¡A cuenta gotas! Parte II. Marı́a del Pilar Beltrán Soria*, René Gerardo Rodrı́guez Avendaño** Como muchos otros cientı́ficos (del pasado y del presente) el principal objetivo de Millikan al principio de su carrera era el reconocimiento cientı́fico, y aunque, ya habı́a escrito algunos buenos textos escolares con anterioridad, estaba deseoso de realizar una contribución verdaderamente importante en el área de la Fı́sica. Millikan contaba ya con cuarenta años de edad y por esa época el interés estaba situado en la determinación de la magnitud de la carga del electrón, aunque dedicarse de lleno a tal labor podı́a haber representado justamente todo lo contrario de lo que Millikan anhelaba. Recibido: 10 noviembre 2009. Aceptado: 24 noviembre 2009. 2. El problema (descripción a detalle del experimento de Millikan) Roberts Andrews Millikan nació en Morrison Illinois, Estados Unidos de Norteamérica, el 22 de Marzo del año 1868, bajo el signo piscis del zodiaco, fue hijo de un ministro, obtuvo su doctorado en fı́sica en la Universidad de Columbia y realizó trabajo post doctoral en Berlı́n Alemania, ası́ como en la Universidad de Gotinga. Se incorporó al cuerpo docente de la Universidad de Chicago en 1896, y en 1910 fue profesor de fı́sica. Fue precisamente en la Universidad de Chicago donde estudio bajo la dirección del astrofı́sico estadounidense Albert Abraham Michelson, quien recibió el premio Nobel de fı́sica en 1907 por desarrollar un extraordinario instrumento para medir distancias mediante interferencia de ondas luminosas, con lo cual en 1878 determinó la velocidad de la luz, que cifró en 299,910 km/s, y posteriormente demostró, mediante el llamado experimento de Michelson–Morley (1901), que la velocidad de propagación de la luz es independiente del movimiento de la Tierra. Hay que establecer que en esa época en Inglaterra otro de los grandes cientı́ficos J. J. Thomson después de haber descubierto la existencia del electrón también se habı́a abocado a la tarea de la determinación de la carga del electrón (demostrando que el átomo tenı́a partes internas) siendo además el director de tesis de Millikan y teniendo a su cargo el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge las posibilidades se hacı́an cada vez menores para Millikan. Uno de los colaboradores de Thomson habı́a inventado ya un dispositivo llamado “cámara de niebla” (que inicialmente habı́a sido inventada simplemente para estudiar las nubes de la atmósfera) el cual era útil para seguir trayectorias de partı́culas cargadas y de movimiento rápido, esto se lograba haciendo que el aire supersaturado (lleno de vapor de agua) de su interior se condensara alrededor de las partı́culas de polvo y otras partı́culas que flotaban libremente llamadas iones, lo cual suponı́a una ventaja sobre otros cientı́ficos en la carrera por determinar antes que nadie la carga del electrón. Michelson construyó instrumentos ópticos de precisión, con los que llevó a cabo diversas investigaciones espectroscópicas, y logró determinar de forma absoluta el diámetro de algunas estrellas, indudablemente la influencia de Michelson sobre Millikan fue determinante y quizá fue el principal motivo por el cual Millikan no abandonó la universidad hasta el año de 1921, cuando se le requirió para un puesto de mayor importancia al convertirse en director del laboratorio Norman Bridge de fı́sica en el Instituto de Tecnologı́a de California. Paradójicamente el dispositivo de niebla que parecı́a trazar la ruta adecuada para la determinación de la carga eléctrica del electrón dado que se podı́an manipular las partı́culas cargadas eléctricamente (iones) tuvo un efecto negativo al retardar la determinación adecuada, principalmente porque utilizaba agua y presentaba la dificultad de que se evaporaba rápidamente a este método se le conoció como método “Wilson” quien fue un estudiante de Thomson. * IEMS Plantel “Iztapalapa I” Calzada Ermita Iztapalapa No. 4163, Col. Lomas de Zaragoza, Del Iztapalapa. C.P. 09620, México D.F. pilysori@yahoo.com.mx, tel. (55)59764790 ** IEMS Plantel “Salvador Allende” GAM II. Av. Ferrocarril Hidalgo No. 1129, Col. Constitución de la República, Gustavo A. Madero GAM. C.P. 07469, México D.F.a rgra@yahoo.com.mx 53 54 Una breve descripción de algunos detalles de éste método son que los iones generados por radiación externa en la cámara de niebla, actuaban como centros de nucleación de las gotas de agua por acción de la atracción de las moléculas de agua con el vapor de agua supersaturado. Estas pequeñas gotas, podı́an ser observadas con ayuda de iluminación, cuando descendı́an lentamente por acción de la gravedad. Claro está que Millikan seguı́a los pasos de su director de tesis y también utilizaba la “cámara de niebla” y para ionizar la nube gaseosa en la cámara utilizó primero los rayos X de Roentgen y posteriormente pequeñas cantidades de radio, haciendo