1- SYMMER Y LOS FLUIDOS VÍTREO Y RESINOSO
Robert
Symmer ((1707 – 1763) fue un filósofo y físico escocés.
Según
Symmer, la
electricidad admitía dos
clases de fluidos muy ligeros: uno resinoso o negativo, y el otro
vítreo o positivo. Decía que estas
propiedades eran neutralizadas al combinarse ambos fluidos.
Hipótesis
de Symmer: En todos los cuerpos existen dos fluidos imponderables,
que están en cantidades iguales e íntimamente combinadas. Las
partículas de un mismo fluido se rechazan y atraen las de otro.
Según
Symmer, electrizar un cuerpo era separar los dos fluidos y hacer que
uno de ellos preponderara.
Observó
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.
Para
electrizar los objetos usaba lana.
Un
científico inglés llamado William Gilbert retomó la idea de que la
electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser
frotados.
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.
Podemos
realizar un experimento muy sencillo para comprobar la hipótesis de
Symmer. Para ello utilizamos un globo y nuestro propio pelo.
Experimento:
Inflamos el globo y lo frotamos durante unos 20 segundos contra el
pelo. Después lo separamos un poco de la cabeza y observaremos que
el pelo se queda “pegado” al globo.
Lo
que ocurre es que al frotar el globo con el cabello, éste adquiere
carga eléctrica positiva (pierde electrones) y el globo queda
cargado negativamente. Al separar ambos cuerpos, estos se atraen (al
tener distintas cargas eléctricas).
2- EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS
En
el siglo XX los más eminentes científicos estaban haciendo unos
experimentos fascinantes. Consistían en ampollas de vidrio de formas
variadas en cuyos extremos interiores se colocaban dos placas
metálicas conectadas externamente a potentes baterías. Los tubos
irradiaban luces de colores, mostraban franjas luminosas y oscuras,
emitían fluorescencias y otros fenómenos. A la placa metálica
cargada negativamente se le llamaba cátodo, y a la otra, la
positiva, ánodo. Los rayos surgían del cátodo y se dirigían hacia
el ánodo. Por eso se llamaban rayos catódicos.
La
hipótesis lógica acerca de la naturaleza de estos rayos era que se
trataba de ondas que viajaban a través del éter. Pero esto no
explicaba la variedad de colores y fenómenos que tenían lugar en
los tubos de rayos catódicos ya que a través del éter las ondas de
luz se propagaban de manera análoga (como el sonido en el aire). Por
lo tanto esta variedad de colores y fenómenos dependía,
fundamentalmente, del tipo de gas que contenía el tubo y de su
enrarecimiento.
La
conductividad aumenta a medida que disminuye la presión del gas. Si
un tubo de rayos catódicos se conecta a una bomba de vacío y entre
el cátodo y el ánodo se establece una diferencia de potencial de
varios miles del voltios, a medida que disminuimos la presión
empiezan a tener lugar los fenómenos citados.
A
unos 5 mmHg, las descargas llenan el tubo adquiriendo una luminosidad
cuyo color depende del gas que contiene: violeta con aire, rojo
anaranjado con neón, azul con argón, etc.
Un
científico británico, Joseph John Thomson, puso un empeño especial
en extraer la máxima cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos
haciendo en su interior el vacío más alto alcanzado en la época.
Así llegó a un punto en que los rayos catódicos se veían
desviados por los campos eléctrico y magnético. Logró gracias a
esto encontrar en los átomos una partícula con carga eléctrica
negativa, a la que denominó electrón.
Más
adelante, en 1909, Robert Milikan midió la masa y la carga del
electrón utilizando gotas de aceite en suspensión.
3- MODELOS ATÓMICOS
Según
Thomson, el átomo debía ser como una gran masa de carga positiva, e
insertados en ella, debían estar los electrones. La carga negativa
de los electrones compensaba la carga positiva, para que el átomo
fuera neutro.
La
experiencia de la lámina de oro: Para comprobar si el modelo de
Thomson era cierto, los científicos Hans Geiger (1882-1945) y Ernest
Marsden (1889-1970), colaboradores de Rutherford, diseñaron una
experiencia aprovechando algunos descubrimientos sobre la radiactividad.
Obtuvieron
los siguientes resultados:
- La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina de oro sin desviarse.
- Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina, pero sufrían una leve desviación.
- Una de 10000 partículas alfa rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacia atrás.
La
experiencia de Rutherford corregía el modelo de Thomson.
Según
Rutherford, el átomo está formado por un núcleo muy pequeño y una
corteza. En el núcleo está concentrada toda su carga positiva y su
masa. En la corteza están los electrones girando alrededor del
núcleo.
