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lunes, 13 de octubre de 2008

Cápitulo 8: Millikan y la unidad de carga eléctrica

1) HIPÓTESIS DE SYMMER

Robert Symmer expuso su teoría sobre los fenómenos eléctricos que consistía en que al frotar algunos objetos con diversos tejidos podían electrizarse de dos maneras. Unos objetos se electrizaban como el ámbar (a los que llamó sustancias resinosas) y otros se electrizaban como el vidrio (a los que llamó sustancias vítreas). También descubrió que, cuando juntaba dos objetos resinosos cargados o dos objetos vítreos cargados, se repelían y que cuando juntaba un objeto resinoso y otro vítreo (los dos cargados) se atraían. De este modo llegó a la conclusión de que había dos tipos de electricidad: la electricidad resinosa y la electricidad vítrea.





Sin embargo, Benjamin Franklin retomó la idea de un científico inglés llamado William Gilbert de que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados. Por tanto, dijo que los cuerpos que ganaban ese fluido adquirían electricidad positiva y que los que lo perdían, adquirían electricidad negativa.

Hoy en día, sin embargo, se sabe que los objetos adquieren cargas eléctricas al ganar o perder electrones y que se les denomina positivos si pierden electrones y negativos si los ganan (puesto que los electrones tienen carga negativa).



2) THOMSON Y LOS TUBOS DE DESCARGA

Joseph John Thomson nació el 18 de Diciembre de 1856 y en 1870 estudió Ingeniería y más tarde, Matemáticas, hasta que al final terminó dando clases de Física. En 1890 se casó con Rose Pager. Fue galardonado con un premio Nobel en el 1906 y, finalmente, murió en agosto del 1940.

Thomson trabajó con tubos de rayos catódicos (tubos de descarga). Los tubos de descarga eran unos tubos de vacío, pero con sedimentos de gases, y con dos electrodos (uno a cada lado): un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo). Al calentar el cátodo, se emite una radiación que se dirige al ánodo. Si las paredes del tubo están recubiertas con material fosforescente, brillan intensamente y su color varía dependiendo del tipo de gas que queda en el tubo.

Thomson y otros científicos querían saber qué era esa radiación y formularon varias hipótesis. Al principio pensaban que era una radiación, pero luego pensaron que venía de los átomos que quedaban en el interior del tubo. Por tanto, para saber si provenían de los átomos intentaron desviar los rayos con electrícidad ya que los rayos tenían carga negativa porque iban del electrodo negativo al positivo. Sin embargo, no lo conseguían. Finalmente, Thomson logró crear un vacío casi perfecto en un tubo y consiguió desviar los rayos. Thomson dedujo que el gas que quedaba en los tubos se convertía en un conductor de electricidad y, por tanto, impedía que se desviaran los rayos. Al eliminar casi todo el gas, ya no podía conducir y los rayos se podían desviar. También pensó que los rayos estaban formados por unos corpúsculos mucho más pequeños que el átomo y con una carga negativa muy alta. De esta forma descubrió el electrón. Más tarde, logró determinar su masa e ideó su modelo atómico que explicaremos en el siguiente punto.

Hoy en día aún se siguen utilizando los tubos de rayos catódicos en la televisión, en tubos de neón, etc. Además, los tubos de rayos catódicos fueron la base del descubrimiento de los rayos X.




3) MODELO DE THOMSON

Thomson pensó que, como los átomos son neutros, tenía que haber una masa con carga positiva que contrarrestara la carga negativa de los electrones y que, además, si los electrones eran mucho más pequeños que los átomos, esa masa con carga negativa tendría que ser muy grande. Por tanto, determinó su modelo del átomo.

Su modelo consistía en que los electrones estaban incrustados en una masa enorme de carga positiva (como una magdalena con pepitas de chocolate) ya que, como los átomos tenían una masa mucho mayor que la de los electrones, la carga positiva debía ocupar más espacio.

Este modelo, sin embargo, no era valido por dos razones:
1- Según un experimento que realizó Rutherford más tarde, al pasar unos rayos por una lámina de oro las partículas a veces rebotaban cuando según el modelo de Thomson debían pasar todas. Gracias a este experimento Rutherford dedujo que la carga positiva del átomo estaba concentrada en el núcleo y que los electrones giraban alrededor del núcleo en órbitas muy amplias.

2- Los electrones cuando están inestables pasan a una capa inferior gracias a los experimentos de Bohr. Sin embargo, según el modelo de Thomson el átomo era rígido por lo que los electrones se quedarían inestables provocando la inestabilidad total del átomo.