la prueba con un campo eléctrico más potente en la cámara, con el fin de contrarrestar la fuerza de la gravedad suspendiendo la nube manteniéndola inmóvil todo con el afán de que por un hecho milagroso pudiera adelantarse a los resultados de los mismos creadores del dispositivo, cosa que a todas luces parecı́a irracional, sin embargo Millikan acertó un golpe de suerte cuando en un congreso en la universidad de Chicago y después de haber expuesto sus primeros resultados el afamado cientı́fico neozelandés Ernest Rutherford (que habı́a demostrado que las sustancias radiactivas producen tres tipos de emanaciones a las que llamo rayos alfa, rayos beta y rayos gamma) le hizo ver a Millikan que una de las grandes dificultades era la gran velocidad con la que se evaporaban las diminutas gotas de agua. Además se encontraba el hecho de las propias limitaciones de la Ley de Stokes, que describe el movimiento de gotas minúsculas en un fluido y que desde tiempo atrás el equipo de Thomson utilizaba para calcular el tamaño promedio de las gotas individuales que componı́an la nube simplemente midiendo la velocidad con la que caı́a la nube. Rutherford le hizo ver que el generar una nube completa en la “cámara de niebla” no era adecuado para obtener el valor correspondiente de la carga del electrón y, hay que considerar, que sabı́a de lo que estaba hablando ya que la naturaleza de los rayos beta que trabajaba Rutherford fue determinada después de cinco años de investigación, en los cuales utilizaba el propio aparato de Thomson para obtener finalmente la naturaleza de tales rayos y dar a conocer que estaban constituidos de electrones (misma conclusión a la que habı́a llegado Becquerel en el año de 1900). Pero ¿en donde radicaba entonces el error cometi- ContactoS 75, 53–63 (2010) do por el equipo de Thomson? quizá la respuesta tenga que ver con el procedimiento del cálculo que proseguı́a a la obtención de la velocidad de caı́da de la nube ya que sabiendo además el volumen total de vapor de agua dentro de la nube y el tamaño medio de las gotas, Thomson pudo calcular (con la colaboración de su estudiante de doctorado Charles Wilson) el número de gotas que contenı́a la nube y bajo la suposición de que cada gota de la nube se habı́a condensado alrededor de un único electrón, se podı́a dividir la carga de la nube por el número de gotas para obtener una estimación aproximada de cada electrón, sin embargo los valores tenı́an una muy baja precisión. Millikan después de las recomendaciones hechas por Rutherford, modificó su aparato para estudiar gotas individuales en lugar de medir toda una nube. La nueva versión consistı́a en una cámara en la que las gotas de agua cargadas caı́an por un pequeño agujero, originado en una placa horizontal, entrando ası́ en un área donde, con la ayuda de un microscopio (que utilizó porque las gotas eran extremadamente pequeñas, tanto que aún con el microscopio Millikan sólo observaba la gota como si estuviera viendo a una estrella lejana en el firmamento), podı́a verse cómo subı́an o bajaban entre dos marcas de medición hechas al interior de la cámara. En 1909 Millikan envió su primer artı́culo sobre el método que denominó “equilibrio de las gotas” (en el cual se mantenı́a una nube en estado estacionario por efecto de un campo eléctrico lo suficientemente fuerte para evitar que se cayera por efecto gravitatorio) que fue publicado en febrero de 1910. El artı́culo fue notable por la honestidad de su presentación, tanto ası́ que el historiador de la ciencia Gerald Holton lo describe como un gesto poco común en la literatura cientı́fica. Millikan incluyo sus juicios personales sobre la fiabilidad y validez de cada una de las 38 observaciones de gotas. Cuestión que seguramente después lamentarı́a. Ese mismo año Felix Ehrenhaft (1879–1952) utilizarı́a diminutas partı́culas de metal en lugar de gotas afirmando, en una publicación que saldrı́a en 1910, que sus resultados probaban la existencia de “subelectrones” con cargas inferiores a las que Millikan sostenı́a que era la menor, a la vez establecı́a que los mismos experimentos de Millikan soportaban la teorı́a de la continuidad de la carga eléctrica. ¡A cuenta gotas! Parte II. Ma. del Pilar Beltrán S., René Gerardo Rodrı́guez A. La siguiente modificación al experimento tenı́a que ver con la rápida evaporación de agua que anteriormente habı́a sido cuestionada por Rutherford, Millikan trataba de resolver el problema, cuando la respuesta le llegó en un momento de inspiración (según se establece en su autobiografı́a) en el cual comprendió que no tenı́a sentido luchar contra la evaporación de las gotas de agua cuando los aceites de relojerı́a se habı́an desarrollado explı́citamente para resistir a la evaporación. Por lo tanto la idea de Millikan era utilizar una sustancia más pesada que el agua y que tuviera una tasa de evaporación menor como el mercurio