¿Cómo comienza la órbita de los electrones alrededor de los núcleos? [cerrado]

Estás describiendo el modelo de Bohr del átomo , que pudo ajustarse a los espectros observados de los átomos excitados, las líneas que se ven en el átomo de hidrógeno:

Para explicar por qué las órbitas podrían ser estables en lugar de descender en espiral hacia el núcleo como esperaría la electrodinámica clásica, el modelo asume la cuantificación del momento angular para tener éxito en un átomo estable.

Esta era una hipótesis que encajaba parcialmente con el átomo de hidrógeno y se hacía más imposible para los núcleos complejos.

La mecánica cuántica, al evolucionar a partir de las soluciones simples de la ecuación de Schrödinger, logró no solo reproducir el éxito parcial en las soluciones en serie para el átomo de hidrógeno, sino también convertirse en una teoría con un alcance mucho más amplio, que describe toda la naturaleza en el nivel de partículas subyacente.

En el sistema mecánico cuántico no hay órbitas, hay soluciones del problema potencial que dan la probabilidad de encontrar el electrón en un (x,y,z) si se intenta medir su posición. Estos loci se denominan orbitales. Aquí están los orbitales calculados para el átomo de hidrógeno :

para los diferentes números cuánticos que caracterizan la ocupación electrónica de un nivel de energía.

Aquí hay un primer experimento que analiza estos orbitales:

Para ser más precisos, ¿qué sucede exactamente cuando un átomo absorbe un electrón?

La precisión necesita la mecánica cuántica.

El electrón cae en el pozo de potencial del átomo, irradiando un fotón que se lleva el momento angular de modo que se satisface la conservación del momento angular y se une a un nivel de energía. Si los niveles de energía más bajos están vacíos, caerá en cascada con más radiación, hasta el último nivel de energía sin llenar.

En algún momento de la historia temprana del universo, los protones tuvieron que capturar electrones libres para formar hidrógeno neutro, pero$pe\to H^*$viola la conservación de la energía y/o el impulso, por lo que tiene que ser algo como$pe\to H^*\gamma$. Cualquier transeúnte cargado (por ejemplo, otro protón cercano) podría tomar el impulso adicional, por lo que$ppe\to pH^*$también está permitido. El asterisco significa excitado , no en estado fundamental. Normalmente, cuando se captura un electrón, el átomo recién nacido se encuentra en un estado cuántico de alto momento angular, cercano al momento angular predicho por la mecánica clásica. El átomo excitado luego cede energía y momento angular a través de una secuencia de transiciones radiativas, emitiendo un fotón en cada paso, hasta que aterriza en su estado fundamental.

El problema que encontré en este problema es que el interrogador se apega a la vieja idea de que el electrón es una partícula y tiene un camino bien definido (ya que orbita alrededor del núcleo). QM prohíbe esta idea en primer lugar (ni siquiera puedes pensar en la ruta en primer lugar). El segundo punto, lo que sucede cuando el electrón es absorbido por el átomo, puede pensarse igual que lo que sucede cuando se introduce una partícula en un pozo de potencial infinito, aunque el caso es un poco diferente en el último, surge la pregunta de cómo metiste la partícula dentro del pozo en primer lugar. Mientras que en el primero, el potencial alcanza el infinito, por lo que no hay drama sobre su existencia en primer lugar. Ya que estás hablando del electrón en primer lugar, tienes que darme su función de onda inicial y ese es el trato para usar la ecuación de Schrödinger. Ahora tome el caso del átomo de hidrógeno (porque eso es lo que no sé sobre el átomo de múltiples electrones) y como sabemos que es función propia (armónico radial y esférico) y están completos (pueden abarcar lo que quieras) así que descompondré inicial función de onda dada en términos de esta base y terminaré de informarle sobre la predicción futura (solo estadísticamente). Entonces, no podemos simplemente decir qué le sucede al electrón, realmente necesitas decirme cuál es su función de onda inicial. Echa un vistazo a Ej. 2.2 Gestión de calidad de Griffiths. QFT proporcionará más refinamiento. s eigenfunction (armónico radial y esférico) y están completos (pueden abarcar lo que quieras), así que descompondré la función de onda inicial dada en términos de esta base y terminaré de informarte sobre la predicción futura (solo estadísticamente). Entonces, no podemos simplemente decir qué le sucede al electrón, realmente necesitas decirme cuál es su función de onda inicial. Echa un vistazo a Ej. 2.2 Gestión de calidad de Griffiths. QFT proporcionará más refinamiento. s eigenfunction (armónico radial y esférico) y están completos (pueden abarcar lo que quieras), así que descompondré la función de onda inicial dada en términos de esta base y terminaré de informarte sobre la predicción futura (solo estadísticamente). Entonces, no podemos simplemente decir qué le sucede al electrón, realmente necesitas decirme cuál es su función de onda inicial. Echa un vistazo a Ej. 2.2 Gestión de calidad de Griffiths. QFT proporcionará más refinamiento.

