Modelos Atómicos:     Experiencias de Thomson
 Millikan   


Cuantización de la carga Electrica

           Thomson determinó en el siglo XIX la relación carga/masa de los electrones. Se dio cuenta de que sus medidas mostraban que la cuantización de la carga eléctrica era posible y que podía existir una porción mínima de carga eléctrica; aún así, había bastantes fisicos que opinaban que los rayos catódicos o anódicos tenían naturaleza ondulatoria. Por tanto, la experiencia de Thomson fue un importante argumento, pero no decisivo, de la existencia del electrón.

            Después de sus medidas de e/m, Thomson inició una serie de experiencias para determinar la carga electrónica e. Estos experimentos fueron llevados a cabo por su alumno J.J. Townsend.

            Townsend utilizó la electrólisis para producir iones gaseosos cargados que formaban una nube cuando se hacían burbujear a través del agua. Medía la masa de la nube haciéndola pasar a través de tubos de secado y determinando el aumento de peso de estos tubos. Medía la carga total con un electrómetro y determinaba el radio medio de las gotitas de agua individuales de la nube observando la velocidad de caída de la nube debida a la gravedad.

            Conociendo el tamaño medio de las gotas y la masa total, Townsend pudo calcular el número de gotas en la nube. Dividiendo la carga total de la nube por el número de gotas en la nube (supuso que cada ión formaba una gota de agua) estimó la carga sobre cada ión, aproximadamente 1.0 E -19 C..

            La exactitud del método de Thomson estaba limitada por la velocidad desconocida de evaporación de la gota, y la hipótesis de que cada gota contenía una sola carga no podía comprobarse. La medida de la carga elemental fue realizada por el físico americano Millikan en 1909. R.M. Millikan intentó eliminar el problema de evaporación utilizando un campo suficientemente intenso para mantener la superficie superior de la nube estacionaria de modo que pudiese observar la velocidad de evaporación y corregir este factor.

            Durante este experimento se observó que las gotas equilibradas, a veces, se movían repentinamente hacia arriba o hacia abajo, evidentemente debido a que habían absorbido un ión positivo o negativo.

            En 1909 Millikan empezó una serie de experimentos que no sólo demostraron que las cargas se presentan en múltiplos de una unidad elemental e, sino que también midió el valor de e con un error de 1º/00. Para eliminar la evaporación utilizó gotas de aceite dispersas en aire seco entre las placas de un condensador.

            Conectando el campo entre las placas, una gota podía hacerse mover hacia arriba o hacia abajo y observar durante varias horas. Admitiendo que la velocidad terminal de la gota era proporcional a la fuerza eléctrica que actúa sobre ella, el experimento de Millikan dio una  evidencia total de que la carga siempre se presenta en múltiplos de una unidad fundamental e.

 

BASE EXPERIMENTAL

            Las gotitas producidas en el atomizador, adquieren electricidad por fricción, luego pasan a través de un orificio al interior de una cámara formadas por dos placas horizontales de un condensador. Un microscopio permite observar el movimiento de cada gotita en el interior de la cámara. Cada gotita cae bajo la acción de su propio peso, pero la fuerza de la gravedad es anulada casi inmediatamente por la resistencia del aire, por lo que cae con velocidad uniforme; midiendo esta velocidad se determina el radio de la gotita. Cuando se aplica una diferencia de potencial a las placas del condensador, se establece un campo eléctrico, la fuerza eléctrica se ha de añadir o contrapesar al peso.

   

            Millikan estableció un campo de modo que la gotita se elevaba a velocidad uniforme; midiéndola se determina la carga de la gotita. Repitiendo la experiencia para muchas gotitas, concluyó que todas ellas tenían una carga múltiplo de una cantidad, la unidad de carga elemental.

 

1.- Determinación del Radio.

            En el caso de ausencia de campo eléctrico la fuerza hacia abajo es mg, y la fuerza hacia arriba es bv, siendo el movimiento de la gota en ausencia de campo:

ma = mg – Fr  

 

Despreciando la fuerza de empuje del aire, Fr es la fuerza de rozamiento viscosa que según la Ley de Stokes tiene el valor:

Fr = 6 p RµV  donde µ =Coeficiente de viscosidad

Al cabo de muy poco tiempo se alcanza prácticamente la velocidad límite constante, luego a = 0, y por tanto:

mg = Fr

 

2. – Determinación de la carga de la gotita en presencia de campo eléctrico    

Movimiento de la gota con el campo eléctrico: Si la gotita adquiere una carga q y el campo E está dirigido verticalmente hacia arriba, la ecuación del movimiento es:

ma = qE – mg – Fr

 

Cuando se alcanza la velocidad límite constante a = 0:

El valor de e determinado por Millikan fue 1’591 * 10 -19 C. Este valor fue aceptado durante unos veinte años hasta que medidas obtenidas por difracción de los rayos X diferían de los valores de Millikan en 0.4 %. La discrepancia fue achacada al valor del coeficiente de viscosidad utilizado por Millikan.


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