¿Es bella la física?: mayo 2015

Millikan (1868-1953) fue un físico experimental estadounidense que alcanzó la fama por su conocido "experimento de la gota de aceite", experimento realizado por él y Harvey Fletcher en 1909, con el fin de determinar la carga de un electrón.

Teniendo en cuenta la fuerza gravitatoria de las gotas de aceite, la fuerza de rozamiento del aire y la fuerza eléctrica de las gotas, y llevando a cabo el experimento con admirable precisión, Millikan consiguió un resultado extremadamente aproximado al que poseemos en la actualidad.

HIPÓTESIS DE SYMMER

Symmer definía la electricidad como dos fluidos muy tenues. Siendo uno de los fluidos de carga positiva o vítreo, y el otro de carga negativa o resinoso. Las cargas de ambos fluidos hacen que en combinación, queden neutralizados. El hecho de que el fluido positivo recibiera el nombre de vítreo, se debe a que al frotar una varilla de vidrio con una tela de seda, se carga positivamente. Por otro lado, el fluido negativo, recibía el nombre de fluido resinoso, dado que, al frotar una barra de lacre o un trozo de ámbar con un trozo de lana, éste se carga de manera negativa.
Esta hipótesis sirvió para explicar de forma simplificada lo que era la electricidad, pero realmente no se debía emplear para atribuirles a los fluidos positivo y negativo, más alcance del que realmente tienen.
La hipótesis de Symmer trata de explicar la electrostática. Esta rama de la física que explica los efectos de los cuerpos a raíz de las cargas eléctricas. Se dan entre los objetos acciones de repulsión y atracción, y estos efectos son difícilmente analizables sin determinar la electricidad como si fueran partículas, materia o algún tipo de fluido. Ésta fue la razón de ser de la hipótesis de Symmer, explicar de alguna manera el concepto de electricidad para que pudiera ser analizado.
Las siguientes imágenes muestran un ejemplo de electrostática con dos globos y ropa.

Al principio el jersey tiene electrones (carga negativa).

El jersey pierde electrones al frotar los globos con la ropa, y pasan a estar en los globos, que ganan electrones. El jersey es electropositivo y los globos electronegativos. Entre el jersey (carga positiva) y los globos (carga negativa) se produce una atracción.

TUBO DE DESCARGA

Joseph John Thomson se dedicó a extraer la mayor cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos posible, y hacer que en el interior de los tubos se creara el más alto vacío alcanzado hasta la época. Los rayos se veían desviados por los campos magnéticos. El gas remanente en los tubos era conductor de la electricidad, de modo que éste neutralizaba el efecto que tenía el campo eléctrico aplicado a los tubos, y de esta forma sabemos que éste no curvaba los rayos catódicos. Los rayos estaban cargados negativamente, y si la carga de sus partículas era enorme, siendo su masa más liviana que la del más ligero de los elementos (el hidrógeno), se aplicaban las leyes conocidas de campos eléctricos y magnéticos aplicados a partículas cargadas.

Electrones (carga negativa) dirigidos a un hidrógeno, creando fotones (partículas elementales de la radiación electromagnética, incluyendo rayos X, rayos gamma, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja,...)

Electrones (carga negativa) dirigidos a diversos átomos de mercurio, creando fotones.

Electrones (carga negativa) dirigidos a diversos átomos de sodio, creando diversos fotones.

Electrones dirigidos a diversos átomos de neón, creando fotones.

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

Es un modelo de la estructura del átomo propuesta por John Joseph Thomson en el año 1904. Thomson descubrió el electrón, pero lo hizo mucho antes de que se conociera la existencia de los protones (partículas subatómicas de carga negativa) y los neutrones (partículas subatómicas de carga neutra). En este modelo, el átomo es descrito estando compuesto por electrones de carga negativa en un átomo de carga positiva. Se compara la forma en la que los electrones se encontraban en el átomo de carga positiva, con un plum pudding, es decir un pudin de ciruelas. Según el modelo de Thomson, los electrones se distribuían uniformemente suspendidos una nube de carga positiva.

