Millikan

Vamos a continuar con las preguntas de nuestro libro. Esta vez, en vez de seguir el orden de capítulos lógico, vamos a dar un salto y vamos a pasar al capítulo de Millikan. Este científico estadounidense vivió en el siglo XIX y XX. Ganó un premio nobel, y es sobre todo conocido por sus estudios sobre el electrón, el  efecto fotoeléctrico y los rayos cósmicos.

Millikan

 

Para empezar el estudio, hablaremos sobre Robert Symmer. Este físico escocés del siglo XVIII hizo una teoría relacionada con la electroestática. Para él, había dos tipos de fluidos. El primero, era positivo y vítreo, y era completamente opuesto, en todos los sentidos, al segundo, que era negativo y resinoso. Al juntar estos dos fluidos, se obtenía la neutralidad. 

Como podemos ver, esto de la electricidad y las cargas no estaba muy avanzado todavía. Se puso de moda entonces hacer experimentos con tubos de rayos catódicos. El norteamericano Robert Thomson puso especial empeño en construirlos.

Estos tubos están constituidos por un polo positivo, que se denomina ánodo, y otro negativo, llamado cátodo y un gas a baja presión. Estas dos placas se encuentran conectadas a grandes baterías. Cuando se enciende la batería, hace que los electrones fluyan y choquen con los átomos de gas, quitándoles los electrones, por lo que les convierten en iones positivos los cuales son atraídos por el cátodo, el polo negativo. Todo esto, hace que se desprendan fotones del gas, que son los responsables de que veamos la luz.

Thomson decidió extraer  la máxima cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos haciendo que en su interior existiera un vacío. De este modo, vio que los rayos catódicos se veían desviados por los campos eléctrico y magnético.

Generalmente, un gas es un mal conductor eléctrico, pero si a este gas le aplicamos tensión, el gas se convierte en un buen conductor de la electricidad. Esta tensión la podemos aplicar mediante una descarga utilizando los electrodos del tubo. Sin embargo, si la presión del tubo disminuye, se origina una corriente de rayos catódicos (se desplazan siempre desde el electrodo negativo hasta el positivo, siendo el negativo el cátodo, y el positivo el ánodo. 

Tubo de rayos catódicos

A parte de este experimento, Thomson es también conocido por otra cosa, y es su modelo atómico. En dicho modelo el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo. Él pensó que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo en una cantidad tal que la carga eléctrica negativa de todos ellos compensaba exactamente la carga positiva.

No es un modelo atómico fiable ya que un átomo así sería inestable y toda la materia habría desaparecido poco después de haberse creado. Además, las  predicciones del modelo de Thomson resultaban incompatibles con resultados de algunos experimentos, como el experimento de Rutherford, que sugería que la carga positiva estaba concentrada en una pequeña región en el centro del átomo, que es lo que se conoció como núcleo atómico. El modelo de Thomson también dejó de explicar la regularidad de la tabla periódica de Mendeleiev. 

Model atómico de Bohr

Pero bueno, pasemos ahora a hablar del protagonista del capítulo, Robert Andrews Millikan. Tras estudiar en varias universidades, el físico pasó a formar parte de la universidad de Chicago. Allí estuvo bajo las ordenes de Albert Michelson, que también un premio nobel. Este señor es conocido por un experimento práctico con el que consiguió demostrar que el éter no existía y que la velocidad de la luz en el vacío era constante.

Michelson

En principio, Michelson tenía como objetivo (junto con su compañero Edwars Morley) medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter.

Para poder entender este experimento, que explicaremos más tarde, es necesario conocer que era el “éter” para estos científicos. Aunque se demostró que no existía, esta hipotética sustancia no era más que lo que ocupaba todos los espacios vacíos, como si fuera un fluido. Evidentemente, para los científicos que creían que el éter, el vacío no existía.

Hoy en día está completa y absolutamente que no existe tal cosa como el éter. Todas las teorías que lo contengan están consideradas obsoletas.

Pasemos, al fin, con el experimento. Nosotras solo haremos un pequeño boceto de él, pero si el lector quiere, puede visitar la página de wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Michelson_y_Morley), donde está mucho más detallado.

Lo que se hacía era lanzar un haz de luz que recorría dos distancias iguales, y se les hacía regresar a un mismo punto. Allí se medían las interferencias.

Como no había ninguna, se concluyó que el éter no tenía características, y que por lo tanto no existía, además de lo de que la velocidad de la luz en el vacío es constante.

Millikan es sobretodo conocido por su experimento, con el cual midió la carga del electrón, y tenemos la intención de explicarlo.

