¿Por qué los electrones no chocan contra los núcleos que "orbitan"?

Tiene razón, el modelo planetario del átomo no tiene sentido cuando se consideran las fuerzas electromagnéticas involucradas. El electrón en una órbita acelera continuamente y, por lo tanto, irradiaría su energía y caería en el núcleo.

Una de las razones para "inventar" la mecánica cuántica fue exactamente este enigma.

El modelo de Bohr fue propuesto para resolver esto, al estipular que las órbitas estaban cerradas y cuantizadas y que no se podía perder energía mientras el electrón estaba en órbita, creando así la estabilidad del átomo necesaria para formar sólidos y líquidos. También explicó las líneas observadas en los espectros de los átomos excitados como transiciones entre órbitas.

Si estudias más física, aprenderás sobre la mecánica cuántica y los axiomas y postulados que forman las ecuaciones cuyas soluciones dan números exactos para lo que fue la primera estimación de un modelo del átomo.

La mecánica cuántica se acepta como el nivel subyacente de todas las fuerzas físicas a nivel microscópico y, a veces, la mecánica cuántica se puede ver macroscópicamente, como con la superconductividad , por ejemplo. Las fuerzas macroscópicas, como las debidas a los campos eléctricos y magnéticos clásicos, son casos límite de las fuerzas reales que reinan microscópicamente.

No puedo ver cómo un electrón cargado negativamente puede permanecer en "órbita" alrededor de un núcleo cargado positivamente. Incluso si el electrón realmente orbita alrededor del núcleo, ¿no se desintegraría eventualmente esa órbita?

Sí. Lo que has dado es una prueba de que el modelo clásico planetario del átomo falla.

No puedo reconciliar los electrones que se mueven rápidamente requeridos por el modelo planetario con la forma en que se describe que los átomos forman enlaces. Si los electrones se desplazan en órbitas, ¿cómo se "detienen" repentinamente para formar enlaces?

Derecha. Hay objeciones aún más simples de este tipo. Por ejemplo, el modelo planetario del hidrógeno estaría confinado a un plano, pero sabemos que los átomos de hidrógeno no son planos.

Mi pregunta aquí es si el modelo planetario en sí aborda estas preocupaciones de alguna manera (que me estoy perdiendo)[...]

No, el modelo planetario es simplemente incorrecto. El modelo de Bohr, que fue uno de los primeros intentos de remendar el modelo planetario, también es incorrecto (p. ej., predice un átomo de hidrógeno plano con un momento angular distinto de cero en su estado fundamental).

La resolución de la mecánica cuántica de este problema se puede abordar en una variedad de niveles de sofisticación matemática y física. Para una discusión sofisticada, consulte esta pregunta de desbordamiento matemático y las respuestas y referencias que contiene: https://mathoverflow.net/questions/119495/mathematical-proof-of-the-stability-of-atoms

En el nivel más simple, la resolución funciona así. Tenemos que abandonar por completo la idea de que las partículas subatómicas tienen trayectorias bien definidas en el espacio. Tenemos la relación de De Broglie$|p|=h/\lambda$, dónde$p$es el momento de un electrón,$h$es la constante de Planck y$\lambda$es la longitud de onda del electrón. Limitémonos a una dimensión. Supongamos que un electrón está confinado a una región del espacio con ancho$L$, y hay paredes impenetrables en ambos lados, por lo que el electrón tiene cero probabilidad de estar fuera de esta "caja" unidimensional. Esta caja es un modelo simplificado de un átomo. El electrón es una onda, y cuando está confinado a un espacio como este, es una onda estacionaria. El patrón de onda estacionaria con la longitud de onda más larga posible tiene$\lambda=2L$, correspondiente a una superposición de dos ondas viajeras con momentos$p=\pm h/2L$. Esta longitud de onda máxima impone un mínimo en$|p|$, que corresponde a una energía cinética mínima.

Aunque este modelo es erróneo en los detalles (y, de hecho, concuerda con la descripción real del átomo de hidrógeno incluso peor que el modelo de Bohr), tiene los ingredientes correctos para explicar por qué los átomos no colapsan. A diferencia del modelo de Bohr, tiene los ingredientes conceptuales correctos que permiten generalizarlo, expandirlo y hacerlo más riguroso, lo que lleva a una descripción matemática completa del átomo. A diferencia del modelo de Bohr, deja en claro lo que está sucediendo fundamentalmente: cuando confinamos una partícula a un espacio pequeño, obtenemos un límite inferior en su energía y, por lo tanto, una vez que está en el patrón de onda estacionaria con esa energía, puede... colapsar; ya está en el estado de menor energía posible.

