Instrucciones para “pesar” un electrón

Nuestra vida actual sería impensable sin la electricidad, pero, ¿sabemos qué es? ¿De qué está compuesta? ¿Qué se necesitó para manipularla como hoy se hace? A vuelo de pájaro, aquí se repasan algunos conceptos básicos de cuánto pesa comprender la naturaleza del Universo.

Oxford, Inglaterra, 1890

Se cuenta que durante un examen de graduación en la prestigiosa universidad que le ha dado notoriedad a la población de Oxford, un maestro le pidió al futuro egresado en ciencias que definiera la electricidad.
El alumno, nervioso como cualquiera que realiza una prueba de esa magnitud, se apresuró a responder que eso lo había estudiado a fondo y que lo comprendía a la perfección, pero que justo en ese momento se le había olvidado. El profesor entonces exclamó: «¡Es una lástima! Sólo dos seres en el Universo han sabido qué es la electricidad: Dios y usted. Y el único que podía explicarnos, lo olvidó».

Aunque en el siglo xix la electricidad ya se empleaba en telegrafía, iluminación y transporte público, e incluso en procesos industriales, nadie podía definirla del todo. Los libros de la época describían la electricidad en función de los fenómenos que produce, pero no su composición.

Fluidos vítreos y resinosos

Seiscientos años antes de Cristo, Tales de Mileto registró que si se frotaba un fragmento de ámbar con una tela de lana, éste atraía objetos ligeros y pequeños, como el pelo o las plumas. Ámbar en griego antiguo se decía ἤλεκτρον —electrón— y por esta palabra ese fenómeno de atracción fue llamado electricidad. Los griegos también fueron quienes plantearon que la unidad básica de la materia eran los átomos, que significa «indivisibles».

En el siglo XIX, los químicos, gracias a la tabla periódica de Mendéleiev, llegaron a conclusiones asombrosas sobre las características los elementos que existen en el Universo y de los átomos que los componen; sin embargo, el electrón —la unidad básica de los átomos— continuaba siendo un misterio.

Alguien que estuvo muy cerca de descifrar la naturaleza de la electricidad, fue un inglés llamado Robert Symmer. En 1757 demostró que al frotar algunos objetos con diversos tejidos —medias de seda, por ejemplo— podían electrizarse de dos formas: unos se electrizaban como el ámbar, a los que llamó sustancias resinosas; otros lo hacían como el vidrio y por eso los llamó sustancias vítreas.

Symmer también descubrió que cuando juntaba dos objetos resinosos con carga eléctrica o dos objetos vítreos cargados, se repelían y que cuando juntaba un objeto resinoso y otro vítreo —igualmente cargados—, se atraían. De este modo llegó a la conclusión de que «la electricidad admite dos fluidos muy tenues: uno positivo o vítreo y el otro negativo o resinoso, de propiedades antagonistas que se neutralizan al combinarse». Para su mala suerte, al poco tiempo Benjamin Franklin se hizo muy famoso con su idea de que «la electricidad es un solo fluido que únicamente cambia de carga al trasladarse de uno a otro cuerpo», y nadie volvió a acordarse de Symmer… sino hasta el siglo xix.
Ámbar en griego antiguo se decía ἤλεκτρον —electrón— y por esta palabra ese fenómeno de atracción fue llamado electricidad.

De granjero a doctor

Morrison, Illinois, ee. uu., 1868

En una familia de origen escocés —de padre predicador y madre profesora—, nació Robert Andrews Millikan. Los padres de Robert creían en el trabajo duro y por eso, hasta los 14 años, el joven Millikan trabajó en la granja familiar y 10 horas diarias en una tonelería a cambio de un dólar. No por ello dejó de ir a la escuela y, luego de estudiar en Iowa, se inscribió en un modesto instituto de Ohio.

Como el trabajo arduo le había procurado una notable condición física, Millikan era aficionado a los deportes y por esa razón quería ser entrenador profesional. Para adquirir más créditos académicos y terminar más rápido su carrera, se metió en un curso de física; aunque sabía algo de matemáticas, la materia no le entusiasmó mucho y casi lo consideró una pérdida de tiempo. En 1891, cuando terminó la universidad, buscó trabajo como profesor de educación física, pero lo único que encontró fue de física a secas, y como ya no tenía un centavo, aceptó en lo que «encontraba algo mejor».

Dar clases de física elemental le produjo a Millikan muchas preguntas que por lo regular quedaban sin respuesta y, en cuanto pudo ahorrar cierto capital, se matriculó en la Universidad de Columbia, de la que obtuvo una maestría en Física, en 1893. Luego hizo un doctorado al estudiar la polarización de la luz emitida por superficies metálicas incandescentes. Pero como Robert era el único que tenía esas inquietudes en todo el instituto, los maestros de Columbia decidieron enviarlo a Alemania, que en aquel entonces era la catedral de las ciencias.

