¿Por qué los electrones no pueden radiar en las órbitas de sus átomos?

Es una vieja pregunta nueva (solo encontré una pregunta similar con una respuesta insatisfactoria (para mí): ¿ Dónde resolvió Schrödinger el problema radiante del modelo de Bohr? )

Es extraño para mí cómo todos los libros simplemente pasan por alto una pregunta tan importante y mencionan razones extrañas y matemáticamente sin respaldo como:

  • las órbitas son estacionarias (mientras que, como sé, esto es solo una idealización, en realidad no hay órbitas estacionarias, incluso para el hidrógeno)

  • los electrones en realidad no están localizados debido al principio de incertidumbre, por lo que no tienen aceleración (mientras que, obviamente, en órbitas no esféricamente simétricas siempre existe una especie de "distribución de aceleración de carga")

  • las fluctuaciones de vacío juegan un papel importante (según QED).

No estoy interesado en cómo lo explicaron Bohr o Schroedinger, quiero ver una prueba rigurosa con QM, QED o tal vez incluso el modelo estándar en su conjunto. Me gustaría ver cómo se cerró esta pregunta .

Este es un duplicado de la pregunta a la que se vinculó. Votación para cerrar.
Creo haber quedado claro que la respuesta mencionada es insatisfactoria porque no tiene pruebas de rigor.
En stackexchange, no responde a una respuesta insatisfactoria haciendo la misma pregunta nuevamente. Las respuestas apropiadas serían rechazar la respuesta, hacer un comentario sobre la respuesta que explique por qué cree que es incorrecta y ofrecer una recompensa por la pregunta para tratar de atraer mejores respuestas.
@BenCrowell Parece que TMS no pregunta sobre los átomos de hidrógeno y, aparte de esto, quiere una explicación más allá del marco de la mecánica cuántica no relativista.
Pero los electrones en sus orbitales pueden radiar si hay un nivel de energía más bajo abierto. Si no hay un lugar en un estado de energía más bajo que puedan ocupar, entonces no pueden irradiar. Esto también funciona en sistemas degenerados. Esto fue resuelto en principio por la simple mecánica cuántica.
@Ben Quizás las respuestas fueron satisfactorias para la otra pregunta, pero no para lo que TMS quiere preguntar. Ese sería un caso en el que conviene hacer una nueva pregunta. Sin embargo (TMS), la nueva pregunta, esta, debe explicar explícitamente cómo esta pregunta va más allá de la pregunta anterior.
@Ben: La pregunta vinculada es antigua y está marcada como respondida, realmente no hay nada que pueda cambiar allí.
Tu pregunta no tiene sentido. Critica los libros por hacer observaciones y afirmaciones completamente válidas y esenciales, mientras que sus afirmaciones añadidas son todas incorrectas. Las órbitas en un átomo QM son estacionarias. El estado propio de energía más baja no puede irradiar porque no hay forma de tomar energía de él, no hay estado de energía más baja. Los electrones no están del todo localizados debido al principio de incertidumbre. No es cierto que la aceleración siempre implique radiación, solo lo hace si hay un estado de menor energía. Las fórmulas clásicas que relacionan la radiación con la aceleración son solo aproximaciones.
Y la pregunta anterior parece ser equivalente a la suya y dio algunas respuestas perfectamente buenas (y de alta calificación). Por lo tanto, es muy incomprensible por qué volvió a hacer la pregunta, @TMS.
@LubošMotl bueno, ¿por qué las órbitas son estacionarias? ¿El campo EM de los núcleos de uranio es estacionario? desde la perspectiva de QFT? "No es cierto que la aceleración siempre implique radiación", bueno, pedí mostrar cómo se aplica esto al electrón QM en una prueba de rigor, y esa era una de las diferencias entre dos preguntas.
desde que esto volvió a surgir: me sorprende continuamente cómo las personas tienen un sesgo platónico cuando preguntan y responden aquí. Asumen implícitamente que las matemáticas provocan observaciones y no lo que es cierto que: "las observaciones se modelan con matemáticas". La no radiación de los niveles atómicos es una observación experimental que necesitaba ser explicada. Después de todo, los espectros de los átomos son discontinuos. Esa es la observación básica tanto de la estabilidad como de la necesidad de cuantización.

Respuestas (2)

Esta pregunta puede responderse en el marco simple de la mecánica cuántica no relativista. La densidad y la corriente de la carga electromagnética del electrón, que son la fuente del campo electromagnético clásico, están dadas por la densidad de probabilidad y las distribuciones de corriente del electrón.