El tratamiento de los electrones como ondas se ha combinado con los armónicos esféricos (imagen de abajo) para formar la base de una comprensión moderna de cómo "orbitan" los electrones.

Los ajustes a las ecuaciones diferenciales armónicas esféricas producen la ecuación de Schrödinger , que produce los modelos aceptados de estructuras orbitales de electrones:

El único elemento para el que se puede resolver exactamente la ecuación de Schrödinger (para el resto es necesaria una aproximación) es el Hidrógeno:

Estos modelos predicen esencialmente una probabilidad cero de que un electrón ingrese al núcleo para la mayoría de los orbitales. En los orbitales donde hay algún tiempo que un electrón pasa tiempo en el núcleo, se cree que es energéticamente desfavorable para que el electrón se una al protón. Si los electrones fueran simplemente cargas puntuales, esto no sería posible, pero la naturaleza ondulatoria de los electrones crea fenómenos como el principio de exclusión de Pauli que predice lo contrario.

Brevemente,

1. El modelo planetario de Bohr en realidad no aborda estos problemas.

Bohr, un genio, acaba de afirmar que los fenómenos a nivel atómico eran una combinación de estacionariedad mientras se estaba en una órbita y saltos cuánticos discretos entre las órbitas. Fue un postulado que produjo cierto acuerdo con el experimento y fue muy útil para el desarrollo futuro de la mecánica cuántica únicamente porque hizo que la gente pensara en la estacionariedad y la discreción.

2 Es totalmente inútil para discutir enlaces químicos. Tienes razón en sentirte incómodo con eso.

3 Sería exagerar un punto, pero podría ver la Mecánica Cuántica de Heisenberg y Schroedinger como la única forma de salvar el modelo planetario de Bohr, al encontrar finalmente una explicación para la estacionariedad del estado de un electrón alrededor (pero ya no más). considerado como « orbitando ») el núcleo y una explicación de saltos discretos como respuesta a perturbaciones del exterior. Pero esto requería ver el electrón más como una onda y, por lo tanto, no tener una ubicación definida a lo largo de la órbita.

aquí hay una respuesta del Dr.Richard Feynman http://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html#Ch1-S1

Usted sabe, por supuesto, que los átomos están hechos con protones positivos en el núcleo y con electrones en el exterior. Usted puede preguntarse: “Si esta fuerza eléctrica es tan terrible, ¿por qué los protones y los electrones no se colocan uno encima del otro? Si quieren estar en una mezcla íntima, ¿por qué no es aún más íntima? La respuesta tiene que ver con los efectos cuánticos. Si tratamos de confinar nuestros electrones en una región que está muy cerca de los protones, entonces, de acuerdo con el principio de incertidumbre, deben tener un momento cuadrático medio que es mayor cuanto más tratamos de confinarlos. Es este movimiento, requerido por las leyes de la mecánica cuántica, el que evita que la atracción eléctrica acerque las cargas.

Desde la perspectiva de los que preguntan, los poderes explicativos de la mayoría de estas respuestas parecen bastante malos. Prefiero la respuesta de Emilio Pisanty aquí: ¿Por qué el electrón de hidrógeno no es atraído hacia el núcleo? porque explica exactamente cómo el principio de incertidumbre dicta los hechos de esta realidad atómica.

El problema resumido es que, si el electrón y el protón cargados y atraídos cayeran uno sobre el otro, sabríamos exactamente su posición, y por el principio de incertidumbre de Heisenberg, nuestro conocimiento del momento sería inmensamente pequeño, podría ser cualquier cosa. Por lo tanto, las posibilidades de que el impulso sea lo suficientemente grande como para "escapar" de esta atracción esencialmente electrostática son muy grandes. Por tanto, los electrones retroceden a una distancia media del núcleo. El electrón está en la posición que está (o más bien en la posición promedio) para mantener estas dos fuerzas opuestas en equilibrio.

La incertidumbre de Heisenberg actúa como una fuerza de repulsión, de manera similar al efecto de comprimir un gas. Más compresión = más retroceso.

A veces, los electrones "chocan contra el núcleo": se llama captura de electrones y es un modo de descomposición para algunos isótopos inestables.

