Tema 3

La materia. Propiedades eléctricas y el átomo.

1.- LA ELECTRICIDAD: REPASO HISTÓRICOLa palabra electricidad procede de la palabra griega elektron que significa ámbar.

El ámbar es una sustancia de origen vegetal que producen algunos árboles y plantas. Aunque podemos encontrarlo en varios colores diferentes, el más característico es el amarillo anaranjado.

“Ámbar” es una palabra árabe que significa “lo que flota en el mar”, y es que esta sustancia tiene esa propiedad: flota sobre el agua del mar.El ámbar es utilizada para hacer joyas, por eso mucha gente piensa que es un mineral desconociendo su origen vegetal. Son de hecho las únicas joyas que se hacen con materiales vegetales.

La electricidad es una propiedad que posee la materia (aunque no esté continuamente manifestándose) que observó por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto (año 600 a.C.) al frotar con piel un trozo de ámbar, tras lo cual pudo comprobar que esa sustancia era capaz de atraer trocitos de pluma o de materiales ligeros. Se pensó entonces que el ámbar era el único material que poseía esta propiedad.

Aunque hubo sabios antiguos que intentaron profundizar en el estudio de la electricidad, tuvieron que pasar más de dos mil años hasta que se avanzó en el conocimiento de esta propiedad.

En concreto fue el médico personal de la reina Isabel I de Inglaterra, William Gilbert, quien a comienzos del siglo XVII (en 1600) llevó a cabo un estudio con el que dedujo que la propiedad que Tales de Mileto había observado que presentaba el ámbar, la tenían también otros cuerpos, como el vidrio, el azufre o la sal y que esta propiedad se manifiesta cuando los cuerpos se frotan.

Gilbert clasificó los materiales en:

Materiales eléctricos: aquellos materiales que después de ser frotados con piel eran capaces de atraer pequeños trozos de materiales ligeros.Materiales no eléctricos: aquellos materiales que a los que no atraían a pequeños trozos de materiales ligeros después de ser frotados con piel.William Gilbert inventó además un instrumento llamado versorio que detectaba si los materiales eran eléctricos o no eléctricos.

El francés Charles du Fay afirma en el siglo XVIII que todos los materiales son eléctricos. Algunos materiales (los que Gilbert llamó eléctricos) atraían trocitos de materiales ligeros al ser frotados con piel (y también se comprobó si eran frotados con lana) y los materiales que no lo hacían (a los que Gilbert llamó no eléctricos) bastaba frotarlos con seda en vez de hacerlo con piel o lana para que fueran capaces de atraer pequeños materiales ligeros.

Así Du Fay hizo una clasificación nueva de los materiales y de la electricidad llamando:Electricidad resinosa: a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con piel o lana (como el ámbar, de ahí el nombre).Electricidad vítrea: a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con seda (como el vidrio, de ahí su nombre).

También observó Dy Fay que al acercar dos materiales con el mismo tipo de electricidad se repelían; es decir, intentaban alejarse uno del otro. De la misma manera comprobó que al acercar dos materiales con distinta electricidad se atraían; es decir, intentaban unirse.

También en el siglo XVIII, pero un poco más tarde, el científico americano Benjamin Franklin defendió que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados entre sí.

Así denominó electricidad positiva a la que poseían los materiales que ganaban fluido al ser frotados con otros materiales y electricidad negativa a la que poseían los materiales que perdían parte de su fluido al ser frotados con otros materiales.

2.- PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR SI UN CUERPO ESTÁ

CARGADOUn cuerpo se dice que está cargado cuando está manifestando que posee electricidad.

Para determinar si un cuerpo está cargado o no se pueden utilizar los siguientes aparatos: el electroscopio, el péndulo eléctrico y el versorio.

2.1.- El electroscopioFue inventado por el físico francés Jean Antoine Nollet a mediados del siglo XVIII.

Este instrumento consiste en un recipiente de vidrio cerrado con un tapón de corcho que está atravesado por una barra metálica en uno de cuyos extremos (el que queda fuera del recipiente) posee una bola metálica y en el otro extremo (el que queda dentro del recipiente) posee dos láminas también metálicas.

Para saber si un material está cargado, basta tocar con él la bola metálica del electroscopio y observar lo que sucede con las láminas. Si estas se separan es porque el material está cargado y si no se mueven es porque el material no está cargado.

2.2.- El péndulo eléctricoEste instrumento, también del siglo XVIII, fue ideado por el físico francés Coulomb y consiste el una bola aislante colgada de un hilo.

Para comprobar si un cuerpo está cargado, primero hay que electrizar la bola del péndulo (en la pregunta siguiente veremos tres formas de hacerlo) y a continuación bastará con acercar el cuerpo a la bola del péndulo. Si esta se mueve significa que el cuerpo que hemos acercado está cargado y si no se mueve es porque no lo está.

Si además sabemos la carga del péndulo, podemos averiguar también la carga del cuerpo. Si al acerca el cuerpo al péndulo este se mueve alejándose de él, es porque el cuerpo tiene la misma carga que el péndulo.

