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Electrón Descubrimiento y Historia

electrón

Un electrón es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa.​ Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos; en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemental. En la teoría de cuerdas se dice que un electrón se encuentra formado por una sub estructura (cuerdas). Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor que la del protón. El momento angular (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión. Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas —entre ellas, la eléctrica— de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones de rayos gamma.

Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones,​ participan en las interacciones fundamentales, tales como la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil.​ Como toda la materia, poseen propiedades mecánico-cuánticas tanto de partículas como de ondas, de tal manera que pueden colisionar con otras partículas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor manera en experimentos con electrones a causa de su ínfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, según el principio de exclusión de Pauli.

El concepto de una cantidad indivisible de carga eléctrica fue teorizado para explicar las propiedades químicas de los átomos. El primero en trabajarlo fue el filósofo naturalista británico Richard Laming en 1838. El nombre electrón para esta carga fue introducido en 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney. Sin embargo, el electrón no fue identificado como una partícula hasta 1897 por Joseph John Thomson y su equipo de físicos británicos.6​16​17​

En muchos fenómenos físicos —tales como la electricidad, el magnetismo o la conductividad térmica— los electrones tienen un papel esencial. Un electrón en movimiento genera un campo electromagnético y es a su vez desviado por los campos electromagnéticos externos. Cuando se acelera un electrón, puede absorber o radiar energía en forma de fotones. Los electrones, junto con núcleos atómicos formados de protones y neutrones, conforman los átomos.

Sin embargo, los electrones contribuyen con menos de un 0,06 % a la masa total de los átomos. La misma fuerza de Coulomb, que causa la atracción entre protones y electrones, también hace que los electrones queden enlazados. El intercambio o compartición de electrones entre dos o más átomos es la causa principal del enlace químico.​ Los electrones pueden ser creados mediante la desintegración beta de isótopos radiactivos y en colisiones de alta energía como, por ejemplo, la entrada de un rayo cósmico en la atmósfera.

Por otra parte, pueden ser destruidos por aniquilación con positrones, y pueden ser absorbidos durante la nucleosíntesis estelar. Existen instrumentos de laboratorio capaces de contener y observar electrones individuales, así como plasma de electrones. Además, algunos telescopios pueden detectar plasma de electrones en el espacio exterior. Los electrones tienen muchas aplicaciones, entre ellas la electrónica, la soldadura, los tubos de rayos catódicos, los microscopios electrónicos, la radioterapia, los láseres, los detectores de ionización gaseosa y los aceleradores de partículas.

Qué es un electrón

Un electrón es una partícula elemental estable cargada negativamente que constituye uno de los componentes fundamentales del átomo. Por este motivo también se la puede definir como una partícula subatómica. Forma parte del grupo de los leptones.

Los electrones pueden aparecer en estado libre (sin estar unidos a ningún átomo) o atados al núcleo de un átomo. Existen electrones en los átomos en capas esféricas de diversos radios. Estas capas esféricas representan los niveles de energía. Cuanto más grande sea el caparazón esférico, mayor será la energía contenida en el electrón.

En los conductores eléctricos, los flujos de corriente són los electrones de los átomos que circulan de forma individual de un átomo a otro en la dirección del polo negativo al polo positivo del conductor eléctrico. En los materiales semiconductores, el corriente eléctrico también se produce mediante el movimiento de los electrones.

En algunos casos, lo más ilustrativo para visualizar el movimiento de la corriente eléctrica són las deficiéncias de electrones de átomo a átomo. Un átomo deficiente en electrones en un semiconductor se llama agujero. Los agujeros, en general, se “mueven” entre los polos eléctricos de positivo a negativo.

Historia del electrón

Historia del electrón

Los antiguos griegos se percataron que el ámbar atraía pequeños objetos cuando se le frotaba contra el pelaje. Junto con el rayo, este fenómeno es una de las primeras experiencias conocidas de los humanos con la electricidad. En su tratado de 1600 De Magnete, el científico inglés William Gilbert definió el término neolatino «electricus» para referirse a la propiedad de un objeto de atraer otros pequeños después de ser frotado.​ Tanto las palabras eléctrico como electricidad derivan del latín «electrum», que a su vez proviene de la palabra griega «ήλεκτρον» («elektron»), que significa ámbar.

A principios de los años 1700, Francis Hauksbee y Charles François de Cisternay du Fay descubrieron, cada uno por su lado, lo que creían que eran dos tipos de electricidad friccional: uno generado por el rozamiento con vidrio, y el otro por el rozamiento con resina. A partir de esto, Du Fay teorizó que la electricidad consistía en dos fluidos eléctricos, el «vítreo» y el «resinoso», que estaban separados por la fricción y que se neutralizaban el uno al otro cuando eran combinados.

