Cuantización de la electricidad

Hacia mediados del siglo diecinueve convivían dos teorías sobre la electricidad, una de las cuales sostenía la idea de dos clases de fluidos eléctricos, mientras que la segunda postulaba la existencia de una cantidad mínima de carga. El avance de las técnicas experimentales y el descubrimiento de ciertos fenómenos antes no observados permitieron corroborar que la carga eléctrica está realmente cuantizada, esto es, que existe un valor mínimo de carga eléctrica, portada por partículas que son más pequeñas aún que el propio átomo.

Los primeros indicios sobre la cuantificación fueron proporcionados por el análisis de los experimentos de M. Faraday sobre la electrólisis. Durante la primera mitad del siglo diecinueve, mediante la realización de meticulosos experimentos sobre la conducción de la electricidad en soluciones, obtuvo una constante que mide la cantidad de electricidad que debe circular por una celda para que la masa depositada o liberada durante la electrólisis sea igual a la masa equivalente de la sustancia (masa molar dividida por la valencia), a la que se le dio el nombre de constante de Faraday,  F = 96500 C†. Luego, en 1887, S. Arrhenius propuso que, en la formación de soluciones, las sales se disocian en iones (término acuñado por el propio Faraday décadas atrás). Mientras Faraday pensaba que la disociación se producía por el pasaje de corriente, la propuesta de Arrhenius fue que las sales se disocian en iones en la formación de la solución, independientemente del paso de corriente eléctrica. Por esta contribución recibió en 1903 el Premio Nobel de Química. Ahora bien, si la corriente es transportada por portadores de carga, cada uno llevando la misma carga eléctrica, entonces la constante F se puede pensar como un número entero de cargas elementales. Siendo F la cantidad de electricidad que debe circular para que la masa depositada sea igual al peso equivalente de la sustancia, es decir, para que se depositen NA iones de la sustancia, es razonable pensar que F es equivalente a NA cargas elementales:

F = q NA

donde q es el valor (supuesto) de carga elemental. Tomando NA = 1023 (un valor estimado para fines del s.XIX) se tiene q = F / NA = 96500 C /1023 ≈ 10-20 C. En 1894, G. Stoney acuñó el nombre electrón para esta carga fundamental, y fue él quien realizó esta estimación de su valor a partir de la constante de Faraday. Al considerar el valor del número de Avogadro actualmente aceptado,  NA = 6,02 × 1023, el cálculo anterior da 

q = F / NA = 96500 C /(6,02 × 1023) = 1,60 × 10-19 C

valor que coincide perfectamente con el asignado a la carga del electrón.

La ratificación de la cuantización de dio a través del descubrimiento y posterior estudio de los rayos catódicos. En 1870 W. Crookes construyó un tubo de alto vacío con un par de electrodos en su interior, de manera de poder establecer una diferencia de potencial entre dichos electrodos. En sus experimentos, el científico pudo dar cuenta de que estos rayos provenían del cátodo al observar la luminiscencia producida en el extremo del tubo opuesto al del cátodo. También corroboró que estos rayos se propagan en línea recta, siendo que al interponer un obstáculo (en sus experimentos, una cruz de malta conectada al ánodo) se produce una sombra de dicho obstáculo en la región donde antes se producía la luminiscencia. 

A partir de la mejora de las técnicas de vacío, muchos científicos se dedicaron al estudio de estas y otras radiaciones (como los rayos canales, descargas en gases a baja presión), para las cuales no se tenía aún un modelo definitivo de la época. Algunos años más tarde, A. Schuster comprobó que los rayos portaban carga negativa al observar que utilizando campos magnéticos se podía desviar su trayectoria. No obstante, la confirmación de que los rayos estaban compuestos por partículas vino de la mano de los trabajos experimentales de J. J. Thomson hacia 1986. Al interponer placas paralelas a la dirección de los rayos, y manteniendo una diferencia de potencial entre las placas, Thomson logró desviar los rayos mediante campos eléctricos, obteniendo así valores fehacientes de la relación entre la carga y la masa de las partículas portadoras de electricidad. Esta relación le permitió estimar la masa de estas partículas, las cuales serían unas 2000 veces más ligeras que el átomo de menor masa conocido, el átomo de hidrógeno. Además de la determinación de la relación carga-masa, el físico inglés demostró que esta relación era independiente del material del cátodo, lo cual lo llevó a la idea de que estas partículas serían constituyentes fundamentales de la materia, es decir, partículas subatómicas. Estos trabajos llevaron a J. J. Thomson a formular su modelo atómico, el famoso pudin de pasas, pero de esto se hablará más adelante.

La determinación del valor de la carga del electrón fue dada varios años después, por el físico R. A. Millikan. Sus experimentos, basados en experimentos previos de J. S. Towsend, consistieron en la medición del tiempo de caída y de ascenso de pequeñas gotitas de aceite (del orden de 1 μm) eléctricamente cargadas, inmersas en una región donde existía un campo eléctrico vertical uniforme. Midiendo las velocidades de diferentes gotitas, con diferentes cargas, las cuales podían ser modificadas mediante la exposición a radiación ultravioleta, Millikan determinó la carga eléctrica de miles (literalmente) de gotitas para luego intentar encontrar un mínimo común divisor. El análisis de sus resultados llevó a un valor muy cercano al valor que hoy conocemos de la carga del electrón.

De esta manera, el debate sobre la naturaleza de la electricidad llevó a los científicos al descubrimiento de una nueva partícula, más pequeña aún que el átomo más pequeño, que está presente en todas las sustancias y que por ende es considerada como una parte fundamental de la materia: el electrón. Al ser la primera partícula subatómica en ser develada, su hallazgo abrió camino a la idea de una estructura interna del átomo.

† El coulomb, C, es la unidad de carga eléctrica del Sistema Internacional. 1 C = 1 A·s.