Este modelo explicaba adecuadamente muchos de los hechos que se podían observar en los rayos catódicos, pero predijo erróneamente la distribución de la carga positiva en los átomos.

Las predicciones que el modelo atómico de Thomson hacía de la distribución de las partículas subatómicas en los átomos eran incompatibles con los resultados obtenidos por el experimento de Rutherford, que daba a entender que la carga positiva de los átomos, está concentrada en una región en centro del átomo (el núcleo atómico). El modelo atómico de Rutherford revelaba la existencia de un núcleo de alta densidad cargado positivamente.

Por otro lado, ni el modelo de Thomson, ni el de Rutherford, consideraron las irregularidades que se dan en la tabla periódica, que se deben a que los electrones tienen una disposición estructurada en el átomo, que ni el modelo de Thomson, ni el de Rutherford consideraban.

Millikan trabajó en la Universidad de Chicago, con Albert Michelson como superior. Este físico realizó junto con Morley, un experimento que ha pasado a la historia por tratarse de la primera prueba en contra de la validez de la teoría del éter.

TEORÍA DEL ÉTER

La física de finales del siglo XIX postulaba que, al estar demostrado que las olas y el sonido son ondas que necesitan un medio para transportarse, la luz necesitaba un medio, al que llamaron éter. El éter era una hipotética sustancia muy liviana que ocupaba todos los espacios y justificaba la manera en la que viaja la luz. Al ser la velocidad de la luz tan grande, el poder detectar si la existencia del éter era verídica era extremadamente difícil.

EXPERIMENTO DE MICHELSON Y MORLEY

A-Fuente luminosa

B-Espejo posicionado en un ángulo determinado

C-Espejos

D-Punto común (patrón de interferencia)

El objetivo de Michelson y Morley era medir la velocidad de la luz en relación con la velocidad de movimiento de la Tierra con respecto al hipotético éter.
La Tierra recorre una distancia enorme en su órbita alrededor del Sol, a una velocidad de 30km/s. Se pensaba que la dirección del viento del éter con respecto a la posición del Sol variaría al ser medida desde la Tierra, y de esta forma el éter podía ser detectado.
Se pensaba que el viento del éter facilitaba o dificultaba el viaje de las ondas de luz, dependiendo de su posición. Si la hipótesis de la existencia del éter, se corroboraba, al cambiar la sustancia denominada éter de orientación o posición, debería tener un efecto notables sobre la velocidad a la que llegaría la luz a la Tierra. Lo fascinante de este experimento radica en el hecho de que Michelson fue capaz de medir la mínima diferencia de velocidades en viajes circulares diseñándolo.
En este experimento Michelson y Morley crearon un interferómetro en un edificio cercano al nivel del mar. Este instrumento que se utiliza para medir la interferencia de las ondas de luz, se compone de una lente semiplateada o semiespejo, que divide la luz en dos haces de luz que viajan en un ángulo determinado el uno respecto al otro. De esta forma se conseguía crear dos rayos de luz procedentes de una misma fuente luminosa, que recorrían distancias iguales y quedaban recogidos en un punto común, en donde se da un patrón que difiere según la velocidad de la luz. Si se da una diferencia en la velocidad, causada hipotéticamente por la existencia del éter, éste patrón cambiaría y lo indicaría.
Aunque Michelson y Morley esperaban encontrar desplazamiento en las franjas de interferencia, no se detectó nada y ello fue recibido por la comunidad científica, que había aceptado la teoría del éter, con una gran sorpresa. Tras el experimento, se extrayeron las siguientes conclusiones:

El éter carece de propiedades medibles, y eso hace que la hipótesis de la existencia del éter sea imposible.
Se empezaron a establecer principios físicos nuevos: la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y una constante universal.

MODELO ATÓMICO DE BOHR

Bohr unió la idea de átomo nuclear de Rutherford con las ideas de una nueva rama de la Ciencia: la Física Cuántica. Así, en 1913 formuló una hipótesis sobre la estructura atómica en la que estableció que los átomos se distribuyen en capas de las cuales la exterior es la mas propensa a perder o ganar electrones.

Se basa en los siguientes postulados:

- Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía:

El electrón no puede girar en cualquier órbita, sino sólo en un cierto número de órbitas estables. En el modelo de Rutherford se aceptaba un número infinito de órbitas. Cuando el electrón gira en estas órbitas no emite energía.

-No toda órbita para electrón está permitida, tan sólo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla que el momento angular del electrón sea múltiplo entero de h/2π.

- Un electrón sólo emite energía o la absorbe en los saltos de una órbita a otra. Cuando realiza este cambio, emite o absorbe un fotón que es la diferencia energética entre ambos niveles

Cuando un átomo estable sufre una interacción, como puede ser el impacto de un electrón o el choque con otro átomo, uno de sus electrones puede pasar a otra órbita estable o ser arrancado del átomo.

El átomo de hidrógeno según el modelo atómico de Bohr:

El átomo de hidrógeno tiene un núcleo con un protón.
El átomo de hidrógeno tiene un electrón que está girando en la primera órbita alrededor del núcleo. Esta órbita es la de menor energía.
Si se le comunica energía a este electrón, saltará desde la primera órbita a otra de mayor energía. Cuando regrese a la primera órbita emitirá energía en forma de radiación luminosa.

Ionización gotas de aceite por rayos X

Las gotas de aceite que Millikan en su experimento sometía a rayos X, se ionizaban. Los rayos X son haces de electrones muy energéticos que se desaceleran al impactar con un blanco metálico. A raíz de este choque, los rayos pasan a tener una longitud de onda mínima, dependiente de la energía de los electrones. El modelo de Bohr nos dice que en el caso de átomos tan livianos como por ejemplo, el hidrógeno, si se comunican los electrones de los rayos X (desacelerados) con órbitas electrónicas de mayor energía como las del aceite, estos electrones saltarán a la órbita de mayor energía, y si vuelve a la órbita anterior, emitirá fotones para liberar la diferencia energética desde una órbita a otra. Sabiendo esto, podemos deducir que a las gotitas de aceite se adherían los electrones desacelerados emitidos por los rayos X. De esta forma, cada gotita se cargaría negativamente y cuando el voltaje emitido de rayos X fuera aumentado, pararían su caída en la cámara cerrada del experimento e incluso se empezarían a mover hacia arriba.

EXPERIMENTO DE MILLIKAN

Millikan, al ver que se estaba quedando atrás en el mundo de las revoluciones científicas decidió, a la edad de cuarenta y dos años, medir la carga del electrón.
Como primera idea utilizó gotas de agua ionizadas por rayos X, haciendo que estas se vieran atraídas por un polo positivo y repelidas por el polo negativo. Pero la fuerza de la gravedad también intervenía, asique Millikan pensó que dichas fuerzas se podían contrarrestar haciendo que las gotas de agua quedaran suspendidas, pero las gotas de agua se evaporaban, asique como segunda idea utilizó gotas de aceite (las gotas de aceite debían ser de un radio de un micrómetro). Para obtener las gotas de aceite utilizó un vaporizador de perfume al que llamaron atomizador. El experimento consistía en introducir las gotas de aceite en una cámara cerrada en la que se encontraban dos placas horizontales metálicas (cargadas positivamente) conectadas a unas baterías cuyo voltaje era regulable. La cámara también se constituía de unas ventanas por las cuales entraban los rayos X, una fuente de luz y un visor para poder ver los efectos que se produjesen. Cuando comenzó el experimento midió la caída de gotas de aceite sin estar cargadas. Una vez hecho esto, las cargo eléctricamente (las ionizó) con los rayos X y conectó la batería. En el momento en el que observó una gota de aceite flotando, apuntó el campo eléctrico que produce que la gota se quedase en suspensión e inmóvil. Lo realizó varias veces y concluyó que las gotas flotantes tenían una carga eléctrica múltiplo de 1'6. 10^-19 culombios (unidad de carga eléctrica).
Conociendo el valor de la masa (m) de la gota de aceite, la intensidad de E del campo eléctrico, el valor de la gravedad (g=9'8 m/s) y la fuerza de rozamiento, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio.

