Experimento para medir la carga del electron

¿Cuál es el experimento que se diseñó para medirle la carga a un electrón? ¿En
qué consiste, cuándo, dónde y quién lo propuso?
La existencia del electrón fue postulada por el físico irlandés G. Johnstone Stoney como
una unidad de carga en el campo de la electroquímica, y fue descubierto por Joseph
John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.
Influido por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, Thomson
dedujo, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos en el TRC, que
existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney
había propuesto la existencia del electrón ,fue Thomson quien descubrió su carácter de
partícula fundamental ;pero para confirmar su existencia era necesario medir sus
propiedades ,en particular la carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Robert
Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.
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.
Experimento de Millikan
Instalación de Millikan para el experimento de la gota de aceite.
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 experimento de la gota de aceite fue un experimento realizado por Robert Millikan y
Harvey Fletcher en 1909 para medir la carga elemental (la carga del electrón).El
experimento implicaba equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo con la flotabilidad
hacia arriba y las fuerzas eléctricas en las minúsculas gotas de aceite cargadas
suspendidas entre dos electrodos metálicos. Dado que la densidad del petróleo era
conocida ,las masas de las “gotas " ,y por lo tanto sus fuerzas gravitatorias y de
flotación, podrían determinarse a partir de sus radios observados. Usando un campo
eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en las gotas de
aceite en equilibrio mecánico. Repitiendo el experimento para muchas gotas,
confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, y calcularon
que es 1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente
aceptado de 1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que esta era la carga de un único
electrón.
Procedimiento experimental
Aparato
Esquema simplificado del experimento de la gota de aceite de Millikan.
El aparato de Robert Millikan incorpora un par de placas metálicas paralelas
horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas ,se crea un campo
eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para
mantener las placas separadas. Cuatro agujeros se cortaron en el anillo, tres para la
iluminación con una luz brillante, y otra para permitir la visualización a través de un
microscopio.
Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El
aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque
tenía una presión de vapor extremadamente baja. El aceite ordinario se evaporaría bajo
el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante
el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a
través de la fricción con la boquilla cuando fueron rociadas. Como alternativa, la carga
podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente de radiación ionizante ( como
un tubo de rayos X). Las gotas entraban en el espacio entre las placas y, debido a que
estaban cargadas se podía hacerlas subir y bajar al cambiar el voltaje a través de las
placas.
Método
Inicialmente, las gotas de aceite se dejan caer entre las placas con el campo eléctrico
apagado. Muy rápidamente alcanzan la velocidad terminal debido a la fricción con el
aire en la cámara. Se enciende entonces el campo y, si es lo suficientemente grande,
algunas de las gotas comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica hacia
arriba FE es mayor que la fuerza gravitacional hacia abajo Fg ,de la misma forma los
trozos de papel puede ser recogidos por una barra de caucho cargada). Se selecciona una
gota para observar la probable caída y se mantiene en el centro del campo de visión
conectando y apagando el voltaje alternativamente hasta que todas las otras gotas habían
caído. El experimento se continúa entonces con esta única gota.
La gota se deja caer y se calcula su velocidad terminal v1 en ausencia de campo
eléctrico. La fuerza de fricción que actúa sobre la gota puede ser calculada usando ley
de Stokes:
donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo eléctrico)
de la gota que cae, η es la viscosidad del aire, y r es el radio de la gota.
El peso Fg es el volumen V multiplicado por la densidad ρ por la viscosidad y la
aceleración de la gravedad g. terminal de la gota de aceite no hay aceleración. Así la
fuerza total que actúa sobre ella debe ser cero. Así las dos fuerzas FE y Fg deben
cancelarse una a otra ( esto es, FE = Fg). Esto implica que:
Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fácilmente.
Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza eléctrica sobre la gota es:
donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para
placas paralelas:
donde V es la diferencia de potencial y d es la distancia entre las placas.
Una de las formas concebibles para calcular q sería ajustar V hasta que la caída dela
gota de aceite se mantenga estable. Entonces podríamos igualar FE with Fg. Pero en la
práctica esto es muy difícil hacerlo con precisión. Además, la determinación de FE
resulta difícil debido a que la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sin
volver de nuevo a la utilización de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es hacer
de V hasta un poco mayor para que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad
terminal v2. Entonces: