Laboratorio de Física de Electromagnetismo. Relación Carga-Masa del Electrón. Vanegas. 1 RELACIÓN CARGA-MASA DEL ELECTRÓN Vanegas Vanessa – 257548 yvvanegaso@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá Facultad de Ciencias Departamento de Física Laboratorio de Física de Electromagnetismo Viernes 11am – 1pm Mayo 14 de 2010 RESUMEN E n el siguiente artículo, se hace una breve descripción del electrón, qué es y algunos experimentos realizados teniendo como punto central dicha partícula, la relación carga masa del electrón, haciendo referencia a los experimentos realizados por J. J. Thomson, la maquina e/m, sus componentes y funcionalidad, teniendo en cuenta que esta máquina proporciona mediciones exactas de la relación entre la carga y la masa del electrón, reproduciendo el experimento realizado po r J. J. Thomson El Electrón Tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas beta que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones. Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones. En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de “la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10-19 culombios; su masa en reposo es 9,109 × 10-31 kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa. Relación e/m del Electrón En 1897 Joseph J. Thomson determinó la relación carga/masa (e/m) del electrón estudiando la desviación de los rayos Catódicos por los campos eléctrico y magnético. e/m = -1.75 x 108 coulomb/gramo En 1909 Robert A. Millikan determinó la carga del electrón que resultó ser: e = -1.602 x 10-19 Coulomb Al contar con el valor de e/m y con el de e, fue posible obtener el valor de m (masa del electrón) que resultó ser: me = 9.1096 x 10-28 g Laboratorio de Física de Electromagnetismo. Relación Carga-Masa del Electrón. Vanegas. 2 acelera electrones, formando un haz que constituye un rayo electrónico. La Maquina e/m La máquina de e/m es un aparato que reproduce una versión de prueba histórica del experimento realizado por J. J. Thomson en 1987, proporcionando una medida exacta de la relación carga-masa del electrón. Componentes Esfera de helio: Se requiere una ampolla esférica de vidrio, llena de helio a una baja presión (10-2 mm Hg), la cual posee en su interior un cañón electrónico que origina un haz de electrones. Función: Este haz de electrones en su trayecto colisionan con los átomos de Helio, excitándolos. Dicho proceso deja una traza visible en la esfera. El resultado es una cierta luminiscencia en la región del gas alcanzada por la trayectoria de los electrones. Cañón electrónico: El cañón electrónico es una disposición de electrodos que libera, concentra y Función: La liberación de electrones se produce cuando un material alcanza suficiente temperatura como para que algunos de sus electrones periféricos adquieran suficiente energía como para «saltar», librándose de la atracción atómica. Esto se realiza por lo general en un filamento metálico (similar al de una bombilla de alumbrado) que a la temperatura de incandescencia a la que funciona produce este efecto -efecto Edison- y actúa como cátodo. Otra placa próxima cuyo potencial sea superior al del cátodo, constituye el ánodo, y atrae hacia sí los electrones acelerándolos. Un pequeño orificio en el ánodo puede ser suficiente para que cierto número de electrones se escapen de la estructura con una velocidad controlada por el potencial de este ánodo. Bobinas de Helmholtz: consiste en una pareja de bobinas idénticas colocadas paralelamente con una distancia entre ellas igual al radio de cada una. De esta manera se consigue un campo magnético muy uniforme en la zona central. Función: Las bobinas de Helmhotz de este dispositivo tienen un radio y separación de 15 cm y 130 vueltas cada una. El campo magnético producido por las bobinas es proporcional a la corriente que circula por ellas, cumpliendo 𝐵 = 7.8 ∗ 10−4 𝐼 . Funcionamiento Un rayo de electrones es acelerado a través de una carga conocida, así la velocidad de los electrones es conocida. Un par de bobinas de Helmhotz produce un campo magnético uniforme en el centro de la esfera de helio. Este campo magnético desvía el rayo de electrones en un camino circular produciendo un haz de luz.