El “problema” aquí es pensar en términos de ciencia clásica. Puse la palabra problema entre comillas porque no es realmente un problema en muchos casos. Muchos fenómenos pueden explicarse utilizando la mecánica clásica y sigue siendo muy relevante y extremadamente útil. Cuando se trata de cosas pequeñas como electrones, protones, neutrones, las cosas se vuelven un poco difíciles de explicar usando términos clásicos.
El problema con el modelo clásico.
Incluso si se olvida por completo de la atracción positiva-negativa entre las dos partículas, los electrones deberían chocar contra el núcleo. Sabemos que un electrón tiene carga negativa. También sabemos que según este modelo, orbitan el núcleo, moviéndose en círculos. Así, el cambio constante de dirección significa aceleración. Una partícula cargada acelerada emite radiación electromagnética, que es energía. Entonces, eventualmente, los electrones deberían perder suficiente energía y entrar en espiral en el núcleo.
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Mecánica cuántica para la victoria
La dualidad onda-partícula o la capacidad de la materia para comportarse como una onda o una partícula es la clave para entender esto. Incluso los objetos macroscópicos se comportan de manera similar. Sin embargo, se convierte en un concepto extraño cuando se aplica a objetos macroscópicos. Te lo explicaré más tarde. Por ahora, centrémonos en pequeñas partículas. Los electrones no pueden tratarse simplemente como una partícula solamente, con una posición definida y una velocidad. Ahora, cuando decimos que el electrón está en el enésimo nivel de energía, en realidad queremos decir que tiene la mayor probabilidad de estar allí. Técnicamente, la nube de electrones es infinitamente grande. Sin embargo, consideramos el espacio más probable como la nube de electrones.
Pensemos en el electrón en un átomo de hidrógeno. Sabemos que se siente atraído por los protones. En términos de energía, cuanto mayor es la distancia entre estas dos partículas, mayor es la energía potencial del electrón. Esto es similar a un objeto elevado. Si coloca un objeto en un estante, tiene una energía potencial, cuando se cae, la energía potencial se convierte en energía cinética. Entonces lo mismo le sucede al electrón. También sabemos que en un sistema cerrado, la energía es una cantidad conservada. Cuando se mueve hacia el núcleo, la energía potencial disminuye y la energía cinética aumenta. En el núcleo, se dice que la energía potencial del electrón es infinito negativo y que la energía cinética es infinito positivo. Pero en cualquier otro punto, el aumento de la energía cinética es el doble de la energía potencial. Por lo tanto, la energía cinética tiene “más jugo”, por así decirlo, y por lo tanto no cae en el núcleo, sino que lo pasa.
Piensa en el sistema solar. Si el sol es el núcleo, ¿por qué los planetas (los electrones) no chocan contra el sol? Claramente, son atraídos por la fuerza gravitacional del sol. En realidad están acelerados hacia el sol. Pero dada su velocidad extremadamente alta (la tierra se mueve a unos 30 kilómetros por segundo, fallan. Si lanzas una pelota, eventualmente se cae. Pero si la lanzas lo suficientemente rápido, también se alejará de la tierra. Interesante ¿no es así?
Ahora que estábamos hablando de la mecánica cuántica, se siente mal dejar el principio de incertidumbre de Heisenberg fuera de esta discusión. Escuchará variaciones de redacción ligeramente diferentes de este principio. Establece que puedes conocer la ubicación o el momento de una partícula cuántica con cierto grado de precisión. A medida que aumenta la precisión de una cantidad, la precisión de la otra cantidad disminuirá. Se representa matemáticamente como,
ΔX ΔP ≥ ħ / 2
ΔX es la incertidumbre en la posición (ubicación), ΔP es la incertidumbre en el momento, y ħ es la constante de Planck reducida.
Es por eso que dije antes que aunque toda la materia expresa la dualidad onda-partícula, aplicar estos conceptos a objetos macroscópicos no es muy intuitivo. Piensa en cualquier objeto que esté en reposo. Una silla, tal vez. Puedes ver que la silla está en reposo. Por lo tanto, el impulso de la silla es 0. Dado que el impulso de la silla es 0, también podemos decir que la incertidumbre del impulso también es 0. Si ese es el caso, para que el principio de incertidumbre de Heisenberg sea verdadero, la incertidumbre en la posición debe ser infinito Si la incertidumbre en la posición es infinita, la ubicación de la silla es completamente desconocida. Pero puedes ver claramente dónde está. ¿Qué es esta hechicería? No entraré en muchos detalles ya que ya lo he arrastrado tanto tiempo. Pero saber que nada está en reposo (por lo que el impulso no es realmente 0), y la constante de Planck reducida es una cantidad extremadamente pequeña (1.05457 x 10 ^ (- 34) Js) le dará una idea.
Espero que esto haya ayudado a aclarar algunas cosas y espero no haberlo hecho sonar aún más confuso de lo que ya es.
” Parece que a veces debemos usar una teoría y a veces la otra, mientras que a veces podemos usar cualquiera. Nos enfrentamos a un nuevo tipo de dificultad. Tenemos dos imágenes contradictorias de la realidad; por separado, ninguna de ellas explica completamente el fenómenos de luz, pero juntos lo hacen “- Albert Einstein