o un aceite. Tal idea, posteriormente ha sido causa de disputas acerca de la originalidad ya que el mismo Millikan la atribuye en los artı́culos escritos en esa época a su colega J. Y. Lee, mientras que un estudiante de doctorado de Millikan, Harvey Fletcher, afirmó más tarde que era a él a quien se le habı́a ocurrido la idea de utilizar gotitas de aceite. En este punto habrá que establecer que Millikan habı́a asignado a Fletcher la misión de encontrar el mejor método experimental, y discernir entre utilizar mercurio, glicerina o aceite, por lo que no es nada descabellado pensar que en realidad tal idea pudo provenir de los resultados de Fletcher. Sobre todo si se analiza el hecho de que Fletcher fue quien diseño el instrumento mediante el cual una gota de aceite permanecı́a suspendida en el aire como si bailara, este fenómeno es conocido como movimiento Browniano, y actualmente es de gran interés cientı́fico. Cuando Fletcher comunicó sus resultados a Millikan éste desecho todo lo que se habı́a obtenido utilizando agua y puso su atención a los resultados obtenidos con las gotas de aceite. Ası́ pues Millikan y Fletcher trabajando sobre el nuevo y mejorado dispositivo encontraron dos valiosos resultados. Uno era la determinación de la carga eléctrica (conocida como e) y el otro era, la determinación del producto NA e donde NA es el número de Avogadro. El producto NA e pudo ser obtenido gracias a las observaciones del movimiento browniano de las gotitas de aceite en el experimento. Justo en este punto se establece uno de los pasajes más oscuros dentro de la vida cientı́fica de Millikan ya que le propuso a su estudiante de doctorado Fletcher ser el único autor del resultado del trabajo acerca del movimiento Browniano, siempre y cuando Millikan apareciera como el único autor en la determinación de la carga eléctrica del electrón, ya que Fletcher necesitaba una publicación en donde apa- 55 reciera como autor único para poder obtener el grado de Doctor. Sin duda alguna Millikan sabı́a que la medición de la carga del electrón podrı́a elevar en gran medida su reputación como investigador y él querı́a todo el crédito para sı́ mismo. Fletcher, también lo entendió ası́ y estuvo en desacuerdo con Millikan, pero Millikan habı́a sido su mentor y protector ası́ que no tuvo más remedio que aceptar el trato. Según se tiene reportado aún con este incidente Millikan y Fletcher permanecieron siendo buenos amigos y fue hasta la muerte de ambos cuando finalmente se hizo público tal hecho. Sin embargo hay que tomar en cuenta que cuando Fletcher finalmente obtuvo el grado de Doctor en Fı́sica se separó indefinidamente de Millikan. Como sea, la idea era crear cargas eléctricas negativas en el interior de una gota y dejarla caer durante unas pocas fracciones de segundo bajo la sola influencia de la gravedad. Sin embargo las gotas de aceite eran también muy pequeñas y nuevamente tuvo que verlas a través de un microscopio. En septiembre de 1910, Millikan publicó en solitario su segundo artı́culo importante sobre la carga de los electrones, el primero basado en gotas de aceite, en la prestigiosa revista Science. En este artı́culo no ordena las gotas según su fiabilidad, dice explı́citamente no haber incluido varias de ellas en sus cálculos de la carga de un electrón. En algunos casos, según explica, la causa era un error experimental grande. En 1913 Millikan publicó un artı́culo en el cual asegura que los datos que los datos que presenta provienen de una serie de observaciones sobre 58 gotas que, según señala no es un grupo selecto de gotas sino que constituye el conjunto completo de las observadas experimentalmente. Posteriormente un examen cuidadoso de Holton sobre los cuadernos que incluı́an los datos experimentales de Millikan reveları́a que en realidad habı́a estudiado 140 gotas y no las 58 que mencionaba en él, este el periodo comprendido entre el 11 de Noviembre de 1911 al 16 de Abril de 1912 según obra en los archivos de Caltech. Los divulgadores cientı́ficos al leer el trabajo presentado por Holton, han centrado su atención en la omisión de las gotas, y especialmente en la falsa afirmación de Millikan en su artı́culo de 1913, de que habı́a incluido todas las observaciones. 3. Las consecuencias La disputa entre R. Millikan y F. Ehrenhaft, que 56 duró varios años (1910 a 1925) concluyó finalmente cuando Ehrenhaft abandonó la causa de defender la teorı́a de los subelectrones. Años más tarde se obsesionó con otra: los monopolos magnéticos, algo ası́ como imanes con un solo extremo imantado. Sin embargo Holton y muchos otros historiadores de la ciencia han centrado su atención y analizado tal disputa desde otro punto de vista, presentado una detallada reconstrucción de la metodologı́a de experimentación de Millikan y Ehrenhaft estipulando que Ehrenhaft seguı́a el método cientı́fico tradicional (como el que se presenta en los libros de texto) permitiendo que la teorı́a sea dictada por datos experimentales. Mientras que la metodologı́a experimental de Millikan fue guiada por las presunciones, cuando Holton analizó los cuadernos que contenı́an los datos experimentales de las gotas de aceite del artı́culo de 1913 encontró que el 59 % de los datos de las gotas estudiadas fueron descartados ya que no concordaban con la hipótesis de Millikan de la carga eléctrica fundamental del electrón. Es importante resaltar el hecho de que en muchos libros de texto actuales no se menciona la controversia Millikan–Ehrenhaft y que tiene gran importancia en la historia de la ciencia, sobre todo si se analiza que en muchos libros se enaltece el uso del método cientı́fico tal como lo hizo Ehrenhaft y que actualmente este cientı́fico se encuentra totalmente ignorado y olvidado. Para entender los diferentes puntos de vista entre ambos cientı́ficos habrá que establecer el contexto en el que se presenta tal discrepancia del método cientı́fico, es importante considerar que a finales del siglo XIX existen dos posiciones antagónicas sobre el carácter del trabajo cientı́fico. Una de ellas la podemos identificar con cientı́ficos como el fı́sico y filósofo austriaco Ernest Mach, quienes siguen una lı́nea filosófica que defiende una base fenomenológica basada en correlaciones de observaciones directas evitando usar cantidades “hipotéticas”. Por otro lado tenemos a cientı́ficos como el fı́sico austriaco Ludwing Boltzmann que defienden el uso de entidades ocultas a la observación directa como medio para entender la realidad. Sin embargo, para ambas concepciones el carácter experimental del método cientı́fico es crucial. Esta distinción de posiciones filosóficas es fundamental porque es claro que el éxito de una teorı́a depende no de uno, sino de muchos experimentos realiza- ContactoS 75, 53–63 (2010) dos por muchas personas y la importancia asignada a los diferentes experimentos depende de las diferentes orientaciones filosóficas, además de que un mismo experimento puede significar cosas diferentes en diferentes tradiciones. Bajo este punto de vista, quizá se pueda establecer el por qué los resultados obtenidos por Ehrenhaft fueron desechados y los de Millikan prevalecieron, más allá de considerar que existı́a entre ambos cientı́ficos una rivalidad mal canalizada. Aunque hay que establecer que realmente Ehrenhaft nunca fue considerado por Millikan como su más reconocido adversario, sino más bien fue su propio director de tesis J. J. Thomson quien hasta la fecha es recordado como el “padre del electrón”. Por otra parte los resultados no mostrados del trabajo de Millikan han provocado que el hecho sea presentado como ejemplo de conducta contraria a la ciencia, y especı́ficamente al método cientı́fico, quizá esa sea la razón por la cual en la universidad de Chicago no exista evidencia alguna de la labor realizada por este gran cientı́fico. Holton establece como hipótesis en su trabajo de 1982, la importancia trascendental que tienen los factores temáticos o metafı́sicos en la investigación cientı́fica de Millikan y Ehrenhaft. Lo cierto hasta ahora y lo que aparece en los libros de texto es que a través del experimento de Millikan y otros experimentos adicionales, se ha determinado que la carga de un electrón es 1.6 × 10−19 C (Coulombios). A continuación se presenta la secuencia matemática que describe la fenomenologı́a fı́sica en el experimento de la gota de aceite de Millikan. Descripción cuantitativa del experimento de las gotas de aceite de Millikan. Una descripción de este experimento puede ser resumida de la siguiente manera: en primera instancia hay que considerar que el comportamiento de las gotas de aceite, es muy diferente a la nube de agua que se formaba en la cámara de niebla, ya que las gotas individuales de aceite se pueden manipular individualmente, esto se debe a que la gota queda cargada eléctricamente entre las placas, cuyo voltaje se puede variar para que la gota no caiga al fondo. Modificando el voltaje entre las placas se podrı́a hacer que las gotas de aceite ascendieran a velocidad constante. La carga en cada una de las gotas fue generada utilizando irradiación con rayos X, la cual se ad- ¡A cuenta gotas! Parte II. Ma. del Pilar Beltrán S., René Gerardo Rodrı́guez A. hirió a las gotas, implicando con ello un pequeño número de electrones (n = 0, 1, 2, 3, . . .). Cuando se eliminaba el campo eléctrico la gota estaba sometida exclusivamente a la fuerza de la gravedad y, debido a la resistencia del aire, la gota no caı́a aceleradamente sino que alcanzaba una velocidad terminal. Para la descripción matemática de lo anteriormente comentado se puede considerar que el aire tiene una viscosidad η conocida y que se puede establecer el valor de la fuerza gravitacional como: F g = m∗ g = F f Donde Fg es la fuerza de la gravedad, y m∗ es la