El descubrimiento del electrón
Los rayos catódicos
El estudio de las descargas eléctricas en gases adquirió a finales del siglo XIX una importancia insospechada cuando ayudó a establecer una relación entre la hipótesis atómica de la materia y los principios del electromagnetismo. Se descubrió 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 producían destellos luminosos que se propagaban a modo de rayos entre los electrodos del dispositivo. Estas radiaciones se llamaron rayos catódicos porque siempre viajan desde el electrodo negativo (cátodo) al positivo (ánodo).
El electrón
Para estudiar las propiedades de los rayos catódicos, el científico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) diseñó un dispositivo formado por un tubo de vacío en cuyos extremos se situaban dos electrodos metálicos a los que se aplicaba una diferencia de potencial elevada. Los rayos catódicos emergentes del cátodo se hacían pasar por un colimador para limitar la anchura del haz y, después, por unas placas metálicas en las que se aplicaba un campo eléctrico. Finalmente, los rayos se proyectaban sobre una pantalla fluorescente.
Esquema del experimento realizado por Thomson para el descubrimiento del electrón en los rayos catódicos.
Con este esquema,Thomson observó que el campo eléctrico desviaba los rayos catódicos en sentido vertical hacia la placa positiva. Ello demostraba la carga eléctrica negativa inherente a estos rayos y la existencia de una masa y de la consiguiente inercia, que impedía que fueran absorbidos por la placa. Por tanto, debía existir una partícula elemental constituyente de los rayos catódicos, a la que se llamó electrón.
Thomson determinó el valor de la relación entre la carga e y la masa m del electrón, que hoy día se acepta como:
Experiencia de Millikan
Después del descubrimiento de Thomson sobre la relación carga-masa del electrón, sólo restaba determinar el valor de una de estas magnitudes para conocer las propiedades básicas de esta partícula elemental. De ello se encargó, tras varios intentos aproximativos de otros investigadores, el estadounidense Robert A. Millikan (1868-1953).
Entre 1909 y 1913, Millikan perfeccionó un complejo montaje experimental, basado en esencia en el uso de un modelo en el que la aplicación de un campo eléctrico intenso entre las placas de un condensador permite mantener inmóvil y suspendida una gotita de aceite por equilibrio de las fuerzas gravitatoria y electrostática que actúan sobre ella.
Tras arduas pruebas experimentales, Millikan logró determinar la carga del electrón conociendo la masa de la gota y la intensidad del campo eléctrico aplicado. Hoy día, el valor admitido de esta carga es igual a 1,60210 · 10-19 C.
A raíz de ello y de la relación de Thomson puede deducirse la masa del electrón, que resulta igual 9,1091 · 10-31 kg (aproximadamente 1.836 veces menor que la del átomo más ligero, el hidrógeno).
La experiencia de Millikan sirvió también para constatar que la del electrón es la unidad fundamental de carga eléctrica.
Esquema del experimento de Millikan con el que determinó la carga y la masa del electrón.a Se produce un equilibrio de fuerzas que se traduce en la gota inmóvil. b La carga de la gota es negativa.
El protón y el neutrón
El inglés Joseph John Thomson investigó también, en la década de 1910, las propiedades de los llamados rayos canales o positivos, que se producían en tubos de descarga en la región del ánodo y se precipitaban hacia el cátodo a grandes velocidades. Estos rayos se veían afectados por campos eléctricos y magnéticos interpuestos en su trayectoria, lo que demostraba que estaban compuestos por partículas con masa y provistas de una carga eléctrica positiva. Hacia 1920, estas partículas fueron identificadas por Ernest Rutherford al bombardear nitrógeno con partículas alfa (núcleos de helio). Rutherford les asignó el nombre de protones.
El descubrimiento del neutrón, la tercera partícula constituyente de los átomos, hubo de esperar hasta 1932, cuando el físico inglés James Chadwick (1891-1974) observó las peculiaridades del comportamiento de los átomos del berilio al ser bombardeados por partículas alfa. Este bombardeo provocaba la emisión por los átomos de una radiación compuesta por partículas de masa aproximadamente igual a la del protón y carga eléctrica nula, ya que no era desviada por los campos eléctricos.
La constatación de la existencia de electrones, protones y neutrones como partículas constituyentes de los átomos de los elementos conocidos abrió nuevos horizontes a la interpretación sobre la condición de la materia y la energía, y auspició un extraordinario desarrollo de la física, la química y la tecnología.Hipótesis atómica
Aunque los antecedentes de la hipótesis atómica de la composición de la materia se remontan a la antigua Grecia, el primer enfoque moderno de esta teoría se debe al inglés John Dalton, quien la sustentó en cuatro principios: los elementos químicos están formados por conjuntos de partículas idénticas llamadas átomos; el átomo de un elemento tiene un peso distinto a los de otros elementos; los átomos son indivisibles, y no pueden ser creados ni destruidos. Algunas de estas ideas han quedado desfasadas (los átomos no son indivisibles y pueden destruirse y crearse), si bien el principio de la naturaleza atómica de la materia se mantiene vigente en los modelos teóricos actuales.
Robert Millikan
El físico estadounidense
(1868-1953) fue galardonado en 1923 con el premio Nobel de Física por sus extraordinarias contribuciones al desarrollo de la teoría atómica, con su determinación de la carga del electrón y sus estudios sobre el efecto fotoeléctrico.
Joseph John Thomson
El científico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) es conocido por sus investigaciones sobre la estructura del átomo, que condujeron al descubrimiento del electrón, la primera partícula elemental conocida en la historia de la física.
Tras descubrir el electrón, J. J.Thomson propuso un modelo atómico constituido por una esfera cargada positivamente y con casi toda la materia del átomo sobre la que flotaban los electrones. Aunque era rudimentario y pronto fue desechado, este modelo sirvió de base a las investigaciones que permitirían establecer el concepto de átomo estructurado como un núcleo central y una corteza electrónica.