4.8: Electrones

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¿Qué causa un corte de energía?

En un corte de energía, todo su equipo eléctrico deja de funcionar repentinamente. El radio estaba encendido hace apenas un minuto y ahora está en silencio. ¿Qué pasó? En algún lugar entre un generador de energía y tu dispositivo eléctrico hubo una interrupción. La energía dejó de fluir a través de los cables y hacia su radio. Ese “poder” resulta ser electrones que se mueven a través de los cables y hacen que fluya una corriente eléctrica.

¿Hay algo dentro de un átomo?

A medida que el siglo XIX comenzó a llegar a su fin, el concepto de átomos estaba bien establecido. Podíamos determinar la masa de diferentes átomos y teníamos algunas buenas ideas sobre la composición atómica de muchos compuestos. La teoría atómica de Dalton sostenía que los átomos eran indivisibles, por lo que los científicos no hacían preguntas sobre lo que había dentro del átomo —era sólido y no podía desglosarse más. Pero entonces las cosas empezaron a cambiar.

El electrón

En 1897, el físico inglés J.J. Thomson (1856-1940) experimentó con un dispositivo llamado tubo de rayos catódicos, en el que se pasaba una corriente eléctrica a través de gases a baja presión. Un tubo de rayos catódicos consiste en un tubo de vidrio sellado equipado en ambos extremos con discos metálicos llamados electrodos. Luego, los electrodos se conectan a una fuente de electricidad. Un electrodo, llamado ánodo, se carga positivamente mientras que el otro electrodo, llamado cátodo, se carga negativamente. Un haz brillante (el rayo catódico) viaja desde el cátodo hasta el ánodo.

Investigaciones anteriores de Sir William Crookes y otros se habían llevado a cabo para determinar la naturaleza del rayo catódico. Thomson modificó y extendió estos experimentos en un esfuerzo por conocer estos misteriosos rayos. Descubrió dos cosas, que apoyaban la hipótesis de que el rayo catódico consistía en una corriente de partículas.

Cuando se colocó un objeto entre el cátodo y el extremo opuesto del tubo, proyectaba una sombra sobre el vidrio.
Se construyó un tubo de rayos catódicos con un pequeño riel metálico entre los dos electrodos. Adherida al riel había una rueda de paletas capaz de girar a lo largo del riel. Al arrancar el tubo de rayos catódicos, la rueda giró desde el cátodo hacia el ánodo. Esto demostró que el rayo catódico estaba hecho de partículas las cuales deben tener masa. Crooke había observado por primera vez este fenómeno y lo atribuyó a la presión de estas partículas sobre la rueda. Thomson conjeturó correctamente que estas partículas estaban produciendo calor, lo que provocó que la rueda girara.

Para determinar si el rayo catódico consistía en partículas cargadas, Thomson utilizó imanes y placas cargadas para desviar el rayo catódico. Observó que los rayos catódicos fueron desviados por un campo magnético de la misma manera que un cable que transportaba una corriente eléctrica, la cual se sabía tenía carga negativa. Además, el rayo catódico fue desviado lejos de una placa metálica cargada negativamente y hacia una placa cargada positivamente.

Thomson sabía que los cargos opuestos se atraen entre sí, mientras que los cargos similares se repelen entre sí. En conjunto, los resultados de los experimentos con tubos de rayos catódicos mostraron que los rayos catódicos son en realidad corrientes de pequeñas partículas cargadas negativamente que se mueven a velocidades muy altas. Si bien Thomson originalmente llamó a estas partículas corpúsculos, más tarde se les llamó electrones.

Thomson realizó más experimentos, lo que le permitió calcular la relación carga-masa\(\frac{e}{m_e}\) del electrón. En unidades de culombios a gramos, este valor es de 1.8 × 10 ⁸ culombios/gramo. Encontró que este valor era una constante y no dependía del gas utilizado en el tubo de rayos catódicos ni del metal utilizado como electrodos. Concluyó que los electrones eran partículas subatómicas cargadas negativamente presentes en los átomos de todos los elementos.

Resumen

Los rayos catódicos son desviados por un campo magnético.
Los rayos son desviados lejos de un campo eléctrico cargado negativamente y hacia un campo de carga positiva.
La relación carga/masa para el electrón es 1.8 × 10 ⁸ culombios/gramo.

Revisar

¿Qué partícula subatómica crea energía eléctrica y cómo la hace?
¿De quién trabajo repitió y revisó Thomson?
¿Qué experimento realizó Thomson que mostró que los rayos catódicos eran partículas?
¿Cómo demostró que estas partículas tenían una carga sobre ellas?
¿El rayo catódico tenía carga positiva o negativa?