Descubrimiento del electrón

¿Qué es el electrón?

Los electrones son partículas del átomo, al igual que los átomos son sub estructuras de la materia. Algunas de las características básicas de los átomos se revelaron a través de los experimentos que resultaron en el descubrimiento del electrón. Dado que el electrón fue la primera partícula subatómica descubierta, se considera uno de los puntos de inflexión en la física; en la química y la física actuales, resultó ser uno de los más importantes para explicar el enlace químico.

Experimento de Thomson y los rayos catódicos

Hoy en día, los tubos de descarga de gas se denominan principalmente tubos de rayos catódicos —porque los rayos se originan en el cátodo—. Aunque otros científicos experimentaron con tubos de rayos catódicos, JJ Thomson mejoró y amplió el alcance de estos experimentos. Empleando campos magnéticos y eléctricos, confirmó la carga negativa de los rayos catódicos.

También utilizó una taza de metal para atrapar los rayos y descubrió una sobrecarga negativa. Thomson pudo, así, determinar la carga del electrón en relación con su masa: \(q_e / m_e\). Esto significó un paso crucial para determinar los valores exactos tanto de \(q_e\) como de \(m_e\).

Fig. 1: JJ Thomson confirmó la carga negativa de los rayos catódicos a partir de sus experimentos con campos magnéticos y eléctricos

Elementos del proceso de descubrimiento del electrón

El proceso de descubrimiento y entendimiento del electrón se consolidó gracias a las siguientes etapas:

1. Descubrimiento de los electrones.
2. Modelo de Thomson.
3. Modelo atómico de Ernest Rutherford y el experimento de la lámina de oro.
4. Experimento de la gota de aceite de Millikan.

Estos pasos son importantes, no solo por el descubrimiento de los electrones, sino también porque dan forma al modelo de los electrones que tenemos hoy en día.

Modelo atómico de Thomson: El modelo del pudín de pasas

Además de descubrir los electrones, experimentando con tubos de rayos catódicos, JJ Thomson estudió las partículas con carga positiva en el gas neón. Thomson descubrió que el modelo convencional del átomo no tenía en cuenta las partículas cargadas negativa y positivamente. En consecuencia, presentó un modelo del átomo basado en el pudín de pasas.

Con este modelo, afirmó que:

1. Las pasas del pudín están representadas por electrones negativos, mientras que la masa tiene la carga positiva.
2. Todos los átomos incluyen electrones, que son pequeñas partículas subatómicas con carga negativa.
3. Las partículas negativas están flotando en una sopa cargada positivamente dentro de un átomo.
4. Los átomos tienen una carga global neutra.

Descubrimiento del electrón: Ernest Rutherford y el experimento de la lámina de oro

En 1909, Rutherford llevó a cabo el experimento de la lámina de oro. Así descubrió la naturaleza nuclear de los átomos, al desviar partículas alfa a través de una fina lámina de oro. La idea de Rutherford era buscar partículas alfa con ángulos de desviación muy altos; ángulos que no se esperaban de ninguna teoría de la materia en la época.

Hans Geiger y Ernest Marsden llevaron a cabo el experimento en 1909. Dirigieron un haz de partículas alfa (núcleos de helio) hacia una fina lámina de oro y midieron, después, el ángulo de las partículas alfa dispersadas por Rutherford, como consecuencia de la dispersión de estas partículas en los átomos de la lámina de oro.

También, utilizaron un detector de partículas alfa, que producía puntos luminosos fluorescentes cuando las partículas alfa chocaban contra él. El experimento incluía emisores de partículas alfa de radón, radio y bismuto. Estas desviaciones solamente podían producirse si una gran parte de la carga positiva se encontraba en el núcleo.

Los datos recogidos de este experimento llevaron a su modelo atómico, en el que afirmaban que:

• Los átomos son, en su mayoría, espacio vacío.
• Tienen la carga positiva muy localizada en su centro: el núcleo.
• El núcleo contiene la mayor parte de la masa atómica.
• El núcleo está rodeado por electrones más ligeros y cargados negativamente.

Descubrimiento del electrón: El experimento de la gota de aceite de Millikan

El experimento de la gota de aceite de Millikan, realizado por Robert Millikan, tuvo lugar en 1909. El resultado fue la primera medición directa y precisa de la carga de un solo electrón, una de las constantes más fundamentales de la naturaleza. En su experimento vio que, cuando se rocían finas gotas de aceite, estas se cargan.

La carga de una gota puede calcularse mediante el equilibrio de las fuerzas de gravedad y eléctricas. Por tanto, se llega a la conclusión de que la carga está cuantizada en unidades de \(-1,6 \cdot 10^{-19} \, \, \mathrm{C}\), lo que permite determinar directamente la carga de los electrones sobrantes y faltantes en las gotas de aceite.