El Universo mecánico. Lección 13ª. Conservación de la energía.

Joseph John Thomson


(Cheetham Hill, Reino Unido, 1856-Cambridge, id., 1940) Físico británico. Hijo de un librero, Joseph John Thomson estudió en Owens College, más tarde en la Universidad de Manchester y en el Trinity College de Cambridge. Se graduó en matemáticas en 1880, ocupó la cátedra Cavendish y, posteriormente, fue nombrado director del laboratorio de Cavendish en la Universidad de Cambridge.

Thomson investigó la naturaleza de los rayos catódicos y demostró que los campos eléctricos podían provocar la desviación de éstos y experimentó su desviación, bajo el efecto combinado de campos eléctricos y magnéticos, buscando la relación existente entre la carga y la masa de la partículas, proporcionalidad que se mantenía constante aun cuando se alteraba el material del cátodo.

En 1897 descubrió una nueva partícula y demostró que ésta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. Esta partícula fue bautizada por Stoney con el nombre de electrón. Joseph John Thomson fue, por tanto, el primero que identificó partículas subatómicas y dio importantes conclusiones sobre esas partículas cargadas negativamente. Con el aparato que construyó obtuvo la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón.

Thomson examinó además los rayos positivos, estudiados anteriormente por E. Goldstein, y en 1912 descubrió el modo de utilizarlos en la separación de átomos de diferente masa. El objetivo se consiguió desviando los rayos positivos en campos eléctricos y magnéticos, método que en la actualidad se llama espectrometría de masas. Con esta técnica descubrió que el neón posee dos isótopos, el neón-20 y el neón-22.

Todos estos trabajos sirvieron a Thomson para establecer un modelo de la estructura del átomo, aunque incorrecto, pues el suponía que las partículas cargadas positivamente se encontraban mezcladas homogéneamente con las negativas.

Thomson recibió el premio Nobel de Física en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases. Calculó la cantidad de electricidad transportada por cada átomo y determinó el número de moléculas por centímetro cúbico. Escribió varias obras, entre las que destacan: The Discarge of Electricity Through Gases, Conduction of Electricity Through Gases, The Corpuscular Theory of Matter, The Electron in Chemistry y Recollections and Reflections. En 1937, su hijo George obtuvo también el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la difracción de los electrones.

Robert Andrews Millikan


(Morrison, 1868 - San Marino, 1953) Físico estadounidense de origen escocés. Tras doctorarse en la Columbia University de Nueva York (1895), realizó estudios postdoctorales en las universidades de Berlín y Gotinga (1895-1896).

En 1896 se integró al Departamento de Física de la Universidad de Chicago, donde fue nombrado profesor en 1910. Desde 1921, hasta su jubilación en 1945 como profesor emérito, ocupó la dirección del Norman Bridge Laboratory de Física en el California Institute of Technology de Pasadena, de cuyo consejo ejecutivo fue asimismo presidente. Bajo su dirección, la institución se convirtió en uno de los centros de investigación más prestigiosos a escala mundial.

En 1907 inició una serie de trabajos destinados a medir la carga del electrón, estudiando el efecto de los campos eléctrico y gravitatorio sobre una gota de agua (1909) y de aceite (1912), y deduciendo de sus observaciones el primer valor preciso de la constante "e". Obtuvo además la primera determinación fotoeléctrica del cuanto de luz, verificando la ecuación fotoeléctrica de Einstein (1916), y evaluó la constante "h" de Planck.

Recibió por todo ello numerosos reconocimientos, entre los que destaca el premio Nobel de Física en 1923. Realizó además estudios sobre la absorción de los rayos X, el movimiento browniano de los gases, el espectro ultravioleta y, en los últimos años de su vida, investigó la naturaleza de los rayos cósmicos, precisando la variación estacional de su intensidad con la altitud.

El experimento Millikan de la gota de aceite fue un experimento realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher en 1909 para medir la carga elemental (la carga del electrón).
El experimento implicaba equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo con la flotabilidad hacia arriba y las fuerzas eléctricas en las minúsculas gotas de aceite cargadas suspendidas entre dos electrodos metálicos. Dado que la densidad del petróleo era conocida, las masas de las “gotas ", y por lo tanto sus fuerzas gravitatorias y de flotación, podrían determinarse a partir de sus radios observados. Usando un campo eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en las gotas de aceite en equilibrio mecánico. Repitiendo el experimento para muchas gotas, confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, y calcularon que es 1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente aceptado de 1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que esta era la carga de un único electrón.

A partir de 1900, mientras era profesor en la Universidad de Chicago, Millikan, con la importante aportación de Fletcher, trabajó en el experimento de la gota de aceite con el que midió la carga de un único electrón. Después de una publicación sobre sus primeros resultados1 en 1910, las observaciones contradictorias de Felix Ehrenhaft2 iniciaron una controversia entre los dos físicos. Después de mejorar su configuración experimental, publicó su estudio seminal en 1913.3
Su experimento mide la fuerza contra la gravedad en las minúsculas gotas de aceite cargadas suspendidas entre dos electrodos metálicos. Conociendo el campo eléctrico, se determina la carga en la gota. Repitiendo el experimento para muchas gotas, Millikan demostró que los resultados podían ser explicados como múltiplos enteros de un valor común 1,592.10-19 C, la carga de un único electrón.
En la época de los experimentos de la gota de aceite de Millikan y Fletcher, la existencia de las partículas subatómicas no era universalmente aceptada. Experimentando con los rayos catódicosThomson descubrió en 1897 unos corpúsculos (como él los llamó) negativamente cargados, con una masa unas 1000 veces más pequeña que la de un átomo de hidrógeno. Resultados parecidos habían sido encontrados por George Francis FitzGerald y Walter Kaufmann. La mayoría de lo que entonces se conocía acerca de la electricidad y el magnetismo, sin embargo, podría explicarse sobre la base de que la carga es una variable continua, de la misma forma que muchas de las propiedades de la luz pueden explicarse el tratarla como una onda continua en lugar de como una corriente de fotones.
La llamada carga elemental e es una de las constantes físicas fundamentales y su valor exacto es de gran importancia. En 1923, Millikan, ganó el Premio Nobel de física, en parte debido a este experimento.
Aparte de la medición, la belleza del experimento de la gota de aceite reside en que es una simple y elegante demostración práctica de que la carga está en realidad cuantizada. Thomas Edison, quien había considerado la carga como una variable continua, se convenció después de trabajar con el aparato de Millikan y Fletcher. Este experimento ha sido repetido por generaciones de estudiantes de física, aunque es bastante caro y difícil de hacer correctamente.

Fue autor de varios libros de texto de considerable calidad: La mecánica, la física molecular y el calor (Mechanics, Molecular Physics, and Heat, 1903), Curso de introducción a la física (First Course in Physics, 1906) en colaboración con Henry Gale, y Electricidad, sonido y luz (Electricity, Sound and Light, 1908)

Otras de sus obras son El electrón (The Electron, 1917), La ciencia y la vida (Science and Life, 1923), La ciencia y la nueva civilización (Science and the New Civilization, 1930), El tiempo, la materia y los valores (Time, Matter, and Values, 1932), Electrones (+ y -), protones, fotones, neutrones y rayos cósmicos (Electrons (+ y -), Protons, Photons, Neutrons, and Cosmic Rays, 1935), Nueva física elemental (New Elementary Physics, 1936), La mecánica, la física molecular, el calor y el sonido (Mechanics, Molecular Physics, Heat and Sound, 1937) y Los rayos cósmicos (Cosmic Rays, 1939). En 1950 se publicó su autobiografía.