m(electrón)·g = q·E

Millikan comprobó que el valor de las cargas era múltiplo de la carga del electrón. Por ello pudo medir dicha carga.Gracias a este experimento obtuvo el premio Nobel en 1923. Millikan realizó también otras investigaciones. Estudió la radioactividad de los minerales de uranio y la descarga en los gases. Realizó investigaciones sobre los rayos ultravioletas y sobre los rayos cósmicos. Y, además, corroboró (muy a su pesar) la constante de Planck.

EFECTO FOTOELÉCTRICO

El efecto fotoeléctrico es el proceso que consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética. La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. Pero fue Einstein quien en 1905 hizo la explicación teórica:

Planck había llegado a la conclusión de que el traspaso de energía entre la materia y la radiación en el cuerpo negro ocurría a través de paquetes de energía. Sin embargo, no quiso admitir que la energía radiante una vez desprendida de la materia también viajaba en forma corpuscular. Es decir que siguió considerando a la radiación que se propaga como una onda clásica.

Albert Einstein fue un paso más allá al explicar completamente las características del efecto fotoeléctrico. Para ello retomó la idea del cuanto de energía de Planck, postulando que:

-La radiación electromagnética está compuesta por paquetes de energía o fotones. Cada fotón transporta una energía E= v ·h , donde v es la frecuencia de la radiación y h es la constante de Planck.

-Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los electrones. Si esta energía es suficiente para romper la ligadura del electrón con el metal, entonces el electrón se desprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este exceso se transforma en energía cinética del electrón.

Einstein mostró como la idea de partículas discretas de luz podría explicar el efecto fotoeléctrico y que había una frecuencia específica para cada material, por debajo de la cual no se daba el efecto. También predijo por primera vez que la energía cinética de los electrones que escapaban del material aumentaba de manera directamente proporcional a la frecuencia de la luz incidente.

Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que lo que Einstein había no era correcto, para terminar concluyendo que sí lo era, en 1915 con una demostración experimental. Eso permitió que Einstein y Millikan compartiesen el premio Nobel en 1921 y 1923 respectivamente.

El efecto fotoeléctrico es la contraposición a los rayos X, pues el efecto fotoeléctrico indica la capacidad de los fotones de transferir energía a los electrones y los rayos X, son la transformación en fotones de parte o la totalidad de la energía cinética de aceleración de un movimiento (al atravesar un metal se desaceleran los electrones y su energía se transforma en fotones).

Leyes de la emisión fotoeléctrica:

En un metal, la cantidad de fotoelectrones emitidos en su dirección es directamente proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre su superficie.
Para cada metal, existe una frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual, ningún fotoelectrón se desprende de su superficie. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte o "frecuencia umbral"
Una vez ha sido superada la frecuencia umbral, la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente, sino de la frecuencia de la luz incidente.
La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente y no depende de la intensidad de la luz que incide sobre el metal. Este hecho se contrapone a la Teoría de la Física Clásica, por la cual se esperaría que existiese una cierta diferencia de tiempo entre la absorción de la energía y la emisión de los fotoelectrones, menor a un nanosegundo.

La aplicación del efecto fotoeléctrico en la actualidad es que es la base de la producción de energía eléctrica, a partir de radiación solar, aprovechando la energía solar. Se utiliza también para la fabricación de células que se emplean en los detectores de llama de las calderas de las centrales termoeléctricas. La tecnología de la carga eléctrica de satélites, células fotovoltaicas, sensores de cámaras digitales y electroscopios o electrómetros tiene su base en el efecto fotoeléctrico.