Con
el modelo de Rutherford queda totalmente explicada la experiencia de
la lámina de oro.
La
mayor parte del átomo está vacía y los electrones giran alrededor
del núcleo. Por eso, la mayor parte de las partículas alfa que
llegan a la lámina de oro la atraviesan sin desviarse, ya que no
encuentran ningún obstáculo. Una pequeña parte de las partículas
pasa cerca del núcleo y su trayectoria se desvía. Una mínima
proporción de las partículas choca con el núcleo, es repelida y
vuelve hacia atrás.
El
científico danés Niels Bohr (1885-1962) realizó una serie de
estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran
alrededor del núcleo describiendo solo determinadas órbitas
circulares.
Así
pues, en el átomo, los electrones se organizan en capas o niveles de
energía.
A
medida que se van llenando los niveles de energía, los electrones se
van situando en niveles superiores.
La
principal diferencia entre el modelo de Rutherford y el de Bohr es
que en el primero los electrones giran describiendo órbitas que
pueden estar a una distancia cualquiera del núcleo, mientras que el
modelo de Bohr está cuantizado.
Modelo
atómico actual: Denominado el modelo mecánico-cuántico del átomo,
establecido por Edwin Schrödinger.
Sustituye
la idea de que el electrón se sitúa en en determinadas capas o
niveles de energía por la probabilidad de encontrar al electrón en
una cierta región del espacio: orbital.
4- EXPERIMENTO DE ALBERT MICHELSON
Millikan
trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert
Michelson.
Michelson
realizó un experimento junto con Morley en 1887, por el que es
conocido. Fue uno de los experimentos más importantes y famosos de
la historia de la física. Está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad de Einstein.
Antecedentes
A
finales del siglo XIX se conocía que la luz era una onda
electromagnética, que se propagaba a velocidad c (unos
300.000 km/s).
Ahora,
si suponemos que entre las estrellas que vemos y nosotros no hay
nada, esto entra en contradicción directa con que veamos la
luz que nos llega de dichas estrellas.
Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debe existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.
Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debe existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.
Si
existiese de verdad dicho éter, deberíamos ser capaces de
observarle de alguna forma, y esto fue lo que propusieron Michelson y
Morley. Realizaron un experimento para medir dicho éter.
Base
del experimento
No
se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que
tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da
una vuelta), la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará
a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen
que nos da la luz.
Para
ello, se utilizó un interferómetro de Michelson, el
cual divide la luz que emite un foco luminoso (un láser por ejemplo)
en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a
juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente
que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy
definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán
produciendo máximos y mínimos de intensidad.
Que
se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan
recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando
ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la
posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz,
lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez
milésima de milímetro).
Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.
Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.
Así
que variando la orientación de los brazos se debería observar un
cambio en el patrón obtenido.
Resultados
Finalmente,
y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo
y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los
movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que
ocurría.
Los
resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos: en
ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de
la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía
ninguna velocidad apreciable.
Sin
embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más
importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a
pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz
podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual
derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de
Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.
Físicos
y ocultistas han debatido durante siglos sobre el éter, la sustancia
que supuestamente impregna todo el Universo. Aunque su existencia fue
descartada a finales del siglo XIX, algunos científicos actuales han
retomado las antiguas teorías y avanzado otras nuevas. Pensamos que
si algunos científicos siguen pensando que esta sustancia existe, es
posible, ya que aunque no se haya demostrado que existe tampoco está
suficientemente demostrado que no exista.
5-
La
ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se
producen iones (átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido
al exceso o falta de electrones).
De
acuerdo con el modelo de Bohr, los rayos X ionizan las gotas de
aceite, aportando a los electrones una carga energética adicional,
que hace que éstos se sitúen en capas o niveles de energía
superiores. Así se logra que compensen el equilibrio que ha de
existir entre la órbita ocupada por el electrón y la adicional
carga electromagnética otorgada por los rayos X .
6-
EXPERIMENTO DE MILLIKAN O EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE
En
1909, Robert Millikan se propuso medir la masa y carga del
electrón.
El experimento que realizó consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio de aproximadamente un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador, por lo que su movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.
Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:
m·g = q·E (principalmente)
Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón:
e = 1,602 × 10-19 culombios.
Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.
El
siguiente vídeo que hemos encontrado lo explica muy bien (en inglés): El experimento que realizó consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio de aproximadamente un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador, por lo que su movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.
Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:
m·g = q·E (principalmente)
Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón:
e = 1,602 × 10-19 culombios.
Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.
7-
EFECTO FOTOELÉCTRICO
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, en general).
