Perdóname si la respuesta a esto es obvia. No tengo formación física formal y recuerdo que cuando le pregunté esto a mi profesora de física, ella frunció el ceño y dijo: "Buena pregunta".
Un electrón está cargado negativamente. Un protón tiene carga positiva. Según los principios básicos, parece que sería lógico que la nube de electrones de un átomo "colapse" en el núcleo y se convierta en parte de él (especialmente porque los electrones tienen una masa mucho menor). ¿Por qué no sucede esto? ¿Cómo mantienen los electrones la separación de los protones en el núcleo, cuando los cargadores opuestos deberían unirlos?
Consideré que tal vez la carga en el electrón era demasiado minúscula en comparación con el protón (como tener un imán cargado negativamente en Saturno mientras que toda la Tierra estaba cargada positivamente; obviamente, el imán no sería atraído hacia la Tierra simplemente porque las fuerzas no eran no es lo suficientemente fuerte para actuar a esa distancia). Pero si ese fuera o es el caso, esperaría que no existieran otros comportamientos químicos. Por ejemplo, todo el fenómeno del agua siendo un "dipolo". Si la carga del electrón es demasiado débil para interactuar con el protón, ¿cómo podría el oxígeno del agua atraerlos con más fuerza que el hidrógeno? Entiendo que el oxígeno tiene más protones y, por lo tanto, más carga positiva en el núcleo, pero eso aún parecería respaldar que el propio átomo de oxígenolos electrones deben ser atraídos hacia él...
¿Alguien puede explicar los fenómenos que ocurren aquí o simplemente señalar la falla en mi pensamiento?
Como dice Mitchell en su comentario, esto está relacionado con el principio de incertidumbre.
El principio de incertidumbre establece que si tiene algún sistema con una posición y un impulso entonces hay una incertidumbre en la posición, , y una incertidumbre en el impulso, , relacionado por el principio de incertidumbre de Heisenberg:
En el caso del átomo de hidrógeno, la incertidumbre en la posición del electrón es aproximadamente del tamaño del átomo, es decir, sabemos que el electrón está en algún lugar del átomo, pero no sabemos exactamente dónde. Esto significa que tenemos una incertidumbre en el momento dado por:
Si intentas forzar al electrón más cerca del núcleo, haces más pequeño porque sabes con mayor precisión dónde podría estar el electrón. Pero el impulso es proporcional a la velocidad, y el aumento de la velocidad significa un aumento de la energía. Entonces, al tratar de confinar el electrón, aumenta su energía. El tamaño del átomo de hidrógeno es un equilibrio de la atracción electrostática y el principio de incertidumbre.
Si, como dices, no eres un nerd de la física, entonces lo que sigue puede ser un poco exagerado, pero lo publicaré de todos modos porque es una buena ilustración de lo que sucede. Supongamos que el radio del átomo de hidrógeno es entonces parece razonable decir que la incertidumbre en la posición es , en cuyo caso la ecuación de Heisenberg nos dice:
Ahora el impulso está relacionado con la energía por:
y la energía electrostática del electrón es:
Entonces, si decimos que el momento del electrón confinado es aproximadamente entonces su energía total es:
Esto nos da una ecuación que nos dice cómo cambia la energía con el tamaño del átomo, y este gráfico muestra la energía en función del radio. :
El mínimo está en Angstroms y la energía mínima es 13.6eV. Sorprendentemente, estos son los valores correctos para el átomo de hidrógeno. La energía de ionización del hidrógeno es de 13,6 eV y 0,53 Angstroms es el radio de Bohr .
Ahora bien, este es un cálculo bastante aproximado y, para ser honesto, elegí cuidadosamente la forma del principio de incertidumbre que da la respuesta correcta. Aún así, creo que esto muestra muy bien cómo el principio de incertidumbre está relacionado con el tamaño del átomo de hidrógeno.
Ana SH
mitchell portero
qmecanico