Naturaleza eléctrica de la materia

La interpretación de resultados experimentales en los cuales se evidencia la natura­leza eléctrica de la materia ha permitido la evolución de la teoría atómica. Cada una de esas experiencias se describe a continuación en forma cronológica:

a. evidencia de la existencia de partículas negativas en la materia.

Los griegos, hace más de 2000 años, descubrieron que al frotar una varilla de ám­bar con una tela, aquella atraía objetos livianos como polvo ó plumas ligeras. Posteriormente observaron que dos varillas de ámbar frotadas se repelían entre sí, pero eran atraídas por una varilla de vidrio frotada con seda.

Otto Von Guericke en el siglo XVII encontró que al frotar una piedra de azufre con la mano, ella adquiría la propiedad de atraer trozos de papel y ocasionalmente se desprendían chispas. A estos fenómenos Guericke le dio el nombre de electrici­dad derivado del nombre griego del ámbar.

Benjamín Franklin en 1752 mediante una cometa y un cable húmedo logró con­ducir a tierra la carga eléctrica de una nube. Posteriormente Faraday en 1826 logró obtener el primer motor eléctrico empleando grandes bobinas de alambre, iniciándose así las investigaciones con tubos de descarga, en 1838, constituyén­dose este hecho como uno de los más significativos en el desarrollo de la teoría atómica.

Rayos catódicos

En 1879, Sir William Crookes experimentando con tubos de vidrio, como el de la Fig. 3.2, en los cuales había hecho el vacío, observó que se desprendía una radia­ción del cátodo al ánodo por lo cual la denominó rayos catódicos. Ellos son im­pulsados por la gran diferencia de potencial entre los electrodos.

Cuando no se hace un buen vacío, la alta concentración de partículas en estado gaseoso que quedan dentro del tubo, impide el paso de la corriente.

Figura 3.2 Tubo de rayos catódicos y su desplazamiento en línea recta.

En 1895 Jean Perrin descubrió que los rayos catódicos estaban cargados negativa­mente por la atracción que sufrían hacia el polo positivo de un imán y su repul­sión al acercarle el otro polo como se observa en la Fig. 3.3.

Fig. 3.3 Desviación de los rayos catódicos por un campo magnético.

En la misma época, Honrad Wilhelm Roentgen, experimentando con estos tubos y utilizando anticátodos con películas metálicas, en un cuarto oscuro, observó acci­dentalmente sobre una pantalla fluorescente vecina, cierta intensidad luminosa. Continuó sus investigaciones y logró establecer que los rayos catódicos al chocar contra el anticátodo producían un tipo de radiación de alto poder de penetración, no desviable por campos eléctricos ó magnéticos a la que denominó rayos X y que hoy son de gran utilidad en medicina y en cristalografía así, como también en la determinación del número de cargas positivas del núcleo del átomo. En la Fig. 3.4 se ilustra un tubo de rayos X moderno.

Fig. 3.4 Tubo de Rayos X

Radiactividad

El científico francés Antoine Henry Becquerel, en 1896, cuando se encontraba estudiando las propiedades de ciertos minerales entre ellos sales de uranio, conclu­yó que emitían espontáneamente un tipo de radiación de mayor poder de penetra­ción que los rayos X pues velaban una placa fotográfica aún cuando estuviera en la oscuridad y cubierta por una envoltura protectora. En 1898 los esposos Fierre y Mane Curie se interesaron por los descubrimientos de Becquerel y mediante sus investigaciones lograron descubrir los elementos radio (Ra) y polonio (Po) que emitían radiaciones semejantes al uranio (U) y por ello se les denominó materiales radiactivos.

Rutherford logró separar estas radiaciones, por medio de .un campo eléctrico, en tres tipos que detectó en una pantalla:

Fig. 3.5 Radiaciones emitidas por materiales radiactivos y su comportamiento frente a un campo eléctrico.

De las observaciones realizadas por Rutherford se concluye la naturaleza eléctrica de la materia y el fenómeno de transmutación de los elementos, es decir, la trans­formación de un elemento en otro por emisión de radiaciones alfa, beta y gama. Los materiales radiactivos tienen gran influencia en el mundo actual por sus impli­caciones en las fuentes de energía nuclear para barcos, submarinos, centrales ener­géticas nucleares, satélites y en la fabricación de las bombas atómicas. Por otro lado, el efecto fisiológico de la exposición a las emisiones radiactivas es de consecuencias fatales pues las quemaduras producidas son de tipo cancerígeno y así mismo afectan el código genético de los cromosomas de las células sexuales con repercusiones graves sobre la descendencia. Algunas aplicaciones de la radiac­tividad se indican en la tabla 3.1

Tabla 3.1 Algunos radioisótopos y sus aplicaciones en medicina.

El electrón

En 1897 el científico inglés Joseph J. Thomson (Nóbel de Física en 1906) en la Universidad de Cambridge, estudió la naturaleza eléctrica de los rayos catódicos y confirmó que poseían carga negativa independientemente del gas existente den­tro del tubo, fue así como propuso la existencia de una partícula negativa común a toda la materia. Esta partícula, conocida inicialmente como rayos catódicos, debería ser la unidad de electricidad a la cual Stoney, en 1891, había llamado electrón.

