Los Físicos Bloggeros: De Arquímedes a Einstein: Capítulo 8: Millikan

Actividad 5: Robert A. Millikan

En este capítulo investigaremos para saber un poco mas sobre Robert Millikan. Nació en Illinois, EEUU, en 1868 y murió en 1953, en California. Se le atribuye la determinación de la carga del electrón, por lo que recibió un Nobel en 1923. También investigó el efecto fotoeléctrico. Para medir la carga del electrón inició una serie de trabajos que estudiaban el efecto de los campos eléctrico y gravitatorio sobre una gota de agua y otra de aceite. Obtuvo además la determinación fotoeléctrica del cuanto de luz, verificando la ecuación fotoeléctrica de Einstein. He aquí el hilo conductor del que hablamos en la primera entrada, otro científico que aparte de sus numerosas logros, intentó aclarar el misterio de la luz.

Una pequeña introducción a la actividad que nuestro profesor nos ha propuesto:

La actividad que se propone es la publicación de una entrada conjunta en vuestro blog que conteste a las siguientes cuestiones:

1-Debereis explicar la hipótesis de Symmer acerca del fluido vítreo (+) y el fluido resinoso (-) desde el punto de vista de tus conocimientos de la electrostática.

La hipótesis de Symmer (1896) explicaba que la electricidad se consideraba como una forma de energía capaz de admitir dos clases de fluidos muy ligeros; uno resinoso, o negativo, y el otro vítreo, o positivo.

Lo de vítreo y resinoso hace mención al hecho de que una varilla de vídreo se carga eléctricamente de una manera (“positiva”, que se decía) al frotarla con una tela de seda, y una vara de lacre o un trozo de ámbar, frotado con una tela de lana, se carga de manera opuesta (negativamente).

2- Explicar el funcionamiento de un tubo de descarga ¿Por qué consiguió Thomson desviar los rayos catódicos? ¿Cómo influye la presión del gas enrarecido del interior?

Es un tubo vacío en el que se aplica una gran diferencia de potencial,entre sus dos extremos, de cientos de voltios (como su pusieras los dos extremos de una pila, del mas al menos). Al estar hecho casi al vacío los electrones viajan por dentro, debido al alto voltaje, y llegan al otro extremo del tubo (como viajan los electrones por un cable hasta que llegan a una bombilla. Este tubo sirve para la observación de fenómenos presentes durante la descarga eléctrica de gases en función de la presión y del tipo de gas.

3- Explica el modelo de Thomson del átomo e investiga por qué no es un modelo viable según los descubrimientos posteriores.

Thomson suponía que los electrones se distribuía de una forma uniforme alrededor del átomo. Thomson descubre el electrón antes que se descubriese el protón y el neutrón.

Si observamos este modelo, veremos que el átomo se compone por electrones de carga negativa en el átomo positivo. Pensaba que los electrones, distribuidos uniformemente alrededor del átomo, en distintas ocasiones, en vez de una sopa de las cargas positivas, se postulaba con una nube de carga positiva, en 1906 Thomson fue premiado con el novel de física por este descubrimiento. Suponía que los electrones estaban incrustados en una masa de protones y neutrones.

El modelo no fue viable debido a que ens el experimento de la lámina de oro en el cual esta lámina fue bombardeado por rayos de luz y vio como algunos rayos salían desviados otros rectos y otros rebotaban, esto eran los choques entre las cargas positivas y negativas de aquí se concluyó que debía haber un espacio entre las cargas positivas y negativas que generaran tal efecto. Después de este experimento Rutherford propuso su modelo atómico que derrocó el de Thomson.

4- Millikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson. Describe brevemente el experimento por el que es famoso este investigador. ¿Qué es el éter? ¿Crees que su existencia sigue siendo una hipótesis viable?

El experimento de Albert Michelson fue uno de los 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 especial de Einstein.

Él puso a punto un experimento para medir la velocidad con la que se movía la Tierra con respecto al éter, y terminó demostrando que el éter no existía. Sus resultados se convertirían en la base experimental de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.

Cada año, la Tierra completa un giro alrededor del Sol, viajando a una velocidad de 100.000 km/h. A fines del Siglo XIX se creía que la dirección del viento del éter con respecto a la posición del Sistema Solar debía variar cuando la Tierra se desplazase en una u otra dirección, tal como un bote recibe un empuje diferente por parte del agua de un río dependiendo de si avanza a favor o en contra a su corriente. Michelson y Morley supusieron que la Tierra era el bote y que el río era el éter. Para tener éxito, el experimento debería llevarse a cabo en varios momentos del año. De esta forma, la luz, al llegar a la Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter, lo haría con diferentes velocidades. El problema era que de la luz es de 300 mil km/s, y la de la Tierra solo 30 km/s, por lo que la diferencia de velocidades a medir era muy pequeña. Sin embargo, Michelson,que estaba muy entrenado en la medición de la velocidad de la luz, ideó una manera de medir esta mínima diferencia.