No hay órbita alrededor del núcleo, ya que el valor esperado para el momento angular para el estado fundamental$\psi_0$es cero;$\langle{\psi_0}\rangle=0\;.$Por eso no podemos hablar del modelo clásico de planetas, como hizo Bohr. También el principio de incertidumbre de Heisenberg impide que los electrones tengan órbitas bien definidas. El electrón está en algún lugar fuera del núcleo.

Dado que el protón tiene carga positiva y el electrón negativamente, tienen la fuerza de atracción de Coulomb. Pero las diminutas partículas cuánticas, como los electrones, se comportan como ondas y no pueden comprimirse en un volumen demasiado pequeño sin aumentar su energía cinética. Entonces electrón en su estado fundamental$\psi_0$está en estado de equilibrio entre la fuerza de Coulomb y la extraña presión cuántica.

Los electrones no chocan contra el núcleo de un átomo. La razón está profundamente arraigada en la mecánica cuántica. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, la incertidumbre en la posición y el momento están relacionadas por

Sin embargo, si el electrón logra chocar contra el núcleo, ganaría una cantidad infinita de energía de acuerdo con el principio de incertidumbre que no es práctico que ocurra en la naturaleza.

La hipótesis de que un electrón radiaría a medida que acelera hacia un núcleo atómico se basa en la suposición inmotivada de que el electrón solo tiene potenciales retardados. Si no se hace ninguna suposición acerca de si sus potenciales están retrasados ​​o avanzados, entonces es razonable suponer que el potencial avanzado y el retrasado son igualmente grandes. Esto conduce a condiciones estables según Nordström 1920

G. Nordström
Nota sobre la circunstancia de que una carga eléctrica que se mueve de acuerdo con condiciones cuánticas no irradia
Proc. Roy. Academia Ámsterdam 22, 145-149 (1920)

Leigh Page 1924 también calcula esto en

Potenciales Avanzados y su Aplicación a Modelos Atómicos
Leigh Page
Phys. Rev. 24, 296 – Publicado el 1 de septiembre de 1924

Page menciona algo que hace 97 años consideraba un problema

No obstante, se producirían fluctuaciones de energía durante cada período, y las ondas convergentes y divergentes deberían combinarse para formar ondas estacionarias. La ausencia de cualquier evidencia de tales ondas constituye una seria objeción a la teoría.

Hoy sabemos que el vacío contiene muchas ondas electromagnéticas.

Page también se refiere a Arthur Constant Lunn:

Nordstrom ha sugerido un camino para salir del dilema, quien muestra que si el campo de una partícula cargada está medio retrasado y medio avanzado, en lugar de estar completamente retrasado como se supone generalmente, las ecuaciones de Maxwell siguen siendo válidas y la energía neta radiada por un electrón en describiendo una órbita periódica se desvanece. Lunn propuso la misma sugerencia en el coloquio de Wisconsin en 1922.

Piensa un poco más. Cuando los electrones se aceleran más cerca del núcleo, irradian algo de energía que llena el vacío y se dispersa por otros electrones, acelerándolos. Esto finalmente se convierte en una condición de equilibrio. Esto fue calculado por Puthoff en 1987.

Estado fundamental del hidrógeno como estado determinado por la fluctuación de punto cero
HE Puthoff
Phys. Rev. D 35, 3266 – Publicado el 15 de mayo de 1987

@user56903,@dmckee y @user41827 señalan que los electrones chocan contra el núcleo, y probablemente con bastante frecuencia. Pero no irradian continuamente hasta que han perdido tanta energía que quedan atrapados en el núcleo. En cambio, presumiblemente, generalmente son escupidos con toda la energía considerable que tenían. Solo cuando el núcleo está en el estado correcto para absorber esa energía, pueden quedarse.

Cuando el modelo planetario del átomo falló, hubo varias formas posibles de arreglarlo.

1. Decida que hay algunas circunstancias en las que una carga acelerada no irradia y trate de caracterizar cuáles son esas circunstancias.

2. Busque formas en que los electrones puedan acelerar mientras cancelan la radiación que producen. Si dos electrones estuvieran en la misma órbita circular, separados 180 grados, ¿se cancelaría su radiación? (Probablemente no). Si estuvieran exactamente en la misma órbita con espín opuesto, ¿se cancelarían? (En ese momento, ¿quién lo sabría? No creo que supieran sobre el espín de los electrones en ese momento). Etc.

