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» » » Perspectivas: Millikan y la medida de la carga del electrón

»El experimento de la gota de aceite de Millikan, publicado de forma definitiva en 1913, demostró que la carga viene de partes distintas, y fue un puente entre el electromagnetismo clásico y la física cuántica moderna.

Los investigadores ahora suelen aislar los electrones en puntos cuánticos, pero hace un siglo, la técnica más sotisficada para capturar la carga era un dispositivo con una gota de aceite de reloj. El experimento de Robert Millikan, proveyó de la primera medida clara de una carga eléctrica fundamental y, por lo tanto, contribuyó a cimentar la idea de que la naturaleza está "granulada" a un nivel más pequeño. Los primeros resultados salieron en 1910, pero el trabajo seminal fue un artículo en Physical Review, en 1913.  El valor Millikan informó para la carga eléctrica fundamental era de la mitad porcentual del valor aceptado hoy en día. Con el experimento ganó el premio Nobel en 1923, pero fue una fuente de controversia durante años.

J. J. Thomson, descubrió el electrón en 1897, cuando medía la relación carga-masa de los electrones en un haz de luz. Sin embargo, el valor de la carga y si era fundamental seguían siendo preguntas abiertas. Thomson y otros trataron medir la irreductible carga eléctrica observando en las nubes de gotas de agua. Usando varias técnicas, se estimó la carga más pequeña que podía contener una gota, pero los resultados no fueron del todo convincente, ya que se basaron en la media de muchas partículas de diversos tamaños. "La evidencia de una carga unitaria en su época fue muy ambigua", comenta el historiador de ciencia Gerald Holton, de la Universidad de Harvard.

En la Universidad de Chicago, en la década de 1900, Millikan y sus estudiantes, se dieron cuenta que el aumento gradual del campo eléctrico dispersaría una nube de agua, así que solamente tomaron unas gotitas. Decidió aislar gotas simples, pero pronto quedó claro que que se evaporaban demasiado pronto para hacer mediciones fiables. Uno de sus estudiantes, Harvey Fletcher, descubrió que, con un aceite ligero del que se usa para lubricar relojes, podían hacer que las gotas durasen más tiempo.

Para el experimento de la gota de aceite, Millikan y Fletcher diseñaron dos cámaras. En la cámara alta, un atomizador (como el usado en los botes de perfume) dispersaba una fina niebla de gotitas de aceite de tamaño micrométrico. Las gotitas individuales caerían a través de un fino agujero en la cámara inferior, la cual consistía en dos placas horizontales, a unos 16 milímetros una encima de la otra. El aire de la cámara se ionizaba con rayos X, por lo que los iones o electrones libres podían ser capturados en las gotas que caían. Una pequeña ventana al lado permitía a los científicos observar las gotas a través de un telescopio. Las gotas caían con suficiente lentitud, debido a la fricción atmosférica, de tal manera que los investigadores pudieron medir su velocidad de bajada a ojo, usando líneas horizontales en el telescopio. Partiendo de esta velocidad, se podía estimar el tamaño y la masa de cada gota.

A continuación, aplicaban un alto voltaje entre las placas y midían la velocidad de subida de la gota, a fin de determinar la fuerza eléctrica, y por último, la carga. Se hacían múltiples mediciones de una sola gota activando y desactivando el campo eléctrico. Las gotitas tenían diversas cantidades de carga (y a menudo ganaban o perdían carga durante una observación), pero los datos mostraron que la carga estaba, de hecho, cuantificada, en los múltiplos enteros de una unidad de carga.

En 1910, Millikan publicó los primeros resultados de estos experimentos [.1.] (Fletcher no fue incluido como autor, en base al acuerdo de ambos [.2.]). Millikan luego hizo varias mejoras, incluyendo una estimación empírica de las fuerzas de arrastre. La culminación de este esfuerzo, publicado en 1913, fue un valor fundamental de la carga con una estimación de error de apenas un 0,2 por ciento. La precisión adquirida era tan grande que, según comentaba Holton, "los resultados de otros experimentos no mejoraron, hasta una década más tarde".

Mas, Félix Ehrenhaft, de la Universidad de Viena, repetidamente desafiaba los resultados de Millikan, en base a sus propias medidas de la carga "sub-electrónica" de pequeñas partículas de metal. La disputa se prolongó durante muchos años, conocida como la "la batalla por el electrón", pero al final, la mayoría de los físicos prefirieron el lado de Millikan.

En los últimos años, los historiadores que han examinado las notas de laboratorio de Millikan, han dicho que él descartó algunas medidas en su afán de dejar una clara evidencia de la carga fundamental. Sin embargo, David Goodstein, del California Institute of Technology de Pasadena, cree que estas acusaciones de fraude son injustificadas. Analizado las notas, señaló que las gotas excluidas de Millikan se debieron a que sus observaciones eran incompletas, no porque la carga implícita de ellas no coincidiera con sus expectativas [.3.]. "Experimento de la gota de aceite de Millikan es un ejemplo clásico de una física sobresaliente, realizado por uno de los gigantes de aquella época", añadió Goodstein.



» Notas referenciadas: 
[.1.] R. A. Millikan, “The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law,” Science32, 436 (1910); first reported at the American Physical Society meeting, 23 April 1910, Phys. Rev. (Series I) , 656 (1910)
[.2.] H. Fletcher, “My work with Millikan on the oil‐drop experiment,” Phys. Today 35, 43 (1982)
[.3.] D. Goodstein, “In Defense of Robert Andrews Millikan,” Am. Sci. 89, 54 (2001).
» Más información:
- Focus story on Millikan’s measurement of Planck’s constant.
- article by Gerald Holton on the Millikan-Ehrenhaft Dispute.
- article about the ethics of Millikan’s handling of data.
- Millikan Nobel Prize: Nobel lecture, biography, and other information.

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