Recuerdo de la mecánica cuántica introductoria, que el átomo de hidrógeno es uno de esos sistemas que podemos resolver sin demasiadas aproximaciones (vergonzosas).
Después de una serie de postulados, QM logra dar números correctos sobre los niveles de energía, lo cual es una muy buena noticia.
Nos deshicimos de la órbita que se suponía que debía seguir el electrón de forma clásica (Rutherford-Bohr), y obtuvimos orbitales, que son la distribución de probabilidad de encontrar un electrón en el espacio.
Entonces esta diminuta partícula cargada no emite radiación, a pesar de su "movimiento acelerado" (Larmor), que es precisamente lo que sucede en el mundo real.
Sé que ciertas "preguntas clásicas" no tienen sentido en el ámbito de QM, pero no dar respuestas hace que las personas hagan las mismas preguntas una y otra vez.
El problema es que estás pensando en el electrón como una partícula. Preguntas como "¿qué órbita sigue?" solo tienen sentido si el electrón es una partícula que podemos seguir.
Pero el electrón no es una partícula, y tampoco es una onda. Nuestra mejor descripción actual es que es una excitación en un campo cuántico (los filósofos pueden discutir sobre lo que esto realmente significa; el resto de nosotros tenemos que seguir con nuestra vida). Un electrón puede interactuar con su entorno de forma que parezca una partícula (p. ej., un punto en una placa fotográfica) o de forma que parezca una onda (p. ej., el experimento de la doble rendija), pero es la interacción lo que se necesita . como una partícula o como una onda, no el electrón.
Si nos atenemos a la ecuación de Schrödinger, que da una buena descripción del átomo de hidrógeno, entonces esto nos da una función de onda que describe el electrón. El estado fundamental tiene un momento cero, por lo que el electrón no se mueve en ningún sentido clásico. Los estados excitados tienen un momento angular distinto de cero, pero no debe pensar en esto como un punto como un objeto que gira alrededor del átomo. El momento angular es una propiedad de la función de onda como un todo y no se concentra en ningún punto en particular.
Puede que le ayude leer detenidamente el artículo de wikipedia sobre el átomo de hidrógeno, en particular las cifras.
El electrón descrito en el orbital no solo tiene una energía específica, sino también un momento y un momento angular, aunque solo los operadores de energía, momento angular y espín, dan los valores propios para nl y m.
Entonces, lo que es aleatorio no es el electrón per se, sino la probabilidad de encontrarlo cuando tratas de medirlo de alguna manera. Se mueve con 1/137 de la velocidad de la luz según el artículo vinculado.
Si el electrón no sigue una órbita clásica, ¿qué tipo de "movimiento" alternativo podemos imaginar?
como se indica en las imágenes de los orbitales. una partícula que se mueve tan rápido se verá como una nube de todos modos, incluso si es posible clásicamente.
¿Es lógico que mientras el electrón está alrededor del núcleo tenga que moverse de una forma u otra?
Sí, simplemente no podemos precisarlo, piense en el principio de incertidumbre organizado por una solución a la ecuación de Schrödinger.
¿Es correcto describir el movimiento de los electrones como si estuvieran en diferentes lugares alrededor del núcleo en diferentes instantes, de forma aleatoria?
No, no al azar. Está organizado por las probabilidades del orbital en el que se encuentra.
¿Es lógico que mientras el electrón está alrededor del núcleo tenga que moverse de una forma u otra?
Eso probablemente depende de a qué se llame exactamente movimiento , pero recomendaría encarecidamente un excelente libro And Yet It Moves de Mark P. Silverman, y el capítulo 3 en particular. Si reemplaza un electrón (que es una partícula estable, es decir, una partícula sin edad ni historia individual) en un átomo simple con un muón negativo (que se desintegra rápidamente, su tiempo de vida es de unos 2 microsegundos en su marco de reposo) esperaría que El tiempo de vida medido (en el átomo o en el marco de reposo del laboratorio) será más largo si el muón se mueve a velocidades relativistas debido a la dilatación del tiempo, exactamente como lo confirman los experimentos.
Piense en un electrón como una partícula no puntual. En un átomo de hidrógeno, está "untado" alrededor del protón. Su momento total es cero, no se mueve (en total) ni acelera, por lo que en un límite clásico no emite radiación.
Si un electrón en un átomo es una "nube" en lugar de un punto, está en diferentes puntos al mismo tiempo. Eso significa que hay una distribución distinta de cero de "densidad de electrones" esparcida alrededor del protón.
Un electrón no se "mueve" como un todo, pero podemos decir que "partes de la nube" se están moviendo, ya que llevan un momento distinto de cero, lo que da como resultado un momento angular total. Esto es consecuencia del hecho de que la integración de la densidad de momento del electrón en un volumen limitado en el espacio es distinta de cero.
Algunas de las afirmaciones anteriores necesitan un poco de corrección: (1) el electrón en el estado fundamental de un átomo de hidrógeno se mueve en un rango radial alrededor del radio de Bohr (la distancia más probable de acuerdo con la curva de densidad de probabilidad radial que resulta de la onda de Schrödinger ecuación).
(2) el impulso promedio (velocidad)
es de hecho cero, ¡pero su cuadrado <p²> no lo es! Por lo tanto, la energía cinética es distinta de cero y es puramente radial porque el momento angular y su cuadrado (energía cinética angular) es igual a cero. (3) La consecuencia de (1) y (2) solo puede ser que el electrón realice una oscilación radial muy rápida en alguna posición angular (que puede tener cualquier valor de 0 a 2 pi), sin radiación (ya que la energía no cambia). ). Por extraño que parezca, esta conclusión lógica, que no contrasta con la mecánica cuántica, nunca se menciona; al menos aún no pude encontrarlo en artículos científicos o libros de texto de física. En mi opinión, tal trayectoria parece plausible y no está en conflicto con los resultados de la ecuación de onda.
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Alan Romero