Los electrones son partículas más pequeñas que los átomos, de hecho, la gran mayoría se encuentra dentro de los mismos, orbitando alrededor de su núcleo. A diferencia de este último, el electrón se caracteriza por tener carga eléctrica negativa. Por el contrario, el núcleo atómico, al estar conformado por protones y neutrones –de carga positiva y neutra, respectivamente– cuenta con carga eléctrica positiva.

Tanto los electrones como los protones y los neutrones son partículas subatómicas (es decir, que residen al interior de los átomos). Se trata de tres clases de partículas elementales, puesto que no es posible dividirlas en componentes menores. Existen distintos variedades de las llamadas partículas elementales: los leptones, los quarks y los bosones. Los electrones integran el primer grupo, al igual que el muón (partícula de existencia efímera que cuenta con una masa 207 veces mayor a la del electrón) y el tauón (que presenta una masa 3491 veces mayor a la del electrón).

Etimológicamente, el término electrón proviene del griego elektron, que significa ámbar. En la antigüedad se sabía que al frotar esta gema con el pelo se atraían ínfimos objetos, lo cual constituyó uno de los primeros acercamientos al fenómeno de la electricidad. Siglos más tarde, el filósofo y médico británico William Gilbert, precursor en el análisis del magnetismo, fue el primero en utilizar el concepto de “electricidad” para dar cuenta de la capacidad de un elemento de generar atracción en otros menores luego de ser frotado. Puede deducirse que la partícula que nos ocupa debe su denominación al hecho de que, al contener energía negativa, es atraído sobre el núcleo atómico y, a causa de dicha fuerza, produce electricidad en el átomo.

La existencia del electrón fue descubierta de la mano de J.J. Thomson y Walter Kauffmann a fines del siglo XIX. Y luego fue el físico irlandés George Francis FitzGerald el encargado de acuñar el nombre.

El descubrimiento de esta partícula resultó de gran importancia a la hora de determinar la existencia del átomo y para demostrar que éste, a diferencia de lo que se había creído hasta ese momento, no constituía una unidad indivisible y carente de estructura interna.

Además de lo referente a la electricidad, los electrones poseen un rol fundamental en varios otros fenómenos físicos como el magnetismo. Al moverse producen campos electromagnéticos y, al acelerarse, son capaces de absorber e irradiar fotones (partículas de energía luminosa o electromagnética).

Electrón orbitando el núcleo atómico.
Los electrones son partículas elementales que orbitan alrededor del núcleo atómico.

Electrones y enlaces.

Los electrones que se hallan en la capa exterior del átomo reciben el nombre de electrones de valencia. Se ubican en la parte reactiva del átomo, es decir, donde está el mayor nivel de energía. Los electrones de valencia son los encargados de las interacciones que los átomos ejercen entre sí, ya que desde la corteza de éstos los electrones generan enlaces químicos y forman compuestos.

De esta manera, los átomos interactúan mutuamente y, gracias a los enlaces químicos producidos por los electrones, dan lugar a partículas mayores denominadas moléculas. Existen dos tipos de enlaces:

  • Enlace iónico: Se conforman a partir de la atracción recíproca de partículas cuya carga eléctrica es opuesta. Esto sucede cuando un átomo gana (y otro pierde) uno o más electrones para completar su nivel de energía externa y alcanzar estabilidad en sentido electrónico. Cuando los electrones saltan de entre átomos, éstos últimos son denominados iones; de allí el nombre de esta clase de enlace (donde se generan iones). Un ion es una partícula que no es neutra. Por un lado, el átomo que otorga un electrón pasa a ser un catión (ion de carga positiva), mientras que aquel que recibe un electrón se convierte en un anión (ion de carga negativa). Si bien suelen ser enlaces fuertes, muchos de ellos se desprenden con facilidad en agua, lo que produce iones libres. Se dan entre elementos metales y no metales.
  • Enlace covalente: Se conforman cuando dos átomos tienen en común un electrón o más. Estos electrones compartidos dan lugar a un orbital molecular que sucede alrededor de los núcleos de los dos átomos. Es decir, cada uno de los dos electrones orbita por momentos alrededor del núcleo de uno de los dos átomos y, el resto del tiempo, alrededor del otro átomo. Como resultado, ambos átomos logran que su nivel energético exterior esté completo, vuelven neutra su carga nuclear y alcanzan la estabilidad de la molécula que conforman. De acuerdo al número de electrones que se compartan, los enlaces covalentes serán simples (un par), dobles (dos pares) o triples (tres pares). Se dan siempre entre elementos no metales.
Acelerador de partículas.
El acelerador de partículas es un dispositivo que acelera las partículas elementales y las hace impactar contra un objetivo.

El experimento de la doble rendija .

A comienzos del siglo XIX, el físico británico Thomas Young llevó a cabo un experimento en su afán por demostrar que la luz constituía una onda y no un conjunto de partículas. Para ello, dispuso un haz de luz a través de dos rendijas. Al observarlo en una pantalla se podía ver un patrón formado por una alternación de franjas oscuras y brillantes, lo cual demostraba que la luz constituía una onda susceptible de interferencias (mientras que, si se tratara de partículas, las dos franjas deberían ser luminosas).

Más tarde, el experimento de la doble rendija fue aplicado por la física cuántica para estudiar el comportamiento ondulatorio de partículas atómicas y subatómicas, como los electrones. Pero en este caso ha sido muy difícil llevar a cabo el procedimiento. Recién en el año 1961, el físico alemán Claus Jönsson logró acelerar un haz de electrones a cincuenta mil voltios y hacerlo pasar por dos rendijas de ínfima separación y grosor. El patrón de interferencias observado era semejante al obtenido con el haz de luz por lo que se concluyó que las partículas también contaban con propiedades de ondas.

Tubo de rayos catódicos.
El tubo de rayos catódicos funciona como un acelerador de partículas.

Acelerador de partículas.

El acelerador de partículas es un aparato utilizado para provocar un aceleramiento de determinadas partículas con carga y hacerlas colisionar contra un objetivo, es decir, se trata de una máquina que atrae y repele las cargas. Los electrones son las partículas más frecuentemente usadas en estos dispositivos debido a que es más sencillo obtenerlo y porque son livianos en comparación a la carga que poseen.

Por ejemplo, el viejo televisor, que funciona con un tubo de rayos catódicos, actúa como un acelerador de partículas. La cosa es así: se conecta un emisor de electrones –generalmente, un metal– a una corriente eléctrica y se aumenta su temperatura a altos niveles. Cuando se calientan tanto, los electrones se agitan fuertemente hasta lograr escapar del metal del que provienen, pasando a ser electrones libres. Estos últimos son acelerados con un par de electrodos (uno positivo y otro negativo) ubicados al interior de un tubo. Uno de los electrodos repele a los electrones y el otro, en el extremo contrario, los atrae. Así, empiezan a movilizarse hacia el electrodo positivo, cada vez a mayor velocidad. En estos artefactos, los electrones pueden acelerarse hasta casi un cuarto de la velocidad de la luz (75.000 km por segundo).

Sin embargo, existen aceleradores de partículas extremadamente más potentes y complejos. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider), del Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), en Suiza, es el mayor acelerador a nivel mundial, utilizado por los físicos para estudiar la estructura de la materia.

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Lehrer, L. (28 de agosto de 2022). Definición de electrón. Los enlaces, el experimento de la doble rendija y el acelerador de partículas. Definicion.com. https://definicion.com/electron/