masa aparente, tomada en cuenta en la frontera del aceite y el aire, mientras que Ff es la fuerza de fricción que se opone al movimiento por lo que la ecuación se puede escribir como: Entonces despejando el radio de una de las gotas de aceite s 9ηv0 r= (ρaceite − ρaire )2g puede ser estimado ya que como se estableció anteriormente la viscosidad del aire η es conocida. Si un campo eléctrico E0 ahora es aplicado, entonces una fuerza eléctrica F = qE0 actúa sobre la gota de aceite, donde q = −ne, donde finalmente aparece la carga eléctrica del electrón. Con el campo eléctrico adecuado compensando la gravedad se tiene: 4 meE0 = −g(ρaceite − ρaire ) πr3 3 Con lo cual se puede calcular la carga de la gota de aceite de la manera siguiente: −q = ne = − Fg = (ρagua V − ρaire V )g = −6πηrv Donde m∗ = ρagua V − ρaire V y Ff = −6πηrv para partı́culas esféricas (considerándose a la gota como tal) según se establece en la ecuación de Stokes, (la resistencia opuesta por un fluido al movimiento de una esfera en su seno es proporcional a la velocidad relativa) la cual debe su nombre al fı́sico y matemático irlandés George Gabriel Stokes. 4 F = qE1 − g πr3 (ρaceite − ρaire ) − 6πηrv 3 En la cual la velocidad terminal en este caso: v1 = Fg = g(ρagua − ρaire )V = −6πηrv 4 Fg = (ρagua − ρaire ) πr3 = −6πηrv 3 De donde se puede despejar la velocidad terminal constante y obtener: v= m∗ g 6πηr La cual depende de la viscosidad del gas (ηaire ), el radio de la gota r (que puede ser determinado a partir de la masa total condensada en la parte inferior de la cámara de niebla), la constante de aceleración gravitacional g, y la masa de la gota m. Retomando la definición hecha para la masa aparente m∗ se tiene que se puede calcular la velocidad de caı́da v0 . v0 g(ρaceite − ρaire ) 34 πr3 6πηr g 4 3 πr (ρaceite − ρaire ) E0 3 Una variación del experimento de un campo eléctrico mayor E1 es aplicado, con lo cual se mueve la gota de aceite hacia arriba, y la gota experimenta una fuerza total de: Por lo que se puede reescribir como: O bien, considerando el volumen de una partı́cula esférica. 57 qE1 − g 43 πr3 (ρaceite − ρaire ) 6πηr Por lo que al restar v1 − v0 se obtiene: v1 − v0 = qE1 6πρr De la cual la carga es: q = −ne = 6πηr(v1 − v0 ) η 23 r 36π v0 = (v1 − v0 ) E1 2 g(ρaceite − ρaire ) Cuando la gota cambia su carga, su velocidad terminal v1 cambiará. La carga más pequeña será observada cuando ∆n = 1. Lo cual proporciona la carga elemental del electrón. Se puede obtener valores para la carga elemental del electrón que sean dos veces la carga elemental, tres veces la carga elemental, nueve veces la carga elemental y muchos otros números enteros de esta carga elemental. Pero nunca se verá una parte fraccional de esta carga elemental, asumiendo que la carga no se puede dividir. 58 ContactoS 75, 53–63 (2010) q q q q Peso de cada canica = 3.2 × 10−19 C = 6.4 × 10−19 C = 8.0 × 10−19 C = 11.2 × 10−19 C 1g 2g 1/2 g Cuadro 1. Número de canicas en el saco 8 4 16 Cuadro 2. Es decir, para cada una de las gotas individuales se puede establecer que: Qgota = n(1.6 × 10 −19 C) Peso de cada canica 8g 4g Número de canicas en el saco 1 2 Cuadro 3. Donde n es un número entero positivo, que denota el número de electrones que fueron añadidos en el experimento de Millikan a cada una de las gotas de aceite y que en conjunto contribuyen a la carga neta de la gota. Millikan obtuvo valores para la carga del electrón como los mostrados en la tabla 1. Teorı́as actuales de fı́sica declaran que cargas de 1/3 y 2/3 de la carga elemental del electrón pueden existir. Hay evidencia para estas cargas fraccionadas y los cuarks (los componentes más pequeños de los cuales está hecha la materia) están asociados. Para poder acoplar los resultados de Millikan con estas nuevas teorı́as habrá que considerar que los resultados de la gota de aceite de Millikan hasta ahora pueden establecer la conclusión de que los cuarks siempre se unen para hacer una carga total de +1 ó −1, lo cual no contradice de ninguna manera los resultados del experimento de las gotas de aceite. Una manera muy práctica y fácil de entender los resultados obtenidos por Millikan, es a través de la situación de encontrar la masa y la cantidad de canicas que se encuentran en un costalito, con la condición de que no se puede abrir y observar su contenido y con la ayuda que se conoce la masa de varios de ellos que contienen diferentes números de canicas, tal y como se describe en el ejemplo numero uno y dos que a continuación se presentan. Ejemplo 1 Se tienen varios sacos cada uno con un número determinado de canicas. Los pesos de los sacos son de 8, 14, 18, 20, 26, 40 gramos respectivamente. ¿Cuál es el peso de cada canica y cuantas canicas hay en cada saco? En el primer saco las posibilidades más sencillas de pesos en las canicas son: 1, 2, 4, 8. A esos números les llamaremos los factores o divisores