Relación masa carga para niños
La relación masa carga es una medida muy importante en el mundo de las partículas diminutas, como los electrones o los iones. Imagina que tienes un objeto muy pequeño. Esta relación se calcula dividiendo la masa de ese objeto (cuánto pesa) entre su carga eléctrica (si tiene electricidad positiva o negativa). Se usa mucho en campos como la microscopía electrónica y los aceleradores de partículas.
La importancia de esta relación es que, si dos partículas tienen la misma relación masa carga, se moverán de la misma manera en el vacío cuando están bajo la influencia de campos magnéticos o eléctricos.
A veces, en lugar de la relación masa carga, se usa su inversa, que es la relación carga masa. Para el electrón, que es una partícula fundamental, la relación carga masa es un valor muy preciso: aproximadamente 1,758820024 × 1011 culombios por kilogramo (C/kg).
Contenido
¿Cómo se calcula la relación masa carga?
Para entender cómo se mueven las partículas cargadas, los científicos usan dos leyes principales de la física.
La fuerza de Lorentz
Cuando una partícula con carga eléctrica se mueve a través de un campo eléctrico o magnético, experimenta una fuerza. Esta fuerza depende de la carga de la partícula, de su velocidad y de la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos. Es como si los campos "empujaran" o "jalaran" la partícula.
La segunda ley de Newton
Esta ley nos dice que la fuerza que actúa sobre un objeto es igual a su masa multiplicada por su aceleración (la rapidez con la que cambia su velocidad).
Al combinar estas dos leyes, los científicos pueden obtener una ecuación que describe cómo se mueve una partícula cargada. Esta ecuación muestra que el movimiento de la partícula depende directamente de su relación masa carga. Esto significa que si dos partículas tienen la misma relación masa carga, seguirán el mismo camino en el vacío cuando se les aplican los mismos campos.
¿Hay alguna excepción?
Sí, en el mundo de la mecánica cuántica, que estudia las partículas a un nivel muy, muy pequeño, existen algunos efectos especiales. Por ejemplo, en el Experimento de Stern y Gerlach, se ha visto que partículas con la misma relación masa carga pueden tomar caminos diferentes debido a propiedades cuánticas que no se ven en la física clásica.
Símbolos y unidades de medida
Los científicos usan símbolos específicos para la masa (m) y la carga (Q). La carga puede ser positiva (+) o negativa (−). La unidad de medida para la carga en el Sistema Internacional es el culombio (C).
La relación masa carga se mide en kg por C (kg/C).
La relación m/z en espectrometría de masas
En un campo llamado espectrometría de masas, que sirve para identificar sustancias midiendo la masa de sus iones, se usa una notación especial: m/z. Aquí, m se refiere al número de masa de una molécula o átomo, y z es el número de cargas que tiene el ion. Por ejemplo, si una molécula tiene una masa de 1000 unidades y ha perdido dos electrones (lo que le da una carga de +2), su m/z sería 500. Esta notación ayuda a interpretar los resultados de los experimentos.
Un poco de historia
La idea de la relación masa carga no es nueva.
- En el siglo XIX, los científicos ya medían la relación masa carga de algunos iones usando métodos electroquímicos.
- En 1897, el científico J. J. Thomson fue el primero en medir la relación masa carga del electrón. Esto fue muy importante porque demostró que el electrón era una partícula con masa y carga, y que era mucho más pequeña que el ion de hidrógeno. Este descubrimiento llevó al reconocimiento del electrón como una partícula fundamental.
- En 1898, Wilhelm Wien logró separar iones basándose en su relación masa carga.
- Hoy en día, el instrumento principal para medir esta relación es el espectrómetro de masas.
¿Para qué se usa la relación masa carga?
En muchos experimentos, la relación masa carga es lo único que se puede medir directamente de una partícula. Si los científicos pueden determinar la carga de la partícula de otra manera, entonces esta relación les permite calcular la masa de la partícula.
A menudo, la relación masa carga se determina observando cómo se desvían las partículas cargadas cuando se les aplica un campo magnético. El espectrómetro de masas funciona con este principio.
El electrón y su relación carga masa
La relación carga masa del electrón (e/me) es muy importante en la física experimental. La masa del electrón es difícil de medir directamente, así que se calcula a partir de la carga elemental (e) y esta relación.
J. J. Thomson fue quien calculó por primera vez la relación Q/m del electrón en 1897. Sus mediciones fueron clave para convencer a los científicos de que los rayos catódicos estaban hechos de partículas idénticas, lo que llevó al descubrimiento del electrón.
Un valor recomendado para la relación carga masa del electrón es 1,758820150 × 1011 C/kg.
¿Cómo se mide la relación carga masa del electrón?
Una forma de medirla es usando un tubo especial. Se calienta un cátodo (una parte del tubo) para que emita electrones. Estos electrones son acelerados por una diferencia de voltaje, lo que les da una velocidad conocida. La trayectoria de los electrones se puede ver porque chocan con un gas de helio dentro del tubo, haciendo que se ilumine.
Unas bobinas especiales llamadas bobinas de Helmholtz crean un campo magnético uniforme que desvía el haz de electrones, haciendo que se mueva en un círculo. Midiendo el voltaje de aceleración, la corriente de las bobinas y el radio del círculo que forma el haz, se puede calcular la relación e/m.
El efecto Zeeman
La relación carga masa del electrón también se puede medir usando el efecto Zeeman. Este efecto ocurre cuando las líneas de luz que emite un elemento se separan en varias líneas más finas si el elemento está en presencia de un campo magnético. Al analizar cómo se separan estas líneas, los científicos pueden calcular la relación carga masa del electrón.
Galería de imágenes
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Haz de electrones desplazándose en círculo en un tubo Teltron, por la presencia de un campo magnético, en el que se puede medir la relación masa carga de los electrones comparando el radio del círculo con la intensidad del campo y el voltaje.
Véase también
En inglés: Mass-to-charge ratio Facts for Kids
