un modelo teórico que venía a arrebatar/añadir al modelo atómico de Rutherford. Su modelo decía que los electrones se iban distribuyendo por capas que cuanto más capas haya, más electrones. También decía que si se le aplicaba una una energía en forma de fotón (luz) este electrón se pasa a la capa superior. Si el átomo se le desprendía un fotón pasaría al nivel inferior. Por eso cuando los átomos hacen una reacción química, reducen su energía quedándose más estable. Esa energía es desprendida en forma de calor, luz, electricidad...Por eso cuando se le aplican rayos X a las gotas de aceite, los electrones aumentan capa y el átomo queda ionizado (positivamente).

Ahora, es el momento para tratar el experimento que realizó Millikan y el que le llevó a la fama. Éste consistía en dejar caer gotas de aceite en una recamara y contar el tiempo que pasaba hasta que las gotas cayeran. Con esto averiguamos la velocidad a la que cae y su radio. Luego se pasan los rayos x para ionizar los átomos dando a saber la carga eléctrica de los electrones.

A parte de este experimento, aportó información sobre el efecto fotoeléctrico, el cual consiste en la  emisión de electrones de un metal cuando incide sobre él una radiación electromagnética (una mezcla entre un campo eléctrico y magnético que permite el traslado de energía). En palabras más sencillas, consiste en la expulsión de electrones al hacer que una radiación lumínica (luz a una determinada frecuencia) incida sobre el metal en cuestión. Este efecto se rige por dos leyes:

1. Para cada sustancia hay una frecuencia mínima de radiación electromagnética (si la radicación tiene una menor longitud de onda, no se realiza este efecto)

2. La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación.

Lo que realmente ocurre, es que se le está aplicando energía a un átomo y la prioridad número uno de ellos, es mantener una energía lo más baja posible para estar estables (por ello, los gases nobles, al cerrar capa, la repulsión energética es menor que el resto de su periodo, por lo que tienen menor energía y son más estables). Por esto, los electrones se excitan, pues es la manera de estabilizar la energía del átomo al añadirle esta radiación o energía en forma de fotón (partículas de las que se componen todas las radiaciones electromagnéticas, es decir, rayos X, gamma, la luz... cuya energía depende de la longitud de onda de la luz), los electrones se excitan tanto que llegan a superar la fuerza de atracción al núcleo, saliendo al medio.

Si enmarcamos este proceso en un circuito eléctrico cerrado, podemos crear una corriente de electrones al incidir esta luz (normalmente se trata de luz ultravioleta).

Ahora, viene el momento de pensar para qué sirve este fenómeno. Seguramente, se te haya ocurrido los paneles solares y en efecto, este método de obtención de energía fotovoltaica funciona con este fenómeno. pero además, también se da en los fotorreceptores (para puertas de supermercados, cines o ascensores. al cortar el flujo de luz al pasar, cortas la corriente haciendo que se abran las puertas), en los sensores de las cámaras digitales, en los cines y televisión... en todo lugar donde haya una célula fotosintética funcionando. Este efecto ha ahorrado mucho dinero ya que la iluminación pública ahora se enciende y apaga según la luz ambiental y no hay que encenderlas manualmente las farolas.

Este video explica bien este proceso: https://youtu.be/gH3QtgqJqjw

Además, en esta entrada, queremos dar nuestra opinión sobre un par de aspectos, los cuales son:

 

¿Por qué piensas que es interesante que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos a los que se formaron?

A parte de que sea interesante conocer cómo se trabaja en otros lugares y sus métodos; también me parece muy importante. A un nivel personal, para un científico esta experiencia un constante fuente de conocimiento pues se aprende a trabajar en laboratorios dedicados a un aspecto más específico, usar nuevos materiales y herramientas... Pero a nivel general, el ir a otros centros puede ayudar a la ciencia ya que si un científico que destaca en el campo de los átomos, en un laboratorio distinto al suyo en donde se trabajan los átomos de una manera más peculiar, puede encontrar un hallazgo para la humanidad que sin el equipo extranjero no lo hubiese conseguido (equipo refiriéndome a los científicos que lo componen).

-¿Por qué es recomendable (o no) leer libros de divulgación científica?

Consideramos que leer libros de divulgación científica es importante, sobre todo para estudiantes y profesionales que quieran o que necesiten estar informados sobre los avances de la ciencia y de la tecnología en todas sus facetas. La divulgación es la única fórmula válida para transferir el  conocimiento desde los investigadores a la sociedad en general, primero hacia las empresas que comercializan los productos novedosos o que supongan un claro avance con respecto a lo ya existente, y en segundo término, para la economía, ya que los avances científicos traen progreso y bienestar social.

Finalmente, al haber tratado tanto los átomos a lo largo de esta entrada, no nos hemos fijado en un aspecto fundamental, su forma. Por ello, entre las tres más aceptadas, hemos querido hacer una representación del átomo de Oxígeno utilizando el modelo de Bohr, pues es el que nos parece más factible y posiblemente sea el más acertado que hay. He aquí, nuestro “átomo comestible”: