ELECTRONES LENTOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

La electricidad se usó mucho antes de comprenderla. Ya en Grecia se percataron que el ámbar atraía objetos pequeños cuando se frotaba con pieles. Fue una de las primeras experiencias de los humanos con la electricidad, tras la contemplación del rayo destructor que rugía en la Naturaleza sin control. En 1600 hay una referencia de Gilbert definiendo el término “electricus”, refiriéndose a la capacidad de atracción de objetos pequeños tras ser frotado un objeto con unas ciertas características. Eléctrico y electricidad derivan del latín “elektrum”, que proviene del griego “elecktron” que es la denominación del ámbar

 

A comienzos de 1700 Hauksbee y Cisternay du Fay, independientemente, propusieron dos clases de electricidad friccional: la que se obtenía al frotar con vidrio y la que se derivaba de la fricción con resina.  Este hecho permitió proponer du Fay que la electricidad consistía en fluidos, uno vítreo y otro resinoso, separados al aplicarles la fricción y que tenían la propiedad de neutralizarse al combinarlos. Una década posterior, Franklin propuso que la electricidad provenía de un solo fluido, no de dos, a presiones diferentes y ya introdujo los conceptos de carga positiva y negativa. Conjeturaba que el portador de la carga era el positivo y no lo identificó correctamente.

 

Ya en fecha tan temprana, como en torno a 1840, el filósofo Laming propuso que el átomo estaba formado por un núcleo rodeado por partículas con carga eléctrica. En 1846, Weber propuso que la electricidad consistía en fluidos cargados positiva y negativamente y había una ley que regía su interacción que era la del inverso del cuadrado de la distancia.  Al estudiar la electrolisis, Stoney concluyó que solamente había una cantidad definida de electricidad que era la carga de un ion monovalente, que estimó mediante las leyes de Faraday. Pese a ello, creía que las cargas estaban ligadas a los átomos de forma permanente y no podían removerse. Ya en 1881, von Helmholtz propuso que tanto las cargas positivas como las negativas se comportaban como partes elementales, como “átomos de electricidad”.

Hittorf, estudió la conductividad eléctrica de gases enrarecidos y en 1869 observó que el brillo emitido desde el cátodo aumentaba al disminuir la presión del gas. Goldstein, en 1876, observó que el brillo proyectaba una sombra y los denominó rayos catódicos. Crookes construyó el tubo de rayos catódicos haciendo un vacío en su interior que se situaba entre 100 milipascales y 100 nanopascales, evidenciando que iban del cátodo al ánodo y que estos rayos luminiscentes llevaban energía. Logró desviarlos, aplicando un campo magnético, evidenciando que su carga era negativa. Denominó a estos rayos materia radiante y sugirió un cuarto estado de la materia, consistente en moléculas cargadas negativamente y proyectadas a gran velocidad desde el cátodo. Shuster colocó placas de metal paralelas a la trayectoria de los rayos catódicos y aplicó un potencial, comprobando que los rayos eran desviados hacia la placa cargada positivamente. Corroboraba su naturaleza de carga negativa. Determinó la relación carga masa. El elevado valor obtenido, superior al esperado restó crédito a su propuesta. J. J. Thomson, Townsend y Wilson confirmaron que eran partículas, átomos o moléculas y Thomson estimó tanto la carga como la masa, concluyendo que ésta era unas mil veces menor que la masa del ion más ligero conocido, el de hidrógeno. Un dato importante que aportó es que esta relación carga / masa era independiente del material del cátodo. Eran partículas universales. FitzGerald bautizó a la partícula con “electrón” y se aceptó su propuesta.

Becquerel estudiando los materiales fluorescentes reparó que emitían radiación sin hacerles incidir energía de ninguna fuente externa. Se abrió la era del material radiactivo y muchos científicos lo estudiaron. Rhutherford descubrió que emitían partículas, que denominó alfa y beta, en orden de su capacidad de penetración de la materia. Becquerel  Becquerel en 1900 evidenció que los rayos beta emitidos por el radio eran desviados al aplicarles un campo eléctrico y que la relación carga / masa era la misma que la de los rayos catódicos. Fue la primera evidencia de que los electrones eran componentes de los átomos y que se podían arrancar de forma independiente.

