¿Qué hace que los electrones se muevan alrededor de un núcleo para siempre? (Todo cuerpo en movimiento está obligado a detenerse en algún momento, incluso uno que funciona con combustible).

El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica combinado con la ley de conservación de energía.

Un vehículo, incluso uno con combustible, finalmente se detiene porque el combustible se quema y la fricción extiende la energía cinética al movimiento térmico de la materia a su alrededor. Cuando el vehículo se detiene, se encuentra en un estado de la energía más baja posible, lo que significa “sin movimiento” en el caso del vehículo.

Sin embargo, los electrones en un estado fundamental de un átomo corresponden a este “estado de energía más bajo”, al igual que el vehículo estático, ¡aunque se muevan! ¿Como es posible? ¿No pueden moverse menos rápido?

No pueden, debido al principio de incertidumbre. La velocidad y la distancia del (de los) electrón (es) desde el núcleo son bastante pequeñas. Los electrones quieren que los hagan lo más pequeños posible, porque al reducir la distancia desde el núcleo, uno reduce la energía potencial; y al reducir la velocidad, uno reduce la energía cinética.

Sin embargo, la velocidad y la distancia no pueden ser simultáneamente demasiado pequeñas, cercanas a cero, porque serían pequeñas y precisas y eso contradeciría el principio de incertidumbre de Heisenberg diciendo que “la incertidumbre de la posición multiplicada por la incertidumbre del momento nunca es menor que la de Planck constante más o menos “.

Por lo tanto, los electrones encuentran un compromiso: la distancia real desde el núcleo y la velocidad típica de los electrones en un átomo, para lo cual el electrón es lo suficientemente bajo y mínimo. Este estado fundamental de un átomo (incluidos los electrones en órbita) tiene una energía bien definida (la energía total es negativa porque la energía potencial negativa gana, es por eso que los electrones y los núcleos están “unidos”, o “estados unidos”) y no existe un estado de baja energía del movimiento. Como no hay forma de reducir aún más la energía, nunca sucede. Los electrones todavía tienen una velocidad promedio distinta de cero, pero de lo contrario ya están en el estado de “energía más baja posible”, al igual que el vehículo después de que las fuerzas de fricción lo detuvieron.

Aparentemente no “para siempre”, porque ni los protones ni los neutrones son * finalmente * estables. Hasta donde sabemos, los núcleos no son características permanentes del mundo.

Sin embargo, si ignoramos esta inestabilidad a largo plazo, su argumento no es realmente correcto. ¿Por qué cada cuerpo en movimiento está obligado a detenerse? Cuando mencionas “combustible”, parece que estás pensando en un motor que está funcionando a través de los recursos al continuar; tiene que superar la fricción, o algo así, y eventualmente debe quedarse sin energía disponible para correr.

Esto no es lo que sucede en el mundo cuántico en absoluto. La cuantización significa que no puede seguir derrochando pequeñas cantidades de energía trabajando hasta que se acumulan y el sistema se detiene. Solo unas pocas transiciones de estado, generalmente relativamente grandes, están disponibles y tienden a ser reversibles. Un electrón puede ser “bombeado” a un estado de mayor energía, por ejemplo, absorbiendo un fotón, pero luego caerá hacia atrás, emitiendo un fotón. Simplemente continuar en el mismo estado no funciona.

La escasez de los estados disponibles significa que no se pueden invocar argumentos termodinámicos en absoluto para decir que el sistema debe seguir acumulando cambios irreversibles que disminuyan la energía disponible. Hay algunas características que rompen la simetría que evitan que el tiempo sea completamente reversible, pero no están asociadas (en la medida en que mi conocimiento limitado se extiende) con “simplemente continuar”, sino con acciones relativamente drásticas como la destrucción de partículas, que no Parece ser lo que tienes en mente.

Bueno, aquí está la cosa, no se mueven. Ellos solo están ahí. En todas partes pueden estar todos a la vez. Resulta que un electrón en un átomo no es un punto móvil, es un haz de energía existente dentro de un campo de probabilidad.