Ciencia en el extranjero

En la época en la que vivió Millikan, los posgraduados en ciencias viajaban a Europa para especializarse durante uno o dos años. Millikan viajó a Alemania para su especialización, y allí se relacionó mayoritariamente con estudiantes norteamericanos, ya que no consiguió dominar la lengua alemana. Para un científico el viajar a un país diferente al suyo, o desplazarse a un centro distinto al que se formó, resulta muy interesante. Puede resultar difícil el hecho de que se alejan temporalmente de sus seres queridos, pero no puede ser más que beneficioso para su situación profesional, ya que te garantiza cierto prestigio, y además el trabajar en un ambiente distinto, con técnicas distintas, te hace aprender nuevas formas de hacer las cosas, y ello contribuye a tu formación y a abrir tu mente. Además, en la actualidad, cuando la gente se va a otros países a mejorar su formación, lo hacen porque saben que en esos países el desarrollo científico y la importancia que se le da a la investigación (I+D) es mayor que en sus países de origen, de modo que hacer esos desplazamientos de formación es muy interesante y ciertamente positivo.

Leer libros de divulgación científica

Si se es un estudiante que carece de ningún tipo de formación científica, que no desea especializarse en nada relacionado con ella, leer un libro de divulgación científica es muy positivo, pues te va a aportar el conocimiento que buscabas comprando ese libro, de una manera fácil de comprender y cercana. Si, por el contrario, eres una persona con un mayor conocimiento científico, quizá un libro de divulgación científica profundice menos en los distintos temas de lo que esperes de un libro de ciencias. De cualquiera de las formas, leer un libro de este tipo no tiene por qué tener consecuencias negativas, pero en todo caso no sería recomendable para una persona especializada en algún campo de la ciencia, pues esta persona lo encontraría muy simple y con poco apoyo en demostraciones científicas.

NUESTRO MODELO ATÓMICO

A continuación, presentamos nuestra presentación del modelo atómico de J.J. Thomson. Se trata de unas cerezas embebidas en yogur griego. Las cerezas son las partículas subatómicas negativas (electrones) y el yogur es el conjunto de carga positiva que contrarresta la carga negativa de los electrones haciendo que el conjunto tenga una carga neutra.

Consiste en una ampolla de vidrio, predecesora de los tubos de neón, en cuyos extremos interiores se colocan sendas placas metálicas que están conectadas a baterías de mucha potencia. Los tubos irradian luces de colores, muestran franjas luminosas y oscuras y emiten fluorescencias. Una de las placas metálicas está cargada negativamente y se llama cátodo, la otra está cargada positivamente y se llama ánodo. La variedad de los colores que salían de los tubos de rayos catódicos se debía al tipo de gas que contenían y a su enrarecimiento. El gas no conduce apenas la electricidad, de manera que a medida que disminuye la presión dentro de los tubos, empieza a haber más conductividad, y se producen los fenómenos de fluorescencia que citamos anteriormente. Dentro de que una presión menor, aumenta la conductividad, a medida que se rarifica más el aire del interior del tubo, la conductividad aumenta también proporcionalmente.
Joseph John Thomson se dedicó a extraer la mayor cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos posible, y hacer que en el interior de los tubos se creara el más alto vacío alcanzado hasta la época. Los rayos se veían desviados por los campos magnéticos. El gas remanente en los tubos era conductor de la electricidad, de modo que éste neutralizaba el efecto que tenía el campo eléctrico aplicado a los tubos, y de esta forma sabemos que éste no curvaba los rayos catódicos. Los rayos estaban cargados negativamente, y si la carga de sus partículas era enorme, siendo su masa más liviana que la del más ligero de los elementos (el hidrógeno), se aplicaban las leyes conocidas de campos eléctricos y magnéticos aplicados a partículas cargadas.