Interpretación del Momento Magnético Orbital

No es ninguno. Esas descripciones son solo imágenes mentales para principiantes. No necesitas perder tiempo con ellos. Toda la realidad obedece a las leyes de la mecánica cuántica. Lo que llamamos física clásica es solo una aproximación de la mecánica cuántica bajo ciertas circunstancias.

Esto es importante: la física clásica se deriva de QM y NO al revés.

Debe dejar de pensar en términos de bolas de billar clásicas y brillantes que saltan de una manera extraña y debe comenzar a pensar en un campo complejo como un objeto que, cuando se mira desde 30,000 pies, puede producir distribuciones de valores esperados que pueden parecer pistas de partículas u ondas electromagnéticas.

Para bajas energías, las interacciones de los diferentes componentes de este campo, es decir, aquellos que representan estados fermiónicos cargados eléctricamente ("electrones") y aquellos de estados bosónicos no cargados ("fotones") pueden, en promedio, reproducir la fenomenología habitual para electrones interactuando con campos electromagnéticos como las fuerzas de Lorentz.

Sin embargo, eso es solo una pequeña fracción de lo que el modelo QFT puede reproducir. También puede calcular momentos magnéticos con alta precisión, explicar la estructura hiperfina de la transición atómica, explicar la materia y la antimateria y describir su producción, por ejemplo, en procesos de producción de pares y algo más. En conjunto, el modelo más completo que tenemos, describe casi todos los aspectos de la física de partículas elementales y motiva el comportamiento de una amplia variedad de fenómenos nucleares.

En realidad, en cierto sentido, existe algo que se mueve. No es algo que se pueda medir para moverse , sino más bien parte de la descripción de la mecánica cuántica, cuya evolución se parece mucho al movimiento clásico de electrones: la fase de la función de onda.

Vea esta demostración java del orbital del átomo de hidrógeno. Si selecciona "Orbitales complejos (fís.)" y luego elige un estado con$m\ne0$, luego verás como los colores "giran". Esto muestra que la fase de la función de onda gira alrededor de la$z$eje. En cierto sentido, se puede decir que esto crea el momento magnético orbital.

Pero tenga en cuenta que lo repetiré: ¡ esta no es una rotación observable en sí misma ! Además, la velocidad angular de la fase en realidad no es fija: puede cambiarse según una constante arbitraria (siempre que sea la misma para todos los estados). Pero sí muestra cómo evoluciona la función de onda en el tiempo. Si intenta medir algo, todo lo que puede obtener es la magnitud al cuadrado de la función de onda (para una cantidad suficientemente grande de experimentos idénticos). Aún así, la fase juega un papel en la creación de superposiciones de estados y finalmente en permitir que las densidades de probabilidad cambien en el tiempo, mientras que para los estados estacionarios las densidades de probabilidad son constantes en el tiempo, como ya sabes.

EDITAR en respuesta al comentario:

Primero, la función de onda no es real en el sentido$\psi\not\in\mathbb R$. Es complejo , mientras que todas las cantidades directamente medibles deben ser reales.

En segundo lugar, a pesar de que en el estado propio el átomo está estacionario, podemos hacer combinaciones lineales de estados propios con la misma dirección del momento magnético , de modo que el resultado será un paquete de ondas que rotará en una dirección definida.

Para un ejemplo más simple de movimiento de traslación en lugar de rotacional, considere una onda plana. Así es como se ve (parte real azul, imaginario púrpura, cuadrado de magnitud amarillo):

Ahora hagamos un paquete de ondas gaussianas, como en esta demostración . Tendrá el mismo estado pico, pero además algunos estados más con velocidades de fase más altas y más bajas (con amplitudes más pequeñas). Aquí está su función de onda (parte real azul, imaginaria púrpura):

Ahora este paquete tiene un movimiento medible . Aquí está su cuadrado de magnitud, que es la densidad de probabilidad según la regla de Born :

Ves que para un estado propio de una partícula, que es una onda plana, no puedes medir su movimiento. Pero OTOH, es el límite del paquete de ondas infinitamente deslocalizado, y para un paquete de ondas localizado puede medir su movimiento (en sentido probabilístico, por supuesto).

Lo mismo es para el movimiento de rotación, solo tiene algunas características técnicas más, que no son relevantes para entender aquí.

Aunque la onda estacionaria es de hecho un estado estacionario, no cometa el error de pensar que esto significa que el electrón no se está moviendo. Como usted dice, sabemos que el electrón se está moviendo porque hay una corriente eléctrica y un momento magnético muy reales. Entonces el electrón se mueve y su función de onda no se mueve.

La confusión proviene de nuestra experiencia cotidiana, donde la inercia y la dinámica siempre se unen en un solo paquete, al que llamamos "movimiento". Pero con la mecánica cuántica debemos separar estas ideas. Lo que quiero decir es que una onda cuántica puede contener movimiento (inercia) sin estar en movimiento (dinámica).

[Por cierto, de los dos puntos de vista que observa, el punto de vista de la nube de probabilidad es un punto de vista mucho más débil. Quiero decir, a partir de la función de onda se puede calcular la nube de probabilidad, pero al revés no es posible.]

La onda estacionaria describe el movimiento relativo del núcleo del electrón. El electrón mismo se mueve ya que el centro de masa atómico (una onda plana) también involucra las coordenadas del electrón.