Millikan, la unidad de carga eléctrica

 Robert Millikan le llevó a entrar en el "hall of fame" de la Ciencia por su maravilloso experimento de la gota de aceite con el que consiguió medir la carga del electrón. Fue galardonado en 1923 con el premio nobel, "por su trabajo en la carga elemental de la electricidad y en el efecto fotoeléctrico". Se trataba de un fantástico profesor que fue galardonado en más de 25 universidades como catedrático honorario. Su aportación al mundo científico no se limitó al descubrimiento por el que recibió el Nobel, pero sin duda la belleza y el ingenio de este sencillo experimento es capaz de sobrecogernos aún hoy en día. Me imagino a las gotas de aceite, como"pequeños paracaidistas" cayendo, subiendo o levitando en función del resultado de la lucha de las tres fuerzas que intervienen: Fuerza eléctrica (al estar cargada eléctricamente la gota) y rozamiento con el medio (aire) frente a fuerza gravitatoria (peso de la gota).



Para hablar sobre el tema de la unidad de carga eléctrica, vamos a responder a unas cuestiones que nos harán entender este tema de una forma más sencilla.

Empezamos hablando sobre la hipótesis de Symmer. 
Symmer (1707-1763) fue un filósofo y físico escocés que planteó una teoría que se oponía a la formulada por Benjamin Franklin. La teoria de Benjamin Franklin consideraba la electricidad como un fluido que lo impregnaba todo y que se encontraba en equilibrio, explicando las manifestaciones eléctricas como el desequilibrio de ese liquido producido por la fricción.


 En cambio, la teoría de Symmer dice que todos los cuerpos contienen un fluido, este fluido natural no tiene ninguna propiedad eléctrica y es el resultado de una combinación neutra de otros dos fluidos en los cuales reside esta propiedad. Estos dos fluidos se conocen como vítreo, el cual es positivo y resinoso, el negativo.
Esta teoría puede ser comprobada en la vida real. Cuando frotamos un globo, lo que estamos haciendo es cargarlo negativamente de tal forma que el molinillo de papel girara al verse atraído hacia el globo. De esta forma queda demostrado que el globo es el fluido vítreo y el papel el fluido resinoso. Se ven atraídos tan fuertemente porque    están cargados electrónicamente. 

Otro de los grandes científicos que aportó conocimientos fue Joseph John Thomson, quién descubrió el electrón. Para ello realizó varios experimentos utilizando tubos de descarga.

Un tubo de descarga es un tubo de cristal en el cual se introducen un cátodo (carga negativa) y un ánodo (carga positiva) que son placas metálicas, y están conectadas externamente a potentes baterías. En el interior del tubo hay un gas que es el que hace variar  el color de la luz. Cuando la batería se conecta, se produce un flujo de electrones que al chocar con los átomos del gas desprenden fotones que hacen que veamos la luz.

Además si se ponía una cruz en el interior del tubo se veía una sombra en la parte de detrás del ánodo, quedando demostrado que los rayos procedían del cátodo. De ahí el nombre de rayos catódicos. 

La sombra se podía desviar con un imán, lo cual llevó a pensar a Thomson que los rayos catódicos estaban formados de corpúsculos con una carga eléctrica negativa. Sin embargo al aplicar un campo eléctrico el rayo no se desviaba. El investigador inglés llego a la conclusión de que si los rayos eran de naturaleza corpuscular y no ondulatoria ya que no se comportaban como la luz, tenían que ser atraídos magnética y eléctricamente, y que si la segunda no se podía era porque algo lo impedía. Este impedimento lo solventó aislando el interior lo máximo posible realizando el vacío y así consiguió que se desviase mediante un campo eléctrico.

Utilizando las ecuaciones para medir las desviaciones, se dio cuenta de que solo podían reproducirse si la masa de la partícula era mucho menor que la de un átomo de hidrógeno  y su carga mucho mayor. Este descubrimiento le llevó a desarrollar el primer modelo atómico conocido como "modelo de pudin de pasas" en el cual los electrones de cargar negativa se distribuían uniformemente en un átomo de carga positiva. 

