La respuesta estándar a esta pregunta es poner los ojos en blanco y decir: “tienes que resolver la ecuación de Schrödinger no lineal, por supuesto”. O simplemente gruñir, presión de degeneración electrónica o principio de exclusión de Pauli, como si esa fuera una respuesta buena y satisfactoria. .
Probablemente haya hecho esta pregunta porque sabe que un haz de electrones que es acelerado (doblado, girado) por un campo magnético emitirá radiación sincrotrón si es relativista y radiación de ciclotrón si no es relativista, entonces, ¿por qué no un electrón que es viajar alrededor de un núcleo hace lo mismo?
Para responder a esta pregunta, primero necesitamos saber qué tan rápido viajan los electrones alrededor de un núcleo. ¿Qué tan rápido viajan los electrones en un orbital atómico? y esto resulta ser alrededor de 1/137 de la velocidad de la luz. Esta es la razón por la cual las estimaciones no relativistas funcionan tan bien para describir el hidrógeno.
Usando el ciclotrón como nuestro modelo, la fórmula para la energía promedio radiada por unidad de tiempo se da en términos de la dispersión de Thomson de la sección transversal de Thomson multiplicada por el campo magnético al cuadrado y la velocidad al cuadrado y luego todo esto se divide por la velocidad de los tiempos de luz La permeabilidad al vacío.
Entonces, para calcular qué podría ser esto en hidrógeno, tenemos que hacer una estimación del campo magnético del núcleo. Digamos que el momento magnético para nuestro Nuclear Spin es 3e-8 eV / T y para nuestro electrón, es 2e-8 eV / T.
Un electrón o núcleo colocado en un campo magnético se tambaleará (precesará) alrededor en la frecuencia de Larmor. Tenemos un electrón tambaleándose en el campo magnético de un protón y un protón tambaleándose en el campo magnético de un electrón. ¿Qué tipo de baile podrían ejecutar? El electrón orbitará al protón, pero el protón también estará orbitando alrededor de un punto central.
La energía del electrón en el estado fundamental (órbita más baja posible) es -13,6 eV. Así que lo usaré para estimar un campo magnético de 13.6 / (2 * 2e-8) = 3.5e8 T. Este es el campo necesario para mantener estable la órbita.
Conectando todo esto a la ecuación del ciclotrón, obtenemos que el cambio de energía por segundo debido a la radiación del ciclotrón es
66e-29 [m ^ 2] * 15984 [m / s] * 12.25e16 [T] ^ 2 / 1.257e-6 [Tm / A] = 1 [TAm ^ 2] o [V * A * s] o [ J]
Eso no puede estar bien. Incluso si estropeé el cálculo, el único número aceptable es cero; de lo contrario, los átomos no pueden existir … a menos que el protón irradie la misma cantidad de energía al mismo tiempo que el electrón está radiando. Si constantemente intercambian energía en forma de fotones, eso podría funcionar. ¿Los protones intercambian fotones con electrones?
Uno puede imaginar que el electrón y el protón sostienen cada uno los extremos de una cuerda que se mueven hacia arriba y hacia abajo para emitir fotones. Las sacudidas de protones y electrones están totalmente desfasadas, de modo que la cuerda en cualquier momento dado es perfectamente plana. Tiene cero energía cinética entre ellos. Si esa cuerda (elástica) tiene que acortarse o alargarse cuando el electrón se mueve de un orbital a otro, liberará o absorberá energía (luz) en una cantidad dada por la constante de Planck (¿Cuál es el significado físico de la constante de Planck (h )?) veces la frecuencia con que se había sacudido la cuerda. Tal transición produce, por ejemplo, la serie espectral de hidrógeno o, para la estructura hiperfina, la línea de hidrógeno. Cuanto más se estire la cuerda, mayor será la frecuencia y mayor será la energía que tendrán los fotones emitidos cuando el electrón pase a un orbital más bajo. Al estirar la cuerda, la longitud de onda de luz emitida o absorbida se acorta porque la tensión es mayor (piense en una cuerda de guitarra).
..y es por eso que los electrones emitirán radiación cuando hacen una transición de un orbital superior a uno inferior, pero no emiten radiación mientras están en un orbital estable (girando alrededor del núcleo, en sentido cuántico, de curso).
Aquí puede encontrar una descripción alternativa en términos de mecánica de fluidos en lugar de cadenas: la respuesta del usuario de Quora a ¿Por qué los electrones giran alrededor del núcleo? Sé que la atracción se debe a la fuerza electrostática de atracción, pero ¿giran?
Aquí hay una bonita fotografía de un átomo de hidrógeno La primera imagen de la estructura orbital de un átomo de hidrógeno
y aquí hay una imagen de un video de youtube que explica cómo obtener la función de onda de un átomo de hidrógeno usando la ecuación de Schroedinger