Millikan

Como dijo el genio Isaac Newton "Si he logrado ver más lejos, ha sido porque he subido a hombros de gigantes". Esta frase expresa como los descubrimientos y todos los conocimientos científicos actuales se deben al trabajo de grandes genios que conocían mucho menos que nosotros. Y no podríamos haber logrado todos los conocimientos actuales sin las aportaciones de científicos como Robert Andrews Millikan, que a su vez no habría podido realizar el experimento que le llevo a la fama sin los conocimientos previos que tenía acerca de los átomos, los electrones y la electricidad. En esta entrada se recogen algunas teorías acerca de la electricidad previas a Millikan y su experimento: La medición de la carga del electrón.

Antes de este experimento que le permitió ganar el Nobel en 1923 había otra serie de hipótesis acerca de la electricidad, como la formulada por el científico Robert Symmer en 1759 acerca del fluido vítreo y resinoso.

Robert Symmer, físico y filósofo escocés, planteó una teoría que se oponía a la formulada por Benjamin Franklin. La teoría de Benjamin Franklin consideraba la electricidad como un fluido que lo impregnaba todo y que se encontraba en equilibrio, explicando las manifestaciones eléctricas como el desequilibrio de ese líquido producido por la fricción. Al frotar el vídrio se producía un exceso de fluido eléctrico, mientras que al frotar la cera se producía un déficit de este fluido. Esto provocaba las descargas eléctricas.

La teoría de Symmer dice que existen dos tipos de fluidos eléctricos: el fluido vítreo (que correspondería al fluido positivo) y el fluido resinoso (correspondería al fluido negativo), siendo ambos imponderables. La teoría sostiene que cada fluido estaba compuesto por partículas mutuamente repelentes (lo que significa que las partículas del mismo signo se repelen), mientras que las partículas de electricidades opuestas se atraían (que significa que las partículas de diferente signo se atraen). Cuando los dos fluidos se unen debido a su atracción mutua, el efecto se neutraliza. El acto de frotar un cuerpo provoca que se descomponga uno de los fluidos que permanece en exceso en el cuerpo y se manifiesta como electricidad vítrea o resinosa.

Otro gran científico que también realizó experimentos con la electricidad fue Joseph John Thomson, descubridor del electrón. Este científico realizó numerosos experimentos con tubos de descarga. Se tratan de tubos que tienen un polo positivo (ánodo) y otro negativo (cátodo) entre los que se hace pasar una corriente eléctrica. Este tubo además estaba conectado a una bomba de vacío, ya que a medida que disminuía la presión del interior del tubo se apreciaba mejor si los rayos catódicos se veían desviados por los campos eléctrico y magnético. Thomson consiguió extraer una gran cantidad de gas de estos tubos de descargas, consiguiendo en su interior el más alto vacío alcanzado en la época, lo que le permitió observar la desviación de los rayos catódicos.

A partir de todos esos experimentos con tubos de descarga Thomson elaboró un modelo atómico. Este modelo atómico sostenía que el átomo era una gran masa de carga positiva donde se encontraban los electrones. La carga negativa de los electrones compensaba la carga positiva, provocando que el átomo fuera neutro.

Este modelo no es viable debido a una serie de experimentos posteriores que demostraron su falsedad. El resultado del experimento de la lámina de oro, realizado por Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden, sorprendió a los científicos, que no podían explicar los resultados según el modelo atómico de Thomson. En el experimento algunas partículas alfa, al chocar a gran velocidad contra la finísima lámina, salían rebotadas, siendo un hecho inexplicable si la masa del átomo estaba tan concentrada. Esto provocó el desarrollo por parte de Rutherford de un nuevo modelo atómico.