Este modelo se descubrió inviable posteriormente gracias al descubrimiento del núcleo por el científico Rutherford que chocando átomos alfa de helio contra una fina plancha de oro, observó que algunas partículas salían rebotadas hacia atrás, llegando a la conclusión de que eso sólo podía producirse si chocaba con una partícula de carga positiva de diámetro aproximadamente diez mil veces menor que el del átomo. Acababa de descubrir el núcleo. El modelo de Thomson es inviable porque al no tener núcleo los átomos serían muy inestables y perderían electrones continuamente ya que al no estar atraídos por el núcleo podrían ir libremente.

Dejando de lado al descubrimiento del electrón vamos a centrarnos en el por qué del éxito de Millikan. Millikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson y vamos a describir el experimento  por el que es famoso este investigador. 

Antiguamente se creía que la luz al ser una onda, debía de propagarse por algún medio. Ese medio era el éter. Según algunas teorías todas ellas obsoletas, el éter era el quinto elemento que ocupaba todos los espacios vacíos y que formaba los planetas.
El experimento llevado a cabo en 1887, trataba de probar la existencia del éter y la velocidad de la traslación de la Tierra con respecto a éste. Las ondas se caracterizan porque su velocidad depende sólo del medio y no del emisor o receptor. Así por ejemplo una onda sonora viajará  con respecto al medio, el aire  por ejemplo, siempre a la misma velocidad. Si embargo si el medio se mueve, por ejemplo viento, la velocidad de la onda variará. Si sustituimos onda sonora por luz y aire por éter, tenemos que luz debería realizar variaciones si el éter estuviese en movimiento. 
Para ello se construyó un aparato llamado interferómetro con el cual medirían la variación de la luz. Se dispararía un haz de luz que pasaría por un semiespejo que haría que divergese en dos direcciones perpendiculares hacia dos espejos que harían que rebotasen y volviesen a pasar por el semi-espejo que los haría llegar al detector de interferencias donde se vería la variación. 
En un sistema con el éter y el observador en reposo, el interferómetro funcionaría así:   

Y en un sistema en el que el éter estuviese en movimiento así:

Midieron los resultados durante varios días y meses, pero concluyeron que la velocidad de la luz era constante en todas las mediciones ya que no se encontraba ninguna variación. Ésto correspondería con el primer sistema en el que el éter está en reposo. Sin embargo el éter no podía estar en reposo debido al movimiento de los planetas y demás cuerpos celestes. Ésto llevó a la conclusión de que el éter no podía existir, y más tarde el resultado de este experimento constituiría la base experimental de la teoría de la relatividad de Einstein.

Según el modelo de Bohr los átomos tienen diferentes órbitas en las que se sitúan los átomos. Tienden a situarse lo más cercanamente posible al núcleo y forman órbitas. Sin embargo los electrones no pueden formar las órbitas que quieran, están limitados a órbitas con un cierto nivel energético. Cuando los electrones pierden o ganan energía varían su posición en las órbitas encontrando una que se adapte a su nuevo valor energético. En el primer nivel caben hasta 2 electrones, en el segundo hasta 8, en el tercero hasta 18 y en el cuarto hasta 32 electrones.

Izquierda: Átomo de litio
Derecha: Catión litio

Cuando irradiamos las gotas de aceite con los rayos X, los electrones se cargan de energía y buscan órbitas con un mayor nivel energético. Las órbitas pueden soportar una determinada energía. Si el electrón tiene más energía que la que puede soportar la órbita pasará a otra órbita con más capacidad. Si ninguna de las capas del electrón tiene capacidad como para aguantar la energía del electrón, éste se escapara, debido a que el exceso de energía que tiene se convierte en energía cinética. 

Millikan diseñó un aparato dividido en dos cámaras, además éste constaba de un par de placas horizontales paralelas, la superior tenía carga positiva y la inferior negativa, las cuales separaban las cámaras. En la cámara inferior había un microscopio y se podía modificar el voltaje en el interior de las cámaras.