Una década más tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de dos tipos diferentes de fluido eléctrico sino de un mismo fluido a presiones diferentes; les dio la nomenclatura moderna de carga «positiva» y «negativa», respectivamente.​ Franklin pensaba que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación reflejaba un excedente del portador de carga y en qué caso era un déficit.

Entre 1838 y 1851, el filósofo naturalista británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo estaba compuesto de un núcleo de materia rodeado por partículas subatómicas con carga eléctrica. A partir de 1846, el físico alemán Wilhelm Eduard Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positivamente y negativamente, y que su interacción estaba gobernada por la ley del inverso del cuadrado.

Más tarde, tras estudiar el fenómeno de la electrólisis, el físico irlandés George Johnstone Stoney sugirió que existía una «única cantidad definida de electricidad», la carga de un ion monovalente, siendo capaz de estimar el valor de esta carga elemental mediante las leyes de Faraday de la electrólisis.​ Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban ligadas permanentemente a átomos y que no podían ser removidas. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz argumentó que tanto las cargas positiva como negativa estaban divididas en partes elementales, cada una de las cuales se comportaba como «átomos de electricidad».4

En 1894, Stoney estableció el término inglés «electron» para describir estos cambios elementales: se hizo una estimación de la cantidad real de esta unidad de electricidad fundamental, que es la más destacable, por lo que me he aventurado a sugerir el nombre ‘electron’». Dicha palabra «electrón», que deriva del inglés, es una combinación de la palabra «electricidad» y del sufijo griego «patrón» (‘el medio por el cual se hace’).

Descubrimiento del electrón

Descubrimiento del electrón

Haz de electrones dentro de un tubo de rayos filiformes siendo desviados siguiendo una trayectoria circular mediante un campo magnético homogéneo.

El físico alemán Johann Wilhelm Hittorf emprendió el estudio de la conductividad eléctrica de gases enrarecidos. En 1869, descubrió un brillo emitido desde el cátodo que aumentaba de tamaño cuando el gas disminuía de presión. En 1876, el también físico alemán Eugen Goldstein mostró que los rayos de ese brillo proyectaban una sombra, y los denominó «rayos catódicos». Durante la década de 1870, el químico y físico inglés sir William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos con un vacío elevado (vacío con presión en el rango de 100 mPa a 100 nPa). ​

Entonces mostró que los rayos luminiscentes que aparecían dentro del tubo llevaban energía y que iban del cátodo al ánodo. Además, aplicando un campo magnético, Crookes fue capaz de desviar los rayos, con lo cual demostró que el haz se comportaba como si estuviera cargado negativamente. ​En 1879 propuso que estas propiedades se podían explicar con lo que él denominó «materia radiante». Sugirió que se trataba del cuarto estado de la materia, que consistía en moléculas cargadas negativamente que eran proyectadas a alta velocidad desde el cátodo.

El físico británico nacido en Alemania Arthur Schuster continuó los experimentos iniciados por Crookes colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos y aplicando un potencial eléctrico entre ellas. El campo desviaba los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que evidenciaba aún más que los rayos llevaban una carga negativa. Al medir la cantidad de desviación causada por un cierto nivel de corriente eléctrica, en 1890, Schuster fue capaz de determinar la proporción masa-carga de los componentes de los rayos. Sin embargo, logró un valor que era más de mil veces lo esperado, por lo que, en aquella época, no se dio mucho crédito a sus cálculos.

En 1896, el físico británico Joseph John Thomson, junto con sus colegas John Sealy Townsend y Harold Albert Wilson,16​ llevó a cabo experimentos que indicaron que los rayos catódicos eran realmente partículas únicas y no ondas, átomos o moléculas, tal como se creía anteriormente.  Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la carga como de la masa, y encontró que las partículas de los rayos catódicos —a las cuales llamaba «corpúsculos tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido, el ion hidrógeno. Asimismo, demostró que su proporción carga-masa (e/m) era independiente del material del cátodo. Más tarde demostró que las partículas cargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, por materiales calentados y por materiales iluminados eran universales. El nombre de «electrón» para estas partículas fue propuesto de nuevo por el físico irlandés George Francis FitzGerald y, desde entonces, la palabra consiguió una aceptación por partes.

En 1896, mientras estudiaba los minerales naturalmente fluorescentes, el físico francés Henri Becquerel descubrió que estos emitían radiación sin estar expuestos a ninguna fuente de energía externa. Estos materiales radiactivos se convirtieron en tema de estudio de interés de muchos científicos, entre ellos el físico neozelandés Ernest Rutherford, que descubrió que emitían partículas. Designó a estas partículas «alfa» y «beta» según su capacidad de penetrar la materia. En 1900, Becquerel demostró que los rayos beta emitidos por el radio podían ser desviados por un campo eléctrico, y que su proporción masa-carga era la misma que la de los rayos catódicos. Esta evidencia reforzó la idea de que los electrones existían en forma de componentes en los átomos.