3. Imagine formas en que los electrones podrían mantenerse alejados del núcleo sin acelerar. Por ejemplo, podría haber una fuerza similar a la Fuerza fuerte que los aleje si se acercan demasiado. Seguiría leyes peculiares que podrían elaborarse.

4. Imagina que los electrones no son pequeñas esferas, sino pequeñas cosas parecidas a hilos. Cada vez que uno de ellos gira exactamente alrededor de su órbita, su radiación se cancela. (En realidad no, pero estoy seguro de que hay formas de evitarlo). De manera similar, si se envuelve exactamente dos veces, exactamente tres veces, etc.

Hay montones, montones de formas de imaginarlo, y estoy seguro de que muchas de ellas podrían haberse adaptado para ajustarse a los datos del mundo real.

Tal como lo entiendo, lo que hicieron los físicos de la época fue encontrar matemáticas que se ajustaran a los datos y dejarlo así. A veces, alguien trata de explicar las matemáticas y, en la mayoría de los casos, falla. Por ejemplo, podemos decir a mano que los electrones son ondas, ya veces son ondas estacionarias, y el comportamiento de las ondas estacionarias, bla, bla, bla. O el Principio de Incertidumbre de Heisenberg requiere no solo que no se puede medir todo, sino que todo es real y verdaderamente indeterminado y, por lo tanto, los electrones no se mueven ni irradian. Dado que las matemáticas obtienen las respuestas correctas, realmente no importa qué explicación usemos cuando tratamos de dar explicaciones manuales.

Un planeta que orbite alrededor de una estrella con una excentricidad menor que la unidad tendría que perder energía cinética para girar en espiral hacia la estrella. Esto podría suceder a largo plazo para un sistema planetario debido a la emisión de radiación gravitacional y debido a las fuerzas de marea, calentando la estrella o el planeta seguido de un enfriamiento radiativo. En mecánica cuántica esto no puede suceder.

Si el planeta tiene una excentricidad igual a la unidad, análoga a un orbital s, choca directamente contra la estrella donde su energía cinética se convierte en calor. De nuevo, en mecánica cuántica esto no puede suceder.

Si la mecánica cuántica explica por qué, o solo cómo, por construcción, tal colapso atómico no ocurre es una cuestión de interpretación. Tenga en cuenta que la captura de electrones por parte de algunos núcleos, como se discutió en otras respuestas, requiere que se tenga en cuenta la interacción débil. Interpreto que la pregunta original se refiere a cualquier núcleo, no solo a los susceptibles de captura de electrones.

Si bien todas estas respuestas son fundamentalmente correctas, especialmente con respecto a Schrödinger y el modelo de capa de electrones, existe un medio muy básico de desintegración radiactiva, la captura de electrones, que aún no se ha discutido. Sí, de hecho, los electrones que orbitan alrededor del átomo pueden ser capturados en el núcleo. (Para referencia, consulte http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_capture) La captura de electrones es un proceso en el que un nucleido rico en protones absorbe un electrón atómico interno, cambiando así un protón nuclear a un neutrón y provocando simultáneamente la emisión de un neutrino electrónico. Siguen varias emisiones de fotones, a medida que la energía del átomo cae al estado fundamental del nuevo nucleido. La captura de electrones es un modo de decaimiento común para los isótopos con una sobreabundancia de protones en el núcleo. Lo interesante del fenómeno de la captura de electrones es que no depende de los electrones de la nube de electrones del átomo, sino del núcleo. Por lo tanto, no se puede ignorar el hecho de que el comportamiento de captura de electrones depende únicamente del núcleo, no de los electrones. Por ejemplo, si el núcleo es, por ejemplo, Carbono-9, el 100 % de este isótopo se desintegrará a través de la captura de electrones a 9-Boro. Sin embargo, el Carbono-14, que tiene la misma carga eléctrica y el mismo número de electrones en una nube de electrones configurada de forma idéntica, nunca se desintegra mediante la captura de electrones. La física cuántica, especialmente cuando la respuesta se centra en los electrones del átomo, tiene problemas para explicar el comportamiento de la captura de electrones con suficiente credibilidad. Entonces, en respuesta a su pregunta, los electrones caen en el núcleo, a través del fenómeno de la captura de electrones, pero ese comportamiento no puede explicarse examinando la física cuántica de los electrones.