Thomson midió los campos eléctricos y magnéticos necesarios para producir cierta desviación y con el aparato de la Fig. 3.6 logró determinar la relación entre la car­ga y la masa del electrón (
/m = -1.76 x 108 coul/g.)

Los rayos catódicos son partículas cargadas negativamente y fueron descu­biertos en 1879 por Sir William Croques. Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Konrad Wilhelm Roenygen.

Robert Millikan en1908 determinó directamente que la carga de un electrón es

-1.6 x 10-19 coulombios.

La masa del electrón (9,1x 10- 28 g) es despreciable comparada con la masa del protón (1.67 x lO- 24 g) y con la del neutrón (1,67 x 10 - 24 g)

Fig. 3.6 Aparato utilizado por Thomson para determinar e/m del electrón.

En 1908 Robert André Millikan (Nóbel de Física en 1923) al irradiar con rayos X gotas de aceite que había rociado entre dos placas eléctricas encontró que algunas gotas incorporaban carga eléctrica y que la menor carga eléctrica incorporada tenía un valor característico (-1.6 x 10 19 coulombios). Algunas gotas podía incorporar carga múltiplo de este valor. Se le asignó este valor de carga al electrón y el caso de los múltiplos era razonable pues una gota podía incorporar más de un electrón.

Conocida la relación entre la carga y la masa (e/m) y la carga del electrón (e) se pudo determinar indirectamente la masa.

e -1,76 x 108 Coul/g. E= 1.6x 10-19 coul

m

m= -1.6 x 10-19 9,11 x 10-28 g

-1.76 x 108 coul/g

b. evidencia de la existencia de partículas positivas en la materia

La existencia de partículas positivas en la materia se evidenció al detectar la emi­sión de rayos alfa en la descomposición radiactiva.

Eugene Goldstein, en 1886, utilizando tubos con el cátodo perforado y que conte­nían un gas a baja presión observó, que además de la corriente de rayos catódicos (electrones), había una corriente de partículas que se dirigían del ánodo hacia el cátodo y los denominó por ello, rayos anódicos ó rayos canales. Se explicó su origen de la siguiente manera: Los rayos catódicos (electrones) al dirigirse hacia el polo positivo, encuentran a su paso moléculas del gas alojado dentro del tubo y debido a su energía cinética alta, chocan y arrancan otros electrones del gas y ori­ginan partículas positivas que se dirigen hacia el cátodo. Dentro del tubo existen por lo tanto corriente de electrones que se dirigen al ánodo y corriente de par­tículas positivas que se dirigen hacia el cátodo. En la figura 3.7 se ilustra este hecho.

Fig. 3.7 Tubo de Goldstein para evidenciar la existencia de partículas positivas.

En 1906, Thomson descubrió que cuando el tubo de Goldstein contenía hidrógeno, los rayos anódicos poseían una carga igual a la del electrón pero de signo H contrario (+1,6 x 10 --19 coul) y los denominó protones.

En los átomos el número de electrones y de protones es igual, ya que la materia, como un todo, es eléctricamente neutra.

c. partículas neutras en la materia

En 1920 Rutherford predijo la existencia, en el núcleo del átomo, de una partícula sin carga que impidiera la repulsión entre los protones a la cual denominó neutrón. En 1932 durante el estudio de reacciones nucleares, James Chadwick detecto la existencia de una partícula sin carga, con un alto poder de penetración y con una masa aproximadamente igual a la del protón. En física y química se utiliza frecuentemente la unidad de masa atómica (u.m.a.) que es aproximadamente la masa del neutrón (1 u.m.a. = 1.67 x l0 gramos)

d. otras partículas atómicas

Es muy superficial describir el átomo en términos de electrones, protones y neutrones únicamente, pues en la actualidad se conocen muchas partículas subatómicas.

En los estudios nucleares se ha descubierto que cada partícula posee su antipartícula. Sus masas varían desde cero para el neutrino hasta 2400 veces la masa del electrón. La mayoría de ellas se originan por el bombardeo de los átomos con partículas de alta energía o durante las descomposiciones radiactivas. Su existencia es muy corta y se descomponen en energía y otras partículas atómicas.

A pesar de la complejidad del átomo, en el estudio de la química no nuclear basta considerarlo como constituido por electrones, protones y neutrones.

En la tabla 3.2 se resumen las propiedades de algunas de las partículas subatómicas

Tabla 3.2 Algunas partículas subatómicas.

1. u.m.a. (unidad de masa atómica) = l,67x lO-24 gramos

Rayos : Son núcleos de Helio, de carga positiva y con una velocidad de unos 30.000 Km. /seg.

Rayos : "y: Son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza de la luz y no desviables por campos eléctricos magnéticos.

Rayos : Son partículas de carga negativa y que poseen una velocidad de

250.000 Km. /seg.