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Descubrimiento del electrón

Descubrimiento del electrón

¿Te parece familiar la palabra corpúsculo? ¿No?: ¡Piénsalo bien! Esta palabra representa un elemento muy importante en nuestras vidas y en la ciencia.

Hace muchos años (el 30 de abril de 1897), el físico británico JJ Thomson anunció el descubrimiento de la partícula más ligera y que constituía a todos los átomos. Le llamo corpúsculo. ¿Te suena esa definición? ¡Efectivamente!: este fue el primer nombre del electrón. El descubrimiento de esta partícula elemental revolucionó la ciencia de aquel siglo, porque demostró que los átomos no eran indivisibles.

En este artículo hablaremos del proceso de descubrimiento de esta partícula y las consecuencias que tuvo en la física de aquel tiempo.

¿Qué es el electrón?

Un electrón es una partícula leptónica, denotada como \(e^{-}\). Los electrones están cargados eléctricamente y, por convención, se define que su carga es negativa. Como un electrón no tiene sub estructura, se considera una partícula elemental.

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 \(m_e\).

Descubrimiento del electrón Un tubo de rayos catódicos StudySmarter 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 Modelo de Thomson StudySmarter

Fig. 2: El modelo atómico de J.J. Thomson se basaba en un pudín de pasas.

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 Ernest Rutherford trabajando en su experimento StudySmarter

Fig. 3: Ernest Rutherford propuso un modelo atómico en el cual la carga positiva y la masa de los átomos se localizaba en los núcleos.

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.

Descubrimiento del electrón - Puntos clave

  • En 1897 JJ Thomson descubrió el electrón, utilizando tubos de rayos catódicos.
  • Tres grandes experimentos que ayudaron a dar forma al electrón y al concepto de átomo que tenemos hoy en día son: el descubrimiento del electrón, el modelo del pudín de pasas, el experimento de la lámina de oro de Rutherford y el experimento de la gota de aceite de Millikan.
  • El experimento de la lámina de oro es uno de los más importantes, ya que condujo al descubrimiento del núcleo.
  • El experimento de la gota de aceite de Millikan dio lugar a la primera medición directa y precisa de la carga de un solo electrón.
  • El descubrimiento del electrón es un punto de inflexión en la física, porque fue la primera partícula subatómica descubierta. Resultó ser la más crucial para describir el enlace químico en la física actual.

References

  1. Fig. 1: Cathode ray tube (https://www.flickr.com/photos/msittig/5901464050/) by Micah Sittig (https://www.flickr.com/photos/msittig/) licensed by CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).
  2. Fig. 3: Ernest Rutherford at McGill University in 1905 (https://www.flickr.com/photos/pixel17com/51375575913/) by Pixel 17 (https://www.flickr.com/photos/pixel17com/) licensed by CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

Preguntas frecuentes sobre Descubrimiento del electrón

Principalmente:

  • Los electrones son una pieza fundamental para describir la materia. 
  • La carga de los electrones es la unidad de carga eléctrica que se usa para describir la carga de las otras partículas. 
  • Gracias a los electrones, los átomos de los distintos elementos interactúan formando las moléculas y estructuras químicas que conforman todo lo que vemos.

El descubridor del electrón fue JJ Thomson, con su experimento de los rayos catódicos.

El 30 de abril de 1897.

Este experimento se basa en los rayos catódicos que viajan desde un electrodo negativo a un electrodo positivo, en un tubo lleno de gas.

Se creía que los átomos era la forma más pequeña de la materia; es decir, que eran indivisibles.

Cuestionario final de Descubrimiento del electrón

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones no es uno de los tres grandes pasos que ayudaron a comprender mejor los electrones?

Mostrar respuesta

Answer

El descubrimiento del electrón.

Show question

Pregunta

¿El modelo del pudín de pasas dice que los átomos tienen una carga total neutra?

Mostrar respuesta

Answer

No.

Show question

Pregunta

¿Se utilizaron tubos de rayos catódicos en el experimento de Thomson?

Mostrar respuesta

Answer

Sí.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el concepto del modelo del pudín de pasas?

Mostrar respuesta

Answer

Las partículas negativas están flotando en un pudín cargado positivamente dentro un átomo.

Show question

Pregunta

¿Quién hizo el experimento de la lámina de oro?

Mostrar respuesta

Answer

Ernest Rutherford.

Show question

Pregunta

¿Cuándo se realizó el experimento de la lámina de oro?

Mostrar respuesta

Answer

En 1909.

Show question

Pregunta

¿Cuál fue el gran descubrimiento del experimento de la lámina de oro?

Mostrar respuesta

Answer

Núcleos.

Show question

Pregunta

¿Contiene el núcleo la mayor parte de la masa atómica?

Mostrar respuesta

Answer

Sí.

Show question

Pregunta

¿Quién hizo el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Robert Millikan.

Show question

Pregunta

¿Fueron los electrones las primeras partículas subatómicas descubiertas?

