Estaba pensando en la naturaleza del átomo, específicamente, por qué los electrones no se mueven en espiral hacia el núcleo. Mi libro de física dice que el número cuántico principal debe ser un número entero de patrones de onda, cuatro números cuánticos nunca pueden estar en el mismo estado (el principio de exclusión) y el momento angular está cuantizado. ¿Pero por qué? ¿Es simplemente porque así es como funciona la mecánica cuántica?
Bueno, podríamos decir que sí, así es como funciona la mecánica cuántica. Pero estos no son los axiomas de la mecánica cuántica, y el principio de exclusión en particular solo se entiende realmente en el contexto de la teoría cuántica de campos .
El electrón no entra en "espiral" porque no se mueve en absoluto en el sentido clásico . A la escala del tamaño de un átomo, la mecánica cuántica es inevitable, y el razonamiento clásico es simplemente inválido .
Que el momento angular y el número cuántico principal estén discretizados se deriva del análisis de los operadores mecánicos cuánticos asociados a ellos (y está respaldado experimentalmente, por ejemplo, por la observación de líneas espectrales discretas): Es un axioma de la mecánica cuántica, la regla de Born , que los observables solo se miden en los espectros discretos de los operadores asociados a ellos, y se sigue de consideraciones matemáticas generales (junto con el axioma de que los estados físicos están realmente bien representados por un espacio de Hilbert separable) que los estados pertenecientes a estas medidas - los estados propios, etiquetados por sus valores discretos para el operador, son una base del espacio de estados: Todas las configuraciones posibles del sistema son solo superposiciones de estos estados propios. Al analizar el hamiltoniano (la energía) de un átomo, uno encuentra, mejor visto en el átomo de hidrógeno , que tal base se da al etiquetar los estados básicos con los cuatro famosos números cuánticos.
El principio de exclusión es otra bestia completamente diferente. Surge de la nada en la mecánica cuántica ordinaria y podría tomarse como otra entrada experimental/axiomática. Sin embargo, en el marco más general de la teoría cuántica de campos, podemos derivar el teorema de la estadística de espín que nos dice que los fermiones, el tipo de partículas a las que también pertenecen los electrones, nunca "comparten" un estado: hay como máximo una partícula en un estado dado.
Al final, ahora podría preguntarse por qué los axiomas son como son, por qué la teoría cuántica de campos es como es. Bueno, no hay otra razón que no sea que combina bien con los experimentos, y hasta ahora ha tenido más éxito en eso que en cualquier otra cosa.
Por qué no es realmente importante, cómo es. Si te preguntas por qué entonces las respuestas pueden ser muchas, por ejemplo
La respuesta es porque sí, lo realmente importante es cómo y para eso tienes una primera teoría, la Ley de Gravitación de Newton , esta teoría solo es cierta para masas relativamente pequeñas (o masas con poca densidad). Hay otra teoría que funciona en cualquier caso, la Relatividad General de Eienstein .
Ya sea que aplique una teoría u otra, por qué sucede el fenómeno debería tener la misma respuesta en ambos casos, y de hecho es una respuesta filosófica. Se puede especular como lo hace Fyenman en The Relation of Mathematics & Physics , pero no importa tanto cómo se desarrolla el sistema bajo la acción de un campo gravitatorio, cuestión que en realidad se puede responder con las teorías mencionadas anteriormente.
Entonces, el caso es que los electrones no giran alrededor de los núcleos como un planeta gira alrededor del sol, ni emiten ondas electromagnéticas debido a su aceleración centrípeta , y sí, no pierden toda su energía cinética y colapsan.
No hay necesidad de una imagen de cómo se mueven los electrones en sus orbitales , es suficiente saber que no es como prediría la física clásica.
curioso