del 8 ya que son los números naturales que dividen al 8 y no hay más. Si formamos parejas, primer número con último y segundo con penúltimo, podemos formar las dos primeras filas de la tabla 2. Hay que hacer notar que también es permitido considerar que el peso de una canica sea un número fraccional, por sencillez nos limitaremos al análisis de 1/2 g exclusivamente. Para los dos primeros pesos de canicas, también funciona intercambiando los datos de las columnas, tabla 3. O podemos ponerlo en una sola tabla 4, p. 58. Sin embargo cuando se propone que cada canica pese 16 g se obtiene la tabla 5, p. 59. Lo cual es fı́sicamente imposible ya que el número de canicas debe ser siempre un número entero positivo, con lo cual queda descartado el hecho de que cada canica pueda pesar 16 gramos y con esto cualquier otro peso en el cual se obtenga un número de canicas no entero positivo. Restricción 1: el número de canicas en los sacos debe ser un número entero positivo. Hay que hacer notar una restricción adicional, en el primer saco el número de gramos obtenidos es de ocho, por lo tanto ninguna canica puede pesar más de esa cantidad lo cual nuevamente concuerda con la eliminación de 16 g como respuesta. Peso de cada canica 1 2 4 8 Número de canicas en el saco 1 8 4 2 1 Cuadro 4. ¡A cuenta gotas! Parte II. Ma. del Pilar Beltrán S., René Gerardo Rodrı́guez A. Peso de cada canica 16 g Número de canicas en el saco 1/2 Peso de cada canica Cuadro 5. Peso de cada canica 1/2 1 2 7 14 59 Número de canicas en el saco 2 28 14 7 2 1 Factibilidad del resultado SI SI SI SI NO∗ Cuadro 6. *El peso de una canica no debe ser mayor de 8 g derivado del primer saco de canicas. 1 2 1 2 4 5 10 20 Número de canicas en el saco 4 40 20 10 5 4 2 1 Factibilidad del resultado SI SI SI SI SI NO* NO* Cuadro 8. *El peso de una canica no debe ser mayor de 8g derivado del primer saco de canicas. ¿Qué pasa para el segundo saco? véase tabla 6, p. 59. ¿Qué pasa para el tercer saco? véase tabla 7, p. 59. ¿Qué pasa para el cuarto saco? véase tabla 8, p. 59. ¿Qué pasa para el quinto saco? véase tabla 9, p. 59. ¿Qué pasa para el sexto saco? véase tabla 10, p. 59. Ya tenemos todas las posibilidades, pero las canicas en los seis sacos son iguales, por lo que deben pesar lo mismo, entonces se reducen las posibilidades. De las seis tablas, los pesos que coinciden en las 6 tablas son el 1/2, 1 y el 2. En este problema tenemos las siguientes posibles soluciones: Si cada canica pesa 1/2 gramo: Para el saco uno tenemos 16 canicas. Para el saco dos tenemos 28 canicas. Para el tercer saco tenemos 36 canicas. Para el cuarto saco tenemos 40 canicas. Para el quinto saco tenemos 56 canicas. Para el sexto saco tenemos 80 canicas. Peso de cada canica 1/2 1 2 3 6 9 18 Número de canicas en el saco 3 36 18 9 6 3 2 1 Factibilidad del resultado SI SI SI SI SI NO∗ NO∗ Cuadro 7. *El peso de una canica no debe ser mayor de 8 g derivado del primer saco de canicas. Peso de cada canica 1/2 1 2 13 26 Número de canicas en el saco 5 56 26 13 2 1 Factibilidad del resultado SI SI SI NO* NO* Cuadro 9. *El peso de una canica no debe ser mayor de 8g derivado del primer saco de canicas. Peso de cada canica 1 2 4 5 8 10 20 40 Número de canicas en el saco 6 40 20 10 8 5 4 2 1 Cuadro 10. Factibilidad del resultado SI SI SI SI SI NO* NO* NO* 60 Si cada canica pesa 1 gramo: Para el saco uno tenemos 8 canicas. Para el saco dos tenemos 14 canicas. Para el tercer saco tenemos 18 canicas. Para el cuarto saco tenemos 20 canicas. Para el quinto saco tenemos 26 canicas. Para el sexto saco tenemos 40 canicas. Si cada canica pesa 2 gramos: Para el saco uno tenemos 4 canicas. Para el saco dos tenemos 7 canicas. Para el tercer saco tenemos 9 canicas. Para el cuarto saco tenemos 10 canicas. Para el quinto saco tenemos 13 canicas. Para el sexto saco tenemos 20 canicas. Otra posible solución a este problema es observar los números de los pesos en cada uno de los sacos de canicas y determinar si existe alguna relación entre ellos. Si se obtiene la diferencia que existe entre estos valores tenemos la tabla 11, p. 61. Analizando los incrementos nos damos cuenta de que el menor de ellos es de 2 g por lo que debe existir un número entero positivo de canicas que proporcione dicha cantidad. Elaboremos, entonces, la tabla 12, p. 61. Llegando nuevamente a los valores de 1/2 g, 1 g y 2 g que se habı́an obtenido con el método anterior sólo que este método presenta la ventaja de que puede aplicarse aún cuando las mediciones de los pesos no sean números enteros como se presenta a continuación, en el ejemplo número dos. Los valores que son las tres posibles respuestas pueden también escribirse como: Primera posibilidad: mc = 21 g ó mc = 0.5g ó mc = 2−1 g. Segunda posibilidad: mc = 1g ó mc = 20 g. Tercera posibilidad: mc = 2g ó mc = 21 g. Ejemplo 2: Consideremos ahora que las mediciones en cada uno de los sacos que