¿Los electrones en un átomo siempre tienen la misma 'dirección'?

Como intuyes, es bastante difícil definir un sentido de "dirección" para un electrón atómico dentro de la mecánica cuántica cuando el electrón no tiene una órbita, sino que es una especie de bola borrosa de probabilidad, pero es factible y de hecho es una de las construcciones centrales en la física atómica.

Lo que termina importando es el momento angular , es decir, cuánto "gira" el movimiento del electrón alrededor del núcleo. Da la casualidad de que es perfectamente posible definir una bola difusa de probabilidad para el electrón que no tiene una posición definida y no tiene un momento (lineal) definido, pero que sí tiene un momento angular definido. Un poco raro, pero eso es lo que es. La mayoría de los electrones atómicos están en estados como este.

En cuanto a su pregunta más amplia, si todos los electrones van en la misma dirección o no, la respuesta es simplemente "depende".

• Algunos átomos, como los gases nobles, los metales alcalinotérreos y el borde derecho de zinc-cadmio-mercurio de los metales de transición, tienen "capas completas", lo que significa aproximadamente que por cada electrón que gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de un eje dado, hay otro. electrón que va en sentido contrario a las agujas del reloj.

• Algunos átomos, como el vanadio, el cobalto o el níquel, tienen muchos electrones desapareados y tienen un momento angular general bastante grande del movimiento electrónico.

En general, el momento angular de cualquier capa de electrones cerrada es cero (es decir, los electrones en las capas internas tienen un electrón en el sentido contrario a las agujas del reloj por cada uno en el sentido de las agujas del reloj) y es la capa de 'valencia' más externa la que determina las propiedades del momento angular del átomo.

Sí, la mecánica cuántica te permite hablar de movimiento en sentido horario o antihorario, pero viene con las advertencias habituales de la mecánica cuántica. La herramienta que diferencia el movimiento en sentido horario del antihorario es el momento angular. El movimiento es en sentido antihorario alrededor de un eje, digamos el$z$-eje, si la componente del momento angular a lo largo de ese eje es positiva. Hay un observable para$L_z$en la mecánica cuántica, por lo que esto se traslada. Pero viene con la advertencia habitual de que en la mecánica cuántica$L_z$no necesita tener un valor definido. (Algunas personas expresarían esto como que el movimiento puede ser "tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj al mismo tiempo" al igual que cierto gato supuestamente "tanto vivo como muerto". Creo que esto está tratando de forzar a QM a ser CM "bajo el capó", cuando en realidad es exactamente lo contrario.)

En cuanto al grado en que los átomos tienen un momento angular definido: en un átomo similar al hidrógeno, la interacción respeta la simetría de rotación. Por lo tanto, el momento angular se conservará y puede tener un valor definido al mismo tiempo que la energía. Sin embargo, el momento angular conservado es el momento angular total , que es la suma del momento angular orbital y el espín del electrón. (La suma puede tener un valor definido aunque cada término no lo tenga).

¿Los electrones en un átomo siempre tienen la misma 'dirección'?

No. Pueden tener diferentes 'direcciones'. Tenga en cuenta el artículo de orbitales atómicos de wikipedia que dice que un orbital atómico es una función matemática que describe el comportamiento ondulatorio de un electrón o un par de electrones en un átomo . Más adelante, el artículo dice que los electrones no giran alrededor del núcleo en el sentido de un planeta girando alrededor del sol, sino que existen como ondas estacionarias.Lo que pasa con las ondas estacionarias es que parecen inmóviles, pero hay un movimiento oculto presente y hay una dirección asociada con esto. Por ejemplo, si tiene un fotón atrapado como una onda estacionaria en una cavidad, cuando abre la caja, el fotón sale disparado en alguna dirección en c desde un punto de partida. Sin embargo, no aceleró instantáneamente de 0 a c, porque siempre se movía en c, de un lado a otro en alguna dirección.

Quizás hablar de la dirección de un electrón no sea del todo correcto. Pero, ¿QM indica un tipo de camino si todos los electrones van, por ejemplo, en el sentido de las agujas del reloj o no?

'Dirección' no es del todo correcto, y tampoco lo es 'en el sentido de las agujas del reloj'. Como analogía, imagina un reloj de cristal, sin ningún número en su cara. Las manecillas giran en el sentido de las agujas del reloj. Sin embargo, desde atrás, las manecillas giran en sentido contrario a las agujas del reloj. Entonces, si giras el reloj como una moneda, es muy difícil decir si el movimiento de las manecillas es en sentido horario o antihorario. Pero puedes girar el reloj de una forma con tu mano izquierda o de otra forma con tu mano derecha, y esto te da dos giros "bispinor" diferentes . Llamar a uno en el sentido de las agujas del reloj y al otro en el sentido contrario a las agujas del reloj no aclara la diferencia. Pero el momento angular es genuino. Mira el efecto de Einstein-de Haas , quedemuestra que el momento angular de espín es de hecho de la misma naturaleza que el momento angular de los cuerpos giratorios tal como se concibe en la mecánica clásica .

Por supuesto QM solo da una probabilidad donde los electrones son

Ten cuidado con eso. Los armónicos esféricos tienen que ver con el movimiento ondulatorio. No la probabilidad de encontrar una partícula puntual en algún lugar. El electrón no es una partícula puntual. Podemos difractar electrones . Los electrones tienen una naturaleza ondulatoria.

pero ¿puedes descubrir si van, de alguna manera, en dirección opuesta?

Sí. Para los electrones en los orbitales atómicos, el movimiento "oculto" no está totalmente oculto. Es como si la onda estacionaria no estuviera del todo parada. Por ejemplo, en un átomo de hidrógeno se dice que el electrón se mueve a 137º de la velocidad de la luz. Hay un movimiento en marcha, y puede ir de una forma u otra. Un poco como ese reloj que gira. Pero como eso es difícil de visualizar, piense en lugar de un hula-hoop. Puedes hacer hula con tu aro de una forma u otra, y si fueras realmente bueno en eso, podrías hacer hula con un aro de una manera y otro aro de la otra. En los orbitales atómicos, en las capas cerradas, es algo así.

En mi opinión, en los átomos estables, parte de sus electrones deberían rotar en dirección opuesta a otros electrones para mantener condiciones estables.
Esto significa que si pierde un electrón o gana, la carga del átomo cambiará y se llamará ion.

En nuestro antiguo entendimiento, solo perder y ganar proviene de fuera de órbita. Creo que esto es un pensamiento completamente erróneo porque se cree que el átomo y sus electrones cambian de forma y se cree que las órbitas de los electrones se mueven en forma circular, se mueven en forma de espiral alrededor del núcleo.

Y este tipo de movimiento es la explicación para formar lo que conocemos como campo magnético. Cuando se ha aplicado diferencia de potencial sobre lo que se conoce es el área de rotación espacial u órbita del electrón.