Mostrar respuesta

Answer

No.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Thomson no pudo determinar la carga del electrón en relación con su masa. 

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Qué más estudió Thomson?

Mostrar respuesta

Answer

Partículas con carga positiva en el gas neón.

Show question

Pregunta

En el modelo atómico de Thomson, ¿qué representaban las pasas?

Mostrar respuesta

Answer

Neutrones.

Show question

Pregunta

¿Qué buscaba Rutherford en su experimento?

Mostrar respuesta

Answer

Partículas alfa.

Show question

Pregunta

¿Cuál fue el gran descubrimiento del experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Descubrimiento de los protones.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el valor de la carga del electrón?

Mostrar respuesta

Answer

\[1,602176634 \cdot 10^{−19} \, \, C\].

Show question

Pregunta

¿Cuál es el símbolo de la carga de un electrón?

Mostrar respuesta

Answer

\(q_e\).

Show question

Pregunta

¿Cuál es el símbolo para el campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

\(\vec{E}\).

Show question

Pregunta

El electrodo conectado al polo positivo de la fuente de tensión es el ánodo. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Quién observó por primera vez los rayos catódicos? 

Mostrar respuesta

Answer

William Crookes.

Show question

Pregunta

El electrodo conectado al polo negativo de la fuente de tensión es el ánodo. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Los tubos de rayos catódicos consisten en un vidrio evacuado con dos electrodos metálicos y gas enrarecido dentro del vidrio. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué descubrió JJ Thomson gracias al uso de los rayos catódicos?

Mostrar respuesta

Answer

Los electrones.

Show question

Pregunta

En los tubos de rayos catódicos, ¿de dónde se emiten los electrones?

Mostrar respuesta

Answer

Cátodo.

Show question

Pregunta

Si un tubo de rayos catódicos se ve afectado por una fuente externa de un campo magnético, ¿cambiará el haz de electrones de dirección?

Mostrar respuesta

Answer

Sí. Por ejemplo, la presencia de un imán puede provocar este efecto.

Show question

Pregunta

¿Pudo J.J. Thomson determinar la masa de un protón?

Mostrar respuesta

Answer

No, J.J. Thomson no determinó la masa de un protón.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes fue la primera partícula subatómica descubierta?

Mostrar respuesta

Answer

Electrón.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?

Mostrar respuesta

Answer

J.J. Thomson descubrió el electrón.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes cosas pudo determinar J.J. Thomson como resultado de sus experimentos?

Mostrar respuesta

Answer

La carga exacta de un solo electrón.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones hace posible el recorrido de los electrones en un tubo de rayos catódicos?

Mostrar respuesta

Answer

La diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo.

Show question

Pregunta

¿Cuál de los siguientes no es uno de los nombres de los tubos de rayos catódicos?

Mostrar respuesta

Answer

Tubos de ensayo.

Show question

Pregunta

¿Qué se puede utilizar alternativamente para cargar las gotas de aceite en el experimento de la gota de aceite, que no sea la fricción de la boquilla?

Mostrar respuesta

Answer

Un tubo de rayos X.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones describe el montaje del experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Dos placas horizontales con un material aislante con ocho agujeros que separan las placas.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones puede utilizarse como alternativa a la carga de las gotas de aceite en el experimento de las gotas de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Luz visible.

Show question

Pregunta

¿Dónde se roció el aceite en el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Directamente en la placa de arriba.

Show question

Pregunta

¿Cómo determinó Millikan la masa de una gota en el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Por la cantidad de luz reflejada en la gota.

Show question

Pregunta

¿Cuál de los siguientes es el primer paso del experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

La gota seleccionada se deja caer a su velocidad terminal.

Show question

Pregunta

¿Qué significa que un objeto se mueva a su velocidad terminal? 

Mostrar respuesta

Answer

Que la fuerza neta sobre él es cero. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es la unidad del campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Newtons/Coulomb (\(\mathrm{N/C}\)).

Show question

Pregunta

¿Cuál es el valor de la carga de un solo electrón?

Mostrar respuesta

Answer

\(1,60 \cdot 10^{-19}\,\, \mathrm{C}\).

Show question

Pregunta

¿Cuándo se realizó el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

El experimento de la gota de aceite fue efectuado por Robert Millikan y Harvey Fletcher, en 1909, en el Laboratorio Físico Ryerson de la Universidad de Chicago.

Show question

Pregunta

Milikan replicó el experimento del efecto fotoeléctrico y consiguió refutarlo: ¿Verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Todas las cargas son múltiplos de la carga fundamental del electrón: ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Por qué se aplicaba una diferencia de potencial en las placas?

Mostrar respuesta

Answer

Para formar un campo eléctrico uniforme entre ellas.

Show question

Pregunta

Millikan recibió el premio Nobel por el efecto fotoeléctrico: ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

Si la fuerza de gravedad sobre una gota de aceite es igual a la fuerza del campo eléctrico que la rodea, ¿a qué velocidad cae la gota?

Mostrar respuesta

Answer

A su velocidad terminal.

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