Pero, ¿qué hace que un electrón gire alrededor de un núcleo en primer lugar?

Nada. Al menos no en el sentido que estás preguntando. Exploremos esto con un ejemplo clásico.

Considere un asteroide que se mueve a través del espacio vacío. Tiene algo de trayectoria y algo de masa, por lo que podemos calcular su impulso.

Ok, ahora consideremos ese mismo asteroide en órbita alrededor de Júpiter. Ahora también tiene un momento angular, es un momento angular orbital , que es una especie de valor inventado a partir de su trayectoria y distancia de Júpiter.

Ok, ahora imagina el caso en el que el asteroide está volando por Júpiter. Tal vez va lo suficientemente rápido como para continuar, como la mayoría de los cometas. Pero tal vez termine en el lugar correcto en el momento correcto con la velocidad correcta y comience a orbitar, como los troyanos.

Entonces, ¿qué "sucedió" para que "comenzara a orbitar"? ¡Nada! La gravedad de Júpiter está tirando de él todo el tiempo, nada cambió.

¿Qué sucede exactamente cuando un átomo absorbe un electrón?

¡No es así! Si hay un electrón en su camino alegre que tiene la trayectoria correcta (a falta de una palabra mejor), entonces comenzará a "orbitar". Si no lo hace, seguirá adelante, en alguna trayectoria modificada. Nada "sucede" cuando entra en órbita, es exactamente la misma física que experimentó cuando no entró en órbita, o cuando estaba lejos del átomo y ni siquiera lo notó.

Existen grandes diferencias entre la física de los dos casos. Por ejemplo, en el caso del asteroide, su giro "interno" no tiene efecto, pero ese no es el caso del electrón. Pero desde un alto nivel, son bastante similares.

Normalmente, los físicos utilizan un conjunto limitado de ecuaciones para describir la situación específica de un electrón que orbita alrededor de un núcleo, es decir, un electrón atrapado en un pozo de potencial. Podrían usar algo simple como la ecuación de Shrödinger independiente del tiempo para sistemas simples, o algo más realista como la ecuación de Dirac para examinar los efectos relativistas, que conducen a cosas como las antipartículas y el magnetismo. Sin embargo, todas estas ecuaciones describen la situación de un electrón atrapado en un pozo de potencial, no cosas como la ionización o el movimiento de los electrones libres que se capturan.

Para esas situaciones, realmente necesita la teoría cuántica de campo completa de la electrodinámica cuántica. Esto describe el campo de electrones y fotones e incluye cosas tales como la creación y aniquilación de partículas e interacciones y movimientos de partículas a través del espacio extenso. Las teorías cuánticas de campos pueden incluir cualquier número de partículas que existen al mismo tiempo y se mueven en todas direcciones e interactúan con partículas virtuales en el vacío.

Sin embargo, los modelos simples se usan normalmente en física o química en el día a día y tienen soluciones bien conocidas para casos comunes.

Resolver QED o el Lagrangiano completo del modelo estándar de física, incluso para sistemas muy simples, es muy difícil. Sin embargo, estos modelos avanzados de teoría de campos pueden mostrar con precisión cómo las funciones de onda de los electrones y otras partículas interactúan con el tiempo durante algo como la captura de electrones.

Editado, debido a los comentarios a continuación.

Sin embargo, creo que el cartel original pregunta particularmente sobre la descripción de la captura de electrones, no de las órbitas de estado estacionario, y quería señalar que para mostrar exactamente lo que sucede requiere más que una descripción usando ecuaciones orbitales de estado estacionario. Como ha dicho otro cartel, el electrón cae a través de una cascada de niveles de energía con fotones emitidos en cada transición. Pero dado que el electrón puede venir desde el infinito desde cualquier dirección, existe la pregunta de qué sucede con el momento lineal original, y estaba tratando de decir en el punto original eliminado que el momento lineal se puede interpretar como un momento angular alrededor del centro del átomo, incluso cuando el electrón está lejos.