Experimento de la lámina de oro

En el caso de Millikan, este científico estadounidense trabajó en la Universidad de Chicago bajo las órdenes de Albert Michelson, investigador famoso por su colaboración junto a Edward Morley en un experimento considerado la primera prueba de la falsedad de la teoría del éter. Se creía que el éter era una sustancia extremadamente ligera que ocupaba todos los espacios vacíos como un fluido. Además era considerado como uno de los cinco elementos de la naturaleza desde antes del siglo V a.C. Este experimento pretendía detectar la presencia del éter y medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter. Para realizar este experimento se creó un aparato conocido como el interferómetro de Michelson en la base de un edificio cercano al nivel del mar. Los resultados del experimento fueron negativos, lo que disipó por completo el concepto de éter y sirvieron de base a la formulación de la teoría de la relatividad especial de Einstein. Debido a todo esto la hipótesis del éter resulta errónea  ya que además la teoría de la relatividad, actualmente aceptada, se basa en su no existencia.

Volviendo a lo relativo a los átomos, después del modelo atómico de Rutherford el científico danés Niels Bohr desarrolló un nuevo modelo basado en descubrimientos posteriores. El modelo de Bohr explica que hay órbitas estables alrededor del núcleo en las que están los electrones. Además este modelo sostiene que las capas son más energéticas cuanto más lejos del núcleo estén  La ionización de las gotas de aceite se debe a que, al pasar estas gotas de aceite por los rayos X, adquieren carga negativa ya que cuando estos rayos X entran en contacto con algún elemento, los rayos X ionizan al elemento con el que se encuentra, debido a que los rayos X hacen que aparezca una nueva capa en el átomo, la cual recoge electrones que están en el aire haciendo que el átomo adquiera carga negativa debido al aumento de electrones en esta nueva capa energética.

  

Dependiendo de la cantidad de carga que adquieran las gotas se comportarán de manera diferente ya que como podemos observar en el vídeo  una gota de aceite sin carga cae con normalidad en cambio una gota con carga negativa se para en el aire al caer y otra con más carga negativa que la anterior, se detenía en el aire y empezaba a ascender.

El experimento de Millikan consistía en una cámara asilada al vacío que estaba dividida en dos partes, una superior y otra inferior, y se conectaban por un pequeño agujero. En la parte superior se encontraban las gotas de aceite y en la parte superior tenía dos agujeros a los lados por los que pasaban los rayos X. Cuando las gotas de aceite pasaban a la parte inferior de la cámara y entraban en contacto con los rayos X se ionizaban y adquirían carga negativa. Esto le valió al científico Millikan para determinar la carga de un electrón.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta). Albert Einstein realizó una explicación teórica de este fenómeno que publicó en 1905.Más tarde Millikan intentó demostrar que Einstein estaba equivocado y pasó diez años intento demostrara que la teoría de Albert Einstein era errónea, pero descubrió su teoría era acertada. Gracias a este trabajo Albert Einstein y Millikan obtuvieron el premio nobel en 1921 y 1923 respectivamente. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico son la producción de energía eléctrica por radiación solar y el aprovechamiento energético de la energía solar, la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas y en los sensores utilizados en las cámaras digitales.

Estas experiencias demuestran que es interesante para los científicos hacer prácticas y trabajos fuera del centro en el que se formaron porque les aporta un acercamiento a otros aspectos de su materia de estudio aparte de una perspectiva distinta de la que obtienen en su institución de origen, despertando en ellos un espíritu curioso e innovador.

De la misma manera el leer prensa de divulgación científica fomenta la competencia entre la comunidad, llevando a unos a cuestionar las hipótesis de otros o ayudándoles a enriquecer sus conocimientos, y esto se extrapola a la sociedad fuera del ámbito, dotándoles de una base sobre la actualidad de la ciencia que no obtendrían de otra manera

Aplicándonos el cuento hemos decidido proponer nuestra propia versión del modelo atómico de Rutherford, en el cual la carga positiva del átomo se concentra en un único punto llamado átomo, mientras que la carga negativa se encuentra fraccionada orbitando alrededor del núcleo.

En nuestro diagrama, el naranjo en la maceta es el núcleo, en el cual están enterrados unos limones que ofrecen la carga positiva, mientras que las naranjas a su alrededor son la carga negativa.

Hay 5 limones enterrados (Son muy pequeños) y 6 naranjas, +5 -6 = -1. Nuestro naranjátomo es un ión negativo.