Millikan y Fletcher experimentando en la famosa gota de aceite, midieron la carga del electrón en 1909, usando un campo eléctrico para evitar que una gota de aceite cargada cayera por efecto de la gravedad. Fue uno de los experimentos más bellos que se han construido en Ciencia y lograron un margen del error inferior al 1%, midiendo cargas eléctricas como la correspondiente entre 1 y un centenar de iones. Midieron la intensidad de la fuerza eléctrica que compensa la atracción gravitatoria de las gotas de aceite, minúsculas, que habían cargado mediante rozamiento y que mantenían suspendidas entre dos electrodos metálicos. Si conocemos el campo eléctrico, podemos determinar la carga de cada gota. Encontraron que los resultados eran múltiplos enteros de un valor, 1,592×10-19 C, que atribuyeron a la carga de un electrón. Las gotas de aceite son más estables que las de agua, con mayor presión de vapor y más evaporación, por tanto. Es un experimento bello porque es simple y elegante demostración práctica de que la carga está cuantizada. No olvidemos que Edison supuso que la carga era una variable continua, al igual que muchos de los científicos que se resistieron a aceptar la cuantización como una descripción subyacente en el mundo microscópico.

Vemos, pues, que la comunidad científica sabe de la existencia de los electrones, intuyéndolos desde hace miles de años y cuantificándolos desde hace más de un centenar.  Y los ha empleado en procesos eficaces y determinantes para el progreso de la Humanidad. Otra cosa es que sus interacciones con la materia se hayan comprendido apropiadamente. Hoy día resultan de sumo interés los electrones de baja energía que son los electrones que tienen una energía cinética de unos 10 electronvoltios o menos (unos 1800 kilómetros por segundo. Estos electrones afectan al funcionamiento de los aislantes en los sistemas electrónicos y actúan sobre los tejidos biológicos y provocan daño en el cuerpo humano. La forma usual de estudiar la interacción con la materia de los electrones es mediante el denominado scattering (dispersión de la radiación) en aquélla. Se enfoca un haz de electrones sobre una capa de material y se analizan las desviaciones que sufren las trayectorias de los electrones. Cuando los electrones tienen alta energía, en primer lugar, interactúan con los átomos individuales que constituyen la sustancia y la dispersión se puede predecir mediante los modelos existentes.  Pero si se trata de electrones de baja energía, entonces interactúan con la red molecular como un todo, lo que incluye enlaces químicos y movimientos vibracionales de los átomos en la sustancia y la dispersión resulta ser muy compleja para predecirla. Requería el desarrollo de modelos alternativos capaces de describir el movimiento de estos electrones de baja energía. Signorell y col. han propuesto como idea clave desarrollar una técnica que han dado en denominar “método de la supercapa de aerosoles”. Implica la generación de gotitas de aerosol que constan de un core sólido y una capa que lo cubre de material orgánico que mimetiza algún polímero propio del entorno de la electrónica. Trabajando con estas gotitas en el vacío y empleando un láser para inducir al core a que libere los electrones se logra que viajen atravesando la capa que recubre el core. Cuando los electrones alcanzan la superficie y escapan, se pueden medir distintas propiedades, como la intensidad.

El método de la supercapa de aerosol supone dos ventajas: en primer lugar, facilita la separación del aislante del transporte de electrones a través de la cobertura de su formación en el core. En segundo lugar, las gotitas con un tamaño comparable a la longitud de onda del láser actúan como resonador para el propio láser. Esto se puede emplear para generar información adicional sobre la interacción de los electrones con la materia. El mayor reto del método es determinar con precisión el tamaño del core y de la capa de las partículas de aerosol. Mientras sea difícil medir estas cantidades, la precisión de las medidas afectará a la precisión de la información que se genera en el scattering. Se puede estudiar cómo afectan los cambios estructurales al escape de los electrones de la superficie de las gotitas. Esto es muy relevante, por cuanto permiten abordar la relación entre las superficies y las interfaces de muchas sustancias. ¡Prometedor!