4) ALBERT MICHELSON Y EL ÉTER

Albert Michelson nació en Prusia (la actual Polonia) el 19 de Diciembre de 1852 y se fue a Estados Unidos tres años más tarde. En 1869 entró en la Academia Naval donde aprendió más de ciencia que de guerra. Después de graduarse impartió clases en la Academia y ya desde entonces estaba interesado en determinar la velocidad de la luz. Desde 1989 fue Jefe del Departamento de Física en la Universidad de Chicago. En 1907 obtuvo el premio Nobel de Física y, finalmente, murió el 9 de Mayo de 1931.

Michelson es famoso por sus experimentos para determinar la velocidad de la luz, por la creación del interferómetro (un aparato para medir distancias mediante la luz) y por su trabajo, que realizó junto con Edward Williams Morley, sobre el éter.

1- El interferómetro:
Permite medir distancias con una alta precisión. Se basa en la división de una haz de luz en dos haces. Los dos haces recorren caminos diferentes y convergen de nuevo en un punto. Así se pueden medir pequeñas variaciones en cada uno de los caminos seguidos por los haces.

2- El éter:
El éter era una sustancia que se creía que ocupaba los espacios vacíos como un fluido y que era extremadamente ligera. Esta idea surgió en la época de los griegos ya que creían que la naturaleza estaba formada por tierra, agua, fuego, aire y éter.

En 1887, sin embargo, Michelson y Morley demostraron que no existía. En principio, lo que querían obtener Michelson y Morley con este experimento era la medida de la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter. El experimento se basaba en la aplicación del interferómetro para detectar las diferentes velocidades con las que llegarían los haces de luz al tener diferentes posiciones con respecto al éter.

Como resultado no pudieron detectar ninguna diferencia por lo que dedujeron que el éter no existía.





http://www.fisica-basica.net/David-Harrison/castellano/SpecRel/MichelsonMorley/MichelsonMorley.html

5) IONIZACIÓN DE LAS GOTAS DE ACEITE

La razón por la que los rayos X ionizan las gotas de aceite se puede explicar gracias a Niels Bohr.

Bohr nació en Copenhague el 7 de Octubre de 1885. En 1911 se doctoró en la Diversidad de Copenhague y terminó sus estudios en Manchester con Rutherford como maestro. En 1916 empezó a impartir clases en la Universidad de Copenhague, pero en 1943 tuvo que huir a Suecia y, posteriormente, a Londres para evitar su arresto debido a la guerra. Allí, ayudó a los ingleses y los americanos a desarrollar armas atómicas. Finalmente, después de la guerra, volvió a Copenhague donde murió en 1962.

Su modelo atómico (que publicó en 1913) dice que los electrones se van distribuyendo por capas que cuanto más al exterior estén, más electrones tienen. También determina que si se le aplica una energía en forma de fotón (luz) a un electrón éste pasa de su orbital a otro superior. Además, el electrón desprende un fotón cuando pasa de un orbital a otro inferior.

De esta manera, cuando se le aplican rayos X a un átomo sus electrones aumentan de capa y el átomo queda ionizado.



6) MILLIKAN Y LA CARGA DEL ELECTRÓN

Millikan nació en Morrison el 22 de Marzo de 1868. En 1895 se doctoró en la Universidad de Columbia en Nueva York y los dos años posteriores estuvo en Berlín y en Göttingen (Alemania) realizando estudios posdoctorales. En 1896 comenzó a impartir clases en el Departamento de Física de la Universidad de Chicago bajo la dirección de Albert Michelson. Desde 1921, hasta su jubilación en 1945 estuvo trabajando de director del laboratorio de física del Instituto de California. Por último, murió en San Marino (California) en 1953 a la edad de 85 años.

De sus investigaciones destaca el de “la gota de aceite” gracias al cual pudo determinar con gran exactitud la carga y la masa en reposo del electrón. El experimento consistía en dejar caer gotitas de una sustancia en un gas (las cuales caían lentamente debido a la viscosidad del gas) y cargarlas negativamente con rayos X. Después, aplicaba una carga positiva a una placa que había debajo por lo que las gotas quedaban suspendidas si se ajustaba la magnitud del campo eléctrico. Al principio, Millikan intentó realizar el experimento con gotas de agua, pero éstas se evaporaban o se hacían más gruesas al juntarse con otras gotas lo cual propiciaba que el experimento fuera fallido. Por tanto, a Millikan se le ocurrió emplear aceite ya que éste no tenía este inconveniente. Millikan conocía la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y la fuerza de la gravedad cuando las gotas quedaban suspendidas, por lo que pudo determinar la carga de la gota:

Mg=qE

Al averiguar la carga de muchas gotas comprobó que todas eran múltiplos de una carga elemental que era la del electrón (1,602 × 10-19). 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 la cual explicaremos en el siguiente punto.


7) EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

El efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de electrones por parte de un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan por el espacio transportando energía y que pueden propagarse por el vacío) como la luz visible, la luz ultravioleta, etc.