Si al acercar el cuerpo al péndulo este se mueve acercándose al cuerpo, significa que tienen distintas cargas.

2.3.- El versorioFue inventado por William Gilbert en el siglo XVII y consiste en una guja metálica clavada a una base y en cuyo extremo lleva un par de aspas. Para averiguar si un cuerpo está cargado basta acercarlo a las aspas del versorio. Si estas se mueven significa que el cuerpo está cargado y si no se mueven es porque no lo está.

3.- FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPOElectrizar un cuerpo consiste en conseguir que manifieste que posee electricidad. Hay varias formas de hacerlo:Por frotación: ya hemos visto que determinados cuerpos quedan electrizados al ser frotados con piel o lana (como el ámbar) y el resto al ser frotados con seda (como el vidrio).

Por contacto: podemos electrizar un cuerpo al ponerlo en contacto con otro que esté electrizado, además adquirirá la misma carga que la que tenga el objeto que ya estaba electrizado.

Por inducción: podemos electrizar un cuerpo acercándolo a otro cuerpo (sin tocarlo) que esté cargado. En este caso la carga del cuerpo que está electrizado atraerá las cargas del signo contrario del cuerpo que queremos electrizar, produciéndose una reordenación de sus cargas que deja electrizado el cuerpo.

4.- LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN EL ÁTOMOActualmente sabemos que dentro del átomo hay tres tipos de partículas, todas ellas descubiertas en el siglo XIX:Electrones: descubiertos por Joseph John Thomson y que tienen carga eléctrica negativa.

J. J. Thomson fue un científico británico nacido a finales de 1856 que obtuvo en 1906 el Premio Nobel de Física.

Se casó con la hija de un médico con quien tuvo una hija y un hijo (George Paget Thomson) que fue un prestigioso físico y al igual que su padre obtuvo un Premio Nobel en Física.

J. J. Thomson fue profesor de otro gran científico, Ernest Rutherford.

Murió en 1940 y fue enterrado en la Abadía de Westminster, cerca de donde está enterrado Isaac Newton.

Protones: descubiertos por Rutherford y con carga eléctrica positiva.Ernest Rutherford nació en 1871 en Nueva Zelanda y murió con 66 años. Su padre era granjero y mecánico y su madre maestra.

Aunque era muy bueno jugando al rugby, prefirió dedicarse a la investigación y la docencia, siendo Niels Borh uno de sus alumnos.Obtuvo el Premio Nobel en Química en 1908.

Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga eléctrica pero con masa.James Chadwick fue un físico inglés nacido en 1891.

Durante la Primera Guerra Mundial estuvo prisionero en un campo de concentración alemán acusado de espionaje.

Obtuvo el Premio Nobel de Física en 1935, premio que se ofreció a compartir con Hals Falkenhagen años más tarde cuando se enteró de que ese otro científico había descubierto a la vez que él el neutrón, aunque no se había atrevido a publicar su descubrimiento. Falkenhagen agradeció el gesto pero lo rechazó.Murió en el Reino Unido con 82 años.

Además se sabe que los protones y neutrones están formados a su vez por otro tipo de partículas llamadas quarks.

5.- MODELOS ATÓMICOSA lo largo de la historia los científicos han ido describiendo el átomo de distintas maneras, y aunque algunas de las descripciones eran erróneas, proporcionaban información para que se describieran mejor. El primero en hacerlo fue John Dalton.Recordatorio de los postulados de la teoría atómico-molecular de Dalton:

La materia está formada por átomos, que son partículas indivisibles e indestructibles.

Todos los átomos del mismo elemento tienen la misma masa y propiedades y son diferentes a las de los átomos de cualquier otro elemento.

Los compuestos son combinaciones de átomos de diversos elementos.

5.1.- El modelo atómico de ThomsonThomson describió el átomo en 1904, siete años después de descubrir el electrón y mucho antes del descubrimiento del protón y el neutrón. En dicho modelo el

átomo es como una gran masa de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones.

5.2.- El experimento de la lámina de oroErnest Rutherford realizó un famoso experimento que le llevaría a elaborar su modelo atómico y a su vez sirvió para invalidar el modelo de Thomson.

Rutherford colocó una fina lámina de oro rodeada por una pantalla fosforescente y situó frente a la lámina un bloque de plomo con un orificio y en cuyo interior colocó uranio, un material radiactivo que emite espontáneamente unos rayos denominados alfa (α) de los que se sabía que poseen carga positiva.

Los rayos alfa no se ven, pero emiten un destello luminoso al llegar a la pantalla fosforescente, lo que le permitió observar lo siguiente:

La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin desviarse (por lo que Rutherford dedujo que el átomo debía ser prácticamente hueco).

Algunos rayos alfa atravesaban la lámina pero se desviaban ligeramente (por lo que Rutherford pensó que en átomo debía haber cargas positivas).

Algunos de los rayos alfa salían rebotados al llegar a la lámina (por lo que Rutherford dedujo que las partículas debían chocar con algo para salir rebotadas).

Estas observaciones le llevaron a desarrollar el modelo atómico que lleva su nombre.