contienen las mismas canicas del ejemplo uno son 2.82, 6.58, 10.34, 14.1, 17.86 y 23.5 gramos respectivamente y que tenemos que determinar la masa y el número de canicas de cada uno y que además concuerden con los resultados del ejemplo uno. Habrá que establecer nuevamente lo siguiente: Restricción 1: el número de canicas en los sacos debe ser un número entero positivo. ContactoS 75, 53–63 (2010) Masa propuesta Masa propuesta Diferencia de valores Ejemplo 1 Ejemplo 2 1g 0.94 g 0.6 g 0.5 g 0.47 g 0.3 g Cuadro 15. A continuación si se obtiene la diferencia que existe entre estos valores tenemos la tabla 13, p. 61. Analizando los incrementos nos damos cuenta de que el menor de ellos es de 3.76 g por lo que debe existir un número entero positivo de canicas que proporcione dicha cantidad. Hay que hacer notar que en el primer saco solamente se tienen 2.82 g por lo automáticamente se tiene la restricción de que una canica no puede pesar más de esa cantidad. Restricción 2: mcanica ≤ 2.82 g Elaboremos entonces, la tabla 14, p. 61. De los resultados de la tabla se puede verificar que las cantidades que son enteros positivos para el número de canicas dentro de los sacos son: Primera posibilidad: mc = 0.94 g. Segunda posibilidad: mc = 0.47 g. Con lo cual al comparar con los resultados del ejemplo número uno, tenemos que, la masa de cada una de las canicas debe ser de 0.47g, ya que si analizamos la diferencia entre ambos problemas tenemos que la diferencia es menor, tabla 15, p. 60. Ejemplo 3: Una vez realizada la metodologı́a para el caso de las canicas y los sacos podemos extrapolar el procedimiento al problema de la determinación de la carga del electrón con los datos obtenidos por medio del experimento de Millikan, los datos son los de la tabla 16, p. 62. A continuación si se obtiene la diferencia que existe entre estos valores tenemos la tabla 17, p. 62. Por lo que la menor diferencia es de 3.2×10−19 C, con lo cual habrá que determinar ¿Cuántos electrones son necesarios para generar tal carga? véase tabla 18, p. 63. Lo cual establece que los posibles valores para la carga eléctrica del electrón son: 1.6 × 10−19 C y 0.8 × 10−19 C. Sin embargo Millikan nunca encontró valores de carga eléctrica menores a 1.6 × 10−19 C, por ¡A cuenta gotas! Parte II. Ma. del Pilar Beltrán S., René Gerardo Rodrı́guez A. Peso de los sacos de canicas 8g 14 g 18 g 20 g 61 26 g 40 g Diferencia entre cada uno de los sacos que contienen las canicas. ∆m ∆m1 = (14 − 8)g ∆m2 = (18 − 14)g ∆m3 = (20 − 18)g ∆m4 = (26 − 20)g ∆m5 = (40 − 26)g ∆m ∆m1 = 6g ∆m2 = 4g ∆m3 = 6g ∆m4 = 2g ∆m5 = 14g Cuadro 11. Masa propuesta de cada una de las canicas Número de canicas que contribuyen al valor del incremento de 2 g Número de canicas en el saco 1 Número de canicas en el saco 2 Número de canicas en el saco 3 Número de canicas en el saco 4 Número de canicas en el saco 5 Número de canicas en el saco 6 mc = 2g 1 4 7 9 10 13 20 mc = 1g 2 8 14 18 20 26 40 mc = 12 g 4 16 28 36 40 52 80 Cuadro 12. Peso de los sacos de las canicas 2.82 g 6.58 g 10.34 g 14.1 g 17.86 g 23.5 g Diferencia entre cada uno de los sacos que contienen las canicas ∆m ∆m1 = (6.58 − 2.82) ∆m2 = (10.34 − 6.58) ∆m3 = (14.1 − 10.34) ∆m4 = (17.86 − 14.1) ∆m5 = (23.5 − 17 − 86) ∆m ∆m1 = 3.76 ∆m2 = 3.76 ∆m3 = 3.76 ∆m4 = 3.76 ∆m1 = 3.76 Cuadro 13. Número de canicas que contribuyen al valor del incremento de 2 g Número de canicas en el saco 1 Número de canicas en el saco 2 Número de canicas en el saco 3 Número de canicas en el saco 4 Número de canicas en el saco 5 Número de canicas en el saco 6 mc = 3.76 2 = 1.88 2 3 2 = 1.5 7 2 11 2 = 5.5 15 2 19 2 25 2 mc = 3.76 3 = 1.2533 3 9 4 = 2.25 21 4 33 4 = 8.2 45 4 mc = 3.76 4 = 1.88 4 3 mc = 3.76 5 = 0.752 5 15 4 mc = 3.76 6 = 0.6266 6 9 2 mc = 3.76 7 = 0.5371 7 21 4 mc = 3.76 8 = 0.47 8 Masa propuesta de cada una de las canicas 6 = 3.5 = 5.25 7 = 3.75 = 4.5 = 5.25 11 35 4 21 2 55 4 = 8.7 = 10.5 49 4 = = = 7.5 = = 9.5 57 4 = = 12.5 75 4 = 11.25 14.25 18.75 15 19 25 75 4 = 95 4 = 125 4 = 13.75 18.75 23.75 31.25 33 2 45 2 57 2 75 2 = 16.5 77 4 = = 225 105 4 = = 28.5 133 4 = = 37.5 175 4 12.25 19.25 26.25 33.25 43.75 14 22 30 38 50 Cuadro 14. = 62 ContactoS 75, 53–63 (2010) q = 3.2 × 10−19 q = 6.4 × 10−19 q = 8.0 × 10−19 q = 11.2 × 10−19 Cuadro 16. Valores obtenidos en las mediciones q = 3.2 × 10−19 C q = 6.4 × 10−19 C q = 8.0 × 10−19 C q = 11.2 × 10−19 C Diferencia entre cada uno de los sacos que contienen las canicas −19 ∆q = (6.4 × 10 − 3.2 × 10−19 ) ∆q1 = 3.2 × 10−19 ∆q = (8.0 × 10−19 − 4.8 × 10−19 ) ∆q = (6.4 × 10−19 − 3.2 × 10−19 ) ∆q3 = 3.2 × 10−19 ∆q4 = 3.2 × 10−19 Cuadro 17. lo que la segunda opción queda descartada y se tiene el resultado de: qelectrón = 1.6 × 10−19 C Propuesta adicional: 1. Se les indica a los estudiantes que elaboren un listado de materiales a partir de los cuales pueden obtener datos similares a los obtenidos en los ejemplos de las canicas para describir el experimento de Millikan. 