Electromagnetísmo

Electrodinámica cuántica

Un electrón es una partícula elemental estable cargada negativamente que constituye uno de los componentes fundamentales del átomo. Forma parte del grupo de los leptones.

Fue la primera partícula elemental descubierta. Hacia finales del siglo XIX se dedicó un esfuerzo considerable a investigar las descargas eléctricas en los gases enrarecidos.

En 1895 Jean Perrin, analizando la carga eléctrica de los llamados rayos catódicos (catódico), demostró que transportaban carga negativa. Al poco tiempo, J.J. Thomson llevó a cabo el clásico experimento en el que consiguió determinar la carga específica de las partículas que constituían, según él, los rayos catódicos y que llamó electrones. A partir de la relación carga / masa (e / m) obtenida por Thomson, Millikan, mediante un experimento hecho célebre, pudo medir en el año 1909 la carga del electrón ey la masa m.

El descubrimiento del electrón inició una nueva etapa de la física y corroboró la hipótesis de que el electrón es una partícula elemental del Universo a partir de la cual se forman todos los átomos.
Se ha podido comprobar que la masa del electrón aumenta con la velocidad, de acuerdo con las predicciones de la mecánica relativista. También ha sido verificada la naturaleza ondulatoria del electrón.

La producción de electrones libres por diferentes procedimientos y su comportamiento en medios diversos han encontrado una extraordinaria aplicación práctica y han hecho desarrollar una nueva rama de la física y de la electricidad, la electrónica.

Los valores admitidos de la carga eléctrica y la masa del electrón son e = -1,602 189 2 (46) × 10-19 C, y me = 9,109 354 (47) × 10-31 kg.

El electrón

El electrón, la familia del electrón, partícula fundamental

El electrón es una partícula elemental. Esto significa que no se descompone en otras partículas. Según el modelo estándar de la materia, toda la materia que vemos en el universo se compone de cuatro partículas elementales: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos.

El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Thomson comprobó que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa: los denominó corpúsculos. En 1891, el físico irlandés George Stoney (1826-1911) había propuesto la existencia de estas partículas, pero no había podido comprobarla. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Además de confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por el físico estadounidense, de origen escocés, Robert Millikan (1868-1953) con un célebre experimento llamado "de la gota de aceite", realizado en 1909.

J.J. Thompson (físico inglés)

Pulse en los nombres anotados abajo, para ver lo que se dice de estos físicos en la web:
Joseph Thompson -------- Robert Millikan ------- George Stoney

Imaginar al electrón como una "partícula", es una forma de hacer más fácil la comprensión. Pero hay que saber que no es como una pequeña esfera. En realidad la materia real es algo muy distinto a lo que vemos. En la mecánica clásica, se calcula que el radio del electrón es 2,8179 × 10−15 m. Este es un concepto desfasado, pero resulta útil para algunos cálculos. La masa del electrón es muy pequeña: 0,0005 GeV. La masa de un protón es 1.800 veces mayor. Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).

I

El espín del electrón es ½ . Cuando el espín de una partícula es semi-entero, se la clasifica como perteneciente al grupo denominado fermiones. La carga eléctrica de un electrón puede medirse directamente con un electrómetro, dando como resultado una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10−19 coulombs; y la corriente generada por su movimiento, con un galvanómetro. Se ha demostrado experimentalmente que la masa de un electrón es  9,1 × 10−31 kg. Actualmente se prefiere utilizar como unidad de masa el gigalectrónvoltio y se dice que la masa del electrón es0,0005 GeV.

En el modelo físico de la mecánica cuántica, el electrón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema para que se le asigne un momento angular (una rotación). Podemos pensar en que el electrón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor, sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2 de la constante reducida de Planck. El electrón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada una de la tres familias),tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen espín 1/2 , se las denomina fermiones, en honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954). Es interesante saber que, en todos los astros, por cada protón hay un electrón. Esto hace que todos los astros sean neutros eléctricamente: el número de cargas positivas es exactamente igual al número de cargas negativas. Aunque parezca increíble, si así no fuera, la fuerza de gravedad sería insuficiente para asegurar la cohesión de la materia del astro y éste explotaría.Pulse en la imagen, para saber más acerca de Enrico Fermi.

Enrico Fermi (1901-1954)

Los electrones, los quarks up, los quarks down y los neutrinos son las únicas partículas estables en el universo. Las otras partículas tienen existencia efímera duran fracciones de segundo. Los electrones no se ven afectados por la interacción nuclear fuerte. A eso se debe que , aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o que forman un haz en el vacío. Los científicos calculan que el número de electrones existentes en el universo conocido es de al menos 1079. Practicamente ningún electrón nuevo ha aparecido después de la nucleosíntesis primordial, cuando la temperatura del universo bajó a 10.000 millones de grados.

Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos. La corriente eléctrica que suministra energía a nuestros hogares está originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catódicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vacío desviado mediante campos magnéticos que impacta en una pantalla fluorescente. El microscopio electrónico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del electrón son la base del microscopio de efecto túnel, que permite estudiar la materia a escala atómica. En algunos superconductores, los electrones que generan la corriente eléctrica se mueven en pareja.

Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan en una dirección, forman una corriente eléctrica. Tal es el caso de los electrones que circulan por el filamento de una bombilla. El roce producido por el veloz paso de los electrones hace que el filamento se caliente y emita luz.

George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia similar al que se obtiene en la difracción de ondas como la luz. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.

En la mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadística de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma débil. Pulse encima de cada nombre para ver más acerca de Dirac, Fermi o J.J. Thomson.

El equivalente al electrón en la antimateria, es el positrón. El positrón tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón, pero positiva. El espín y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, se aniquilan mutuamente y se originan dos fotones con una energía de 0,500 MeV cada uno.