Este efecto fue descubierto por Heinrich Hertz (un físico alemán) en el 1887. Sin embargo, la explicación teórica fue realizada por Albert Einstein en 1905 basandose en una formulación de Max Planck. Millikan estuvo diez años experimentando intentando demostrar que esa teoría no era correcta y (desdichado de él) demostró lo contrario.

La teoría dice que la energía de los fotones se determina por su longitud de onda. Cuando un electrón absorbe la energía de un fotón, si ésta es mayor que la necesaria para que el electrón pueda salir y la velocidad está bien dirigida a la superficie, el electrón puede ser extraído de el material. Cuando se cambia la intensidad de la luz, no cambia la energía de los fotones sino el número de electrones que pueden salir. Por tanto, la energía de los electrones que salen del material depende de la intensidad de la radiación. Cabe decir que, cuando el fotón es absorbido, parte de la energía es destinada a liberar al electrón y el resto contribuye a dar energía cinética al electrón.

Las leyes en las que se resume todo el proceso del efecto fotoeléctrico son:

1- La cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de la luz.
2- Existe una frecuencia mínima de radiación bajo la cual ningún electrón puede ser emitido (frecuencia de corte)
3- Por encima de la frecuencia de corte, la intensidad de la luz no influye en la energía cinética del electrón sino la frecuencia.
4- El tiempo que dura el proceso de liberación del electrón desde que el material recibe la radiación es de 10-9 segundos.





Los electrones salen del material pero algunos no pueden salir y aumentan de capa. Al reajustarse, desprenden un fotón (luz azul).






8) ESTUDIOS EN OTROS CENTROS DE FORMACIÓN

Los científicos, antes de serlo, todos han tenido una formación que seguir para el futuro. Seguramente habrán estado en universidades con buena disciplina y profesores, y, la mayoría de ellos con el lugar universitario, lo más cerca posible de su casa. Pero a veces necesitan algún que otro empujón para seguir adelante y pasar página.

Puede ser necesario, beneficiario o con nuevas experiencias formarse en otro sitio lejano que no sea el suyo, para tener otro punto de vista y experimentar nuevas sensaciones, el futuro científico estará seguro, le gustará conocer otros compañeros y discutir diferentes opiniones, así aprenderán a tomar decisiones por ellos mismos y tener confianza, de forma responsable.

Opinamos también, que cuanta más variedad de información recogida, más capacidad pensadora y divulgativa obtendrán, teniendo la base de un buen científico, que es lo más importante.


9) LIBROS DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA

Es recomendable leer libros de divulgación científica, también artículos en Internet o en revistas de ciencias que también viene mucha información. Creo que el objetivo del hombre es el saber, en general, y por supuesto conocer sobre el pasado y aprender de él; ‘cuanto más sepamos del pasado, mejor preparados estaremos para el futuro’ (cita personal).

Penasamos que, si nos interesamos mas por conocer acerca de las experiencias de la historia, para más detalle, de orientación científica, podríamos tener mas curiosidad por aprender más y dedicarnos a ello, de forma que se obtiene un saber y una cultura, que podría llegar a ser envidiable.
Hasta él que no le guste las ciencias podría interesarse por los tubos de neón por ejemplo o experimentar acerca de alguna reacción química. Como ya hemos nombrado de forma parecida antes, divulgar el saber a la sociedad, es un buen acto. Se puede llegar a la investigación por parte personal y los avances científicos. Por ello, compartir nuestros conocimientos es interesarse por el saber de la ciencia. No podemos negar, que la sociedad, con buenos conocimientos científicos en general, proporcionaría un respaldo y una cobertura necesarios para garantizar que el futuro, se siga mejorando con nuevos avances beneficiosos para todos y que la posterior generación conozca sobre lo que aprendimos nosotros sobre nuestros antepasados.


10) MODELOS ATÓMICOS
J. J. Thomson:


Bizcocho de Thomson











Rutherford:

1 comentario:

VÍCTOR dijo...

1. ¿El vídeo de los objetos resinosos y vítreos es vuestro? Si es así, felicidades aunque solo sea por el trabajo que hacerlo supone. COmo observación diré que hubiera estado bien poner el tipo de carga que corresponde a cada tipo de objeto.
2. No cabe duda de que habéis reflexionado sobre lo que contáis ya que se percibe una reorganización de la información para mostrarla de manera que responda a la pregunta formulada. Vamos, que no habéis hecho un simple copy-paste.
4. Bien explicado el concepto de eter y la conclusión del experimento.
La redacción y la corrección ortográfica es buena en general aunque se aprecia una escritura algo más confusa en los puntos 8 y 9.
El resultado final es muy bueno y sobretodo muy divulgativo que es en definitiva el objetivo de un blog.