Contenido Naturaleza eléctrica de la materia

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Naturaleza eléctrica de la materia.

La naturaleza eléctrica de la materia es conocida desde hace tiempo, por los antiguos griegos, hacia el año 600 a.C. Muchos fenómenos muestran la relación entre la constitución de la materia y la electricidad:

Algunos cuerpos al ser frotados adquieren carga eléctrica.

La corriente eléctrica descompone algunas sustancias en otras más simples (electrólisis).

Evidencia de la naturaleza eléctrica de la materia

- La primera partícula que se descubrió fue el electrón. En 1897, el físico J. J. Thomson (1856-1940) demostró con experiencias basadas en tubos de vidrio y grandes descargas eléctricas, la emisión de partículas cargadas negativamente. A estas partículas se les denominó electrones.

Esta partícula, de masa tan pequeña que se considera carga eléctrica negativa, esta permitió explicar el comportamiento eléctrico de la materia que, curiosamente, ya habían postulado los griegos dos mil años antes.

-Así, en 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió la partícula positiva constituyente de la materia. Que se la llamó protón. Su masa era dos mil veces que la del electrón y tenía exactamente la misma carga, pero de signo positivo.

La materia está constituida por partículas llamadas átomos; pero este planteamiento no es suficiente para explicar ciertos comportamientos de la misma; como es el hecho de presentar, algunos materiales, atracción o repulsión cuando se les acerca.

Por extraño que parezca, toda la materia está constituida por partículas electrizadas; la prueba de ello es la electrización por contacto y por inducción.

Electrización de los cuerpos

Algunos fenómenos naturales, como los rayos producidos durante las tormentas, llenaron de asombro e imaginación a los pueblos antiguos.

El filósofo y matemático Tales de Mileto (siglo V a.C.) fue el primero en descubrir el fenómeno de la electricidad al observar un pedazo de ámbar frotando con lana o piel de animal. Mileto lo consideró como una propiedad característica de la materia.

Además de poseer masa y ocupar un lugar en el espacio, la materia tiene una naturaleza eléctrica, la cual se manifiesta de dos formas diferentes (positiva y negativa) asociadas a las partículas elementales que constituyen el átomo.

Si el comportamiento eléctrico de los cuerpos está relacionado con los átomos, es necesario conocer la estructura atómica.

Relación carga/masa del electrón.

La relación masa carga (m⁄Q) es una magnitud física usada en la electrodinámica de las partículas cargadas. Como implica su nombre la relación masa carga de un objeto resulta de dividir la masa del objeto entre su carga eléctrica. Esta magnitud generalmente solo es útil cuando el objeto es una partícula. Para objetos macroscópicos la carga total, la densidad de carga, la masa total o la densidad de la masa suelen ser magnitudes más útiles. En el sistema internacional de unidades se mide en kg/C. El concepto (m/Q) aparece en los campos de la microscopía electrónica, espectrometría de masas, tubos de rayos catódicos, física del acelerador, física nuclear, espectroscopia electrónica Auger, cosmología y óptica ionica.1 La importancia de la relación carga masa resulta de que, según la electrodinámica clásica, dos partículas con la misma relación masa carga se desplazan con la misma trayectoria en el vacío cuando son sometidas a campos magnéticos. En algunos campos se usa su inversa la relación carga masa (Q⁄m). El CODATA recomendó en 2010 un valor para el electrón de e⁄me= 1,758820088±39×1011 C/kg.2

En algunos experimentos la relación carga masa es la única magnitud que se puede medir directamente. Con frecuencia la carga se puede deducir a partir de consideraciones teóricas, así que la relación carga masa proporciona un método para calcular la masa de las partículas.

A menudo la relación carga masa se determina observando la desviación de las partículas cargadas sometidas a un campo magnético externo controlado. La ecuación del ciclotrón, combinada con otra información como la energía cinética de la partícula, nos da la relación carga masa. El espectrómetro de masas se basa en este principio. El mismo principio se utiliza para obtener información en los experimentos que se realizan con la cámara de niebla.

La relación entre las fuerzas electrostáticas con las gravitatorias entre dos partículas puede proporcionar el producto de sus relaciones masa carga. De lo que resulta que las fuerzas gravitatorias son despreciables a nivel subatómico, debido a lo extremadamente pequeñas que son las masas de las partículas subatómicas.

El electrón

El cociente carga elemental-masa del electrón, e⁄me, es una magnitud fundamental para la física experimental. Es importante porque la masa del electrón, me, es difícil de medir directamente, por lo que se obtiene a partir de las medidas de la carga elemental y la relación e⁄me. La relación Q⁄m del electrón fue calculada por primera vez por J. J. Thomson en 1897, con más precisión por Dunnington, mediante cálculos del momento angular y desviaciones debidas a un campo magnético perpendicular. Sus mediciones convencieron a Thomson de que los rayos catódicos eran partículas iguales, y le llevaron a descubrir el electrón.

El CODATA recomendó en 2006 el valor de e⁄me = 1,758820150(44) ×1011 C/kg.2

Se puede medir con el método del tubo de haz fino: se calienta un cátodo para que emita electrones. Los electrones son acelerados por un potencial conocido, para que los electrones tengan una velocidad conocida. La trayectoria del haz puede verse cuando los electrones son acelerados a través del gas de helio enrarecido, ya que algunos electrones chocan hacen que la senda se ilumine. Un par de bobinas de Helmholtz producen un campo magnético uniforme y mensurable perpendicular al haz de electrones. Este campo desvía el haz de electrones a una trayectoria circular. Se calcula e/m midiendo el potencial de aceleración (voltios) y la corriente (amperios) de las bobinas de Helmholtz, y el radio del haz de electrones.7

Efecto Zeeman

La relación carga masa del electrón también puede medirse mediante el efecto Zeeman, que consiste en el desdoblamiento de las líneas del espectro cuando el elemento está en presencia de un campo magnético B:

Aquí mj son valores cuánticos enteros que oscilan del -j al j, con j como el valor propio del operador del momento angula total angular J, siendo:

Donde S es el operador del espín con valor propio s y L es el operador del momento angular con valor propio l. Siendo gJ el factor de Landé, que se calcula así:

El

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