Una
serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto
fotoeléctrico tenía determinadas características que no podían
explicarse por la teoría clásica que consideraba que la luz (teoría
ondulatoria de la luz) se comportaba como una onda. Por ejemplo, al
aumentar la intensidad de la luz que incide sobre un metal, la teoría
ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán
electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los
experimentos mostraron que la energía de los electrones emitidos
sólo depende de la frecuencia de la luz, y no de su intensidad.
En el año 1900, Max Planck dijo que la energía está formada por partículas denominadas cuantos de energía. La energía de un cuanto es igual a la constante de Planck por la frecuencia de radiación.
En el año 1900, Max Planck dijo que la energía está formada por partículas denominadas cuantos de energía. La energía de un cuanto es igual a la constante de Planck por la frecuencia de radiación.
Posteriormente,
Einstein se basó en esta teoría para explicar el efecto
fotoeléctrico: No sólo la energía está formada por partículas
sino también la luz, cuyas partículas se denominan fotones. Por lo
tanto, la intensidad de ésta no influye en la velocidad de los
electrones emitidos por el metal en el que incide, sino en su
cantidad (a mayor intensidad, mayor número de electrones). Por otro
lado, a mayor frecuencia, mayor es la velocidad de los electrones y
mayor es su energía.
El
video que mostramos a continuación es muy interesante y explica muy
bien el efecto fotoeléctrico:
Es
muy curioso que en los lugares menos esperados o sin que siquiera lo
notemos, las ideas revolucionarias de Einstein están presentes. Las
aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: camaras,
detectores de movimiento, en el alumbrado público, como regulador de
la cantidad de toneren la máquinas copiadoras, en las celdas solares
(muy útiles en satélites), calculadoras y relojes. También en el
cine, ya que el audio que escuchamos es producido por señales
eléctricas que son provocadas por los cambios de intensidad de la
luz al pasar por la pista sonora que viene en la
cinta cinematográfica. Pero es muy interesante que el efecto
fotoeléctrico se aplica también en los alcoholímetros, en donde la
reacción del alcohol con una sustancia de prueba provoca cambios de
color, los cuales son medidos por el dispositivo, y esto permite
saber la concentración de alcohol en el individuo. Es impresionante
lo útil que resulta el efecto fotoeléctrico, y se lo debemos a
Einstein.
8-
Que
los científicos pasen algunos años en otros centros de
investigación distintos a los que se formaron les permite
relacionarse con otros científicos con los que pueden comparar
conocimientos científicos, lo que les ayuda a adquirir una visión
más amplia (aprenden a respetar otras opiniones de científicos) y
objetiva. Además, el estar en contacto con diferente tipo de gente y
encontrarse en un lugar distinto del habitual, les puede hacer conocer
nuevas técnicas de estudio o experimentación.
Si
llegan a estar en contacto con algún científico importante, pueden
interesarse por su investigación y hacer avances importantes. De
esta forma se amplían sus posibilidades de triunfar en el mundo de la
ciencia.
9-
En
nuestra opinión, leer libros de divulgación científica puede ser
muy interesante, ya que, además de que el lenguaje es fácil de
comprender (lo que los hace aptos para estudiantes no muy avanzados),
permiten conocer el mundo de la ciencia.
Lo
malo de estos libros es que en ocasiones pueden contener información
errónea o demasiadas opiniones del autor, que no permiten que uno se
cree su propia visión.
10- NUESTRO MODELO ATÓMICO
A continuación podéis ver cómo construir con vuestras manos y algunos materiales un átomo de sodio según el modelo atómico de Bohr.
Materiales
- Dos cartulinas blancas
- Celo
- Lana
- 12 canicas (una de ellas más grande)
- Tijeras
- Pegamento
Pasos
1º - Colocamos las dos cartulinas en el suelo y las unimos por su lado largo pegándolas con un trozo de celo.
A continuación podéis ver cómo construir con vuestras manos y algunos materiales un átomo de sodio según el modelo atómico de Bohr.
Materiales
- Dos cartulinas blancas
- Celo
- Lana
- 12 canicas (una de ellas más grande)
- Tijeras
- Pegamento
Pasos
1º - Colocamos las dos cartulinas en el suelo y las unimos por su lado largo pegándolas con un trozo de celo.
2º - Damos la vuelta a la cartulina y, con ayuda de un compás, dibujamos 3 circunferencias (partiendo desde un mismo centro).
3º - Colocamos sobre cada circunferencia un trozo de lana, de forma que cubra totalmente las líneas dibujadas. Para que el hilo se sujete, lo pegamos con pegamento.
4º - Ya solo queda colocar las canicas que son necesarias en cada órbita para conseguir un átomo de sodio (Na) de acuerdo al modelo atómico de Bohr. Este es el resultado final:
