¿Qué es un Electrón?

Por Amira Val Baker, Astrofísica y científica de Resonance Science Foundation

Todo el mundo sabe lo que es un electrón, ¿verdad? Sorprendentemente, la respuesta es no: nadie sabe realmente lo que es.

Si se le pregunta a cualquier estudiante de secundaria qué es un electrón, lo más probable es que te diga que es una partícula subatómica con carga negativa y que actúa como el principal portador de electricidad. Esta respuesta es correcta, pero no revela la verdadera naturaleza de su realidad.

Esta pregunta fundamental ha sido la fuerza motriz de gran parte de la física moderna -y finalmente condujo al desarrollo de la teoría cuántica de campos- y, sin embargo, no estamos más cerca de encontrar una respuesta.

Para responder a esta pregunta, se podría pensar que el primer paso sería observarlo. Sin embargo, es más fácil decirlo que hacerlo. Los electrones son demasiado pequeños para que los observemos: lo más pequeño que podemos observar es un átomo, y ni siquiera con un microscopio tradicional. De hecho, utilizamos los electrones para observar los átomos. Este método de observación funciona utilizando un haz de electrones acelerados como fuente de iluminación, lo que permite observar objetos un millón de veces más pequeños que un cabello humano (~ 0,1 nm), lo que es suficiente para "ver" átomos individuales.

Por tanto, no podemos observar un electrón, pero sí su comportamiento, más concretamente su energía. En la actualidad, esto se hace con las trampas de Penning, un dispositivo especial desarrollado en los años 70 con el fin de atrapar partículas durante largos periodos de tiempo para poder realizar mediciones precisas. La trampa de Penning funciona aplicando una superposición de un fuerte campo magnético homogéneo, que proporciona confinamiento radial, y un débil campo electrostático cuadrupolar, que proporciona confinamiento axial.

La frecuencia del ciclotrón -es decir, la frecuencia del movimiento circular de la partícula cargada perpendicular al campo magnético- es proporcional a la relación carga-masa. Los iones con la misma relación carga-masa sufrirán la misma desviación. Si medimos la cantidad de desviación experimentada en la trampa de Penning y la comparamos con la cantidad de desviación experimentada por un ion de masa bien definida, por ejemplo, el carbono 12, entonces se puede determinar la masa de la partícula desconocida.

Lo que es importante tener en cuenta es que cuando hacemos esa medición de la energía, en realidad estamos haciendo una medición de un solo ion (es decir, un electrón que rodea un núcleo central), no de un solo electrón.

Entonces, si no podemos ver el electrón, ¿cómo lo descubrimos?

El electrón fue descubierto en 1879 por J. J. Thompson cuando investigaba el brillante resplandor que se observa en una pantalla fosforescente cuando se aplica un alto voltaje a través de dos electrodos en un tubo parcialmente evacuado: un tubo de rayos catódicos. Estos "rayos" o "haces de partículas" se conocen como rayos catódicos, ya que se originan en el cátodo.

Para investigar sus propiedades, se aplicaron campos magnéticos y eléctricos transversales, y en cada caso se produjo la desviación del rayo catódico hacia el positivo y el alejamiento del negativo, lo que indica que son de carga negativa. Otros experimentos permitieron a Thompson determinar la relación masa-carga de las partículas del rayo catódico, que resultó ser mucho más pequeña que la de cualquier átomo conocido. Thompson también estaba intrigado por saber si el cátodo era la fuente de las partículas, por lo que cambió el material y descubrió que las propiedades del rayo catódico se mantenían constantes independientemente del material del cátodo del que procedieran. A partir de todos estos experimentos, Thomson llegó a la conclusión de que el electrón era una partícula que constituía toda la materia y acabó con la idea de que el átomo era la partícula más pequeña. En su lugar, el átomo estaba formado por estas partículas subatómicas a las que llamó corpúsculos y que ahora se conocen como el electrón.

