¿Cómo saltan los electrones entre orbitales?

Las respuestas hasta ahora parecen bastante buenas, pero me gustaría probar un ángulo ligeramente diferente.

Antes de llegar a los orbitales atómicos, ¿qué significa que un electrón "esté" en alguna parte? Supongamos que miro un electrón y veo dónde está (supongamos que tengo un microscopio muy sofisticado/sensible/preciso). Esto suena sencillo, pero ¿qué hice cuando 'miré' el electrón? Debo haber observado algún fotón que acababa de interactuar con ese electrón. Si quiero tener una idea del movimiento del electrón (no solo su momento instantáneo, sino su posición en función del tiempo), necesito observarlo durante un período de tiempo. Sin embargo, esto es un problema porque solo puedo observar el electrón cada vez que interactúa con un fotón que puedo observar. En realidad, es imposible para mí observar el electrón continuamente, solo puedo obtener instantáneas de su posición.

Entonces, ¿qué hace el electrón entre observaciones? No creo que nadie pueda responder a esa pregunta. Todo lo que podemos decir es que en un momento el electrón se observó en el punto A, y en un momento posterior se observó en el punto B. Llegó de A a B... de alguna manera. Esto lleva a una forma diferente de pensar acerca de dónde está un electrón (u otra partícula).

Si conozco algunas de las propiedades del electrón, puedo predecir que es más probable que observe un electrón en algunos lugares que en otros. Los orbitales atómicos son un gran ejemplo de esto. Un orbital se describe mediante 4 números cuánticos, a los que llamaré$n$,$l$,$m$,$s$(hay varias notaciones; creo que esta es razonablemente común).$n$es una descripción de cuánta energía tiene el electrón,$l$describe su momento angular total,$m$lleva alguna información sobre la orientación de su momento angular y$s$caracteriza su giro (el giro es un tema completo en sí mismo, por ahora digamos que es una propiedad que tiene el electrón). Si conozco estas 4 propiedades de un electrón que está unido a un átomo, entonces puedo predecir dónde es más probable que observe el electrón. Para algunas combinaciones de$(n,l,m,s)$la distribución es simple (por ejemplo, esféricamente simétrica), pero a menudo puede ser bastante complicada (con lóbulos o anillos donde es más probable encontrar el electrón). Siempre existe la posibilidad de que pueda observar el electrón EN CUALQUIER LUGAR, pero es MUCHO MÁS PROBABLE que lo encuentre en alguna región en particular. Esto generalmente se llama la distribución de probabilidad para la posición del electrón. Ilustraciones como estas son engañosas porque dibujan un borde duro en la distribución de probabilidad; lo que en realidad se muestra es la región donde se encontrará el electrón en un alto porcentaje del tiempo.

Entonces, la respuesta a cómo un electrón "salta" entre orbitales es en realidad la misma que cómo se mueve dentro de un solo orbital; simplemente "hace". La diferencia es que para cambiar de orbital, alguna propiedad del electrón (una de las descritas por$(n,l,m,s)$) tiene que cambiar. Esto siempre va acompañado de la emisión o absorción de un fotón (incluso un cambio de giro implica un fotón (de muy baja energía)).

Otra forma de pensar sobre esto es que el electrón no tiene una posición precisa sino que ocupa todo el espacio, y las observaciones de la posición del electrón son solo manifestaciones de la "función de onda" más fundamental cuyas propiedades dictan, entre otras cosas, la probabilidad distribución para observaciones de posición.

Imagine un electrón a una gran distancia de un átomo, sin nada más alrededor. El electrón no "sabe" sobre el átomo. Declaramos que tiene energía cero. No pasa nada interesante. Este es nuestro punto de referencia.

Si el electrón se está moviendo, pero aún lejos del átomo, tiene energía cinética. Esto siempre es positivo. El electrón, que aún no interactúa con el átomo, puede moverse a su antojo. Tiene energía positiva, y en cualquier cantidad posible. Su función de onda es una simple onda plana en movimiento, o alguna combinación lineal de ellas para formar, por ejemplo, una onda esférica. Su longitud de onda, en relación con la energía cinética, puede ser de cualquier valor.

Cuando el electrón está cerca del átomo, las cargas opuestas se atraen y se dice que el electrón está atrapado en un pozo de potencial. Se está moviendo, por lo que tiene energía cinética positiva (siempre), pero la energía potencial de Coulomb es negativa y en mayor cantidad. El electrón debe disminuir su velocidad si se aleja del átomo, para mantener una energía total constante para el sistema. Alcanza velocidad cero (energía cinética cero) a una distancia finita, aunque la mecánica cuántica permite un poco de trampa con una función de onda exponencialmente decreciente más allá de esa distancia.

El electrón está confinado a un pequeño espacio, una región esférica alrededor del núcleo. Siendo así, la longitud de onda de su función de onda debe, en cierto sentido, "encajar" en ese espacio: exactamente uno, dos, tres o n nodos deben encajar radial y circunferencialmente. Usamos el familiar número cuántico n,l,m. Hay niveles de energía discretos y funciones de onda distintas para cada estado cuántico.

