ELECTRÓN

El Electrón, comúnmente representado por el símbolo: e⁻, es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa.^[ Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos, en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemental.^[ Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protón.^[ El momento angular espín intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión. Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas entre ellas, la eléctrica de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones de rayos gamma.

Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones,^[ participan en las interacciones fundamentales, tales como la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil.^[ Como toda la materia, posee propiedades mecánico-cuánticas tanto de partículas como de ondas, de tal manera que pueden colisionar con otras partículas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor manera en experimentos con electrones a causa de su ínfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, según el principio de exclusión de Pauli.^[14]

El concepto de una cantidad indivisible de carga eléctrica fue teorizado para explicar las propiedades químicas de los átomos, el primero en trabajarlo fue el filósofo naturalista británico Richard Laming en 1838.^[4] El nombre electrón para esta carga fue introducido el 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney. Sin embargo, el electrón no fue identificado como una partícula hasta 1897 por Joseph John Thomson y su equipo de físicos británicos.^{[6] [16] [17]}

En muchos fenómenos físicos tales como la electricidad, el magnetismo o la conductividad térmica  los electrones tienen un papel esencial. Un electrón que se mueve en relación a un observador genera un campo eléctrico y es desviado por campos magnéticos externos. Cuando se acelera un electrón, puede absorber o radiar energía en forma de fotones. Los electrones, junto con núcleos atómicos formados de protones y neutrones, conforman los átomos, sin embargo, los electrones contribuyen con menos de un 0,06% a la masa total de los mismos. La misma fuerza de Coulomb, que causa la atracción entre protones y electrones, también hace que los electrones queden enlazados. El intercambio o compartición de electrones entre dos o más átomos es la causa principal del enlace químico.^[ Los electrones pueden ser creados mediante la desintegración beta de isótopos radiactivos y en colisiones de alta energía como, por ejemplo, la entrada de un rayo cósmico en la atmósfera. Por otra parte, pueden ser destruidos por aniquilación con positrones, y pueden ser absorbidos durante la nucleosíntesis estelar. Existen instrumentos de laboratorio capaces de contener y observar electrones individuales así como plasma de electrones, además, algunos telescopios pueden detectar plasma de electrones en el espacio exterior. Los electrones tienen muchas aplicaciones, entre ellas la electrónica, la soldadura, los tubos de rayos catódicos, los microscopios electrónicos, la radioterapia, los láseres, los detectores de ionización gaseosa y los aceleradores de partículas.

Los griegos antiguos se dieron cuenta de que el ámbar atraía pequeños objetos cuando se le frotaba contra el pelaje. Junto con el rayo, este fenómeno es una de las primeras experiencias conocidas de los humanos con la electricidad.^[ En su tratado de 1600, De Magnete, el científico inglés William Gilbert definió el término neolatín «electricus» para referirse a la propiedad de un objeto de atraer pequeños objetos después de ser frotado.^[ Tanto las palabras eléctrico como electricidad derivan del latín «electrum», que a su vez proviene de la palabra griega «elektron», que significa ámbar.

A principios de los años 1700, Francis Hauksbee y Charles François de Cisternay du Fay descubrieron, cada uno por su lado, lo que creían que eran dos tipos de electricidad friccional: uno generado por el rozamiento con vidrio, y el otro por el rozamiento con resina. A partir de esto, Du Fay teorizó que la electricidad consistía en dos fluidos eléctricos, el «vítreo» y el «resinoso», que estaban separados por la fricción y que se neutralizaban el uno al otro cuando eran combinados.^[ Una década más tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de dos tipos diferentes de fluido eléctrico sino de un mismo fluido a presiones diferentes; les dio la nomenclatura moderna de carga «positiva» y «negativa», respectivamente.^[ Franklin pensaba que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación reflejaba un excedente del portador de carga y en qué caso era un déficit.^[

Entre 1838 y el 1851, el filósofo naturalista británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo estaba compuesto de un núcleo de materia rodeado por partículas subatómicas con carga eléctrica.^[ A partir de 1846, el físico alemán William Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positivamente y negativamente, y que su interacción estaba gobernada por la ley del inverso del cuadrado. Más tarde, tras estudiar el fenómeno de la electrólisis, el físico irlandés George Johnstone Stoney sugirió que existía una «única cantidad definida de electricidad», la carga de un ion monovalente; siendo capaz de estimar el valor de esta carga elemental mediante las leyes de Faraday de la electrólisis.^[ Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban ligadas permanentemente a átomos y que no podían ser removidas. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz argumentó que tanto las cargas positiva como negativa estaban divididas en partes elementales, cada una de las cuales se comportaba como «átomos de electricidad».^[]

En 1894, Stoney estableció el término inglés «electron» para describir estos cambios elementales: «se hizo una estimación de la cantidad real de esta unidad de electricidad fundamental, que es la más destacable, por lo que me he aventurado a sugerir el nombre 'electron'».^[ Dicha palabra «electrón», que deriva del inglés, es una combinación de la palabra «electricidad» y del sufijo griego «patrón»

