¿Cómo podemos estar seguros de que los electrones realmente orbitan el núcleo de la manera que aprendimos?

En la teoría del campo cuántico, no lo hacen. Sin embargo, QFT no es generalmente conocido por el público lego o, para el caso, incluso por muchos físicos. Aquí hay un extracto de mi libro que muestra por qué la imagen en órbita es insostenible:

Estabilidad El primer problema fue la estabilidad de las órbitas. Según las ecuaciones de Maxwell, un electrón que se mueve en una órbita irradia energía en forma de ondas EM. A medida que pierde energía, se acercará al núcleo, así como una nave espacial en órbita dispara retrocohetes cuando regresa a la Tierra. Vimos un ejemplo gravitatorio de esto en el Capítulo 2, en el que dos estrellas se dispararon hacia adentro debido a la energía perdida por la radiación gravitacional. Por lo tanto, la energía perdida por la radiación EM de un electrón en órbita debería hacer que gire en espiral hacia adentro y finalmente se estrelle contra el núcleo. Pero esto no sucede.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Radiación discreta . El segundo problema fue la discreción de la radiación EM, demostrada por Planck y Einstein. No hace falta ser un genio (¿o sí?) Para ver que si la luz se emite y se absorbe en cantidades discretas, los átomos que emiten y absorben deben cambiar su energía en cantidades discretas. Esto significaría que las órbitas de electrones deben existir como estados de energía discretos, y cuando se emite un fotón, el electrón saltaría de una órbita a otra. Pero las órbitas no cambian en saltos.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Propiedades quimicas . Desde hace tiempo se sabe que las propiedades químicas son las mismas para todos los átomos de una sustancia dada. Por ejemplo, ningún átomo de oxígeno se comporta de manera diferente a otros átomos de oxígeno: todos son químicamente iguales. Pero si los electrones estuvieran en órbitas clásicas, las variaciones serían inevitables.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Espectroscopia Finalmente, estaba el problema con las líneas de Fraunhofer, llamadas así por Joseph von Fraunhofer, quien las describió en 1814. Son las bandas oscuras que se ven cuando la luz solar pasa a través de un prisma para separarla en sus componentes espectrales o frecuencias (Fig. 6-1 ) Estas líneas son causadas por la absorción de luz, y cada sustancia absorbente tiene sus propias frecuencias específicas de absorción. Esto sería imposible si los electrones son partículas en órbita.

Figura 6-1. (Arriba) Luz blanca de una lámpara que ha pasado a través del gas de sodio y luego se extiende por un prisma para mostrar las frecuencias de sus componentes. La banda oscura se debe a la absorción por el sodio. (Abajo) Luz solar que ha pasado a través de un prisma. La banda oscura en la misma posición que la línea de sodio anterior muestra que el sodio, entre otros elementos, está presente en la atmósfera solar.

Conclusión: los electrones no pueden ser partículas en órbita.

Luego paso a mostrar cómo la teoría cuántica de campos resuelve el problema, así como muchos otros problemas. Si no puede pagar los $ 4.95 por mi libro electrónico (haga clic aquí), lea al menos el Capítulo 10, que puede ver gratis aquí.

Cuando estaba en la escuela nos enseñaron según el modelo atómico de Bohr (1913). Nota: no es una teoría, ni una ley, ni una declaración “esto es lo que es”, solo un modelo.

Un modelo es una forma de representar el comportamiento de un sistema de una manera útil. No necesita ser correcto, siempre que sea útil.

El modelo de Bohr fue útil para explicar el comportamiento químico de los elementos en la tabla periódica. Sin embargo, pronto se hizo evidente que los electrones realmente no podían comportarse así.
¿Por qué? porque una carga que se mueve en un círculo genera radiación, y eso causaría que la órbita del electrón decaiga casi instantáneamente.

Muchos experimentos han demostrado que los electrones PUEDEN comportarse en forma de partículas y también en forma de onda. A medida que pasa el tiempo, seguimos mejorando los modelos que usamos para representarlos, por lo que tenemos una comprensión más precisa de cómo se comportarán.

Sigue siendo solo un modelo.

No tengo idea de cómo aprendiste, así que de lo que depende es de qué quieres decir con “órbita”. Si quiere decir que los electrones giran alrededor del núcleo de la misma manera que los planetas giran alrededor del sol, eso está mal. Si lo hicieran, el átomo de hidrógeno tendría un campo magnético serio, y no lo tiene. Sin embargo, podemos estar seguros de que los electrones no están en el núcleo porque podemos medir el tamaño de un átomo golpeándolos entre sí, donde la repulsión de electrones evita que se acerquen más. Ese tamaño es mucho más grande que el núcleo. Esto es bueno porque cuando te sientas este tipo de fuerzas te impiden pasar a través de la silla. Además, puede mostrar que los átomos de hidrógeno son esféricamente simétricos (al igual que otros aparte de los efectos magnéticos), por lo que debemos concluir que esos electrones se mueven muy rápidamente. Usamos la palabra “orbital” para describir las soluciones a la ecuación de Schrödinger, que describe la distribución de ubicaciones donde se podría esperar encontrar el electrón. Por lo tanto, puede suponer que el electrón se mueve dentro de este orbital, con una dinámica descrita por el orbital y con una distribución de probabilidad de encontrarlo determinada por el orbital.

No podemos estar seguros porque no lo hacen.

La imagen clásica de un núcleo con electrones en órbita es una caricatura, al igual que una figura de palo describe a un humano. Los electrones son bandas de probabilidad con características cuánticas discretas que no se parecen en nada a las bolas duras. El núcleo es una masa retorcida y camaleónica de fuerzas realmente poderosas con apenas puntos duros. Es sobre todo energía.

Los electrones son “partículas” básicas en el modelo estándar que sienten la gravedad y la fuerza electromagnética. Nuestra mejor descripción de ellos es una onda de probabilidad, con un pico donde es más probable que estén si detuviste su movimiento.

O no.

Si aprendiste eso, tuviste un maestro terrible. Los electrones son ondas. No “orbitan” de la forma en que los planetas orbitan el sol y ese modelo no ha sido dominante desde fines del siglo XIX.

Puede considerar que los electrones existen en capas, según la teoría de valencia, porque suficientes números lo colocan en la columna final para que sea útil.

¿Por qué los electrones no caen en el núcleo?

Este es el mejor texto introductorio básico que puedo encontrar.

El hecho de que use la palabra órbita sugiere que se le ha enseñado un modelo muy simple y, a medida que aumenta su conocimiento, se da cuenta de las deficiencias y los cambios consiguientes en este modelo. Brevemente, no orbitan.

Algunas respuestas sugieren que no se le ha enseñado bien, esto no tiene sentido. (La enseñanza puede o no haber sido buena, pero esto no está relacionado con el modelo de estructura atómica que le han enseñado).

No sabemos su edad / su habilidad matemática en este momento ni para qué examen se estaba preparando (si corresponde).

Si el plan de estudios espera que se enseñe un modelo simple y se formularán preguntas sobre esta base, es absolutamente correcto que comience con un modelo simple, tal como lo hicieron los científicos reales en 1900.

No puedes Y depende de la forma en que aprendiste. Si aprendió el modelo de Bohr, eso es bueno, pero no es exacto ya que los electrones no giran alrededor del exterior del átomo.

Incluso si aprendió el modelo de orbitales electrónicos, no puede estar muy seguro. En ciencia, no puedes estar demasiado seguro. Sin embargo, cuando usamos ese modelo para predecir cómo resultará un experimento, es muy, muy bueno para predecir, así que lo usamos.