Electrón

Electrón e− e−
Representación en corte transversal de los orbitales s, p y d del átomo de hidrógeno para los tres primeros números cuánticos. La intensidad del color indica la densidad de probabilidad.
Clasificación	Partículas elementales
Familia	Fermión
Grupo	Leptón
Generación	Primera
Interacción	Gravedad, Electromagnetismo, Nuclear débil
Antipartícula	Positrón
Teorizada	Richard Laming (1838–1851), G. Johnstone Stoney (1874) y otros.
Descubierta	J. J. Thomson (1897)
Masa	9,10938215 × 10−31 kg 1/1822,88849 uma
Carga eléctrica	-1,602176487 × 10−19 C
Momento magnético	−1.00115965218111 μB
Carga de color	-
Espín	± 1/2

El electrón (del griego ἤλεκτρον, ámbar), comúnmente representado por el símbolo: e⁻, es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.

Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica en la mayoría de los metales. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química ya que definen las atracciones con otros átomos.

Historia y descubrimiento

La existencia del electrón fue postulada por el físico irlandés G. Johnstone Stoney como una unidad de carga en el campo de la electroquímica, y fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.

Influido por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, Thomson dedujo, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos en el TRC, que existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón, fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental; pero para confirmar su existencia era necesario medir sus propiedades, en particular la carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Robert Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.

George Paget Thomson, hijo de J. J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria de los electrones logrando observar su difracción al atravesar una lámina de metal. El experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de otras ondas, como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo postulada por la mecánica cuántica en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió a G. P. Thomson el Premio Nobel de Física de 1937.

El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento, con un galvanómetro. Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, Stoney había propuesto la existencia de estas partículas y, asumiendo que tenían cargas eléctricas, las denominó electrones. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que el electrón tiene una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.

Clasificación

El electrón es un tipo de partícula subatómica denominada leptón, y parece ser una de las partículas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes más pequeños) de acuerdo con el modelo estándar de partículas.

Como para cualquier partícula subatómica, la mecánica cuántica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el más famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda corpúsculo.

Propiedades

El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10⁻¹⁹ coulombs y una masa de 9,1 × 10^-31 kg (0,51 MeV/c²), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón. El electrón tiene momento angular intrínseco o espín de 1/2 (en unidades de Planck). Dado que el espín es semientero los electrones se comportan como fermiones, es decir, colectivamente son descritos por la estadística de Fermi-Dirac.

Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una dirección, forman una corriente eléctrica. En algunos superconductores, los electrones que generan la corriente eléctrica se mueven en pareja o pares de Cooper.

La electricidad estática no es un flujo de electrones. Es más correcto definirla como "carga estática", y es causada por un cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los núcleos de sus átomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo está cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo está cargado positivamente. Si el número total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo está en un estado eléctricamente neutro.

Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón.

El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial. Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.

Hay una constante física llamada Radio clásico del electrón, con un valor de 2,8179 × 10⁻¹⁵ m. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por lo tanto esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.

Electrones en la práctica

En la vida cotidiana

La corriente eléctrica que suministra energía a nuestros hogares está originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catódicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vacío desviado mediante campos magnéticos que impacta en una pantalla fluorescente. Los semiconductores utilizados en dispositivos tales como los transistores

En la industria y el laboratorio

El microscopio electrónico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del electrón son la base del microscopio de efecto túnel, que permite estudiar la materia a escala atómica. Los haces de electrones se utilizan en soldaduras.

Los electrones y la teoría

En la teoría relativista el electrón se consideró una partícula cuasipuntual, ya que la consideración de que fuera puntual conducía a diversas singularidades. La teoría del radio clásico del eléctrón trataba de explicar la masa del electrón como un efecto inercial de la energía contenida en el campo gravitatorio del electrón. Dicho radio es una cantidad finita de difícil interpretación, si el electrón no es puntual entonces cuando es acelerado en un campo electromagnético unas partes del electrón debían ser aceleradas en mayor proporción que otras, o empezar a moverse antes, lo cual sugería que la forma del electrón debía cambiar, pero entonces la idea de interpretar la masa como asociada al campo no funcionaba bien. Esa y otras inconsistencias como el efecto de influencia causal del futuro en la expresión de la fuerza​ revelaron que los modelos no-cuánticos del electrón eran inadecuados.

En la mecánica cuántica, un electrón en un campo electromagnético es descrito por la ecuación de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadística de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma débil. En la naturaleza existen además otros dos "electrones masivos", el muón y el tauón, con propiedades similares al mismo aunque sin embargo son partículas diferentes, que tienen una corta existencia y se desintegran muy rápidamente.

El equivalente al electrón en la antimateria, su antipartícula, es el positrón, que tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón pero positiva. El espín y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, tiene lugar la aniquilación mutua, originándose dos fotones de rayos gamma con una energía de 0,500 MeV cada uno.

Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.

Véase también

• Modelo estándar de física de partículas
• Electricidad

Referencia

Enlaces relacionados

• Particle Data Group