El éter era una sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todos los espacios vacíos como un fluido.

5- ¿Podrías explicar, según el modelo de Bohr, por qué los rayos X ionizan a las gotas de aceite?

El modelo de Bohr explica cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo.

En el modelo de Bohr, cada una de las capas es más energética cuanto más alejada del núcleo esté. Si aplicas rayos X a una gota de aceite, ésta aumenta una capa, la cual no está competamente llena de electrones por lo que se convierte en un ión, se ioniza.

6- Describe el experimento de Millikan.

Experimento de Millikan.

El experimento comienza sin conectar las baterías, sino solo observando, midiendo con un cronómetro las caías de las gotas de aceite por su propio peso contrarrestado , en parte, por la viscosidad del medio. Una vez ya supo como caen, ionizó el interior de la cámara lanzándole rayos X, conectó la batería y graduó el campo eléctrico, Millikan utilizó un cuchillo afilado recorriendo los finos hilos de cobre de una bombina. A la vez, observó con el visor hasta ver una gotita flotando. Apuntó el campo eléctrico que hace que la gota se quede inmóvil. De ahí sacó que tendrían una carga eléctrica de 1,6 · 10^-19.

7- ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Puedes enseñar alguna aplicación actual de este
fenómeno por cuya explicación teórica, Albert Einstein, recibió el premio Nobel.

De forma resumida, cuando una acción luminosa produce en la sustancia un fenómeno eléctrico se dice que ha ocurrido un fenómeno fotoeléctrico. Es muy curioso que en los lugares menos esperados o sin que siquiera lo notemos las ideas revolucionarias de Einstein esten presentes. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: cámaras, en el dispositivo que gobierna los tiempos de exposición; en 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. Las aplicaciones las encontramos, también, cuando asistimos a una función de 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 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, la lectura nos permite entonces saber la concentración de alcohol en el individuo. Estamos inmersos en un mundo tecnológico que Einstein descubrió para nosotros.

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

Pensamos que es interesante puesto que hay ocasiones en las que encontrarte en un entorno diferente estimula nuestra imaginación y creatividad y por lo tanto nuestro afán por investigar, de cometer nuevos errores y de encontrar nuevas soluciones. Pasar tiempo en otros centros de investigación también significa compartir nuestras ideas y teorías con los investigadores de estos centros, lo que significa encontrar nuevas formas de pensar y nuevas ideas con las que "jugar". Es interesante porque compartir y contrastar nuestras ideas con las de otros amplía nuestro ángulo de visión.

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

Para empezar, simplemente leer libros, sean del carácter que sean, ya es recomendable puesto que leyendo se aprende y los libros son la principal fuente del conocimiento. Ahora, los libros de divulgación científica son los que mas analizan a fondo todo lo que nos rodea por lo que siempre es bueno ampliar nuestros conocimientos. En nuestra opinión, es plenamente recomendable leer libros de divulgación científica puesto que es sinónimo de leer las fuentes del saber, sinónimo de leer los principios en los que se apoya la base de nuestra sociedad.

10- Construye con materiales reutilizados tu propio modelo atómico (Thomson, Rutherford
o Bohr)
Inspirándonos en el modelo de nuestro profesor que propuso una pizza de electrones, nosotros hemos decidido hacer el bombón de electrones. Aquí el vídeo en el que os lo presentamos:

Tarea opcional: Realiza el experimento de Millikan en esta web http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/millikan/millikan.html y sube los cálculos, gráficas y demás resultados.

El experimento trata de averiguar el radio y la carga de una gota de aceite utlizando un programa en el cual dejas caer varias gotas y mides la velocidad media con la que caen las gotas ya que hay un metro y un cronómetro. También puedes conectar el campo eléctrico que lo que hace es desviar la gota para arriba, también midiendo la velocidad media de las gotas. Nos dimos cuenta de que las gotas bajaban con distintas velocidades aleatoriamente y que cuanto más lento bajaba, después, si activabas el campo eléctrico, más rápido subía y viceversa. Calculamos que el radio de la gota de aceite es igual a 1,3713·10^-6 m y la carga que tenía la gota de aceite es 3·1,6·10^-19. Aquí están las operaciones que realizamos: