¿Puede mostrarme un modelo atómico final que demuestre el movimiento de electrones en su interior? [cerrado]

Los electrones no se mueven dentro de los átomos.

Si un electrón está en un nivel de energía dado$E$, la función de onda está dada por$\psi(x,y) = \phi(x)_{n\ell m} \,\mathrm{e}^{-\mathrm{i}E t/\hbar}$. La dependencia del tiempo es un factor de fase puro, por lo que la densidad de probabilidad en el espacio real del electrón es$|\psi(x)|^2 = |\phi(x)|^2 \neq f(t)$, no es una función del tiempo. Estos se denominan estados estacionarios , por este motivo.

El hecho de que los electrones en realidad no se muevan en los átomos es bueno , y es el punto central en que se inventó la mecánica cuántica. Si se movieran, estarían acelerando partículas cargadas y, por lo tanto, perderían energía debido a la radiación (bremsstrahlung) y eventualmente colapsarían. La inestabilidad del átomo fue exactamente la deficiencia de la física clásica que condujo a la invención/descubrimiento de la mecánica cuántica.

Además:

Los orbitales atómicos son solo "correctos"$^\dagger$funciones de onda en sistemas de un electrón como el átomo de hidrógeno. En átomos de muchos electrones, los orbitales son una aproximación útil, generalmente una base utilizada para cálculos perturbativos. Por ejemplo, para el helio, ya debe tener en cuenta la indistinguibilidad de los dos electrones, lo que lleva a las combinaciones lineales de los orbitales para calcular los términos de corrección.

En el átomo de hidrógeno, los orbitales se han observado indirectamente, consulte Átomos de hidrógeno bajo aumento: Observación directa de la estructura nodal de los estados Stark , al registrar el patrón de difracción de la luz que se irradia desde las transiciones atómicas: estos patrones se relacionan con la estructura nodal del funciones de onda atómicas.

La espectroscopia de fotoemisión de resolución angular (APRES) puede brindar información sobre la forma de los orbitales moleculares; consulte Exploración de imágenes orbitales tridimensionales con tomografía de fotoemisión dependiente de energía .

$\dagger$: pero sólo dentro del hamiltoniano puro de Coulomb. Con correcciones como la estructura fina, el desplazamiento de Lamb, etc., no existe una solución analítica tanto para los valores propios como para los estados propios.

EDITAR desde los comentarios .

Dada la atención que ha recibido esta respuesta, permítanme agregar algunos puntos planteados en la larga discusión que siguió en los comentarios.

En primer lugar, la respuesta anterior refleja mi opinión y mi interpretación del asunto. De hecho, como señala @my2cts:

Que los electrones se muevan o no es pura interpretación. Lo que QM dice inequívocamente es que los electrones tienen energía cinética y potencial. Cualquiera es libre de interpretar esto.

Entonces, con respecto al movimiento , es cierto que los electrones poseen cantidad de movimiento, energía cinética y, por$\ell \neq s$, una corriente de probabilidad$\mathbf{J}$que sin embargo también es estacionario pero en la dirección tangencial$\hat{\boldsymbol{\phi}}$(derivación aquí ) como la velocidad de un objeto en órbita clásica.

Particularmente, @dmckee dice:

los electrones tienen una energía bien definida que debe interpretarse como que incluye un componente cinético y una distribución de momento que puede incluir cero pero también incluye un valor distinto de cero con una densidad de probabilidad no trivial.

Mi idea de "los electrones no se mueven" se deriva de la idea de que "las ondas estacionarias no se mueven", en el sentido de que no van de A a B. Pero, por supuesto, hay movimiento, no obstante. Ver agradable discusión aquí .

No hay modelos finales en ciencia, siempre hay espacio para mejorar. Y no se pueden descartar totalmente cambios importantes de paradigma. Sin embargo, podemos confiar bastante en nuestro modelo actual de la estructura electrónica del átomo, que se basa en la electrodinámica cuántica (QED), que se ha validado con una precisión muy alta.

Wikipedia tiene numerosos diagramas orbitales , incluidos muchos animados. Pero también necesita leer el texto para entender cómo funcionan los diagramas, e incluso entonces, no es fácil entender lo que está pasando a menos que haya estudiado algo de mecánica cuántica y esté familiarizado con los conceptos básicos y algunas de las matemáticas.

Me gustan mucho los diagramas animados en la sección titulada Comprensión cualitativa de las formas :

Las formas de los orbitales atómicos pueden entenderse cualitativamente considerando el caso análogo de las ondas estacionarias en un tambor circular.

[...]

La razón básica de esta correspondencia radica en el hecho de que la distribución de la energía cinética y el momento en una onda de materia predice dónde estará la partícula asociada con la onda. Es decir, la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar dado también es una función de la cantidad de movimiento promedio del electrón en ese punto, ya que la cantidad de movimiento del electrón en una posición dada tiende a "localizar" el electrón en esa posición, a través de las propiedades del electrón. paquetes de ondas (consulte el  principio de incertidumbre de Heisenberg para obtener detalles del mecanismo).

Podemos hacer imágenes e incluso películas de orbitales reales, pero son bastante rudimentarias; los diagramas son mejores Supongo que las imágenes y las películas son beneficiosas porque demuestran al público lego que los diagramas son válidos y no solo una fabricación matemática. ;)

No es fácil apreciar exactamente cómo se mueven los electrones dentro del átomo. Las cosas en la escala cuántica simplemente no se comportan de la forma en que estamos acostumbrados en la escala macroscópica, por lo que nuestras intuiciones normales no son de mucha ayuda cuando se trata de electrones. Eso no significa que estas cosas sean incomprensibles, pero sí que podemos engañarnos a nosotros mismos si tratamos de aplicar nociones clásicas a estas entidades decididamente no clásicas.

Entonces, si bien los electrones en los átomos ciertamente tienen energía cinética y momento (incluido el momento angular orbital, además de los electrones en los orbitales s ), es un error atribuirles algún tipo de trayectoria clásica.

Lo que tenemos es Mecánica Cuántica complementada con Electrodinámica Cuántica. Con las herramientas disponibles, puede calcular las propiedades atómicas con una precisión cada vez mayor. El hidrógeno neutro puede ser tratado por la ecuación de Schrödinger y más precisamente por la ecuación de Dirac. Luego puede agregar correcciones radiativas QED perturbativas y un núcleo de tamaño finito. Esto lo lleva al límite o más allá de la precisión experimental. Para átomos de muchos electrones, también debe considerar la interacción de configuración y las correcciones a la aproximación de Born. Esto es bastante definitivo en mi opinión.

Es imposible tener el modelo final de un átomo. Tendremos que hacerlo con aproximaciones.

Simplemente hay demasiados factores para tener en cuenta. Incluso una cosa "simple" como el giro del protón: vea este PDF por ejemplo.

Y, dependiendo del tipo de átomo, hay al menos 1 protón para encontrar en cada átomo. Y no te olvides de los neutrones (ambos nucleones). y la interacción entre ellos. Los acoplamientos espín-órbita. Etcétera etcétera.

Para el sistema protón-electrón (Hidrógeno) se puede hacer la mejor aproximación. Simplemente porque es el átomo más simple. Tres quarks (protón), un electrón. Sin embargo, ya es difícil (incluso con la ayuda de una supercomputadora) calcular las interacciones entre los quarks de valencia y los quarks de no valencia por medio de gluones (ver el PDF). Una vez hecho esto, debe calcular la interacción entre el protón y el electrón. No es tan difícil (por medio de la ecuación de Schrödinger), pero cuando intentas hacerlo en relación con QED, la historia se vuelve un poco más difícil.

¡Así que puedes imaginar cómo es la situación para los átomos de mayor masa!

Sobre la visibilidad de los átomos. ¡Nunca será posible ver cómo se ve un átomo (de cualquier forma)! Tal vez una imagen generada por computadora, que es algo diferente. No se deje engañar por personas (que escriben para revistas sensacionalistas, para ganar dinero) que dicen que pueden hacerlo. Mira este:

Primer átomo hecho visible

Una vez más, ¡no deje que estas popularizaciones lo engañen! No ves los átomos, sino una imagen de ellos, que es algo completamente diferente. Imagina que tuvieras el tamaño en el orden de los átomos. ¿Cómo serías capaz de verlos? ¿Haciendo brillar fotones sobre ellos? No. Creo que eres lo suficientemente inteligente como para ver por qué esto es imposible.

Uno más pero lo último. Se dice en una respuesta aquí que QED se usa en todos los cálculos relacionados con el átomo. No es verdad. @ my2cts aborda este problema a la perfección.

Lo más importante es entender la diferencia entre órbita y orbital. Originalmente, el átomo se imaginó con órbitas clásicas (como planetas alrededor de estrellas), pero finalmente se desarrolló QM y ahora hablamos de orbitales de electrones.

En la teoría atómica y la mecánica cuántica, un orbital atómico es una función matemática que describe el comportamiento ondulatorio de un electrón o de un par de electrones en un átomo. 1 Esta función se puede utilizar para calcular la probabilidad de encontrar cualquier electrón de un átomo en cualquier región específica alrededor del núcleo del átomo. El término orbital atómico también puede referirse a la región física o espacio donde se puede calcular que está presente el electrón, según lo definido por la forma matemática particular del orbital.[2]

Ahora, hoy en día, tenemos básicamente tres tipos de orbitales:

1. Hidrógeno como

2. Tipo de pizarra

3. tipo gaussiano

Básicamente, los modelos orbitales atómicos actuales describen la existencia de electrones alrededor del núcleo como una distribución de probabilidad. Ahora usted está preguntando si estos tienen ciertas formas? Ellos si.

https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbital