El experimento de la gota de aceite

El experimento de la gota de aceite (oil-drop experiment), desarrollado por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan en 1909, arroja uno de los resultados más importantes que nos ha dejado el siglo XX en el campo de la física atómica: el carácter discreto de la carga eléctrica.

¿Qué significa discreto? Algo discreto es algo que no es continuo. ¿Y qué significa continuo? A grandes rasgos, es algo de lo que, tomados dos estados concretos, existen infinitos estados intermedios; es decir, algo que podemos dividir en partes infinitas veces. En contraposición, algo discreto es algo que se puede dividir hasta un límite finito, y entre una unidad elemental y la siguiente no hay nada intermedio. Por ejemplo, el tiempo, tal y como lo percibimos y como nos lo describe la Teoría de la Relatividad de Einstein, es una variable continua. En cambio, la imagen de una película es una variable discreta, porque está compuesta de fotogramas entre los cuales no hay nada: la unidad mínima aquí es el fotograma.

En un principio, se creyó que la carga eléctrica debía de ser continua. Uno de los que sostenían esta opinión era Thomas Alva Edison. Sin embargo, tras el trabajo de Millikan, se convenció de lo contrario.

Así pues, y ya volviendo al tema, Millikan desarrolló un experimento que consiste en introducir, mediante un atomizador, gotitas de aceite (del orden del micrómetro) en un medio gaseoso controlado, con una viscosidad determinada, y entre dos placas conectadas a una fuente de tensión. Algunas gotitas, por efecto de la fricción con el atomizador, reciben cierta carga electrostática —o alternativamente, se cargan mediante una fuente externa de radiación ionizante (rayos X)—. El campo eléctrico producido por las placas, vertical y hacia arriba, se opone a la fuerza de la gravedad y algunas gotas quedan en equilibrio. Entonces, se escoge una gota con la que trabajar y se descartan las demás apagando y encendiendo la fuente de tensión.

Una vez seleccionada la gota, se apaga el campo eléctrico; esta cae lentamente alcanzando rápidamente una velocidad terminal. Cuando esto sucede, significa que la fuerza de arrastre es igual y opuesta a la fuerza de la gravedad; así pues, igualando la ecuación de la fuerza de arrastre (que contiene la viscosidad, el radio de la gota —supuesta esférica—, y la velocidad terminal) y la ecuación del peso de la gota (que continene las densidades del gas y el aceite, la constante gravitatoria y el radio al cubo), podemos extraer el radio de la gota.

En este momento se vuelve a activar el campo eléctrico. Evidentemente, ajustarlo de manera que la gota quede en equilibrio sin moverse es muy complicado. Por ello, una buena práctica es aumentarlo de manera que la gota comience a subir: en la nueva ecuación, el peso (hacia abajo) más la fuerza de arrastre (hacia abajo) son iguales a la fuerza del campo eléctrico (hacia arriba). De nuevo, alcanza otra velocidad terminal que introducida en la ecuación anterior, junto con el radio averiguado antes, nos proporciona la carga eléctrica de la gota.

Repitiendo este procedimiento muchas veces con múltiples gotas de diferentes tamaños, Millikan llegó al resultado de que la carga eléctrica siempre toma un valor igual a un múltiplo entero de una carga elemental: la del electrón.

Gracias a este experimento —del cual se cumple el centenario este mismo año— y a otros trabajos sobre el efecto fotoeléctrico, su autor recibió el premio Nobel de Física en 1923.