Atracciones de circo

En la misma época que Millikan llegó a Alemania, los científicos europeos realizaban experimentos que consistían en llenar burbujas de vidrio de formas caprichosas con diversos gases nobles y colocar en sus extremos dos placas metálicas que estaban conectadas a la corriente eléctrica; a la placa metálica negativa se le llamó cátodo y a la positiva ánodo. Según el tipo de gas y la intensidad eléctrica, estos tubos emitían luces de colores, franjas intermitentes, fluorescencias y demás prodigios visuales que pronto se convirtieron en atracciones de circo ambulante.

¿Cuál era el resultado de estos experimentos? Lo único que era constante es que los rayos surgían del cátodo y se dirigían hacia el ánodo; de ahí que más tarde se les llamara rayos catódicos. En aquella época todavía se pensaba que el éter era la materia sutil que impregnaba a toda la materia —así como ahora los científicos están seguros que la mayoría del Universo está compuesto de materia oscura, aunque no puedan comprobarlo del todo—, y el experimento demostraba que las ondas de luz se desplazaban de forma análoga por el éter así como el sonido se desplaza en el aire.

Cómo funcionan los rayos catódicos

La misteriosa «sustancia x»

Un alemán que trabajaba en estos experimentos, llamado Wilhelm Röntgen, descubrió ciertas propiedades de los rayos emitidos por esos tubos: producían fluorescencia en una pantalla de platinocianuro de bario, atravesaban diversos cuerpos opacos, ennegrecían placas fotográficas e ionizaban —electrificaban— los gases. En matemáticas, la x significa incógnita y fue por eso que Röntgen llamó así a estos rayos a los que, años después, otros investigadores encontraron un uso médico.

Mientras tanto, Millikan, ya de regreso en los los ee. uu., se dedicó a escribir libros de física —varias generaciones aprendieron física elemental gracias a él— y se volvió un maestro muy reconocido en la Universidad de Chicago. Pero eso no lo tenía contento.

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Para 1906, Planck ya había cambiado el concepto que se tenía del Universo al plantear las bases de la física cuántica, Thomson había descubierto el electrón y Einstein había publicado su primera teoría de la relatividad y —algo que iba a resultar primordial para Millikan— había descrito el efecto fotoeléctrico: el modo en que se estableció que la luz puede considerarse formada por partículas cuánticas llamadas fotones, dotando a la luz un carácter corpuscular.

Para un hombre ambicioso y decidido como Millikan, la idea de ser sólo un maestro no era suficiente, así que un día se encerró a preguntarse qué podía aportar él para las ciencias, es decir: qué faltaba por descubrirse que fuera primordial para la comprensión —y comprobación—de muchas hipótesis científicas. Y de ahí se propuso medir la carga del electrón.

Un perfume de partículas

Millikan recordó el modo en que Röntgen había descubierto los rayos x, y pensó que, si ionizaba moléculas de agua y podía medir la diferencia que había en la carga antes y después de la ionización, eso le permitiría conocer el peso del electrón.

Se basó en el principio de los tubos catódicos para fabricar una cámara cerrada a la que se le ajustaban dos placas horizontales conectadas a un conjunto de baterías que podía regular. En la parte inferior puso tres ventanas que conectó a un emisor de rayos x, una fuente de luz que iluminara las gotitas de agua y, a un ángulo apropiado, un visor que le permitiera seguir el experimento. Sin entrar en muchos detalles, sus primeros intentos con el agua fallaron, pues por una parte el agua se evaporaba y por otra se condensaba —como ocurre con la lluvia cuando cae del cielo— y eso hacía imposible medir diferencias en la carga que había adquirido el agua con los rayos x.

Instrumento original con el que Millikan realizó su experimento:

Mientras Millikan pensaba con qué sustancia podría realizar el experimento, se topó con un vaporizador de perfume, al que, casualmente, también se le llama atomizador. Luego probó usar aceite en lugar de agua. Para no hacer más largo el cuento, después de infinitos intentos, repeticiones y comparaciones de resultados, el experimento le permitió saber a Millikan que las gotas flotantes de aceite tenían una carga de 1.6 x 10^19 culombios. En cuanto se publicaron estos resultados en 1910, Millikan fue candidato al premio Nobel de Física, mismo que recibió en 1923 por «determinar el valor de la carga del electrón».

Uno nunca sabe para quién trabaja

A pesar de ser tan brillante, Millikan también era terco y se empeñó durante diez años en «enmendarle la plana» al mismísimo Einstein, pero, en cada nuevo intento por refutarlo sólo conseguía probar de forma experimental lo que el científico alemán había propuesto desde el pizarrón.

En la actualidad, el descubrimiento de Millikan está presente en cualquier control remoto, en los baños automatizados, calculadoras de bolsillo, teléfonos celulares y en cualquier sensor fotoeléctrico que sea sensible a los electrones.

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El autor de esta nota, de haber continuado en la escuela, le hubiera encantado dedicarse a las ciencias, pero eso no lo supo sino hasta que comenzó a editar libros; pero si hubiera seguido en la escuela, jamás habría editado libros… y así ad nauseam. Recibirá con gusto sus comentarios en Twitter. Síganlo como @alguienomas