Cuando JJ Thomson se presentó ante la Royal Institution en 1897 para compartir sus últimos hallazgos, pocos entre el público probablemente se dieron cuenta de cuánto estaba a punto de cambiar la física. Las partículas que describió, “corpúsculos” diminutos y cargados negativamente, pronto se conocerían como electrones, según un estudio publicado en Nature.
Y aunque su descubrimiento marcó un punto de inflexión en la ciencia moderna, el viaje hasta ese momento no fue exactamente el avance eureka que a veces describen los libros de texto.
El descubrimiento del electrón no fue un rayo caído del cielo. Fue un proceso lento construido a lo largo de décadas de experimentos, conjeturas teóricas e incluso manos torpes en un laboratorio finamente afinado. Si bien JJ Thomson recibe gran parte del crédito, su logro fue en gran medida producto de su entorno durante una era de intensa curiosidad sobre la naturaleza de la electricidad y la materia.
JJ Thompson y los corpúsculos subatómicos
A finales del siglo XIX, el mundo científico estaba lleno de preguntas sobre la electricidad y la luz. Varios investigadores perseguían fenómenos que eventualmente convergerían en la idea del electrón. Y aunque a menudo se atribuye a Thomson el mérito de ser el descubridor definitivo del electrón, incluso ese título está sujeto a debate.
“Los historiadores de la ciencia no están de acuerdo sobre quién ‘descubrió’ realmente el electrón”, dice Jaume Navarro, profesor de investigación Ikerbasque en la Universidad del País Vasco y autor de Una historia del electrón: JJ y GP Thomson. “[M]Todas las personas que trabajan en áreas relacionadas con la electricidad llegaron a conclusiones que podrían considerarse como el primer ejemplo experimental o teórico del electrón moderno: Zeeman, Lorentz, Lenard y Larmor son los actores principales de esta historia. Así que JJ sería sólo una pieza en este rompecabezas de la construcción del electrón”.
La idea clave de Thomson llegó en 1897, cuando una serie de experimentos innovadores y altamente afinados le ayudaron a determinar que diminutos “corpúsculos” subatómicos podrían transportar electricidad.
“En 1897, anunció que la mejor explicación para la interacción entre la materia y la electricidad sería la ‘hipótesis nada imposible’ de que los ‘corpúsculos electrificados’ de materia serían los portadores unitarios de la electricidad”, dice Navarro. Y fue sólo “cuando intentó medir la relación carga-masa de tales corpúsculos que llegó a la conclusión de que estos corpúsculos eran probablemente más pequeños que el átomo más pequeño”.
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Doblar vigas de partículas
Los famosos experimentos de Thomson con rayos catódicos que revelaron el electrón parecen engañosamente simples hoy en día. Disparó un haz de partículas a través de un tubo de vacío y utilizó campos eléctricos y magnéticos para doblar los haces de partículas. Al variar la intensidad de estos campos y seguir cómo cambiaba el ángulo de deflexión del haz, pudo determinar la relación carga-masa de la partícula. Y descubrió que era órdenes de magnitud más pequeño que cualquier átomo conocido.
“La configuración experimental parece sencilla, pero no lo es”, afirma Navarro. “[T]Las habilidades para tener tubos perfectos en los que tener un vacío estable no estaban al alcance de todos en ese momento”.
De hecho, el éxito de Thomson se puede atribuir en gran medida a la infraestructura de primer nivel de su laboratorio y a sus propios conocimientos. El Laboratorio Cavendish de Cambridge, del que llegó a ser director en 1888, ya se estaba convirtiendo en un centro de experimentación de talla mundial. Se sabía que Thomson era “muy torpe”, dice Navarro. Pero su asistente de laboratorio, Ebenezer Everett, era muy hábil en el soplado de vidrio, capaz de producir tubos de vacío de alta calidad que fueron cruciales para los experimentos de Thomson, según el Museo de Ciencias del Reino Unido.
El descubrimiento de los electrones
La ciencia popular a menudo enmarca los grandes descubrimientos como momentos “eureka”. Pero eso no encaja del todo aquí.
“No nos gustan los momentos ‘eureka’ porque tienden a ser simplificaciones excesivas de procesos complejos”, dice Navarro. En el caso de Thomson, la verdadera chispa provino de un descubrimiento completamente diferente: los rayos X.
“El verdadero elemento disruptivo no dependía de [Thomson]”Fue el descubrimiento de los rayos Röntgen (rayos X) lo que realmente hizo que él y muchos otros físicos se centraran en ellos”, dice Navarro. “JJ trabajaba con tubos de descarga llenos de gases, y los rayos X ocurren en el vacío. Entonces, fueron los rayos X los que le hicieron cambiar su configuración experimental”.
Incluso la comunidad científica tardó años en convencerse de que el electrón era real.
“En realidad, incluso la existencia de los átomos seguía siendo controvertida entre algunos físicos y, especialmente, entre los químicos a finales del siglo XIX”, dice Navarro. “Entonces, un ‘corpúsculo’ subatómico era un desafío”.
No fue hasta décadas después que Thomson fue ampliamente considerado como el descubridor del electrón.
“Su Premio Nobel de 1906 le fue concedido ‘en reconocimiento a los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de la electricidad por los gases'”, dice Navarro, “no por ningún descubrimiento específico, y mucho menos por el electrón (al que seguía llamando corpúsculo)”.
Prepárese para tener éxito
Como director del Laboratorio Cavendish, la influencia de Thomson fue mucho más allá de su propia investigación.
“Su dirección del laboratorio Cavendish le permitió seguir y dirigir a muchos investigadores de la época”, afirma Navarro. “Además, su formación en Cambridge le ayudó, pero también le impidió su trabajo”, debido a la creencia predominante en la continuidad de la materia y el éter.
De hecho, la fe de Thomson en la naturaleza continua de la materia perduró durante décadas, incluso cuando la teoría cuántica comenzó a remodelar la física. “Cuando publicó [his 1907 book The Corpuscular Theory of Matter]su sueño de tener al electrón como única partícula elemental, es decir, como ‘materia prima’ de todas las sustancias materiales, se había acabado”, dice Navarro. “Pero dijo que esa teoría corpuscular era ‘una política, no un credo’”.
Oportunamente, fue el propio hijo de Thomson, GP Thomson, quien más tarde demostraría que los electrones también podían comportarse como ondas, contribuyendo así a iniciar la revolución cuántica.
Después de la chispa
Sin embargo, Thomson no tenía todo resuelto en lo que respecta a la estructura interna del átomo. Por ejemplo, siguió el modelo atómico del “pudín de ciruelas”, un término que, según Navarro, Thomson nunca utilizó.
Después de “descubrir” el electrón y darse cuenta de que no podían explicar la mayor parte de la masa de un átomo, Thomson “intentó (sin éxito) encontrar ‘corpúsculos’ positivos con una configuración experimental similar”, dice Navarro.
Al no encontrar resultados relevantes, “siguió pensando que la electrificación positiva estaba distribuida por todo el éter del átomo, con corpúsculos situados en disposiciones estables dentro de este mar de éter electrificado positivamente”, dice Navarro.
No obstante, el “corpúsculo” original de Thomson llegaría a encender campos enteros de la ciencia y la industria. Y más de un siglo después, el electrón sigue siendo una de las partículas más estudiadas y mejor comprendidas del universo. Aún así, su historia de origen destaca la historia verdadera, confusa, colaborativa y a menudo contradictoria del descubrimiento científico.
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