¿Por qué los electrones en un átomo no dejan de moverse?

La imagen de la "física ordinaria" de átomos con electrones girando alrededor del núcleo como pequeños satélites es inaplicable, porque ignora los efectos cuánticos que dominan en la escala de tamaño de un átomo.

Un electrón en movimiento lleva consigo una cierta cantidad de energía cinética a medida que avanza, simplemente porque está por encima del cero absoluto. Si el electrón se mueve libremente por el espacio, puede aumentar o disminuir su energía cinética en casi cualquier cantidad al chocar y retroceder con otras cosas (como los electrones) que se mueven un poco más rápido o más lento, pero si limitas el movimiento de un electrón (por ejemplo) colocando cerca un protón conveniente para que la ley de Coulomb lo atraiga, luego descubre que el electrón no puede poseer la cantidad de energía que desea, y no puede cambiar de un nivel de energía a cualquier otro nivel de energía arbitrario, una vez que queda atrapado en el agarre electrostático del protón. Entonces puede poseer solo ciertos niveles de energía discretamente separados llamados orbitales .

En el orbital de energía más baja, el electrón se desplaza como una nube de probabilidad en el espacio tridimensional que rodea al protón y no tiene forma de disminuir su energía cinética, por lo que se queda allí.

Agregar otro protón al núcleo permite que otro electrón se establezca a su alrededor de manera similar, pero no solo los dos electrones se repelen entre sí, sino que las reglas de nivel de energía impuestas por la mecánica cuántica obligan a los electrones a alinearse en su probabilidad. nubes de una manera no aleatoria que se vuelve cada vez más complicada a medida que más y más electrones se unen a niveles de energía orbital cada vez más altos.

Wikipedia tiene algunos buenos gráficos de estos orbitales, que tienen nombres como 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, y así sucesivamente, cada uno con un tamaño y forma diferente, y todas las consecuencias de la mecánica cuántica.

Ahora, podríamos dibujar para cada partícula la fuerza neta que actúa sobre esa partícula.

No a nivel de átomos, electrones, protones y neutrones, no se puede. Se consideró necesario inventar la teoría de la mecánica cuántica para describir las moléculas y los átomos y su contenido.

Los protones y los neutrones se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte (de la cual realmente no sé nada...) pero ¿qué pasa con los electrones?

La fuerza es el mismo concepto a nivel cuántico y clásicamente solo cuando se define como dp/dt, una interacción de transferencia de cantidad de movimiento. El potencial de Coulomb clásico se usa en la ecuación mecánica cuántica y define los niveles de energía que el electrón puede ocupar en el átomo específico, pero como en su imagen, solo se pueden predecir los orbitales, los lugares geométricos de probabilidad donde se puede encontrar el electrón cuando se mide , orbitales , no órbitas. Los electrones en diferentes orbitales no interactúan, por eso los átomos son estables, tienen que permanecer en su nivel de energía dado. No se repelen como las partículas clásicas, porque se ha tenido en cuenta toda la interacción de Coulombic al resolver la ecuación de la mecánica cuántica con el potencial correcto para obtener los niveles de energía y los orbitales. Ver el ejemplo de laátomo de hidrógeno.

La fuerza electrostática es$\frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}$. Depende de la distancia entre las cargas. Si tienes un átomo con$N$protones y$N$electrones, y usted fuera a mirar las fuerzas en 1 electrón en particular, esto implicaría sumar las fuerzas de todos$N$protones en él, así como la$N-1$otros electrones. Las distancias entre esas partículas y el electrón que estás mirando importan mucho, y es casi seguro que no suman exactamente$0$.

Hay una imagen bastante tosca que a veces se invoca. En esta imagen aproximada, todos los electrones se mueven tan rápido que básicamente están "manchados" de forma esférica a un radio constante del núcleo. Como sabes, por el teorema de la capa de Newton , un electrón no sentirá ninguna fuerza neta cuando esté dentro de una de estas capas esféricas. entonces si hay$N$electrones, y nos fijamos en el$n^{th}$exterior, sentirá la fuerza de atracción de la$N$protones, así como la fuerza repulsiva del$n-1$otros electrones que están en una capa más pequeña que él. Entonces, más o menos, sentirá una fuerza atractiva de$(N - n + 1) \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{e^2}{r^2}$hacia el centro del átomo.

Debido a que todos los electrones sentirán aproximadamente una fuerza interna neta, deben seguir moviéndose para no chocar contra el núcleo, al igual que los planetas deben tener cierta velocidad orbital para no chocar contra el sol.

Obviamente, para obtener una imagen realmente correcta de lo que está sucediendo, debe tratar a los electrones como funciones de onda y usar la ecuación de Schrödinger.