Procedimiento:
Unas pocas gotas de aceite se dejan caer en la cámara superior, para ello se utiliza un pulverizador. Alguna de estas gotas, que caían por su peso debido a la gravedad, conseguía pasar a la cámara inferior debido a que la placa superior tenía un pequeño agujero; gracias a esto Millikan podía determinar la masa de una gota sabiendo su velocidad terminal debido a la fricción del aire en la cámara inferior. A continuación Millikan usó una fuente de rayos-x que permitía ionizar las moléculas de gas en la cámara inferior, los electrones de esta ionización se adhieren a las gotas de aceite, por lo que pasan a llevar una carga negativa.

Pero se podía ajustar el voltaje entre las dos placas, de manera que sí aumentaban un poco el voltaje las gotas de aceite comenzaban a descender más lento; y sí lo aumentaban aun más, algunas gotas llegaban incluso a subir de nuevo a la placa superior, o también conseguían que algunas se quedaran ''flotando'' o suspendidas. Millikan por lo tanto comprobó que el valor de la carga de cada gota era múltiplo de 1,6·10^-19 C. Propusieron que esta era la carga de un electrón.

Ahora, vamos a hablar del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es la proyección de electrones por un metal normalmente, debido a la incisión sobre ella de una radiación electromagnética (Rayos gamma, rayos X, rayos UV, radiación visible, rayos IR, microondas y ondas de radio) 

Pero, por qué pasa ésto?

Estas ondas están formadas por unas partículas llamadas fotones que tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un electrón que ha absorbido la energía del fotón supera la función trabajo (energía mínima para que un electrón sea arrancado del material) éste podrá escapar del metal. La energía de los fotones depende de la longitud de onda no de la intensidad de la luz. 

La energía de los electrones depende de la frecuencia no de la intensidad. 

Una de las aplicaciones más importantes de este efecto son las células fotovoltaicas que son la base para la energía solar. Las células fotovoltaicas combinadas con relés forman parte numerosos mecanismos automáticos. Se usa también por ejemplo, en los detectores en las puertas de los ascensores que hacen que se paren si alguien pasa por delante mientras se cierran. 

Ahora, nos vamos a hacer unas series de  preguntas que no están relacionadas con un tema en concreto, simplemente expresaremos nuestra opinión.

¿Por qué piensas que es interesante que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos a los que se formaron?

Si un científico estuviera sólo en su propio laboratorio y no saliera de ahí a la hora de hacer experimentos y de sacar conclusiones, no sería todo lo bueno que pudiera. Un científico necesita pasar tiempo en centros distintos para que pueda contrastar opiniones y conclusiones. En cada país la enseñanza es distinta y los métodos que se imparten son muy variados entre los muchos centros educativos que existen. Si se viaja a otro lugar, se puede aprender aunque no sea el método de enseñanza la forma de pensar razonar y experimentar de otra gente. También se puede conocer a científicos que se parezcan a ti y estudiar cosas que a ti también te interesen. La mayoría de los grandes científicos pasaron tiempo en otros centros educativos como por ejemplo, sin ir más lejos,Millikan estudió en Maquoketa (Iowa), California y Nueva York, lo que demuestra que encontró la satisfacción del saber al haber recorrido más de un lugar. 

¿Por qué es recomendable (o no) leer libros de divulgación científica? 

Primero deberíamos empezar sabiendo lo que es un libro de divulgación científica, porque podemos estar hablando sobre él sin siquiera conocerlo. Un libro de divulgación científica es aquel que pretende contar cosas sobre ciencia y cosas relacionadas con este campo a un lector que a priori no sepa nada del tema, es decir, acercarle al tema mediante un texto fácil de comprender. Es altamente recomendable leer libros o textos de este tipo ya que nos transmiten información que aunque pareciera sencilla y simple, se convierte de repente en interesante y algo más compleja. Los seres humanos nos creemos los reyes de todo y es de esta manera como uno se da cuenta de que el saber no tiene límites. El nivel de enriquecimiento cultural y social que adquirimos al leer nos hará rellenar esa parte del cerebro que tenemos tan atrofiada de no hacer el esfuerzo de leer estos libros.

Para terminar, realizaremos con materiales  reutilizados nuestro propio modelo atómico (Thomson, Rutherford o Bohr) 

Thomson: Presentaba un modelo en el cual  el átomo estaba compuesto de electrones de carga negativa incrustados en en un átomo positivo.