Se propusieron varios modelos que explicaban esta nueva comprensión del átomo

Imagen: Nube esférica de carga positiva y los electrones

La primera fue propuesta por el propio Thompson, que la derivó de la observación de que los electrones están cargados negativamente y, por tanto, para que un átomo sea neutro debe haber una fuente de carga positiva que equilibre los electrones. Así, sugirió que un átomo está compuesto por electrones rodeados de una sopa de carga positiva. Esto se conoció como el modelo del pudín de ciruelas, con las ciruelas cargadas negativamente rodeadas de un pudín cargado positivamente.

Sin embargo, más tarde se descubrió que el modelo del pudín de ciruela era incorrecto cuando Ernest Rutherford llevó a cabo sus famosos experimentos de la lámina de oro ( imagen) junto con Geiger y Marsden, en los que bombardeó una fina lámina de oro con partículas alfa (con carga positiva) y descubrió que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina y sólo un pequeño porcentaje de las partículas se desviaban. Rutherford llegó así a la conclusión de que la masa de un átomo se concentraba en su centro y propuso un modelo con un núcleo central positivo rodeado de electrones con carga negativa.

Este modelo se desarrolló con la ayuda de Niels Bohr, pero en lugar de que los electrones estuvieran distribuidos al azar, propuso que existieran en orbitales, orbitando el núcleo positivo central de forma análoga a los planetas que orbitan un núcleo/estrella central. En esta imagen, los electrones se consideran fuentes extendidas como bolas de billar o "planetas", que ocupan un nivel de energía discreto, o un orbital.

Ahora bien, con cualquier modelo deberíamos ser capaces de explicar lo que observamos. Así, cuando se hizo un análisis espectral del hidrógeno -es decir, cuando la luz emitida por un gas de hidrógeno pasa y es refractada por un prisma- se observan líneas de emisión discretas. En el modelo de Bohr, estas líneas de emisión se explican por la transición de los electrones entre orbitales -así que cuando la energía de la luz es absorbida por el electrón, éste transiciona a un nivel de energía más alto- este nivel de energía más alto está excitado y por lo tanto no es tan estable, así que cuando se relaja de nuevo a un estado estable emite un fotón al descender a un nivel de energía más bajo -y es este fotón emitido el que se observa.

Sin embargo, el modelo de Bohr sólo podía explicar los espectros de emisión del hidrógeno o de otros átomos de un solo electrón, como el helio ionizado. En el caso de los átomos multielectrónicos, el análisis espectral mostró muchas más líneas de emisión discretas que no podían ser explicadas por el modelo de Bohr.

Ahí es donde tomó el relevo el modelo cuántico, que en lugar de explicar el electrón como fuentes extendidas en órbitas discretas, trata el electrón y el positrón como partículas puntuales sin estructura interna. A diferencia del modelo de Bohr, los electrones no existen en órbitas definidas con precisión y, en cambio, todo lo que se sabe de estas partículas puntuales es su distribución probable alrededor del átomo, generalmente denominada nube de electrones. El modelo de la nube de electrones fue desarrollado en 1926 por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg y puede explicarse en términos de una onda de probabilidad -en concreto, la ecuación de onda de Schrödinger- en la que los estados u "orbitales" que puede ocupar un electrón en un átomo son análogos a los de una onda estacionaria.

En el modelo cuántico, estos estados u orbitales dependen de un conjunto de números cuánticos, por ejemplo, el número cuántico de principio n, el número de momento angular l, el número magnético m y el número de espín s. Las diferentes formas y tamaños de estas distribuciones de probabilidad/orbitales pueden explorarse más a fondo aquí here.

Son estos diferentes números cuánticos los que definen la posición y el momento en términos de una nube de probabilidad y describen las líneas de emisión que no se tenían en cuenta en el modelo de Bohr. Además, el modelo cuántico se amplió para explicar las líneas de emisión que se producen debido a un campo magnético externo y/o debido a las interacciones con el vacío cuántico.