El físico alemán Johann Wilhelm Hittorf emprendió el estudio de la conductividad eléctrica de gases enrarecidos. En 1869, descubrió un brillo emitido desde el cátodo que aumentaba de tamaño cuando el gas disminuía de presión. En 1876, el también físico alemán Eugen Goldstein mostró que los rayos de ese brillo proyectaban una sombra, y los denominó «rayos catódicos».^[ Durante la década de 1870, el químico y físico inglés Sir William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos con un vacío elevado vacío con presión en el rango de 100 mPa a 100 NPA.^[ Entonces mostró que los rayos luminiscentes que aparecían dentro del tubo llevaban energía y que iban del cátodo al ánodo. Además, aplicando un campo magnético, Crookes fue capaz de desviar los rayos, con lo cual demostró que el haz se comportaba como si estuviera cargado negativamente.^[] En 1879 propuso que estas propiedades se podían explicar con lo que él denominó «materia radiante». Sugirió que se trataba del cuarto estado de la materia, que consistía en moléculas cargadas negativamente que eran proyectadas a alta velocidad desde el cátodo.^[]

El físico británico nacido en Alemania, Arthur Shuster, continuó los experimentos iniciados por Crookes colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos y aplicando un potencial eléctrico entre ellas. El campo desviaba los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que evidenciaba aún más que los rayos llevaban una carga negativa. Al medir la cantidad de desviación causada por un cierto nivel de corriente eléctrica, en 1890, Schuster fue capaz de determinar la proporción masa-carga de los componentes de los rayos. Sin embargo, logró un valor que era más de mil veces lo esperado, por lo que, en aquella época, no se dio mucho crédito a sus cálculos.^[[]

En 1896, el físico británico Joseph John Thomson, junto con sus colegas John Sealy Townsend y Harold Albert Wilson,^[ llevó a cabo experimentos que indicaron que los rayos catódicos eran realmente partículas únicas y no ondas, átomos o moléculas, tal como se creía anteriormente.^[ Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la carga como de la masa, y encontró que las partículas de los rayos catódicos —a las cuales llamaba «corpúsculos»— tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido, el ion hidrógeno Asimismo, demostró que su proporción carga-masa (e/m) era independiente del material del cátodo. Más tarde demostró que las partículas cargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, por materiales calentados y por materiales iluminados eran universales.^[] El nombre de «electrón» para estas partículas fue propuesto de nuevo por el físico irlandés George FitzGerald y, desde entonces, la palabra consiguió una aceptación por partes.^[

En 1896, mientras estudiaba los minerales naturalmente fluorescentes, el físico francés Henri Becquerel descubrió que estos emitían radiación sin estar expuestos a ninguna fuente de energía externa. Estos materiales radiactivos se convirtieron en tema de estudio de interés de muchos científicos, entre ellos el físico neozelandés Ernest Rutherford, que descubrió que emitían partículas. Designó a estas partículas «alfa» y «beta» según su capacidad de penetrar la materia.^[ En 1900, Becquerel demostró que los rayos beta emitidos por radio podían ser desviados por un campo eléctrico, y que su proporción masa-carga era la misma que la de los rayos catódicos.^[ Esta evidencia reforzó la idea de que los electrones existían en forma de componentes en los átomos.^[[]

La carga del electrón fue medida con más cuidado por los físicos estadounidenses Robert Millikan y Harvey Fletcher mediante su experimento de la gota de aceite, cuyos resultados fueron publicados en 1911. Este experimento usaba un campo eléctrico para evitar que una gota de aceite cargada cayera como resultado de la gravedad. El aparato era capaz de medir la carga eléctrica tan pequeña como de 1 a 150 iones con un margen de error del 0,3%. Algunos experimentos similares habían sido llevados a cabo anteriormente por el equipo de Thomson^[ usando nubes de gotas de agua cargadas generadas por electrólisis,^[ y en el mismo año por Abram Ioffe el cual, de manera independiente, obtuvo el mismo resultado que Millikan usando micropartículas de metales cargadas, publicando sus resultados en 1913.^[ Sin embargo, las gotas de aceite eran más estables que las de agua debido a que su tasa de evaporación es menor, lo cual hacía que fueran más adecuadas para llevar a cabo este tipo de experimentos que duraban largos periodos de tiempo^[]

Hacia el comienzo del siglo XX se descubrió que, bajo ciertas condiciones, una partícula cargada que se movía rápidamente causaba una condensación de vapor de agua supersaturada a lo largo de su camino. En 1911, Charles Wilson usó este principio para concebir su cámara de niebla, la cual permitía fotografiar los caminos trazados por partículas cargadas tales como electrones

Un electrón genera un campo eléctrico que ejerce una fuerza de atracción sobre una partícula de carga positiva tal como el protón y una carga de repulsión sobre una partícula de carga negativa. La magnitud de esta fuerza se determina mediante la ley de Coulomb del inverso del cuadrado.^[      uando un electrón está en movimiento genera un campo magnético.^[ La ley de Ampère-Maxwell relaciona el campo magnético con el movimiento masivo de los electrones (la corriente eléctrica respecto de un observador. Esta propiedad de inducción, por ejemplo, es la que da el campo magnético necesario para hacer funcionar un motor eléctrico.^[ El campo electromagnético de una partícula cargada de movimiento arbitrario se expresa mediante los potenciales de Liénard-Wiechert, los cuales son válidos incluso cuando la velocidad de la partícula es cercana a la de la luz relatividad.

Cuando un electrón se mueve a través de un campo magnético está sujeto a la fuerza de Lorentz, la cual ejerce una influencia en una dirección perpendicular al plano definido por el campo magnético y la velocidad del electrón. La fuerza centrípeta hace que el electrón siga una trayectoria helicoidal a través del campo con un radio que se llama radio de Larmor. La aceleración de este movimiento curvado induce al electrón a radiar energía en forma de radiación sincrotrón.^[] La emisión de energía, a su vez, causa un retroceso del electrón conocido como fuerza de Abraham-Lorentz, que crea una fricción que ralentiza el electrón. Esta fuerza es causada por una reacción inversa del mismo campo del electrón sobre sí mismo.^[]

En electrodinámica cuántica, la interacción electromagnética entre partículas es mediada por fotones. Un electrón aislado que no está sufriendo ninguna aceleración no es capaz de emitir o absorber un fotón real, si lo hiciera violaría la conservación de la energía y la cantidad de movimiento. En lugar de ello, los fotones virtuales pueden transferir cantidad de movimiento entre dos partículas cargadas.^[ Este intercambio de fotones virtuales genera, por ejemplo, la fuerza de Coulomb. La emisión de energía puede tener lugar cuando un electrón en movimiento es desviado por una partícula cargada por ejemplo, un protón. La aceleración del electrón tiene como resultado la emisión de radiación Bremsstrahlung.^[

Una colisión inelástica entre un fotón luz y un electrón solitario libre se llama difusión Compton. Esta colisión resulta en una transferencia de cantidad de movimiento y energía entre las partículas que modifica la longitud de onda del fotón en un fenómeno denominado desplazamiento de Compton.^[ La ​​máxima magnitud de este desplazamiento de longitud de onda es h/mec, lo que se conoce como longitud de onda de Compton,^[ que para el electrón toma un valor de 2,43 × 10^-12 m.^[ Cuando la longitud de onda de la luz es larga por ejemplo, la longitud de onda de la luz visible es de 0,4-0,7 micras el desplazamiento de la longitud de onda se convierte despreciable. Este tipo de interacción entre la luz y electrones libres se llama difusión Thomson.^[]

La magnitud relativa de la interacción electromagnética entre dos partículas cargadas, tales como un electrón y un protón, viene dada por la constante de estructura fina. Esta constante es una cantidad adimensional y representa la proporción entre dos energías: la energía electrostática de atracción o repulsión en una separación de una longitud de onda de Compton, y el resto de energía de la carga. Tiene un valor de α ≈ 7,297353 × 10^-3, que equivale aproximadamente a 1/137.^[]

Cuando colisionan electrones y positrones se aniquilan unos a otros y dan lugar a dos o más fotones de rayos gamma. Si el electrón y el positrón tienen una cantidad de movimiento despreciable se puede formar un positronio antes de que la aniquilación resulte en dos o tres fotones de rayos gamma de un total de 1.022 MeV.^[] Por otro lado , los fotones de alta energía pueden transformarse en un electrón y un positrón mediante el proceso conocido como creación de pares, pero sólo con la presencia cercana de una partícula cargada, como un núcleo.^[[

Según la teoría de la interacción electrodébil, la componente izquierdista de la función de onda del electrón forma un doblete de isospín débil con el neutrino electrónico. Esto significa que, durante las interacciones débiles, los neutrinos electrónicos se comportan como si fueran electrones. Cualquiera de los miembros de este doblete pueden sufrir una interacción de corriente cargado emitiendo o absorbiendo un W y ser absorbidos por el otro miembro. La carga se conserva durante esta reacción porque el bosón W también lleva una carga, por lo que se cancela cualquier cambio neto durante la transmutación. Las interacciones de corriente cargadas son responsables del fenómeno de la desintegración beta en un átomo radiactivo. Finalmente, tanto el electrón como el neutrino electrónico pueden sufrir una interacción de corriente neutral mediante un intercambio de Z⁰. Este tipo de interacciones son responsables de la difusión elástica neutrino-electrón.^[