¿Cómo se pueden orientar los orbitales si el núcleo es simétrico? [duplicar]

Sé muy poco sobre física cuántica, pero simplemente no puedo entender el hecho de que los orbitales no esféricos parecen estar "orientados", constituyendo un conjunto de "ejes de marco de referencia" fijos.

¿De verdad funciona así? ¿Hay direcciones dadas para un solo átomo en las que los orbitales "sobresalgan"? Y si es así, ¿en qué se basan? Si lo entiendo bien, el núcleo es aparentemente esférico, simétrico sin un eje de simetría único. ¿Qué decidiría entonces la orientación de los orbitales en el espacio (con respecto al entorno)?

Editar: entiendo que cualquier orientación funciona para satisfacer la ecuación de onda. Tenía más curiosidad por qué el átomo elegiría una dirección, en lugar de cualquiera de las otras. ¿Es eso fundamentalmente aleatorio? ¿Y esta configuración se conserva más o puede cambiar en cualquier momento?

¿Por qué la Tierra orbita en un plano cuando el campo gravitatorio del Sol es esféricamente simétrico?
Gracias por el enlace, hojeando las respuestas, creo que parte de mi pregunta está respondida: cualquier "orientación" de los ejes será la solución a la ecuación de onda. Pero principalmente no estaba seguro de por qué, tras la observación, el átomo elige una dirección, en lugar de cualquiera de las otras. ¿Es eso fundamentalmente aleatorio? ¿Y esta configuración se conserva más o puede cambiar en cualquier momento?
Bueno, la verdadera respuesta a eso es que lo que le han enseñado sobre el "colapso de la función de onda" es una caricatura y no es muy útil. Mi recomendación habitual es esta conferencia con Sidney Coleman. Pero en resumen: también debe tratar el sistema de medición como un sistema cuántico y darse cuenta de que tiene que interactuar con el átomo, y esta interacción significa que sus estados se entrelazarán . Supongamos que el estado inicial es algo así como | ψ ⟩ | 0 ⟩ donde esto significa que el átomo está en el estado | ψ ⟩ y tu detector
muestra una pantalla en blanco. Dejar | ψ ⟩ = ∑ k C k | yo = k ⟩ donde cada uno | yo = k ⟩ es algún orbital. La evolución del tiempo y la interacción idealmente enviarán el estado a algo como
∑ k C k | ψ ′ ⟩ k | d = k ⟩
lo que significa que tienes una probabilidad | C k | 2 observar k en el detector ( | ψ ′ ⟩ k no es necesariamente | yo = k ⟩ porque la medición podría ser destructiva). Debido a que la mecánica cuántica es lineal, cada componente evoluciona por separado y podrías haber elegido otros orbitales como base. (Espero que la notación sea comprensible).

Respuestas (1)

Este es un concepto bastante complicado, y veo a los físicos de investigación tropezar con (análogos de) este problema con una frecuencia algo alarmante. Cuando tu dices

el núcleo es aparentemente esférico

lo que eso realmente significa es que los electrones interactúan con un objeto esférico (esencialmente una carga puntual de Coulomb en el centro nuclear) y, por lo tanto, su dinámica debe ser invariable bajo cualquier rotación alrededor de este punto. Sin embargo:

  • Esto no significa que todas las soluciones a esas dinámicas deban ser esféricamente simétricas.
  • Lo que significa es que para cada solución no simétrica S 1 de esas dinámicas que apuntan en alguna dirección norte ^ 1 y cualquier otra dirección norte ^ 2 , debe existir una solución separada, igualmente válida, pero distinta. S 2 que apunta a lo largo norte ^ 2 .

Por lo tanto, es perfectamente posible que un átomo exista en un estado anisótropo, como, digamos, el 2 pag z estado de hidrógeno. Lo único que requiere la simetría es que tengamos análogos 2 pag norte ^ estados a lo largo de cualquier eje dado norte ^ como posibilidades, lo que obviamente es cierto.

Eso todavía no responde, por supuesto, la pregunta de qué manera un átomo dado en un 2 pag state señalará, pero la respuesta a eso es simplemente que depende de la situación, y necesita especificar más información para decir algo útil.

Si todo lo que sabes es que un átomo dado está en un 2 pag pero no tiene más información, entonces todo lo que puede decir es que el electrón está en un estado mixto de todas las orientaciones posibles, que es isotrópico y se puede escribir como

ρ ^ 2 pag ,  isotrópico = ∑ j = X , y , z | 2 pag j ⟩ ⟨ 2 pag j | = 1 4 π ∫ | 2 pag norte ^ ⟩ ⟨ 2 pag norte ^ | d Ω norte ^ .
Esto significa que el electrón no está en estado puro y, por lo tanto, no puede asignarle una función de onda, que es la tarifa estándar cuando no ha especificado suficiente información para precisar un solo estado.

Sin embargo, en la práctica, cuando se trabaja con 2 pag estados, u otros orbitales anisotrópicos, normalmente los ha preparado usted mismo, por ejemplo, estimulando una transición hacia arriba desde el 1 s estado con un láser polarizado linealmente, o algún otro método de bombeo anisotrópico. En esos casos, la orientación será fijada por el mecanismo de bombeo, es decir, la simetría se rompe por su aparato de preparación, que selecciona una de las muchas orientaciones posibles para el estado.

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