ρ ( t , X ) = ψ ∗ ( t , X ) ψ ( t , X )
j ( t , X ) ∝ ψ ∗ ( t , X ) ∇ ψ ( t , X ) − ψ ( t , X ) ∇ ψ ∗ ( t , X ) .
como en un estado estacionario ψ ( t , X ) = mi − i ω t ϕ ( X ) , ni la densidad ni la corriente dependen del tiempo y por tanto no emiten energía electromagnética, según ecuaciones de Maxwell con ρ y j como fuentes.

Sin embargo, cuando se tiene en cuenta la naturaleza cuántica del campo electromagnético, la probabilidad de irradiar un fotón (cuanto del campo electromagnético) por parte de un átomo en estado estacionario es diferente de cero debido al fenómeno de emisión espontánea .

Tenga en cuenta que he mencionado en la pregunta que el estado estacionario es solo una Idealización, en realidad, el "potencial" de los núcleos depende del tiempo y tal explicación no es fundamentalmente precisa.
¿Qué quiere decir con un potencial dependiente del tiempo? ¿Qué núcleos? ¿En qué marco o aproximación? ¿Algún enlace o referencia? @TMS
(Sé lo que es un potencial dependiente del tiempo, por supuesto, lo que ignoro es bajo qué condiciones el potencial no es independiente del tiempo) @TMS
@TMS "fundamentalmente no es preciso" ?? A menos que ambos crean y tengan una verdadera Teoría de Absolutamente Todo, esto no es una objeción a ningún argumento. Gran parte de la física, quizás incluso la mayor parte de la física, es saber qué incluir y qué omitir en cualquier análisis. Si su teoría tiene tantos bits de información como la clase de sistemas que está tratando de estudiar, entonces ha duplicado la naturaleza pero no ha hecho ciencia.
Esta es una buena respuesta y claramente dentro del alcance de la pregunta original physics.stackexchange.com/q/68381 . Sugeriría copiarlo allí y luego eliminarlo de esta pregunta duplicada.
Espera, no estoy convencido de que esto sea correcto. Si fuera correcto, el final (párrafo recién agregado) sería falso.
Quise decir que esta explicación puede considerarse correcta solo en la aproximación de que el campo EM de protones y neutrones en los núcleos es estacionario, solo entonces podemos hacer tal separación variable en la ecuación de Schroedinger, a menos que podamos mostrar de alguna manera que esos cambios (con time) del campo EM son demasiado pequeños que hacen que el enfoque mencionado siga siendo válido, y obviamente no estamos buscando una explicación de la teoría de todo, tal vez QEM sea suficiente, especialmente porque mencioné algunas referencias sobre el papel de la fluctuación del vacío.
Estimado @TMS, asegúrese de que tanto los átomos como los núcleos tengan estados propios de energía, al igual que cualquier otro objeto en un universo cuántico con un hamiltoniano constante, y un estado propio de energía siempre es perfectamente estacionario. ¿Por qué estás tan obsesionado con la idea completamente equivocada de que los núcleos o los átomos no son estacionarios? Uno de los resultados básicos clave de la mecánica cuántica es que son estacionarios . Son estacionarios porque la función de onda solo cambia por la fase no observable. Exp ⁡ ( mi t / i ℏ ) con el tiempo y las soluciones existen porque el hamiltoniano siempre tiene autoestados.
Permítanme enfatizar que la estacionariedad de un núcleo o átomo en su estado fundamental es un hecho absolutamente exacto. Por el contrario, asegúrese de que cualquier argumento o suposición que esté utilizando para derivar lo contrario, es decir, que los núcleos o los átomos o sus campos no deben ser estacionarios, es inaplicable a los núcleos o los átomos: es una aproximación clásica u otra que simplemente se rompe. abajo en esta situación.
@LubošMotl White "en general, el comportamiento de un electrón no está completamente descrito por un solo orbital. Los estados de los electrones se representan mejor mediante "mezclas" (combinaciones lineales) que dependen del tiempo de múltiples orbitales". del orbital atómico y "podemos descomponer el vector propio total de una molécula de muchos electrones en contribuciones separadas de estados estacionarios de electrones individuales... use esta "aproximación de un solo electrón" del estado estacionario