Tenga en cuenta que el electrón libre de energía positiva tiene todo el espacio para moverse y, por lo tanto, no necesita encajar ningún número particular de longitudes de onda en nada, por lo que tiene un espectro continuo de niveles de energía y tres números reales (el vector de onda) para describir su estado

Cuando el átomo absorbe un fotón, el electrón salta digamos por ejemplo del orbital 2s al 3p, el electrón no está en ningún orbital durante ese tiempo. Su función de onda se puede escribir como una mezcla variable en el tiempo de los orbitales normales. Mucho tiempo antes de la absorción, que para un átomo es unos pocos femtosegundos, esta mezcla es 100% del estado 2s, y unos pocos femtosegundos después de la absorción, es 100% el estado 3p. En el medio, durante el proceso de absorción, es una mezcla de muchos orbitales con coeficientes que cambian enormemente. Hubo un artículo en Physical Review A alrededor de 1980 o 1981, iirc, que muestra algunas tramas e imágenes y lo analiza con cierto detalle. Tal vez fue Revisiones de física moderna. De todos modos, tenga en cuenta que esta mezcla es solo una descripción matemática.

Un fotón más energético puede expulsar al electrón del átomo, de uno de sus estados orbitales de energía negativa de estado discreto, a un estado positivo de funcionamiento libre, generalmente una onda esférica en expansión, es lo mismo que antes, pero en lugar de asentarse en un 3p constante, la función de onda del electrón termina como una capa esférica en expansión.

Desearía poder mostrar algunas fotos, pero eso tomaría tiempo para encontrar o hacer...

Por supuesto, los electrones PUEDEN viajar entre orbitales, aunque lo hacen de una manera no convencional (clásica).

La cuestión de los electrones que viajan entre orbitales es el tema de la mecánica cuántica relativista, o como se le llama de otra forma, de la teoría cuántica de campos o electrodinámica cuántica.

Con palabras puedo describir la situación de la siguiente manera.

Los orbitales no son LUGARES, son ESTADOS EIGEN del operador de energía. El electrón puede existir en cualquier estado, pero este cualquier estado es representable por superposición de estados propios.

Entonces, un electrón que viaja desde el orbital$\psi_1$a orbitales$\psi_2$es descrito por el estado$a \psi_1 + b \psi_2$dónde$a$y$b$son pesos complejos de los componentes de la superposición. Van cambiando con el tiempo, teniendo$a=1; b=0$al inicio del proceso y$a=0; b=1$.

Además, sabes que$|a|^2 + |b|^2=1$en cualquier instante.

La ley de este cambio es exponencial, es decir$a(t) \sim e^{-\lambda t}$.

Los parámetros de este exponente dependen del tiempo de vida del estado. A menor tiempo de vida, mayor pendiente del exponente. Además, la vida útil también está relacionada con la incertidumbre del estado. Cuanto más amplio es el estado, más corta es su vida útil.

Aquí abordaré algunos conceptos erróneos en la pregunta, no abordados por la respuesta de DarenW.

Mi pregunta no es cómo reciben la energía para saltar, sino por qué. Cuando alguien ve el espectro de emisión de un elemento, vemos un espectro de líneas que prueba que no existen fuera de sus orbitales (de lo contrario, veríamos un espectro continuo).

Estos espectros de emisión y absorción

continuo

espectro de emisión

absorción

Proviene de los orbitales atómicos, como se explica en la respuesta de DarenW. Es decir, el núcleo con su carga positiva, digamos Helio con carga +2, tiene a su alrededor dos electrones "orbitando" en lo permitido por las soluciones del problema de mecánica cuántica "orbitas". Donde "órbitas" significa una ubicación espacial en el espacio tridimensional donde la probabilidad de encontrar electrones es alta, de forma esférica alrededor del núcleo con números cuánticos muy específicos.

Los electrones pueden liberarse en forma de desintegración beta, lo que demuestra que son capaces de viajar fuera de los orbitales, en contra de lo que decía mi maestro, de que permanecen dentro de los orbitales. T

Este es un concepto erróneo. Las desintegraciones beta ocurren cuando un neutrón se convierte en un protón y un electrón, y son fenómenos que pertenecen al núcleo, no al átomo. El átomo está bien descrito por interacciones electromagnéticas, el núcleo está descrito por interacciones fuertes e interacciones débiles. Las desintegraciones beta son una interacción débil. Por lo tanto, el electrón de la desintegración beta es un electrón libre una vez que se materializa y es expulsado del núcleo, particularmente si todas las ubicaciones orbitales de electrones libres están llenas. El núcleo luego se transforma en un núcleo isotópico de carga Z+1.

Así es como se visualiza actualmente el decaimiento de neutrones

¿Cómo se mueven los electrones entre los orbitales, excluyendo la energía agregada para excitar los electrones?

Tienes que agregar energía para excitar los electrones a orbitales más altos, y generalmente es con el impulso de un fotón de la energía de la brecha entre los orbitales.

y ¿por qué a veces se forman positrones en lugar de electrones en la desintegración Beta?

De wikipedia sobre captura de electrones

En todos los casos donde se permite energéticamente la desintegración β+, también se permite el proceso de captura de electrones, cuando un electrón atómico es capturado por un núcleo con la emisión de un neutrino.

Significa que un protón en el núcleo se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino. Esto reduce la Z nuclear en una unidad e inducirá una cascada de electrones orbitales más altos que caen en el hueco dejado por el capturado.

Los electrones no son partículas como existen en el átomo. Creo que la onda del electrón se ve perturbada por algo que sucede desde el núcleo. El núcleo no es algo estable sino que sus miembros están en movimiento todo el tiempo. Así digamos que en un momento determinado hay una excursión o evento de uno de los miembros o campo del núcleo. Esto puede ser lo que hace que el electrón se mueva a una capa más alta. De manera similar, ocurriría una desintegración atómica. Piense en la vida media. Entonces es probabilístico.