La carga del electrón fue medida con más cuidado por los físicos estadounidenses Robert Millikan y Harvey Fletcher mediante su experimento de la gota de aceite (1909), cuyos resultados fueron publicados en 1911. Este experimento usaba un campo eléctrico para evitar que una gota de aceite cargada cayera como resultado de la gravedad. El aparato era capaz de medir la carga eléctrica tan pequeña como de 1 a 150 iones con un margen de error del 0,3 %.

Algunos experimentos similares habían sido llevados a cabo anteriormente por el equipo de Thomson6​ usando nubes de gotas de agua cargadas generadas por electrólisis,16​ y en el mismo año por Abram Ioffe, el cual, de manera independiente, obtuvo el mismo resultado que Millikan usando micropartículas de metales cargadas, publicando sus resultados en 1913.​ Sin embargo, las gotas de aceite eran más estables que las de agua debido a que su tasa de evaporación es menor, lo cual hacía que fueran más adecuadas para llevar a cabo este tipo de experimentos que duraban largos periodos de tiempo.

Hacia el comienzo del siglo XX se descubrió que, bajo ciertas condiciones, una partícula cargada que se movía rápidamente causaba una condensación de vapor de agua supersaturado a lo largo de su camino. En 1911, Charles Wilson usó este principio para concebir su cámara de niebla, la cual permitía fotografiar los caminos trazados por partículas cargadas tales como electrones.

Propiedades físicas del electrón

La carga de un solo electrón es considerado como la unidad de carga eléctrica. Se le asigna polaridad negativa, por eso decimos que el electrón tiene carga negativa. La carga de un electrón es igual, pero de sentido opuesto, a la carga positiva de un protón o de un agujero.

La cantidad de carga eléctrica no se mide en términos de la carga de un electron debido a que es extremadamente pequeña. En su lugar, se utiliza el Coulomb, con símbolo C. El Coulomb es la unidad estándard de cantidad de carga eléctrica. Un Coulomb representa alrededor de 6,24 x 1018 electrones.

La carga eléctrica de un electrón es de 1.60 x 10-19 C y la masa del electrón es aproximadamente de  9.11 x 10-31 kg.

Los electrones se mueven a una fracción apreciable de la velocidad de la luz, por ejemplo, en un acelerador de partículas, tienen una mayor masa a causa de los efectos relativistas.

¿Cuántos electrón de valencia hay en el carbono?

Puede determinar el número de electrones de valencia en cualquier átomo de un elemento que pertenece a los elementos representativos (grupo principal) determinando su configuración electrónica. Los orbitales más externos (energía más alta) s, syp contendrán los electrones de valencia para un átomo de un elemento que pertenece a los elementos representativos. Los elementos representativos son los elementos del Grupo A, o los Grupos 1 y 2, y los Grupos 13 – 18, según la versión de la tabla periódica que esté utilizando.

Entonces, ¿cómo se determina la cantidad de electrones de valencia para un átomo de carbono? Primero necesitas saber que en un átomo neutral, la cantidad de electrones es igual a la cantidad de protones. La cantidad de protones es el número atómico de un elemento. El número atómico de carbono (C) es 6. Por lo tanto, un átomo de carbono neutro tiene 6 protones y 6 electrones. La configuración electrónica para el carbono es1 s 22 s 22 p 2. Los orbitales s y p más externos en el segundo nivel de energía contienen 4 electrones, y estos son los electrones de valencia para un átomo de carbono. Por lo tanto, un átomo de carbono neutro tiene 4 electrones de valencia.

Hay un atajo que puede usar para determinar el número de electrones de valencia para un átomo de un elemento representativo con solo mirar la tabla periódica, y ese es el número de Grupo. Para el sistema de designación del Grupo A, el número de Grupo es el número de electrones de valencia. Por ejemplo, los átomos del Grupo IA tienen 1 electrón de valencia, los átomos del Grupo IIA tienen 2 electrones de valencia, los átomos del Grupo IIIA tienen 3 electrones de valencia, y así sucesivamente hasta los átomos del Grupo VIIIA, que tienen 8 electrones de valencia.

Para las tablas periódicas que numeran los grupos en la tabla periódica consecutivamente del Grupo 1 al Grupo 18, los átomos del Grupo 1 tienen 1 electrón de valencia, los átomos del Grupo 2 tienen 2 electrones de valencia, los átomos del Grupo 13 tienen 3 electrones de valencia, los del Grupo 14 tienen 4 electrones de valencia , y así sucesivamente hasta los átomos del Grupo 18, que tienen 8 electrones de valencia.

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Qué es un electrón
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Un electrón es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa.​ Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos; en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemental. En la teoría de cuerdas se dice que un electrón se encuentra formado por una sub estructura (cuerdas). Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor que la del protón. El momento angular (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión.
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