Creo @TMS que estás moviendo al perro por la cola. Todos sus argumentos sobre la radiación y la dependencia del tiempo, etc., provienen de la miniaturización de la física clásica. Es decir, usted ve a los electrones como pequeñas bolas de billar con una distribución de carga. Hemos llegado al marco de la mecánica cuántica para el micromundo exactamente porque los átomos, las moléculas y los núcleos existen estables en el tiempo en la gran mayoría de los casos. Sin esta estabilidad no estaríamos aquí intercambiando opiniones. La mecánica cuántica encapsuló estas numerosas observaciones, y los físicos se dieron cuenta de que el mundo clásico, incluido
La teoría electromagnética de Maxwell, surge del nivel fundamental de la mecánica cuántica. En este nivel de QM, hablamos de orbitales como distribuciones de probabilidad para encontrar el electrón (incluida su carga), no como distribuciones de movimiento. No tiene sentido pensar en una pequeña bola de billar que se balancea porque eso no es lo que nos dicen las soluciones de las ecuaciones QM, y esas soluciones han sido aceptadas porque encajan en innumerables experimentos reales (no pensados). Debería pensar desde QM y hacia arriba, no desde la física clásica y hacia abajo.
@annav ¿Dónde está esa cosa clásica en mis palabras? Lubos & Drake (y libros) dijeron que las órbitas siempre son estacionarias, mientras que Wikipedia (y todos los modelos de átomos/moléculas conocidos) dicen que es solo una aproximación, si realmente siempre son estacionarias en el sentido de QFT, entonces no habrá preguntas, pero ¿cómo es? ¿eso?
@TMS solo el hecho de que los llame "órbitas" muestra esta confusión entre clásico y cuántico. NO son órbitas, son orbitales. El modelo de Bohr fue muy, muy útil cuando los físicos no se habían dado cuenta de cómo podían modelar con teorías mucho mejores la naturaleza cuántica que aparecía en los experimentos. Ahora tenemos estos mejores modelos teóricos.
El electrón no es una partícula clásica en una órbita sino una "entidad" mecánica cuántica caracterizada por una distribución de probabilidad dada por el cuadrado de la función de onda apropiada que muestra esquemáticamente el espacio cubierto como un "orbital". No se resuelve el átomo de hidrógeno usando la teoría cuántica de campos, como no se usa un bisturí para cortar papas.
@annav Oh, no sabía que, en el idioma ruso, no existe tal distinción entre órbitas y orbitales ... de todos modos, solo es una cuestión de notación, y creo que la muestra del cuchillo es incorrecta, no irradiar en QM depende estrictamente de la estacionariedad, que es solo una aproximación, ese era mi punto en la necesidad de QFT y una prueba de rigor.
@TMS orbitales es una palabra nueva en el uso de la física, necesaria debido a la distinción necesaria: hasta el modelo de Bohr, se puede hablar de órbitas y órbitas estacionarias, pero según la ecuación de Schrödinger, se dice que los electrones están en orbitales, exactamente para distinguir el dualidad onda_probabilidad/partícula del ingenuo modelo planetario con pequeñas bolas de billar como electrones con restricciones.
@annav, créeme, soy muy consciente de que no hay órbitas clásicas en el átomo, y aclaraste por qué son orbitales, pero el problema está en un lugar diferente.
Entonces no puedo ver por qué no acepta la explicación simple de la conservación de la energía que dio alguien más arriba. Para irradiar desde un orbital, un fotón debe quitar la energía en un paso cuantificado y el electrón debe caer en un orbital más bajo. Si ningún orbital inferior está vacío, la conservación de energía prohíbe la radiación.
@annav Estaba preguntando sobre la dependencia del tiempo hamiltoniano, ese era mi problema, de todos modos ahora, después de algunas investigaciones, obtuve mi falla. En QFT podemos hacer lo mismo con la separación de tiempo que Drake mostró arriba (imagen de Schroedinger vs. Heisenberg), por lo tanto estacionario Las órbitas existen incluso para hamiltonianos dependientes del tiempo, como Luboš Motl indicó anteriormente.

Debería mirar el trabajo de GA Schott en la década de 1930, por ejemplo, GA Schott, "El campo electromagnético de una esfera electrificada uniforme y rígidamente en movimiento y sus órbitas sin radiación", Phil. revista vol. 15, ser. 7 (1933), 752-761.

Tiene otros artículos sobre órbitas aceleradas pero no radiantes y las implicaciones para la mecánica cuántica. Es una pena que su trabajo pasara desapercibido y aparentemente ignorado, ya que habría explicado los fenómenos de cuantificación, al menos del átomo de hidrógeno y posiblemente de toda la EM cuántica.

¿Por qué los electrones no pueden radiar en las órbitas de sus átomos?
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