Para poder entenderlo es necesario conocer el modelo atómico de Borh, ya que un parte del experimento se basa en él. El modelo atómico de Bohr dice que los electrones giran alrededor del núcleo describiendo sólo determinadas órbitas circulares. Los electrones se organizan en capas y en cada capa tendrán una cierta energía, estas capas se denominan capas de energía.

A medida que se van llenando los niveles, los electrones se van situando en niveles superiores.

Se sabía que los rayos X ionizaban a las gotas de aceite, las cargaban eléctricamente, ya que, a estas gotitas se le adherían todos los electrones del aire liberados por los rayos X, cargándose cada una de manera distinta. Esta gota de aceite está formada por millones de moléculas, de todas ellas, los rayos X electrizarán a un número determinado y la gota de aceite en sí adquirirá una carga eléctrica múltiplo de la carga del electrón.

 Una vez esto conocido, pasemos a explicar el experimento en sí. La idea en la que se basaba era sencilla pero genial. Las gotas de aceite, cuando las tiramos desde un sitio, caen, porque tienen peso. Ese peso es atraído por la Tierra con una fuerza, que podemos medir. Esa atracción la podemos contrarrestar con algo. Existen unos rayos, llamados “X”, que ionizaban las moléculas, es decir, que les daban carga. Si utilizamos estos rayos para darle carga al aceite, y ponemos imanes en el suelo y en el techo de donde estén, si modulamos con delicadez la fuerza de los imanes, llegará un momento en el cual contrarresten perfectamente la fuerza de la gravedad y las gotas se queden flotando. Cuando estén en esa posición, sabremos que la fuerza de carga, q · E (siendo q la carga que desconocemos de la gota y E el campo eléctrico) es igual a masa por gravedad. Como sabemos todo esto menos la q, podremos despejar la ecuación, y obtener así la carga del electrón.

Pasemos ahora a la realización del experimento en sí. En una cámara cerrada se ajustan dos placas horizontales metálicas, que están conectadas a una serie de baterías con un voltaje regulable. En el parte de arriba hay un pulverizador, que soltará gotitas de aceite cuando queramos. En la parte de abajo hay tres ventanas por donde irán los rayos X, que son los que se encargaban de cargar las gotas, una fuente de luz, y una ventana por donde mirar los que pasa dentro de la cámara.

Para empezar hay que medir la velocidad a la que caen las gotitas sin encender la batería, para así poder saber a que equivale el m·g. Empezamos a regular cuanta energía dan las pilas, hasta ver una gotita flotando. Entonces, tomamos ese dato. Esta última parte la repetimos muchas veces, y obtenemos la media de cargas, para tener un dato  mejor. Millikan obtuvo que este era igual 1,6 · 10^-9, pero el dato exacto es 1,6021773·10^-9. Gracias a este experimente Millikan obtuvo su Nobel.

Como última parte de teoría de esta entrada, vamos con lo que se desarrolló después de este experimento, el efecto fotoeléctrico.  Este consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta). El efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que  indica que los fotones luminosos pueden transferir energía a los electrones y los rayos X son la transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento.

En la actualidad, el efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llamaz de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas, o para el funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales.

En esta entrada, además de todo este texto de ciencia, vamos a tratar otros temas que son casi igual de relevantes para los científicos y gente interesada en la materia.

Primero, ¿es bueno que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos en los que se forman? Nosotras opinamos que, que a pese a no ser absoluta y completamente necesario, es, al menos, interesante. Viajando siempre se obtienen nuevos puntos de vista y nuevas formas de pensar, y con la ciencia no iba a ser una excepción. A parte de esto, se pueden conocer otros laboratorios, y, en algunos casos, ver nuevas innovaciones

Y, segundo, ¿es bueno leer libros de divulgación científica? Evidentemente, sí. Leer libros sobre ciencia es siempre bueno (o casi siempre). De hecho, el libro que estamos leyendo, “De Arquímedes a Einstein, está considerado dentro de este grupo. Leer libros de este género nos ayuda a conocer el mundo que nos rodea, y dificulta el ser engañados.

Concluyamos con algo creativo. Hemos construido nuestro propio modelo atómico, con materiales reutilizados. ¿Qué opináis?

 Este modelo constituye al modelo atómico de Bohr. Está hecho con un donut, el agujero del donut, sería el núcleo donde se encuentran los protones, con carga positiva y los neutrones, con carga neutra. Mientras que en el propio donut, estarían las órbitas y los electrones. Las virutas corresponden a los electrones, pero hay que tener en cuenta , que en las primeras capas de un átomo no hay tantos electrones