Buena pregunta.
La respuesta a esta pregunta se basa en las raíces de la mecánica cuántica. La Mecánica Cuántica fue forjada especialmente porque en cierto punto las reglas de la mecánica clásica dejaron de dar respuestas completas, para explicar varias preguntas sobre la naturaleza y la estabilidad de la materia.
La teoría electromagnética clásica suponía que el electrón era una bola de billar como partícula, girando alrededor del núcleo en una trayectoria circular / elíptica. En este modelo, se creía que la fuerza electrostática de atracción entre el electrón y el protón proporcionaba la fuerza centrípeta requerida para la trayectoria circular. Sin embargo, esto condujo a una contradicción. La teoría electromagnética clásica predijo que una carga acelerada emite radiaciones electromagnéticas. Por lo tanto, un electrón acelerador clásico perdería energía a medida que las radiaciones EM, y eventualmente caerían al núcleo; haciendo que el átomo sea inestable.
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El modelo de mecánica cuántica fue un intento de explicar estas deficiencias de la mecánica clásica a nivel cuántico. Una de las teorías clave en este modelo fue la dualidad onda-partícula, la materia y la radiación tenían un comportamiento dual; pueden comportarse como ondas y pueden poseer características similares a partículas. Louis de Broglie dio una relación entre las dos características, que se conoce como la ecuación de De Broglie [matemáticas] \ lambda = \ frac {h} {p} [/ matemáticas], donde [matemáticas] \ lambda [/ matemáticas] es la longitud de onda (un atributo de ondas) y [matemática] p [/ matemática] es el impulso (un atributo de partículas), [matemática] h [/ matemática] es la constante de la tabla.
Schrodinger desarrolló una ecuación que incorpora la dualidad onda-partícula para explicar el átomo. Resolver esta ecuación nos da ciertos valores de la función de onda [matemática] \ psi [/ matemática], para la cual el electrón no irradia, lo que significa que su energía Total no cambia con el tiempo. Estas soluciones independientes del tiempo para la ecuación de Schrodinger son lo que llamamos “orbitales”.
¿Cuál es entonces el modelo mecánico cuántico?
Una forma intuitiva es pensar en ondas de materia. Si el electrón fuera una partícula puntual, tendría que comenzar desde una posición definida, por ejemplo, en algún lugar de su órbita, y todo sentiría la atracción eléctrica hacia el núcleo y comenzaría a caer como una piedra. No pudo encontrar una órbita estable como la luna, ya que está cargada y cada vez que se acelera emite radiación electromagnética, como en una antena de radio que transmite ondas de radio. Pero luego pierde energía y no puede mantener su órbita.
Cuando el electrón está cerca del átomo, se atraen cargas opuestas y se dice que el electrón está atrapado en un pozo potencial. Se está moviendo, por lo que tiene energía cinética positiva (siempre), pero la energía potencial de Coulomb es negativa y en mayor cantidad. El electrón debe reducir la velocidad si se aleja del átomo para mantener una energía total constante para el sistema. Alcanza la velocidad cero (energía cinética cero) a cierta distancia finita, aunque la mecánica cuántica permite un poco de trampa con una función de onda exponencialmente decreciente más allá de esa distancia.
El electrón está confinado a un espacio pequeño, una región esférica alrededor del núcleo. Siendo así, la longitud de onda de su función de onda debe, en cierto sentido, “encajar” en ese espacio: exactamente uno, dos, tres o n, los nodos deben encajar radial y circunferencialmente. Usamos el número cuántico familiar [matemática] n, l, m [/ matemática]. Hay niveles de energía discretos y funciones de onda distintas para cada estado cuántico.
¿Qué son los orbitales?
Probemos un ángulo ligeramente diferente esta vez.
Antes de llegar a los orbitales atómicos, ¿qué significa que un electrón “esté” en alguna parte?
Supongamos que miro un electrón y veo dónde está. Esto suena sencillo, pero ¿qué hice cuando ‘miré’ el electrón? Debo haber observado algún fotón que acababa de interactuar con ese electrón. Si quiero tener una idea del movimiento del electrón (no solo su momento instantáneo, sino su posición en función del tiempo), necesito observarlo durante un período de tiempo. Sin embargo, este es un problema, porque solo puedo observar el electrón cada vez que interactúa con un fotón que puedo observar. En realidad, es imposible para mí observar el electrón continuamente, solo puedo obtener instantáneas de su posición.
Una colección de tales instantáneas del electrón alrededor del núcleo se llama distribución de probabilidad del electrón. La distribución de probabilidad “nube” tiene una forma particular, dentro de la cual la probabilidad de encontrar el electrón es muy alta. Tal forma es la orbital.
Matemáticamente, podemos resolver la ecuación de Schrodinger para la función de onda [matemáticas] \ psi [/ matemáticas], y descubrir los orbitales (usando la regla de Born, [matemáticas] P = \ int {\ psi} ^ 2 dV [/ matemáticas], La región donde [matemáticas] P [/ matemáticas], es alta, demarca un orbital).
Hay ciertas formas que simplemente equilibran todo: por ejemplo, el orbital más bajo es una forma irregular con centro en el centro del núcleo y adelgazante en todas las direcciones como una curva de campana o una colina. Aunque todas las partes del electrón manchado pueden sentirse atraídas por el núcleo, existe una especie de efecto que es puramente mecánico cuántico, una consecuencia de esta ecuación de onda, que resiste que: si todas las partes se acercan al núcleo, la joroba se vuelve más agudo, un pico más agudo y más alto, pero esto aumenta el lado izquierdo de la ecuación (mayor curvatura). Esto aumentaría la magnitud del lado derecho, y ese mayor movimiento tiende a dispersar el pico nuevamente. Entonces, la onda de electrones, en este estado estacionario en particular, permanece donde está porque esta resistencia mecánica cuántica equilibra exactamente la fuerza de Coulomb.