2. De los objetos propuestos por los estudiantes se elige, el que presente las mejores condiciones experimentales. 3. Se permite a los estudiantes conformar equipos de tres personas y realizar las mediciones experimentales, reportando cada una de las masas para poder iniciar con la metodologı́a antes expuesta. 4. Se les pide determinar la masa y el número de objetos, al igual que se hizo con las canicas. 5. Se analizan los resultados obtenidos, ası́ como la valoración del procedimiento experimental para obtenerlos, si los valores no son satisfactorios se debe evaluar las causas y confrontar las soluciones por parte de cada uno de los equipos. 6. Se contrasta la metodologı́a experimental de cada uno de los equipos con los pasos que se describen en el método cientı́fico y se sacan las conclusiones pertinentes. 7. Por último, se les aplica un cuestionario de reflexión, elaborado por el profesor de la asignatura en la cual se trata de evaluar el impacto de la estrategia didáctica en la adquisición de conocimiento. 4. Conclusión Indudablemente el experimento de Millikan para la determinación de la carga del electrón es un ejemplo de la ingeniosa creatividad del hombre, ası́ pues es indudable que debe pertenecer al selecto grupo de los experimentos más bellos de la Fı́sica. Sin embargo la conducta de R. Millikan de ninguna manera puede ser aceptable, no por el hecho de su acertada eliminación de datos no relevantes en su artı́culo publicado en 1913, sino por no haber dado el crédito que le correspondı́a a aquellos que contribuyeron a su éxito y reconocimiento. Desde el punto de vista académico el experimento de las gotas de aceite de Millikan presenta una metodologı́a para poder entender una manera de obtener el resultado de que la carga elementarı́a del electrón, estudiando a la vez en la parte matemática, números enteros, números racionales, notación cientı́fica, incrementos, etc., en el área de la fı́sica entender el electromagnetismo, la reactividad, los rayos X, la carga eléctrica, etc., y finalmente en el área de la quı́mica, el átomo, el electrón, la composición quı́mica y los modelos atómicos . Es importante también señalar la conveniencia de utilizar la historia de la ciencia como un instrumento en la enseñanza de asignaturas como matemáticas, fı́sica o quı́mica, quedando como una propuesta factible y concreta para su uso en la enseñanza en el nivel medio superior. Otro aspecto importante que se puede abordar con esta estrategia didáctica es el hecho de poder presentar de una manera totalmente diferente a lo que tradicionalmente se encuentra en los libros de texto el conocido “método cientı́fico” y abordar las diferentes aristas desde los diferentes puntos de vistas de los cientı́ficos aquı́ mencionados. ¡A cuenta gotas! Parte II. Ma. del Pilar Beltrán S., René Gerardo Rodrı́guez A. Carga de cada uno de los electrones Número de electrones 63 Número de electrones en la gota 1 Número de electrones en la gota 2 Número de electrones en la gota 3 Número de electrones en la gota 4 mc = 3.2×10 2 2 = 1.16 × 10−19 2 4 5 7 mc = 3.2×10 3 3 = 1.06 × 10−19 3.01 6.03 7.54 10.56 mc = 3.2×10 4 = 0.8 × 10−19 4 8 10 14 −19 −19 −19 4 Cuadro 18. Y por último, pero no menos importante permite realizar un análisis con los estudiantes acerca de los valores y conductas de las personas y en especial de los cientı́ficos. Los valores éticos pueden ser abordados hasta el detalle deseado, estableciendo un vı́nculo directo con el quehacer diario de cada uno de los estudiantes y su manera de proceder en su vida diaria. 5. Bibliografı́a 1. Cantoral, R. (2003). Desarrollo del pensamiento matemático (pp. 5–7). México: Trillas. 2. Cantoral, R. (2008). Investigaciones sobre enseñanza y aprendizaje de las matemáticas, Un reporte iberoamericano. (pp. 41–53) Ed. Dı́az de Santos. 3. Crease, R. (2006). Ver el electrón. El prisma y el péndulo. (pp. 153–169). Barcelona: Crı́tica. 4. Bruce, C. (1997). La paradoja de Einstein y otros misterios de la ciencia resueltos por Sherlock Holmes. (pp. 65–79). España: Granica. 5. Garritz, A. y Chamizo, J. A. (1994). Quı́mica. Wilmington, Delaware, USA: Addison–Wesley Iberoamericana. La segunda edición de este libro es (2001) Tú y la quı́mica. México: Pearson Educación. 6. Becker P., History and progress in the accurate determination of the Avogadro constant, Rep. Prog. Phys. 64 (2001) 1945–2008. 7. Carmona F. J. E., Gallego B. H. A., Orozco G. H., Automatización y control del experimento de la gota de aceite de Millikan, Scientia et Technica, año XIII, 37 (2007) 545–549. 8. Córdova J. L., El número de Avogadro N0 = 6.023 × 1023 . Contactos 3 y 4, vol. 1, 1984. 9. The Historical and Conceptual Development of the Electron and Measuring the Fundamental Electric Charge. Development of Ideas in Physical Science. Fall 2005. Professor Etkina cs