Sin embargo, aunque este modelo tiene mucho éxito y puede explicar lo que el modelo de Bohr no puede, sigue sin explicar el electrón y de dónde viene su masa.

De hecho, en ambos modelos la masa no se deduce a partir de los primeros principios, sino que sólo se conoce empíricamente.

Por lo tanto, la definición estándar de la masa del electrón se da generalmente en términos de la constante de Rydberg (una constante que relaciona las líneas de emisión con la energía)

Imagen: Constante de Rydberg, constante de Planck y la constante de estructura fina.

Entonces, ¿cómo revelamos la naturaleza o la estructura de un electrón?

Para obtener una imagen más clara del electrón, tal vez sea el momento de considerar una visión cuantizada del universo, desde lo más pequeño hasta lo más grande del universo, desde lo más pequeño hasta lo más grande. El modelo holográfico generalizado introducido por Nassim Haramein ofrece una visión de este tipo -y se trata de esas unidades de Planck- que define el bit de información cuantizada fundamental, o voxel del universo.

En este modelo, que amplía el trabajo de los físicos David Bohm, Jacob Bekenstein, Stephen Hawking y Gerard 't Hooft, la energía -o la información- de cualquier sistema esférico es proporcional al número de unidades esféricas de Planck (PSU) o voxels dentro del volumen esférico (entropía de volumen) y al número de voxels disponibles en el horizonte de la superficie esférica (entropía de superficie). Esta relación holográfica entre el interior y el exterior define la densidad de masa-energía del sistema, mientras que la inversa define la masa expresada por el sistema en un momento dado, o como lo describe David Bohm, el desplegado y el plegado, respectivamente.

La pregunta es: ¿puede extenderse este enfoque al electrón? El primer paso para responder a esta pregunta es considerar la extensión espacial del electrón y el volumen de información que encierra. Sin embargo, la extensión espacial del electrón no ha sido definida de forma concluyente, así que, ¿qué radio utilizamos?

El enfoque holográfico generalizado considera que la masa emerge de la estructura granular a escala de Planck del espaciotiempo en términos de un potencial de transferencia de información de superficie a volumen, que disminuye al aumentar el radio. Así pues, si partimos de la premisa de que una nube de electrones puede considerarse como un campo coherente de información "electrónica", entonces, en lugar de pensar en el electrón como un sistema separado, se podría pensar en el electrón como una nube de energía potencial que se extiende espacialmente desde el protón hasta el radio, donde el volumen encierra la nube de electrones de un átomo de hidrógeno de Bohr.

Cuando utilizamos este enfoque, encontramos una solución para la masa del electrón en términos de la relación superficie-volumen holográfica -el potencial de transferencia- y una masa equivalente a la masa del electrón medida experimentalmente.

Imagen: Potencial de transferencia, masa de Planck y la constante de estructura fina.

Se desarrolla una imagen en la que la estructura del átomo de Bohr y la carga y la masa tanto del protón como del electrón son consecuencias de la dinámica del espín en el comportamiento del movimiento conjunto de la estructura granular del espaciotiempo a escala de Planck. Así pues, ahora tenemos un modelo físico que nos permite comprender mejor la naturaleza del electrón y que nos da la masa correcta.

Además, cuando extendemos este modelo para radios sucesivamente más pequeños -radios atómicos- encontramos la masa para el número total de electrones de cada elemento.

La solución ofrece una visión clara de la estructura de todos los átomos de la tabla de los elementos, en términos de que la nube de electrones está compuesta por fluctuaciones cuánticas del vacío a escala de Planck. Como resultado, se determina la fuente de la constante de estructura fina, la constante de Rydberg y la relación de masas entre protones y electrones en términos de energía del vacío.

Así, a partir de la estructura granular del espaciotiempo a escala de Planck, el enfoque holográfico generalizado nos da la masa de un agujero negro, la masa del protón y ahora la masa del electrón.

Detalles de este trabajo: The Electron and the Holographic Mass Solution. Val Baker, A. K. F., Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol. 32, Pages 255-262

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